Ansys 第36例熱應(yīng)力分析(間接法)實例—液體管路

1、-作者xxxx-日期xxxxAnsys 第36例 熱應(yīng)力分析(間接法)實例液體管路【精品文檔】第36例 熱應(yīng)力分析（間接法）實例液體管路本例介紹了利用間接法進(jìn)行熱應(yīng)力計算的方法和步驟：首先進(jìn)行熱分析得到結(jié)構(gòu)節(jié)點溫度分布，然后把溫度作為載荷施加到結(jié)構(gòu)上并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。概述利用間接法計算熱應(yīng)力，首先進(jìn)行熱分析，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。熱分析可以是瞬態(tài)的，也可以是穩(wěn)態(tài)的，需要將熱分析求得的節(jié)點溫度作為體載荷施加到結(jié)構(gòu)上。當(dāng)熱分析是瞬態(tài)的時，需要找到溫度梯度最大的時間點，并將該時間點的結(jié)構(gòu)溫度場作為體載荷施加到結(jié)構(gòu)上。由于間接法可以使用所有熱分析和結(jié)構(gòu)分析的功能，所以對于大多數(shù)情況都推薦使用該方法。間接法進(jìn)

2、行熱應(yīng)力計算的主要步驟如下。熱分析瞬態(tài)熱分析的過程在前例已經(jīng)介紹過，下面介紹穩(wěn)態(tài)熱分析。穩(wěn)態(tài)熱分析用于研究穩(wěn)定的熱載荷對結(jié)構(gòu)的影響，有時還用于瞬態(tài)熱分析時計算初始溫度場。穩(wěn)態(tài)熱分析主要步驟如下。1 建模穩(wěn)態(tài)熱分析的建模過程與其他分析相似，包括定義單元類型、定義單元實常數(shù)、定義材料特性、建立幾何模型和劃分網(wǎng)格等。但需注意的是：穩(wěn)態(tài)熱分析必須定義材料的導(dǎo)熱系數(shù)。 2施加載荷和求解(1)指定分析類型。Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis,選擇 Static.(2)施加載荷?？梢允┘拥妮d荷有恒定的溫度、熱流率、對流、熱流密度、生熱率，Main MenuS

3、olutionDefine LoadsApplyThermal.(3)設(shè)置載荷步選項。普通選項包括時間（用于定義載荷步和子步）、每一載荷步的子步數(shù)，以及階躍選項等, Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTimeTime Step.非線性選項包括：迭代次數(shù)（默認(rèn)25），Main MenuSolutionLoad Step OptsNonlinearEquilibrium Iter;打開自動時間步長，Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTimeTime Step等.輸出選項包括：控制打印的輸出，

4、Main MenuSolutionLoad Step OptsOutput CtrlsSolu Printout;控制結(jié)果文件的輸出，Main MenuSolutionLoad Step OptsOutput CtrlsDB/Results File o(4)設(shè)置分析選項。牛頓拉普森選項（僅對非線性分析有用）。選擇求解器。確定絕對零度（在熱輻射分析時使用）。(5)求解。3.查看結(jié)果穩(wěn)態(tài)熱分析使用POST1后處理器查看結(jié)果，對于熱應(yīng)力計算而言，查看結(jié)果不是必要的。結(jié)構(gòu)分析與一般的結(jié)構(gòu)分析過程大致相同，不同的有以下幾點。(1) 轉(zhuǎn)換單元。將熱單元轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元，并設(shè)置需要的單元選項，Main

5、 MenuPreprocessorElement TypeSwitch Elem Type o2)設(shè)置結(jié)構(gòu)分析的材料屬性，例如，熱膨脹系數(shù)、彈性模量、泊松比等。設(shè)置前處理細(xì)節(jié)，例如，節(jié)點耦合等，Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models。(3)讀入熱分析得到的節(jié)點溫度， Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralTemperatureFrom Therm Analy。(4)指定參考溫度，當(dāng)計算熱膨脹大小時，溫度差等于節(jié)點溫度減去參考溫度，Main MenuSolutionDefine Loa

6、dsSettingsReference Temp o問題描述某液體管路內(nèi)部通有液體，外部包裹有保溫層，保溫層與空氣接觸如圖36-1所示。已知管路由鑄鐵制造，其導(dǎo)熱系數(shù)為70W/(m .)，彈性模量為2xl011N/m2，泊松比為，熱膨脹系數(shù)為1.2x10-6/；保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)為0.02W/( m )，彈性模量為2x1010Nm2，泊松比為0.4，熱膨脹系數(shù)為1.2 x10-6/；管路內(nèi)液體壓力為，溫度為70，對流換熱系數(shù)為1W/(m2)；空氣溫度為-40，對流換熱系數(shù)為0.5W/(m2)。圖36-1 液體管路試分析管路內(nèi)熱應(yīng)力的情況。36.3 分析步驟 改變?nèi)蝿?wù)名拾取菜單Utility Me

7、nuFileChange Jobname，彈出如圖36-2所示的對話框，在“FILNAM”文本框中輸入EXAMPLE36，單擊“OK”按鈕。圖36-2 改變?nèi)蝿?wù)名對話框選擇單元類型拾取菜單Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete, 彈出“Element Types”對話框，單擊其“Add”按鈕，彈出如圖36-3所示的對話框，在左側(cè)列表中選“Thermal Solid”， 在右側(cè)列表中選“8node 77”，單擊“OK”按鈕，返回到“Element Types”對話框，選中“Type l PLANE77”，單擊 “Options”按鈕，彈出

8、如圖36-4所示的對話框，選擇“K3”下拉列表框為“Axisymmetric”，單擊“OK”按鈕，然后單擊如圖36-3所示對話框的“Close”按鈕。圖36-3 單元類型庫對話框圖36-4 單元選項對話框定義材料模型拾取菜單Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models，彈出如圖36-5所示的對話框，在右側(cè)列表中依次拾取“Thermal”、“Conductivity”、“Isotropic”， 彈出如圖36-6所示的對話框，在“KXX”文本框中輸入70（導(dǎo)熱系數(shù)），單擊“OK”按鈕。單擊如圖36-5所示對話框的菜單項MaterialNew

9、Model，單擊所彈出“Define Material ID”對話框中的OK”按鈕，然后重復(fù)定義材料模型1時的各步驟，定義材料模型2的導(dǎo)熱系數(shù)為，最后關(guān)閉如圖36-5所示的對話框。圖36-5 材料模型對話框圖36-6 材料特性對話框創(chuàng)建矩形面，模擬金屬管路和保溫層拾取菜單 Main MenuPreprocessorModeling CreateAreasRectangle By Dimension，彈出如圖36-7所示的對話框，在“，X2 “文本框中分別輸入，在“Y1，Y2”文本框中分別輸入0，1，單擊“Apply”按鈕。再次彈出如圖36-7所示的對話框，在“Xl，X2”文本框中分別輸入，在“

10、Y1，Y2”文本框中分別輸入0，1，單擊“按鈕?！監(jiān)K”按鈕。圖36-7 創(chuàng)建矩形對話框.5黏結(jié)面拾取菜單Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansGlueAreas , 彈出拾取窗口，單擊“Pick All”按鈕。顯示面號拾取菜單Utility MenuPlotCtrlsNumbering,在所彈出“Plot Numbering Controls”對話框中，將Area Numbers（面號）打開，單擊“OK”按鈕。劃分單元拾取菜單Main MenuPreprocessorMeshingMeshTool，彈出如圖36-8所示的對話框。選擇“Elem

11、ent Attributes”的下拉列表框為“Areas”，單擊下拉列表框后面的“Set”按鈕，彈出拾取窗口，選擇面1，單擊拾取窗口中的“OK”按鈕，彈出“Areas Attributes”對話框，選擇“MAT”下拉列表框為1，單擊“Apply”按鈕，再次彈出拾取窗口，選擇面3，單擊拾取窗口中的“OK”按鈕，選擇“Areas Attributes”對話框的“MAT”下拉列表框為2，單擊“OK”按鈕。圖36-8 單元工具對話框圖36-9 單元尺寸對話框單擊“Size Controls”區(qū)域中“Global”后面的“Set”按鈕，彈出如圖36-9所示的對話框，在“SIZE”文本框中輸入，單擊“OK

12、”按鈕。在如圖36-8所示對話框中的“Mesh”區(qū)域，選擇單元形狀為“Quad”（四邊形），選擇劃分單元的方法為“Mapped”（映射），單擊“Mesh”按鈕，彈出拾取窗口，拾取面1和面3，單擊“OK”按鈕。36.3.8 施加對流邊界條件拾取菜單Main MenuSolutionDefine LoadsApplyThermalConvectionOn Lines，彈出拾取窗口，拾取最左面一條直線（即x坐標(biāo)最小的直線），單擊“OK”按鈕，彈出如圖36-10所示的對話框，在“VAL1”文本框中輸入1，在“VAL2I”文本框中輸入70，單擊“OK”按鈕。再次執(zhí)行命令，彈出拾取窗口，拾取最右面一條直線

13、（即x坐標(biāo)最大的直線），單擊“OK”按鈕，彈出如圖36-10所示的對話框，在“VAL1”文本框中輸入，在“VAL2I”文本框中輸入-40，單擊”O(jiān)K“按鈕。圖36-10 施加對流邊界條件對話框求解拾取菜單Main MenuSolutionSolveCurrent LS，單擊“Solve Current Load Step 對話框中的“OK”按鈕，當(dāng)出現(xiàn)“Solution is done!”提示時，求解結(jié)束。以下進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。36.3.10 轉(zhuǎn)換熱單元為結(jié)構(gòu)單元拾取菜單Main MenuPreprocessorElement TypeSwitch Elem Type,彈出如圖36-11所示的對話

14、框，選擇“Change element type”下拉列表框為“Thermal to Struc”，單擊”O(jiān)K”按鈕。圖36-11 轉(zhuǎn)換單元類型對話框設(shè)定單元軸對稱選項拾取菜單Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete彈出“Element Types”對話框，單擊其“Options”按鈕，彈出如圖36-12所示的對話框，選擇“K3”下拉列表框為“Axisymmetric”，單擊“OK”按鈕，然后單擊“Element Types”對話框的“Close”按鈕。圖36-12 單元選項對話框36.3.12 定義村料模型拾取菜單Main MenuPr

15、eprocessorMaterial PropsMaterial Models，彈出如圖36-5所示的對話框，在左側(cè)列養(yǎng)沖選中“Material Model Number 1”，在右側(cè)列表中依農(nóng)拾取“Structural”、“Linear”、“Elastic”、“Isotropic”，彈出如圖36-13所示的對話框，在“EX”文本框中輸入2e11（彈性模量），在“PRXY”文本框中輸入（泊松比），單擊“OK”按鈕再在如圖36_5所示對話框的右側(cè)列表中依次拾取“Structural”、“Thermal Expansion”、“Secant Coefficient”、“Isotropic”，彈出如

16、圖36-14所示的對話框，在“ALPX”文本框中輸入（線膨脹系數(shù)），然后單擊“OK”按鈕。圖36-13 材料特性對話框（一）圖36-14 材料特性對話框（二） 選擇如圖36-5所示對話框左側(cè)列表中的“Material Model Number 2”，用與Material Model Number 1同樣的方法，定義彈性模量EX為2e10、泊松比PRXY為、線膨脹系數(shù)ALPX為。最后關(guān)閉如圖36-5所示的對話框。.13 施加約束拾取菜單Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Lines，彈出拾取窗口，拾取水平方向的所有

17、直線（即長度較短的4條直線），單擊“OK”按鈕，彈出如圖36-15所示的對話框，在列表中選擇“UY”，單擊“OK”按鈕。圖36-15 施加約束對話框施加壓力載荷拾取菜單Main MenuSolution-DefineLoadsApplyStructuralPressureOn Lines，彈出拾取窗口，拾取最左面一條直線（即x坐標(biāo)最小的直線），單擊“OK”按鈕，彈出如圖36-16所示的對話框，在“VALUE”文本框中輸入3e5，單擊“OK”按鈕。 圖36-16 施加壓力載荷對話框讀入熱分析所得到的節(jié)點溫度拾取菜單 Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStruct

18、uralTemperatureFrom Therm Analy，彈出如圖36-17所示的對話框，在“Fame”文本框中輸入EXAMPLE36Roth或者單擊“Browse”按鈕在ANSYS工作文件夾中選擇同一文件，單擊“OK”按鈕。圖36-17 從熱分析讀入節(jié)點溫度對話框指定參考溫度拾取菜單Main MenuSolutionDefine LoadsSettingsReference Temp,彈出如圖36-18所示的對話框，在“TREF”文本框中輸入20，單擊“OK”按鈕。圖36-18 定義參考溫度對話框在計算熱膨脹大小時，溫度差等于節(jié)點溫度減去參考溫度，參考溫度的默認(rèn)值為0。.17求解拾取菜

19、單Main MenuSolutionSolveCurrent LS，單擊“Solve Current Load Step”對話框中的“OK”按鈕，當(dāng)出現(xiàn)“Solution is done!”提示時，求解結(jié)束，即可查看即可查看結(jié)果。查看結(jié)果，用等高線顯示Von Mises應(yīng)力拾取菜單Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu，彈出“Contour Nodal Solution Data”對話框，在列表中依次選擇” Nodal SolutionStressvon Mises SEQV”（第四強(qiáng)度理論的等效應(yīng)力），單擊“OK

20、”按鈕。結(jié)果如圖36-19所示，可以看出，Von Mises應(yīng)力的最大值為8Pa，即58.8MPa。圖36-19 液體管路的Von Mises應(yīng)力第37例熱應(yīng)力分析（直接法）實例-液體管路本例介紹了利用直接法進(jìn)行熱應(yīng)力計算的方法和步驟，與間接法相比，直接法步驟更簡捷，但要使用耦合單元進(jìn)行非線性分析，計算量較大。37.1 概述與一般的分析過程相似，只是要使用耦合單元，并同時施加結(jié)構(gòu)分析和熱分析的約束和載荷。問題描述 為了與間接法進(jìn)行熱應(yīng)力計算相對比，本例采用了與第36例相同的模型一液體管路。分析步驟37.改變?nèi)蝿?wù)名拾取菜單Utility MenuFileChange Jobname，彈出如圖37

21、-1所示的對話框，在“/FILNAM”文本框中輸入EXAMPLE37，單擊”O(jiān)K“按鈕。圖37-1 改變?nèi)蝿?wù)名對話框選擇單元類型拾取菜單Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete，彈出“Element Types”對話框，單擊其“Add。，”按鈕，彈出如圖37-2所示的對話框，在左側(cè)列表中選 “Coupled Field”，在右側(cè)列表中選“Vector Quad 13”，單擊“OK”按鈕，返回到“Element Types”對話框，選中“Type l PLANE13”，單擊“Options”按鈕，彈出如圖37-3所示的對話框，選擇“K1”下

22、拉列表框為“UX UY TEMP AZ”，選擇“K3”下拉列表框為“Axisymmetric”，單擊“OK”按鈕，單擊如圖37-2所示對話框中的“Close”按鈕。圖37-2 單元類型庫對話框圖37-3 單元選項對話框37.3.3 定義材料模型拾取菜單Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models，彈出如圖37-4所示的對話框，在右側(cè)列表中依次拾取“Thermal”、“Conductivity”、“Isotropic”，彈出如圖37-5所示的對話框，在“KXX”文本框中輸入70（導(dǎo)熱系數(shù)），單擊OK”按鈕；再在右側(cè)列表中依次拾取“Struc

23、tural”、“Linear”、“Elastic”、“Isotropic”，彈出如圖37-6所示的對話框，在“EX”文本框中輸入2ell（彈性模量），在“PRXY”文本框中輸入（泊松比），單擊“OK”按鈕；再在右側(cè)列表中依次拾取“Structural”、“Thermal Expansion”、“Secant Coefficient”、“Isotropic”，彈出如圖37-7所示的對話框，在“ALPX”文本框中輸入（線膨脹系數(shù)），單擊“OK”按鈕。單擊如圖37-4。所示對話框的菜單項MaterialNew Model，單擊所彈出“Define Material ID”對話框中的“OK”按鈕，然后

24、重復(fù)定義材料模型1時的各步驟，定義材料模型2的導(dǎo)熱系數(shù)KXX為0.02、彈性模量EX為2e10、泊松比PRXY為、線膨脹系數(shù)ALPX為。最后關(guān)閉如圖37-4所示的對話框。圖37-4 材料模型對話框圖37-5 材料特性對話框（一）圖37-6 材料特性對話框（二）圖37-7 材料特性對話框（三）.4 創(chuàng)建矩形面，模擬金屬管路和保溫層拾取菜單Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasRectangleBy Dimension，彈出如圖37-8所示的對話框，在“X1，x2”文本框中分別輸入，在“Y1，Y2”文本框中分別輸入0，1，單擊“Apply”按鈕。再次彈出如

25、圖37-8所示的對話框，在“Xl，X2”文本框中分別輸入，0.2，在“Y1，Y2”文本框中分別輸入0，1，單擊”O(jiān)K“按鈕。圖37-8創(chuàng)建矩形對話框黏結(jié)面拾取菜單 Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansGlueAreas。彈出拾取窗口，單擊“Pick All”按鈕。顯示面號拾取菜單Utility MenuPlotCtrlsNumbering,將所彈出 “Plot Numbering Controls”對話框中的Area Numbers（面號）打開，單擊”O(jiān)K“按鈕。.7劃分單元拾取菜單Main MenuMeshingMeshTool，彈出如圖3

26、7-9所示的對話框。選擇“Element Attributes”下拉列表框為“Areas”，單擊下拉列表框后面的“Set”按鈕，彈出拾取窗口，選擇面1，單擊拾取窗口中的“OK”按鈕，彈出Areas Attributes”對話框，選擇“MAT”下拉列表框為1，單擊“Apply”按鈕，再次彈出拾取窗口，選擇面3，單擊拾取窗口中的“OK”按鈕，選擇“Areas Attributes”對話框的“MAT”下拉列表框為2，單擊OK按鈕。單擊“Size Controls”區(qū)域中“Global”后面的“Set”按鈕，彈出如圖37-10所示的對話框，在“SIZE”文本框中輸入，單擊“OK”按鈕。在如圖37-9所

27、示對話框的“Mesh”區(qū)域，選擇單元形狀為 Quad”（四邊形），選擇劃分單元的方法為“Mapped”（映射），單擊“Mesh”按鈕，彈出拾取窗口，拾取面1和面3，單擊“OK”按鈕。圖37-9 單元工具對話框圖37-10 單元尺寸對話框37.流邊界條件施加對流拾取菜單Main MenuSolutionDefine Loads ApplyThermalConvectionOn Lines，彈出拾取窗口，拾取最左面一條直線（即x坐標(biāo)最小的直線），單擊“OK”按鈕，彈出如圖37-11所示的對話框，在“VALI”文本框中輸入1（對流換熱系數(shù)），在“VAL2I”文本框中輸入70 (溫度)，單擊“OK”按鈕，再次執(zhí)行命令，彈出拾取窗口，拾取最右面一條直線（即x坐標(biāo)最大的直線），單擊“OK”按鈕，彈出如圖37-11所示的對話框，在“VAL1”文本框中輸入（對流換熱系數(shù)），在“VA