熱應(yīng)力耦合分析..講課稿

1、INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual熱應(yīng)力耦合分析.INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual在 ANSYS 中求解熱-應(yīng)力問題有兩種方法。這兩種方法各有所長。 順序耦合- 傳統(tǒng)方法是使用兩種單元類型，將熱分析的結(jié)果作為結(jié)構(gòu)的溫度荷載。+ 當(dāng)熱瞬態(tài)分析時(shí)間點(diǎn)很多，但結(jié)構(gòu)時(shí)間點(diǎn)很少時(shí)效率較高。+ 很容易用輸入文件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)處理。 直接耦合+ 比較新的方法，用一種單元類型就能求解兩種物理場(chǎng)問題。+ 熱和結(jié)構(gòu)之間可

2、實(shí)現(xiàn)真正的耦合。- 在某些分析中可能耗費(fèi)過多開銷。INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual 順序耦合方法涉及兩種分析：1. 先作穩(wěn)態(tài)（或瞬態(tài)）熱分析。 建立熱單元模型。 施加熱荷載。 求解并檢查結(jié)果。2. 然后作靜力結(jié)構(gòu)分析。 把單元類型轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)單元。 定義包括熱膨脹系數(shù)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)材料特性。 施加包括從熱分析得到的溫度在內(nèi)的結(jié)構(gòu)荷載。 求解并檢查結(jié)果。熱分析熱分析結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析jobname.rthjobname.rst溫度溫度INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCT

3、ION TO ANSYS 11.0Training Manual1. 熱分析熱分析 該過程在第該過程在第 11 章中描述。章中描述。2. 結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析a) 進(jìn)入前處理，把熱單元類型轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)單元。進(jìn)入前處理，把熱單元類型轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)單元。 Main Menu Preprocessor Element Type Switch Elem Type注意：注意：轉(zhuǎn)換單元類型時(shí)，所有單元選項(xiàng)重新設(shè)置回原來缺省轉(zhuǎn)換單元類型時(shí)，所有單元選項(xiàng)重新設(shè)置回原來缺省狀態(tài)。例如，若用戶在熱分析中使用的狀態(tài)。例如，若用戶在熱分析中使用的 2-D 軸對(duì)稱單元，則軸對(duì)稱單元，則需要在轉(zhuǎn)換后重新指定軸對(duì)稱選項(xiàng)，因此，一定要

4、確保設(shè)置需要在轉(zhuǎn)換后重新指定軸對(duì)稱選項(xiàng)，因此，一定要確保設(shè)置正確的單元選項(xiàng)：正確的單元選項(xiàng)： Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete Options 或用或用 ETLIST 和和 KEYOPT 命令命令I(lǐng)NTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manualb) 定義結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)定義結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì) (EX等等)，包括熱膨脹系數(shù)包括熱膨脹系數(shù) (ALPX) (若使若使用的是用的是 ANSYS 提供的材料庫，材料的熱特性和結(jié)構(gòu)特性均已提供的材料庫，材料的熱

5、特性和結(jié)構(gòu)特性均已定義，該項(xiàng)可以省略定義，該項(xiàng)可以省略).注意：如果沒有定義注意：如果沒有定義 ALPX ，或?qū)⒃擁?xiàng)設(shè)置為零，則不計(jì)算或?qū)⒃擁?xiàng)設(shè)置為零，則不計(jì)算熱應(yīng)變。可以用該項(xiàng)技巧熱應(yīng)變。可以用該項(xiàng)技巧“關(guān)閉關(guān)閉”溫度的影響。溫度的影響。c) 指定靜力分析類型，這一步只在熱分析是瞬態(tài)分析時(shí)用。指定靜力分析類型，這一步只在熱分析是瞬態(tài)分析時(shí)用。 Main Menu Solution Analysis Type New Analysis 或用或用 ANTYPE 命令命令I(lǐng)NTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Man

6、uald) 施加結(jié)構(gòu)荷載，而把溫度作為荷載的一部分。施加結(jié)構(gòu)荷載，而把溫度作為荷載的一部分。 Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Temperature From Therm Analy 或用或用 LDREAD 命令。命令。e) 求解。求解。f) 觀察應(yīng)力結(jié)果。觀察應(yīng)力結(jié)果。INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual 直接耦合方法，通常只涉及用耦合單元的分析，單元必須包括熱、結(jié)構(gòu)的自由度。1. 首先用以下耦合單元之一建立模型并劃分網(wǎng)格。PLA

7、NE13 (平面實(shí)體單元)。SOLID5 (六面體單元)。SOLID98 (四面體單元)。 在模型上施加結(jié)構(gòu)荷載、熱荷載及約束。 求解并查看熱和結(jié)構(gòu)結(jié)果。Combined熱分析結(jié)構(gòu)分析jobname.rstINTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual順序方法 對(duì)非高度非線性耦合情況，順序方法更有效、靈活，因?yàn)樗梢元?dú)立執(zhí)行兩種分析。 在順序方法熱-應(yīng)力分析中，例如，在非線性瞬態(tài)分析之后可以緊接著進(jìn)行線性靜力分析，然后可以把熱分析中任意荷載步或時(shí)間點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)溫度作為應(yīng)力分析的荷載。直接方法 對(duì)耦合場(chǎng)是高度非線

8、性情況，直接方法更好，并且該方法用耦合公式單一求解時(shí)是最好的。 直接耦合的例子，包括壓電分析，有流體流動(dòng)的共軛傳熱分析及電路電磁分析。Training Manual熱應(yīng)力耦合分析熱應(yīng)力耦合分析-順序耦合順序耦合INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual說明 接上面練習(xí)12的軸對(duì)稱散熱片問題做一個(gè)熱應(yīng)力分析。如下所示，管內(nèi)部有壓力。頂部的線(在Y=1.0處)代表一個(gè)對(duì)稱邊界 , 我們將該線的所有節(jié)點(diǎn)的 UY自由度耦合起來。INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO

9、ANSYS 11.0Training Manual載荷和邊界條件載荷和邊界條件從練習(xí)12的熱分析獲取節(jié)點(diǎn)溫度施加內(nèi)壓力10,000 psi在Y=1的節(jié)點(diǎn)處耦合自由度 UY在線上施加對(duì)稱邊界條件INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual1. 按教師指定的工作目錄，用按教師指定的工作目錄，用 “pipe-th-str” 作為作業(yè)名，進(jìn)入作為作業(yè)名，進(jìn)入 ANSYS 。2. 從練習(xí)從練習(xí)12中恢復(fù)數(shù)據(jù)庫文件中恢復(fù)數(shù)據(jù)庫文件 (或或 pipe-th.db1): Utility Menu File Resume

10、from 選擇選擇 “pipe-th.db”, 然后按然后按 OK 或用命令或用命令:RESUME,pipe-th,db3. 在在 GUI優(yōu)選框中選擇結(jié)構(gòu)優(yōu)選框中選擇結(jié)構(gòu): Main Menu Preferences 選擇選擇 “Structural”而不選而不選 “Thermal”,然后按然后按 OK4. 改變標(biāo)題改變標(biāo)題: Utility Menu File Change Title . 標(biāo)題為標(biāo)題為 “2D AXI-SYMM THERMAL-STRESS ANALYSIS W/ INT. PRESS - ESIZE=0.125” OKINTRODUCTION TO ANSYS 11.0I

11、NTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual5. 刪除實(shí)體模型邊上的對(duì)流載荷刪除實(shí)體模型邊上的對(duì)流載荷: Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Delete All Load Data All SolidMod Lds OK 或用命令或用命令:/PREP7LSCLEAR,SOLID6. 將溫度單元改為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元將溫度單元改為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元: Main Menu Preprocessor Element Type Switch Elem Type 選擇選擇 “Thermal to Struc”,然后按然后按 O

12、K 檢查警告信息窗檢查警告信息窗, 然后按然后按 Close 或用命令或用命令:ETCHG,TTSINTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual7. 將單元選項(xiàng)設(shè)為軸對(duì)稱: Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete Options . 將 K3設(shè)為軸對(duì)稱, 然后按 OK Close8. 在練習(xí) 12 的熱應(yīng)力分析中施加溫度荷載: Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural

13、Temperature From Therm Analy 選擇結(jié)果文件 “pipe-th.rth” , 然后按 OK9. 在線（Y=0 ）上施加對(duì)稱邊界條件 : Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural Displacement Symmetry B.C. On Lines 選擇線 3, 5, 11, 然后按 OKINTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual10. 將節(jié)點(diǎn)自由度（在將節(jié)點(diǎn)自由度（在Y=1） UY耦合耦合:10a.

14、選擇節(jié)點(diǎn)（在選擇節(jié)點(diǎn)（在Y=1）: Utility Menu Select Entities . 通過通過 “By Location”選擇選擇 “Nodes” 選擇選擇 “Y coordinates” 將將 Min,Max設(shè)為設(shè)為 1,然后按然后按 OK 或用命令或用命令:NSEL,S,LOC,Y,110b.將選擇的一組節(jié)點(diǎn)在將選擇的一組節(jié)點(diǎn)在 UY方向上耦合起來方向上耦合起來: Main Menu Preprocessor Coupling / Ceqn Couple DOFs Pick All 將將NSET設(shè)為設(shè)為 1 將將 Lab設(shè)為設(shè)為 UY,然后按然后按 OK Utility Men

15、u Select Everything 或用命令或用命令:CP,1,UY,ALLALLSEL,ALLINTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual11. 將內(nèi)部壓力施加在線上將內(nèi)部壓力施加在線上: Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural Pressure On Lines 拾取線拾取線 9和和13, 然后按然后按 OK 將將VALUE設(shè)為設(shè)為 1000, 然后按然后按 OK 或用命令或用命令:SFL,9,PRES,1000SFL,

16、13,PRES,100012. 通過顯示體荷載檢查溫度載荷通過顯示體荷載檢查溫度載荷: Utility Menu PlotCtrls Symbols 將體載荷符號(hào)設(shè)為將體載荷符號(hào)設(shè)為 “Structural temps”,然后按然后按 OK Utility Menu Plot Elements 或用命令或用命令:/PBF,TEMP, ,1EPLOTINTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual13.存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫并計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫并計(jì)算結(jié)果: Pick the “SAVE_DB” button in the

17、Toolbar (or select: Utility Menu File Save as Jobname.db) Main Menu Solution Solve Current LS 觀察觀察 “/STATUS Command”窗口并關(guān)閉窗口并關(guān)閉 OK Close 在求解結(jié)束時(shí)關(guān)閉黃色信息框在求解結(jié)束時(shí)關(guān)閉黃色信息框 或用命令或用命令: :SAVE/SOLUSOLVE14.進(jìn)入后處理并觀察結(jié)果進(jìn)入后處理并觀察結(jié)果: Main Menu General Postproc 或用命令或用命令:/POST1INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANS

18、YS 11.0Training Manual14a.顯示位移顯示位移: Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu 拾取拾取 “DOF solution”和和 “Translation USUM”, 選擇選擇 “Def + undef edge”,然后按然后按 OK 或用命令或用命令:PLNSOL,U,SUM,2,1INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual14b.畫畫 von Mises 應(yīng)力應(yīng)力: Main Menu

19、 General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu 拾取拾取 “Stress” 和和 “von Mises SEQV”, 選擇選擇 “Def shape only”, 然后按然后按 OK 或用命令或用命令:PLNSOL,S,EQVINTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual14c.畫徑向應(yīng)力等值線圖畫徑向應(yīng)力等值線圖 : Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu

20、拾取拾取 “Stress”和和 “X-direction SX”,然后按然后按 OK 或用命令或用命令:PLNSOL,S,XINTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual14d.繞繞Y軸將軸對(duì)稱的徑向應(yīng)力擴(kuò)展軸將軸對(duì)稱的徑向應(yīng)力擴(kuò)展90度，然后關(guān)于度，然后關(guān)于x-z 平面做鏡面平面做鏡面反射反射 : Utility Menu PlotCtrls Style Symmetry Expansion 2D Axi-Symmetric . 拾取拾取 “1/4 expansion” 然后選擇鏡像然后選擇鏡像,按按 O

21、K ISO 或用命令或用命令:/EXPAND, 9,AXIS,10,2,RECT,HALF,0.00001/VIEW,1,1,1,1/REPLOT INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training ManualINTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual14e.畫縱向畫縱向(軸向軸向)的應(yīng)力圖的應(yīng)力圖: Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu 拾取

22、拾取 “Stress” 和和 “Y-direction SY”, 然后按然后按 OK 或用命令或用命令:PLNSOL,S,YINTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual14f.畫切向應(yīng)力畫切向應(yīng)力 (周向或環(huán)向周向或環(huán)向) : Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu 拾取拾取 “Stress”和和 “Z-direction SZ”, 然后按然后按 OK 或用命令或用命令:PLNSOL,S,ZTraining Manua

23、l熱應(yīng)力耦合分析熱應(yīng)力耦合分析-直接耦合直接耦合INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual說明 在這個(gè)練習(xí)題中,我們將 用直接耦合方法重做前面的題目。 這個(gè)軸對(duì)稱的散熱片將被用來分析以前施加的熱和結(jié)構(gòu)荷載。INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual 施加與練習(xí)施加與練習(xí) 12 相同的荷載相同的荷載 同時(shí)施加內(nèi)部壓力。同時(shí)施加內(nèi)部壓力。內(nèi)部壓力 = 1000 psiINTRODUCTION TO ANSYS 11.

24、0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual1. 按教師指定的工作目錄，用按教師指定的工作目錄，用 “pipe-direct” 作為作為 作業(yè)名進(jìn)入作業(yè)名進(jìn)入 ANSYS。2. 讀入讀入 “pipe-th.inp” 文件建立文件建立 2-D 軸對(duì)稱模型，在線上指定網(wǎng)格份數(shù)：軸對(duì)稱模型，在線上指定網(wǎng)格份數(shù)： Utility Menu File Read Input from 選擇選擇 “pipe-th.inp”, 然后按然后按OK 或用命令或用命令:/INPUT,pipe-th,inp3. 添加軸對(duì)稱耦合場(chǎng)單元類型添加軸對(duì)稱耦合場(chǎng)單元類型(plane13)

25、: Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete 選擇選擇“Coupled Field” 和和 “Vector Quad 13”, 然后按然后按 OK 4. 把單元選項(xiàng)改為把單元選項(xiàng)改為 structural / thermal, 軸對(duì)稱軸對(duì)稱: Options K1 = UX UY Temp AZ K3 = Axisymmetric OK Close 或用命令或用命令:ET,1,PLANE13KEYOPT,1,1,4KEYOPT,1,3,1INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS

26、11.0Training Manual5.將模型用將模型用 2-D 的四邊形單元?jiǎng)澐钟成渚W(wǎng)格的四邊形單元?jiǎng)澐钟成渚W(wǎng)格: Main Menu Preprocessor Meshing MeshTool 選擇選擇Global，按，按Set 將將SIZE 設(shè)為設(shè)為 0.25/2,然后按然后按 OK 選擇選擇 “Mapped”, 然后按然后按 Mesh Pick All6. 從材料庫中讀入從材料庫中讀入304號(hào)鋼的材料特性號(hào)鋼的材料特性: Main Menu Preprocessor Material Props Material Library Library Path 輸入路徑輸入路徑 “Path

27、 for READING files” (例如，例如， h:ansys57matlib) OK Main Menu Preprocessor Material Props Material Library Import Library 選擇選擇 “BIN”, 然后按然后按 OK 選擇選擇 “Stl_AISI-304.BIN_MPL”, 然后按然后按 OKINTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual7.在實(shí)體模型的線上施加對(duì)流荷載在實(shí)體模型的線上施加對(duì)流荷載: Main Menu Preprocessor

28、Loads Define Loads Apply Thermal Convection On Lines 拾取外部的四條線拾取外部的四條線, 然后按然后按 OK 設(shè)設(shè) VALI = 0.69e-4 和和 VAL2I = 70, 然后按然后按 Apply 拾取內(nèi)部的兩條線拾取內(nèi)部的兩條線, 然后按然后按 OK 設(shè)設(shè) VALI = 0.28e-3 和和 VAL2I = 450, 然后按然后按 OK 或用命令或用命令:SFL,2,CONV,0.69e-4, ,70SFL,6,CONV,0.69e-4, ,70SFL,7,CONV,0.69e-4, ,70SFL,10,CONV,0.69e-4, ,7

29、0SFL,9,CONV,0.28e-3, ,450SFL,13,CONV,0.28e-3, ,450INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual8.在線上施加內(nèi)部均勻壓力在線上施加內(nèi)部均勻壓力: Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural Pressure On Lines 拾取線段拾取線段 9和和13, 然后按然后按 OK 設(shè)壓力值為設(shè)壓力值為 1000,然后按然后按 OK 或用命令或用命令:SFL,9,PRES,1000SFL,

30、13,PRES,1000INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual9.將將Y=1 處的節(jié)點(diǎn)的自由度在處的節(jié)點(diǎn)的自由度在 UY方向上耦合方向上耦合 :9a. 選擇選擇Y=1 處的節(jié)點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn) : Utility Menu Select Entities . 選擇選擇 “Nodes” 和和 “By Location” 選擇選擇 “Y coordinates” 將最大和最小均設(shè)為將最大和最小均設(shè)為1, 然后按然后按 OK 或用命令或用命令:NSEL,S,LOC,Y,19b. 在選擇的節(jié)點(diǎn)集合上定義在選擇的節(jié)點(diǎn)

31、集合上定義 UY 方向的耦合：方向的耦合： Main Menu Preprocessor Coupling / Ceqn Couple DOFs Pick All NSET = 1 設(shè)置設(shè)置 Lab = UY, 然后然后 OK Utility Menu Select Everything 或用命令或用命令:CP,1,UY,ALLALLSEL,ALLINTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual10.在在 Y=0 的線上施加對(duì)稱邊界條件的線上施加對(duì)稱邊界條件: Main Menu Preprocessor L

32、oads Define Loads Apply Structural Displacement Symmetry B.C. On Lines 選擇線選擇線 3, 5, 11,然后然后 OK11. 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫并求解存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫并求解: 在工具條上按在工具條上按 “SAVE_DB”按鈕按鈕 (或或 Utility Menu File Save as Jobname.db) Main Menu Solution Solve Current LS 查看查看 “/STATUS Command” 窗口，然后關(guān)閉。窗口，然后關(guān)閉。 OK Yes 出現(xiàn)警告信息，繼續(xù)求解出現(xiàn)警告信息，繼續(xù)求解 Close 求解完

33、成后關(guān)閉黃色信息窗口求解完成后關(guān)閉黃色信息窗口12. 進(jìn)入通用后處理器觀察結(jié)果進(jìn)入通用后處理器觀察結(jié)果: Main Menu General Postproc 或用命令或用命令:/POST1INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual12a.畫溫度圖畫溫度圖: Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu 拾取拾取 “DOF solution” 和和 “Temperature TEMP”,然后按然后按 OK 或用命令或用命令:PLNSOL,TEMPINTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual12b.畫位移圖畫位移圖: Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu 拾取拾取 “DOF solution” 和和 “Translation USUM”, 選擇選擇 “Def + undef edge”,然后按然后按 OK 或用命令或用命令:PL