ANSYS熱應(yīng)力分析實例

1、ANSYS 熱應(yīng)力分析實例當(dāng)一個結(jié)構(gòu)加熱或冷卻時，會發(fā)生膨脹或收縮。如果結(jié)構(gòu)各部分之間膨脹收縮程度不同，和結(jié)構(gòu)的膨脹、收縮受到限制，就會產(chǎn)生熱應(yīng)力。7.1 熱應(yīng)力分析的分類ANSYS 提供三種進行熱應(yīng)力分析的方法：在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中直接定義節(jié)點的溫度。如果所以節(jié)點的溫度已知，則可以通過命令直接定義節(jié)點溫度。 節(jié)點溫度在應(yīng)力分析中作為體載荷，而不是節(jié)點自由度間接法。首先進行熱分析，然后將求得的節(jié)點溫度作為體載荷施加在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中。直接法。使用具有溫度和位移自由度的耦合單元，同時得到熱分析和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的結(jié)果。如果節(jié)點溫度已知，適合第一種方法。但節(jié)點溫度一般是不知道的。對于大多數(shù)問題，推薦使用第二

2、種方法 間接法。因為這種方法可以使用所有熱分析的功能和結(jié)構(gòu)分析的功能。 如果熱分析是瞬態(tài)的， 只需要找出溫度梯度最大的時間點，并將此時間點的節(jié)點溫度作為荷載施加到結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中去。 如果熱和結(jié)構(gòu)的耦合是雙向的，即熱分析影響結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析， 同時結(jié)構(gòu)變形又會影響熱分析 （如大變形、接觸等），則可以使用第三種直接法 使用耦合單元。此外只有第三種方法可以考慮其他分析領(lǐng)域（電磁、流體等）對熱和結(jié)構(gòu)的影響。7.2 間接法進行熱應(yīng)力分析的步驟首先進行熱分析?？梢允褂脽岱治龅乃泄δ埽▊鲗?dǎo)、對流、輻射和表面效應(yīng)單元等， 進行穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱分析。 但要注意劃分單元時要充分考慮結(jié)構(gòu)分析的要求。例如，在有可能有應(yīng)

3、力集中的地方的網(wǎng)格要密一些。 如果進行瞬態(tài)分析，在后處理中要找出熱梯度最大的時間點或載荷步。表 7-1 熱單元及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元熱單元結(jié)構(gòu)單元LINK32LINK1LINK33LINK8PLANE35PLANE2PLANE55PLANE42SHELL57SHELL63PLANE67PLANE42LINK68LINK8SOLID79SOLID45MASS71MASS21PLANE75PLANE25PLANE77PLANE82PLANE78PLANE83PLANE87PLANE92PLANE90PLANE95SHELL157SHELL63重新進入前處理，將熱單元轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元，表 7-1 是熱

4、單元與結(jié)構(gòu)單元的對應(yīng)表?？梢允褂貌藛芜M行轉(zhuǎn)換：Main Menu>Preprocessor>Element Type>Switch Element Type ，選擇 Thermal to Structual 。但要注意設(shè)定相應(yīng)的單元選項。 例如熱單元的軸對稱不能自動轉(zhuǎn)換到結(jié)構(gòu)單元中，需要手工設(shè)置一下。 在命令流中， 可將原熱單元的編號重新定義為結(jié)構(gòu)單元，并設(shè)置相應(yīng)的單元選項。設(shè)置結(jié)構(gòu)分析中的材料屬性（包括熱膨脹系數(shù)）以及前處理細節(jié)，如節(jié)點耦合、約束方程等。讀入熱分析中的節(jié)點溫度，GUI ：Solution>Load Apply>Temperature>Fro

5、m Thermal Analysis 。輸入或選擇熱分析的結(jié)果文件名 *.rth 。如果熱分析是瞬態(tài)的，則還需要輸入熱梯度最大時的時間點或載荷步。節(jié)點溫度是作為體載荷施加的，可通過 Utility Menu>List>Load>Body Load>On all nodes 列表輸出。設(shè)置參考溫度， Main Menu>Solution>Load Setting>Reference Temp。進行求解、后處理。7.3 間接法熱應(yīng)力分析實例問題描述圖 7-1 冷卻柵示意圖熱流體在代有冷卻柵的管道里流動，如圖為其軸對稱截面圖。管道及冷卻柵的材料均為不銹鋼，導(dǎo)

6、熱系數(shù)為 1.25Btu/hr-in-oF ，彈性模量為 28E6lb/in2 泊松比為 0.3 。管壓力為 1000 lb/in2 ，管流體溫度為 450 oF ，對流系數(shù)為 1 Btu/hr-in2-oF, 外界流體溫度為 70 oF ，對流系數(shù)為 0.25 Btu/hr-in2-oF 。求溫度及應(yīng)力分布。菜單操作過程設(shè)置分析標(biāo)題1、選擇 “ Utility Menu>File>Change Title ，輸入”Indirect thermal-stress Analysis of a cooling fin 。2、選擇 “ Utility Menu>File>Ch

7、ange Filename，輸入” PIPE_FIN 。進入熱分析，定義熱單元和熱材料屬性1、選擇 “ Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete PLANE55 ，設(shè)定單元選項為軸對稱。，選”擇2、設(shè)定導(dǎo)熱系數(shù)：選擇 “ Main Menu>Preprocessor>Material Porps>Material Models ”，點擊 Thermal ，Conductivity ， Isotropic ，輸入 1.25 。創(chuàng)建模型1、創(chuàng)建八個關(guān)鍵點， 選擇 “ Main Menu>Prep

8、rocessor>Creat>Keypoints>On Active CS ，”關(guān)鍵點的坐標(biāo)如下：編號12345678X5612126655Y0000.250.25110.252、組成三個面：選擇 “ MainMenu>Preprocessor>Creat>Area>Arbitrary>Throuth Kps ，由”1,2,5,8 組成面 1；由 2,3,4,5 組成面 2；由 8,5,6,7 組成面 3。3、設(shè)定單元尺寸，并劃分網(wǎng)格： “ Main Menu>Preprocessor>Meshtool，”設(shè)定 global size

9、 為 0.125 ，選擇 AREA ， Mapped ， Mesh ，點擊 Pick all 。施加荷載1、選擇 “ Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By location>X coordinatesFrom Full ，”輸入 5，點擊 OK，選擇管壁節(jié)點；，2、在管壁節(jié)點上施加對流邊界條件：選擇“ MainMenu>Solution>Apply>Convection>On n odes”，點擊 Pick ，all ，輸入對流換熱系數(shù) 1，流體環(huán)境溫度 450 。3、選擇 “ Utility Menu

10、>Select>Entities>Nodes>By location>X coordinatesFrom Full ，”，輸入 6,12 ，點擊 Apply ；4、選擇 “ Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By location>Y coordinatesReselect ”，輸入 0.25,1 ，點擊 Apply ；5、選擇 “ Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By location>Y coordinatesAlso sele

11、ct ，”輸入 12 ，點擊 OK ；，6、在管外邊界上施加對流邊界條件：選擇Menu>Solution>Apply>Convection>On nodes系數(shù) 0.25 ，流體環(huán)境溫度70 ?！?Main ”點擊，Pick ，all ，輸入對流換熱求解1、選擇 “ Utility Menu>Select>Select Everything。”2、選擇 “ Main Menu>Solution>Solve Current LS。 ”后處理1、顯示溫度分布：選擇 “ Main Menu>General Postproc>Plot Res

12、ult>Nodal Solution>Temperature ”。重新進入前處理，改變單元，定義結(jié)構(gòu)材料1、選擇 “ Main Menu>Preprocessor>Element Type>Switch Elem Type選”,擇Thermal to Structure。2、選擇 “ Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete Option ，將結(jié)構(gòu)單元設(shè)置為軸對稱。，點”擊3、選擇 “ Main Menu>Preprocessor>Material Porps>Mat

13、erial Models入材料的 EX 為 28E6 ，PRXY 為 0.3 ， ALPX 為 0.9E-5 。，輸 ”定義對稱邊界條件1、選擇 “ Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By location>Y coordinates From Full ，”，輸入0，點擊Apply ；2、選擇 “ Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By location>Y coordinatesAlso select ，”輸入 1，點擊 Apply ；，3、選擇 “ Main

14、 Menu>Solution>Apply>Displacement>Symmetry B.C. OnNodes”，點擊 Pick All ，選擇 Y axis ，點擊 OK ；施加管壁壓力1、選擇 “ Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By location>X coordinates，F(xiàn)rom Full，”輸入 5，點擊OK；2、選擇 “ Main Menu>Solution>Apply>Pressure>On nodes輸入 1000 。，”點擊Pick All ，設(shè)置參考溫度

15、1、選擇 “ Utility Menu>Select>Select Everything。”2、選擇 “ Main Menu>Solution>-Loads- Setting>Reference Temp輸”入70 。讀入熱分析結(jié)果1、選擇 “ Main Menu>Solution>Apply>Temperature>Fr om Thermal Analysis> ，”選擇 PIPE_FIN.rth 。求解選擇 “Main Menu>Solution>Solve Current LS。”后處理選擇 “Main Menu&g

16、t;General Postpro>Plot Result>Nodal Solution>Stress>Von Mises 。”顯示等效應(yīng)力。等效的命令流方法/filename,pipe_fin/TITLE,Thermal-Stress Analysis of a cooling fin/prep7! 進入前處理et,1,plane55! 定義熱單元keyopt,1,3,1! 定義軸對稱mp,kxx,1,1.25! 定義導(dǎo)熱系數(shù)k,1,5! 建模k,2,6k,3,12k,4,12,0.25k,5,6,0.25k,6,6,1k,7,5,1k,8,5,0.25a,1,2,5

17、,8a,2,3,4,5a,8,5,6,7esize,0.125! 定義網(wǎng)格尺寸amesh,all! 劃分網(wǎng)格eplotfinish/solu! 熱分析求解nsel,s,loc,x,5! 選擇表面節(jié)點sf,all,conv,1,450! 施加對流邊界條件nsel,s,loc,x,6,12! 選擇外表面節(jié)點nsel,r,loc,y,0.25,1nsel,a,loc,x,12sf,all,conv,0.25,70! 施加對流邊界條件nsel,all/pse,conv,hcoef,1nplotsolve! 求解生成 PIPE_FIN.rth 文件finish/post1plnsol,temp! 得到溫

18、度場分布finish/prep7 ! 重新進入前處理etchg,tts! 將熱單元轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)單元plane42keyopt,1,3,1! 定義軸對稱特性mp,ex,1,28e6! 定義彈性模量mp,nuxy,1,0.3! 定義泊松比mp,alpx,1,0.9e-5! 定義熱膨脹系數(shù)finish/solu! 進入結(jié)構(gòu)分析求解nsel,s,loc,y,0! 選擇對稱邊界nsel,a,loc,y,1dsym,symm,y! 定義對稱條件nsel,s,loc,x,5! 選擇表面sf,all,pres,1000! 施加壓力邊界條件nsel,all/pbc,all,1/psf,pres,1nplottre

19、f,70! 設(shè)定參考溫度ldread,temp,rth! 讀入 PIPE_FIN.rth節(jié)點溫度/pbc,all,0/psf,pres,0 分布/pbf,temp,1eplotsolve! 求解finish/post1,plnsol,s,eqv! 得到等效應(yīng)力finish7.4 直接法熱應(yīng)力分析實例問題描述兩個同心圓管之間有一個小間隙，管中突然流入一種熱流體，求經(jīng)過后外管表面的溫度。已知條件:管材彈性模量： 2E11N/m2熱膨脹系數(shù)： 5E-41/ oF泊松比： 0.3導(dǎo)熱系數(shù)： 10W/m.oC密度： 7880Kg/m3比熱： 500J/Kg.oC外管外半徑： 0.131 m外管半徑： 0

20、.121 m管外半徑： 0.12m管半徑： 0.11m流體溫度： 300oC流體與管壁對流系數(shù)： 300W/m2.oC、外管接觸熱導(dǎo)： 0.1W/oC3 分鐘命令流方法/filename,contact_thermal/title,contact_thermal example/prep7et,1,13,4,1!選擇直接耦合單元PLANE13 ，單元自由度為 ux,uy,temp! 定義為軸對稱et,2,48!定義結(jié)構(gòu)接觸單元keyopt,2,1,1!設(shè)定接觸單元的相應(yīng)選項keyopt,2,2,1keyopt,2,7,1r,2,2e11,0,0.0001,0.1!定義接觸單元實常數(shù)mp,ex,1,2e11!定義管材結(jié)構(gòu)及熱屬性mp,alpx,1,5e-5mp,kxx,1,10mp,dens,1,7880mp,c,1,500rect,0.11,0.12,0,0.02!建模rect,0.121,0.131,0,0.02amesh,allnsel,s,loc,x,0.11! 將管壁的 X 方向位移及溫度耦合 cp,1,ux,allcp,2,temp,alln