熱應力耦合分析課件

熱結構耦合場分析熱應力產生結構受熱或變冷時，由于熱脹冷縮產生變形。若變形受到某些限制—如位移約束或相反的壓力—則在結構中產生熱應力。產生熱應力的另一個原因，是由于材料不同而形成的不均勻變形（如，不同的熱膨脹系數(shù)）。由約束產生熱應力由不同材料產生熱應力–耦合場分析

…概述在ANSYS中求解熱-應力問題有兩種方法。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，將熱分析的結果作為結構的溫度荷載。當熱瞬態(tài)分析時間點很多，但結構時間點很少時效率較高。很容易用輸入文件實現(xiàn)自動處理。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問題。熱和結構之間可實現(xiàn)真正的耦合。在某些分析中可能耗費過多開銷。–耦合場分析

…概述1. 熱分析該過程在第11章中描述。2. 結構分析a) 進入前處理，把熱單元類型轉換成結構單元。MainMenu>Preprocessor>ElementType>SwitchElemType

注意：轉換單元類型時，所有單元選項重新設置回原來缺省狀態(tài)。例如，若用戶在熱分析中使用的2-D軸對稱單元，則需要在轉換后重新指定軸對稱選項，因此，一定要確保設置正確的單元選項：MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete>[Options]

或用

ETLIST

和

KEYOPT

命令–耦合場分析

…順序耦合方法b) 定義結構的材料性質(EX等)，包括熱膨脹系數(shù)(ALPX)(若使用的是ANSYS提供的材料庫，材料的熱特性和結構特性均已定義，該項可以省略).

注意：如果沒有定義ALPX，或將該項設置為零，則不計算熱應變。可以用該項技巧“關閉”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)分析時用。MainMenu>Solution>AnalysisType>NewAnalysis或用

ANTYPE

命令–耦合場分析

…順序耦合方法d) 施加結構荷載，而把溫度作為荷載的一部分。MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Temperature>FromThermAnaly或用

LDREAD

命令。e) 求解。f) 觀察應力結果。–耦合場分析

…順序耦合方法順序方法對非高度非線性耦合情況，順序方法更有效、靈活，因為它可以獨立執(zhí)行兩種分析。

在順序方法熱-應力分析中，例如，在非線性瞬態(tài)分析之后可以緊接著進行線性靜力分析，然后可以把熱分析中任意荷載步或時間點的節(jié)點溫度作為應力分析的荷載。直接方法對耦合場是高度非線性情況，直接方法更好，并且該方法用耦合公式單一求解時是最好的。

直接耦合的例子，包括壓電分析，有流體流動的共軛傳熱分析及電路電磁分析。–耦合場分析

順序耦合方法與直接耦合方法比較帶散熱片的軸對稱管熱應力耦合分析---順序耦合13A.熱應力分析–順序耦合

帶散熱片的軸對稱管說明接上面練習12的軸對稱散熱片問題做一個熱應力分析。如下所示，管內部有壓力。頂部的線(在Y=1.0處)代表一個對稱邊界,我們將該線的所有節(jié)點的

UY自由度耦合起來。1. 按教師指定的工作目錄，用“pipe-th-str”作為作業(yè)名，進入

ANSYS。2. 從練習12中恢復數(shù)據(jù)庫文件(或

pipe-th.db1):UtilityMenu>File>Resumefrom…選擇“pipe-th.db”,然后按[OK]或用命令:RESUME,pipe-th,db3. 在

GUI優(yōu)選框中選擇結構:MainMenu>Preferences選擇“Structural”而不選“Thermal”,然后按[OK]4. 改變標題:UtilityMenu>File>ChangeTitle...標題為“2DAXI-SYMMTHERMAL-STRESSANALYSISW/INT.PRESS-ESIZE=0.125”[OK]13A.熱應力分析–順序耦合

帶散熱片的軸對稱管5. 刪除實體模型邊上的對流載荷:MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Delete>AllLoadData>AllSolidModLds[OK]或用命令:/PREP7LSCLEAR,SOLID6. 將溫度單元改為相應的結構單元:MainMenu>Preprocessor>ElementType>SwitchElemType選擇“ThermaltoStruc”,然后按[OK]檢查警告信息窗,然后按[Close]或用命令:ETCHG,TTS13A.熱應力分析–順序耦合

帶散熱片的軸對稱管13A.熱應力分析–順序耦合

帶散熱片的軸對稱管7. 將單元選項設為軸對稱:MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete[Options...]將

K3設為軸對稱,然后按[OK][Close]8. 在練習12的熱應力分析中施加溫度荷載:MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>Temperature>FromThermAnaly選擇結果文件“pipe-th.rth”,然后按[OK]9. 在線（Y=0）上施加對稱邊界條件:MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>SymmetryB.C.>OnLines選擇線3,5,11,然后按[OK]13A.熱應力分析–順序耦合

帶散熱片的軸對稱管11. 將內部壓力施加在線上:MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>Pressure>OnLines拾取線9和13,然后按[OK]將VALUE設為1000,然后按[OK]或用命令:SFL,9,PRES,1000SFL,13,PRES,100012. 通過顯示體荷載檢查溫度載荷:UtilityMenu>PlotCtrls>Symbols將體載荷符號設為“Structuraltemps”,然后按[OK]UtilityMenu>Plot>Elements或用命令:/PBF,TEMP,,1EPLOT13A.熱應力分析–順序耦合

帶散熱片的軸對稱管13. 存儲數(shù)據(jù)庫并計算結果:Pickthe“SAVE_DB”buttonintheToolbar(orselect:UtilityMenu>File>SaveasJobname.db)MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS觀察“/STATUSCommand”窗口并關閉[OK][Close]–在求解結束時關閉黃色信息框或用命令::SAVE/SOLUSOLVE14. 進入后處理并觀察結果:MainMenu>GeneralPostproc或用命令:/POST113A.熱應力分析–順序耦合

帶散熱片的軸對稱管14a.顯示位移:MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu拾取“DOFsolution”和“TranslationUSUM”,選擇“Def+undefedge”,然后按[OK]或用命令:PLNSOL,U,SUM,2,113A.熱應力分析–順序耦合

帶散熱片的軸對稱管14c.畫徑向應力等值線圖:MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu拾取“Stress”和“X-directionSX”,然后按[OK]或用命令:PLNSOL,S,X13A.熱應力分析–順序耦合

帶散熱片的軸對稱管14d.繞Y軸將軸對稱的徑向應力擴展90度，然后關于x-z平面做鏡面反射:UtilityMenu>PlotCtrls>Style>SymmetryExpansion>2DAxi-Symmetric...拾取“1/4expansion”然后選擇鏡像,按[OK][ISO]或用命令:/EXPAND,9,AXIS,,,10,,2,RECT,HALF,,0.00001/VIEW,1,1,1,1/REPLOT

13A.熱應力分析–順序耦合

帶散熱片的軸對稱管13A.熱應力分析–順序耦合

帶散熱片的軸對稱管14f.畫切向應力(周向或環(huán)向):MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu拾取“Stress”和“Z-directionSZ”,然后按[OK]或用命令:PLNSOL,S,Z帶散熱片的軸對稱管熱應力耦合分析----直接耦合13B.熱應力分析–直接耦合

帶散熱片的軸對稱管說明在這個練習題中,我們將用直接耦合方法重做前面的題目。

這個軸對稱的散熱片將被用來分析以前施加的熱和結構荷載。13B.熱應力分析–直接耦合

帶散熱片的軸對稱管1. 按教師指定的工作目錄，用“pipe-direct”作為作業(yè)名進入ANSYS。2. 讀入“pipe-th.inp”文件建立2-D軸對稱模型，在線上指定網格份數(shù)：UtilityMenu>File>ReadInputfrom…選擇“pipe-th.inp”,然后按[OK]或用命令:/INPUT,pipe-th,inp3. 添加軸對稱耦合場單元類型(plane13):MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete選擇“CoupledField”和“VectorQuad13”,然后按[OK]4. 把單元選項改為structural/thermal,軸對稱:OptionsK1=UXUYTempAZK3=Axisymmetric[OK][Close]或用命令:ET,1,PLANE13KEYOPT,1,1,4KEYOPT,1,3,113B.熱應力分析–直接耦合

帶散熱片的軸對稱管5.將模型用2-D的四邊形單元劃分映射網格:MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshTool選擇Global，按[Set]將SIZE設為0.25/2,然后按[OK]選擇“Mapped”,然后按[Mesh][PickAll]6.從材料庫中讀入304號鋼的材料特性:MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialLibrary>LibraryPath輸入路徑“PathforREADINGfiles”(例如，h:\ansys57\matlib)[OK]MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialLibrary>ImportLibrary選擇“BIN”,然后按[OK]選擇“Stl_AISI-304.BIN_MPL”,然后按[OK]13B.熱應力分析–直接耦合

帶散熱片的軸對稱管7.在實體模型的線上施加對流荷載:MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Thermal>Convection>OnLines拾取外部的四條線,然后按[OK]設

VALI=0.69e-4和

VAL2I=70,然后按[Apply]拾取內部的兩條線,然后按[OK]設

VALI=0.28e-3和

VAL2I=450,然后按[OK]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,,70SFL,9,CONV,0.28e-3,,450SFL,13,CONV,0.28e-3,,45013B.熱應力分析–直接耦合

帶散熱片的軸對稱管8.在線上施加內部均勻壓力:MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>Pressure>OnLines拾取線段9和13,然后按[OK]設壓力值為1000,然后按[OK]或用命令:SFL,9,PRES,1000SFL,13,PRES,100013B.熱應力分析–直接耦合

帶散熱片的軸對稱管9.將Y=1處的節(jié)點的自由度在

UY方向上耦合:9a.選擇Y=1處的節(jié)點:UtilityMenu>Select>Entities...選擇“Nodes”和“ByLocation”選擇“Ycoordinates”將最大和最小均設為1,然后按[OK]或用命令:NSEL,S,LOC,Y,19b.在選擇的節(jié)點集合上定義UY方向的耦合：MainMenu>Preprocessor>Coupling/Ceqn>CoupleDOFs[PickAll]NSET=1設置Lab=UY,然后[OK]UtilityMenu>Select>Everything…或用命令:CP,1,UY,ALLALLSEL,ALL13B.熱應力分析–直接耦合

帶散熱片的軸對稱管10.在Y=0的線上施加對稱邊界條件:MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>SymmetryB.C.>OnLines選擇線3,5,11,然后[OK]11.存儲數(shù)據(jù)庫并求解:在工具條上按“SAVE_DB”按鈕(或UtilityMenu>File>SaveasJobname.db)MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS查看“/STATUSCommand”窗口，然后關閉。[OK][Yes]–出現(xiàn)警告信息，繼續(xù)求解[Close]–求解完成后關閉黃色信息窗口12.進入通用后處理器觀察結果:MainMenu>GeneralPostproc或用命令:/POST113B.熱應力分析–直接耦合

帶散熱片的軸對稱管12a.畫溫度圖:MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu拾取“DOFsolution”和“TemperatureTEMP”,然后按[OK]或用命令:PLNSOL,TEMP12b.畫位移圖:MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu拾取“DOFsolution”和“TranslationUSUM”,選擇“Def+undefedge”,然后按[OK]或用命令:PLNSOL,U,SUM,2,113B.熱應力分析–直接耦合

帶散熱片的軸對稱管13B.熱應力分析–直接耦合

帶散熱片的軸對稱管12