冷卻柵管的熱分析和銅塊和鐵塊的水冷分析

1、實驗要求：1、通過對冷卻柵管的熱分析練習(xí)，熟悉用ANSYS進行穩(wěn)態(tài)熱分析的基本過程，熟悉用直接耦合法、間接耦合法進行熱應(yīng)力分析的基本過程。2、通過對銅塊和鐵塊的水冷分析，熟悉用ANSYS進行瞬態(tài)熱分析的基本過程。內(nèi)容1：冷卻柵管問題問題描述：本實例確定一個冷卻柵管（圖a）的溫度場分布及位移和應(yīng)力分布。一個軸對稱的冷卻柵結(jié)構(gòu)管內(nèi)為熱流體，管外流體為空氣。冷卻柵材料為不銹鋼，特性如下：導(dǎo)熱系數(shù)：25.96 W/m彈性模量：1.93109 MPa熱膨脹系數(shù)：1.6210-5 /泊松比：0.3邊界條件：（1）管內(nèi)：壓力：6.89 MPa流體溫度：250 對流系數(shù)249.23 W/m2（2）管外：空氣溫

2、度39對流系數(shù)：62.3 W/m2假定冷卻柵管無限長，根據(jù)冷卻柵結(jié)構(gòu)的對稱性特點可以構(gòu)造出的有限元模型如圖b。其上下邊界承受邊界約束，管內(nèi)部承受均布壓力。練習(xí)11：冷卻柵管的穩(wěn)態(tài)熱分析步驟：1. 定義工作文件名及工作標(biāo)題1) 定義工作文件名：GUI: Utility Menu File Change Jobname，在彈出的【Change Jobname】對話框中輸入文件名Pipe_Thermal，單擊OK按鈕。2) 定義工作標(biāo)題：GUI: Utility Menu File Change Title，在彈出的【Change Title】對話框中2D Axisymmetrical Pipe T

3、hermal Analysis，單擊OK按鈕。3) 關(guān)閉坐標(biāo)符號的顯示：GUI: Utility Menu PlotCtrls Window Control Window Options，在彈出的【W(wǎng)indow Options】對話框的Location of triad下拉列表框中選擇No Shown選項，單擊OK按鈕。2. 定義單元類型及材料屬性1) 定義單元類型：GUI: Main Menu Preprocessor Element Type Add/EditDelete命令，彈出【Element Types】對話框，單擊Add按鈕，彈出【Library Type】對話框，選擇Therma

4、l Solid Quad 8node 77選項，單擊OK按鈕。2) 設(shè)置單元選項：單擊【Element Type】對話框的Options按鈕，彈出【Plane77 element type options】對話框，在Element behavior下拉列框中選擇Axisymmetrical選項，單擊OK按鈕，單擊Close按鈕。3) 設(shè)置材料屬性：GUI: Main Menu Preprocessor Material Props Material Models，彈出【Define Material Models Behavior】窗口，雙擊Material Model Available列表

5、框中的StructuralLinearElasticIsotropic選項，彈出【Linear Isotropic Material Properties for Material Number1】對話框，在EX和PRXY文本框中分別輸入1.93E11J和0.3，單擊OK按鈕。接著為材料1設(shè)置導(dǎo)熱系數(shù)，點擊ThermalConductivityIsotropic，彈出【Conductivity for Material Number1】對話框，在KXX文本框中填入25.96，單擊OK按鈕，關(guān)閉材料屬性定義對話框。3. 建立幾何模型1) 創(chuàng)建矩形面：GUI: Main Menu Preproce

6、ssor Modeling Create Areas Rectangle By Dimensions，彈出【Create Rectangle by Dimensions】對話框，在X-coordinates文本框中輸入0.127，0.152，在Y-coordinates文本框中輸入0，0.025，單擊Apply按鈕。接著在X-coordinates文本框中輸入0.127，0.304，在Y-coordinates文本框中輸入0，0.005，單擊OK按鈕。2) 面相加操作：GUI: Main Menu Preprocessor Operate Booleans Add Areas，彈出一個拾取框，

7、單擊Pick All按鈕。3) 打開線編號控制：GUI: Utility Menu PlotCtrls Numbering，彈出【Plot Numbering Controls】對話框，選擇Line numbers復(fù)選框，單擊OK按鈕。4) 線倒角：GUI: Main Menu Preprocessor Modeling Create Lines Line Fillet，彈出一個拾取框，拾取編號為L11和L13的線，單擊OK按鈕，彈出【Line Fillet】對話框，在RAD Fillet radius文本框中輸入0.005，單擊OK按鈕。5) 顯示線：GUI: Utility Menu Pl

8、ot Lines。6) 生成面：GUI: Main Menu Preprocessor Modeling Create Areas Arbitrary By Lines，彈出一個拾取框，拾取編號為L2，L5和L4的線，單擊OK按鈕。7) 面相加操作：GUI: Main Menu Preprocessor Modeling Add Areas，彈出一個拾取框，單擊Pick All按鈕。4. 生成有限元模型1) 顯示工作平面：GUI: Utility Menu WorkPlane Display Workplane2) 打開關(guān)鍵點編號：GUI: Utility Menu PlotCtrls Num

9、bering，彈出【Plot Numbering Controls】對話框，選擇Keypoint numbers復(fù)選框，清除Line numbers復(fù)選框，單擊OK按鈕。3) 平移工作平面：GUI: Utility Menu WorkPlane Offset WP to Keypoint，彈出一個拾取框，拾取編號為10的關(guān)鍵點，單擊OK按鈕。4) 旋轉(zhuǎn)工作平面：GUI: Utility Menu WorkPlane Offset WP By Increments，顯示【Offset WP】工具欄，在XY,YZ,ZX Angles文本框中輸入0,0,90，單擊Apply按鈕。5) 面分解：GUI

10、: Main Menu Preprocessor Modeling Operate Booleans Divide WorkPlane PlotCtrls Numbering，彈出【Plot Numbering Controls】對話框，選擇Area number復(fù)選框，單擊OK按鈕。7) 平移工作平面：GUI: Utility Menu WorkPlane Offset WP to Keypoint，彈出一個拾取框，拾取編號為5的關(guān)鍵點，單擊OK按鈕。8) 旋轉(zhuǎn)工作平面：GUI: Utility Menu WorkPlane Offset WP By Increments，顯示【Offset

11、 WP】工具欄，在XY,YZ,ZX Angles文本框中輸入0,90,0，單擊Apply按鈕。9) 面分解：GUI: Main Menu Preprocessor Modeling Operate Booleans Divide Preprocessor Modeling Create Keypoints On Line W/Ratio，拾取編號為L3的線，單擊OK按鈕，彈出【Create KP on Line】對話框，在Line ratio(0-1)文本框中輸入0.24，單擊OKANNIU 生成一個編號為12的關(guān)鍵點。11) 平移工作平面：GUI: Utility Menu WorkPlan

12、e Offset WP to Keypoint，彈出一個拾取框，拾取編號為12的關(guān)鍵點，單擊OK按鈕。12) 旋轉(zhuǎn)工作平面：GUI: Utility Menu WorkPlane Offset WP By Increments，顯示【Offset WP】工具欄，在XY,YZ,ZX Angles文本框中輸入0,-90,0，單擊OK按鈕。13) 面分解：GUI: Main Menu Preprocessor Modeling Operate Booleans Divide WorkPlane Display Working Plane15) 線相加操作：GUI: Main Menu Preproc

13、essor Modeling Operate Booleans Add Lines，彈出一個拾取框，拾取編號為L9和L14的線，單擊OK按鈕彈出【Add Lines】對話框，單擊Apply按鈕，接著拾取編號為L9和L21的線，單擊OK按鈕彈出【Add Lines】對話框，單擊OK按鈕。16) 設(shè)置單元尺寸：GUI: Main Menu Preprocessor Meshing Size Cntrls ManulSize Global Size，彈出【Global Element Size】對話框，在Element edge length文本框中輸入0.003，單擊OK按鈕。17) 劃分映射網(wǎng)格

14、：GUI: Main Menu Preprocessor Meshing Mesh Areas Mapped 3 or 4 sided，彈出一個拾取框，拾取編號為A1，A3，A5，A6的面，單擊OK按鈕。18) 對A7劃分網(wǎng)格：GUI: Main Menu Preprocessor Meshing Mesh Areas Mapped By conners，彈出一個拾取框，拾取編號為A7的面，單擊OK，接著拾取編號為5，14，9，10的關(guān)鍵點，單擊OK。19) 保存網(wǎng)格：ToolBar Save_DB5. 施加載荷及求解1) 在線上施加對流載荷：GUI: Main Menu Solution D

15、efine Loads Apply Thermal Convection On Lines，彈出一個拾取框，拾取編號為L2，L6，L13，L11的線，單擊OK按鈕，彈出【Apply CONV on Lines】對話框，在Film coefficient文本框中輸入62.3，在Bulk temperature文本框中輸入39，單擊Apply按鈕。拾取編號為L9和L8的線，單擊OK按鈕，在Film coefficient文本框中輸入249.23，在Bulk temperature文本框中輸入250，單擊OK按鈕。2) 列表顯示邊界條件：GUI: Utility List Loads Surface

16、 On All Loads，檢查所有對流邊界條件是否加載。3) 求解：GUI: Main Menu Solution Solve Current LS，彈出一個提示窗口和【Solve Current Load Step】對話框，確認后關(guān)閉提示窗口，單擊OK求解。4) 求解完成后，保存結(jié)果文件：GUI：Utility Menu File Save as，彈出【Save as】對話框，在Save Database To文本框中輸入Thermal _Pipe_Result.db，單擊OK。6. 后處理1) 繪制溫度分布云圖：GUI: Main General Postproc Plot Result

17、s Contour Plot Nodal Solu，彈出【Contour Nodal Solution Data】對話框，點擊Nodal SolutionDOF SolutionTemperature，Undisplaced Shape key下拉框中選擇Deformed shape with undeformed model。2) 繪制熱流量分布云圖：GUI: Main General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu，彈出【Contour Nodal Solution Data】對話框，點擊Thermal flux Thermal

18、flux vector sum，單擊OK。3) 繪制熱梯度分布云圖：GUI: Main General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu，彈出【Contour Nodal Solution Data】對話框，點擊Thermal gradient vector sum，單擊OK按鈕。練習(xí)12：間接法計算冷卻柵管的熱應(yīng)力這個練習(xí)是接著上一個的，如果ANSYS還沒有關(guān)閉，則忽略下面的第1步，否則從第1步開始往下做。步驟：1、 恢復(fù)數(shù)據(jù)庫文件GUI: Utility Menu File Resume from，彈出【Resume Databas

19、e】對話框，在Resume Database from列表框中選擇Thermal_Pipe_Result.db選項，單擊OK按鈕。2、 改變工作標(biāo)題和分析類型1) 改變工作標(biāo)題：GUI: Utility Menu File Change title，彈出【Change Title】對話框，輸入2D Axisymmetrical Pipe Thermal_Stress Analysis，單擊OK按鈕。2) 改變分析類型：GUI: Main Menu Preferences，在彈出的【Preference for GUI Filtering】對話框中選擇Structural，單擊OK按鈕。3、 轉(zhuǎn)

20、換單元類型及重新設(shè)置材料屬性1) 刪除對流邊界：GUI: Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Delete All Load Data All SolidMod Lds，彈出【Delete All Solid Model Loads】對話框，單擊OK按鈕，則施加在實體上的所有載荷均被刪除。2) 轉(zhuǎn)換單元類型為結(jié)構(gòu)單元：GUI: Main Menu Preprocessor Element Type Switch Elem Type，彈出【Switch Elem Type】對話框。在Change element type下拉框中選擇Thermal

21、to Struc，單擊OK后會彈出一個警告，提示單元類型已經(jīng)轉(zhuǎn)變，單擊Close按鈕。3) 設(shè)置單元為軸對稱：GUI: Main Menu Preprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete，彈出【Element Type】對話框，單擊Options按鈕，彈出【PLANE82 elemnt type options】對話框，在Element behavior K3下拉框中選擇Axisymmetrical選項，單擊OK按鈕。4) 設(shè)置材料的線脹系數(shù)：GUI: Main Menu Preprocessor Material Pros Material Models，彈

22、出【Define Material Model Behavior】窗口，點擊Material Model Available列表框中的Structural Thermal Secant Coefficienet Isotropic，彈出【Thermal Expansion Coef for Material Number 1】對話框，在ALPX文本框中填入1.62e-5，單擊OK按鈕，關(guān)閉材料屬性設(shè)置對話框。4、 施加結(jié)構(gòu)分析載荷并求解1) 施加對稱邊界約束：GUI: Main Menu Solution Define Loads Apply Structural DisplacementSy

23、mmetry B.C. On Lines，彈出一個拾取對話框。拾取編號為L19，L7和L4的線，單擊Apply。接著拾取L12，L17，單擊OK按鈕。2) 顯示線：GUI: Utility Menu Plot Line3) 施加節(jié)點溫度載荷：GUI: Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Temperature From Therm Analy，彈出【Apply TEMP from Thermal Analysis】對話框，在Name of result file文本框中輸入文件名Pipe_Thermal.rth，單擊OK按鈕。4)

24、在管的內(nèi)壁施加面載荷：GUI: Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Pressure On Lines，彈出一個拾取框，拾取編號為L9和L8的線，單擊OK按鈕，彈出【Apply PRES on lines】對話框，在VALUE Load PRES value文本框中輸入6.89e6，單擊OK按鈕。5) 顯示節(jié)點的溫度體載荷：GUI: Utility Menu PlotCtrls Symbols，彈出【Symbols】對話框。在Body Load Symbols下拉框中選擇Structural temps選項，單擊OK按鈕。6) 顯示

25、單元：GUI: Utility Menu Plot Element7) 求解：求解：GUI: Main Menu Solution Solve Current LS8) 求解完成后，保存結(jié)果文件：GUI：Utility Menu File Save as，彈出【Save as】對話框，在Save Database To文本框中輸入Pipe_Thermal_Stress.db，單擊OK。5、 普通后處理1) 顯示變形：GUI: Main Menu General Postproc Plot Results Deformed Shape，彈出【Plot Deformed Shape】對話框，選擇D

26、ef + undeformed單選框，單擊OK按鈕。2) 顯示位移云圖：GUI: Main Menu General Postproc Plot ResultsNodal Solu，彈出【Contour Nodal Solution Data】對話框，點擊Nodal Solution DOF Solution Displament vector sum，接著在Undisplaced shape key下拉框中選擇Deformed shape with undeformed edge，單擊OK按鈕。3) 顯示Von Mises應(yīng)力分布云圖：GUI: Main Menu General Postp

27、roc Plot ResultsNodal Solu，彈出【Contour Nodal Solution Data】對話框，點擊Nodal Solution Stress von Mises stress，單擊OK按鈕。6、 擴展后處理（針對軸對稱結(jié)構(gòu)）1) 繞Y方向擴展1/4：GUI：Utility Menu PlotCtrls Style Symmetry Expansion 2D Axi-symmetric，彈出【2D Axi-symmetric Expansion】對話框，選擇1/4 expansion單選框和Also reflect about X-Z plane復(fù)選框，單擊OK按鈕

28、。2) 轉(zhuǎn)換視角：GUI：Utility Menu PlotCtrls Pan,Zoom,Rotate，利用Pan-Zoom-Rotate工具調(diào)整視角。3) 顯示軸向應(yīng)力云圖：GUI: Main Menu General Postproc Plot ResultsNodal Solu，彈出【Contour Nodal Solution Data】對話框，點擊Nodal Solution Stress Y-Component of stress，單擊OK按鈕。4) 顯示環(huán)向應(yīng)力分布：GUI: Main Menu General Postproc Plot ResultsNodal Solu，彈出

29、【Contour Nodal Solution Data】對話框，點擊Nodal Solution Stress Z-Component of stress，單擊OK按鈕。軸向應(yīng)力分布環(huán)向應(yīng)力分布提示：冷卻柵管的熱應(yīng)力分布也可以用直接耦合法求解?；仡櫳险n時的內(nèi)容，直接耦合法的求解和間接法有何區(qū)別？與間接耦合法分別求解不同，直接耦合法將結(jié)構(gòu)分析的載荷和熱分析的載荷同時加載求解。大家可以試一試，看求解結(jié)果是否和間接耦合法一致。注意：單元類型必須是耦合單元，推薦Coupled Field Vector Quad13。其余過程大致和間接耦合法差不多。內(nèi)容2：銅鐵水冷問題問題描述：一個30公斤重、溫度為

30、70的銅塊,以及一個20公斤重、溫度為80的鐵塊，突然放入溫度為20、盛滿了300升水的、完全絕熱的水箱中,如圖所示。過了一個小時，求銅塊與鐵塊的最高溫度(假設(shè)忽略水的流動)。材料熱物理性能如下：熱性能單位制銅鐵水導(dǎo)熱系數(shù)W/m383700.61密度Kg/m388897833996比熱J/kg3904484185練習(xí)2：銅塊和鐵塊的水冷瞬態(tài)熱分析步驟：1. 設(shè)置工作名稱、工作目錄和標(biāo)題1) 如果上一個練習(xí)的文件沒有關(guān)閉，在命令輸入窗口輸入：finish 回車，再輸入：/clear,nostart 回車2) 設(shè)定工作名稱：GUI: Utility Menu: FileChange Jobname

31、，輸入文件名Thermal_Transient；勾選New log and error files單選框。3) 設(shè)定工作目錄：GUI: Utility Menu: FileChange Directory4) 設(shè)置標(biāo)題：GUI: Utility Menu: FileChange Title，輸入Thermal Transient Exercise；2. 建立幾何模型1) 定義單元類型：GUI: Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete, 選擇單元Thermal Solid Quad 8node 77；2) 設(shè)置銅的材料屬性：GUI:

32、 Main Menu Preprocessor Material Props Material Models，打開【Define Material Model Behavior】對話框，點擊Thermal Conductivity Isotropic, 定義材料1（銅）的熱傳導(dǎo)系數(shù)KXX為383；點擊Specific Hea，定義比熱為C為390；再點擊Density，定義密度DENS為8889；3) 定義鐵的材料屬性：GUI: Main Menu Preprocessor Material Props Material Models，（如果上一步的【Define Material Model

33、 Behavior】對話框沒有關(guān)閉，則點擊其上的菜單Material New Model），參考上一步，定義材料2（鐵）的KXX為70、C為448、DENS為7833；4) 定義水的材料屬性：GUI: Main Menu Preprocessor Material Props Material Models，同樣的方法定義材料3（水）的KXX等于0.61、C等于4185、DENS等于996；5) 建立幾何模型：GUI: Main Menu Preprocessor Modeling Create Areas Rectangle By Dimensions輸入X1=0, X2=0.6, Y1=0

34、, Y2=0.5, 點擊Apply;輸入X1=0.15, X2= 0.225, Y1=0.225, Y2=0.27, 點擊Apply;輸入X1=0.6-0.2-0.058, X2=0.6-0.2, Y1=0.225, Y2=0.225+0.044, 點擊OK。6) 交疊運算：GUI: Main Menu Preprocessor Modeling Operate Booleans Overlap , 選擇Pick All；7) 顯示面編號：GUI: Utility Menu Plotctrls Numbering Areas numbers, on；3. 建立有限元模型1) 設(shè)置材料屬性： G

35、UI：Main Menu Preprocessor Meshing Mesh Attributes Picked Areas, 選擇編號為A2的面（銅），點擊OK后，在彈出的【Area Attributes】對話框的Material Number下拉框中選擇1；用同樣的方面為編號A3的面（鐵）定義材料類型為2；為編號A4的面定義材料類型為3。定義好后，可以用GUI: Utility Menu List Areas查看是否定義正確。2) 設(shè)定單元尺寸：GUI: Main Menu Preprocessor Meshing Size Cntrls ManualSize Global Size, 輸

36、入單元大小0.02；3) 給銅塊和鐵塊劃分網(wǎng)格： GUI: Main Menu Preprocessor Meshing Mesh Areas Mapped 3 or 4 sided , 選擇A2面（銅）和A3面（鐵），點擊OK；4) 設(shè)定單元尺寸：GUI: Main Menu Preprocessor Meshing Size Cntrls ManualSize Global Size, 輸入單元大小0.05；5) 給水箱劃分網(wǎng)格：GUI: Main Menu Preprocessor Meshing Mesh Areas Free, 選擇A4面（水箱）。4. 施加載荷并求解1) 定義分析類

37、型：GUI: Main Menu SolutionAnalysis Type New Analysis, 選擇Transient，定義為瞬態(tài)分析,單擊OK。在接下來跳出的對話框中單擊OK，采用缺省值；2) 關(guān)閉時間積分選項：GUI: Main Menu Solution Load Step Opts Time/Frenquenc Time Integration Amplitude，將TIMINT復(fù)選框設(shè)置為off，首先進行穩(wěn)態(tài)分析計算初始溫度分布。3) 設(shè)置載荷步選項：GUI: Main Menu Solution Load Step Opts Time/Frenquenc Time-Tim

38、e Step，設(shè)定TIME為0.01，DELTIM也為0.01；這相當(dāng)于定義了一個只有一個載荷步的時間為0.01s的瞬態(tài)熱分析。（可以看成是穩(wěn)態(tài)的）4) 選擇水的所有節(jié)點：GUI: Utility Menu: Select Entities，在【Select Enti】對話框的第一個下拉框選擇Elements，第二個下拉框選擇By Attributes，在輸入框輸入3，然后點擊Apply。接著第一個下拉框選擇Nodes，第二個下拉框選擇Attached to, 選擇Elements，單擊OK?？梢杂肎UI: Utility Menu Plot Nodes查看選擇是否正確。 5) 定義水溫：GU

39、I: Main Menu Solution Define Loads Apply Thermal Temperature On Nodes, 點擊Pick All, 在彈出的【Apply TEMP on Nodes】對話框的Load TEMP value文本框中輸入20；6) 選擇鐵的所有節(jié)點：GUI: Utility Menu: Select Entities，在【Select Enti】對話框的第一個下拉框選擇Elements，第二個下拉框選擇By Attributes，在輸入框輸入2，然后點擊Apply。接著第一個下拉框選擇Nodes，第二個下拉框選擇Attached to, 選擇Ele

40、ments，單擊OK?？梢杂肎UI: Utility Menu Plot Nodes查看選擇是否正確。7) 定義鐵塊的溫度：GUI: Main Menu Solution Define Loads Apply Thermal Temperature On Nodes, 點擊Pick All, 在彈出的【Apply TEMP on Nodes】對話框的Load TEMP value文本框中輸入80；8) 選擇銅的所有節(jié)點：GUI: Utility Menu: Select Entities，在【Select Enti】對話框的第一個下拉框選擇Elements，第二個下拉框選擇By Attribu

41、tes，在輸入框輸入1，然后點擊Apply。接著第一個下拉框選擇Nodes，第二個下拉框選擇Attached to, 選擇Elements，單擊OK?？梢杂肎UI: Utility Menu Plot Nodes查看選擇是否正確。9) 定義鐵塊的溫度：GUI: Main Menu Solution Define Loads Apply Thermal Temperature On Nodes, 點擊Pick All, 在彈出的【Apply TEMP on Nodes】對話框的Load TEMP value文本框中輸入70；10) 選擇所有：GUI: Utility Menu Select Ev

42、erything11) 顯示單元：GUI: Utility Menu Plot Elements12) 進行穩(wěn)態(tài)熱分析計算初始溫度分布：GUI: Main Menu Solution Solve Current LS13) 設(shè)定載荷步選項：GUI: Main Menu Solution Load Step Opts Time/Frenquenc Time-Time Step，設(shè)定TIME=3600, DELTIM=26, 最小、最大時間步長分別為2, 200, 將Autots設(shè)置為ON；14) 打開時間積分選項：GUI: Main Menu Solution Load Step Opts Time/Frenquenc Time Integration Amplitude，將TIMINT復(fù)選框設(shè)置為on15) 刪除穩(wěn)態(tài)分析定義的節(jié)點溫度：GUI: Main Menu Solution Define Loads Delete Thermal Temperature On Nodes, 選擇Pick All，在彈出來的【Delete Node Constraints】對話框的DOFs to be deleted下拉框中選擇TEMP，單擊OK按鈕。16) 施加初始非均勻溫度場：GUI: Main Menu Solution Define Loads Apply Initial Con