ANSYS熱應(yīng)力分析實(shí)例

1、ANSYS熱應(yīng)力分析實(shí)例當(dāng)一個(gè)結(jié)構(gòu)加熱或冷卻時(shí)，會(huì)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(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。熱應(yīng)力分析的分類(lèi)ANSY雕供三種進(jìn)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(diǎn)的溫度。如果所以節(jié)點(diǎn)的溫度已知，則可以 通過(guò)命令直接定義節(jié)點(diǎn)溫度。節(jié)點(diǎn)溫度在應(yīng)力分析中作為體載荷，而不是節(jié)點(diǎn)自 由度間接法。首先進(jìn)行熱分析，然后將求得的節(jié)點(diǎn)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(shí)得到熱分析和結(jié)構(gòu)應(yīng) 力分析的結(jié)果。如果節(jié)點(diǎn)溫度已知，適合第一種方法。但節(jié)點(diǎn)溫度一般是不知道的。對(duì)于大 多數(shù)問(wèn)題，推薦使用第二種方

2、法一間接法。因?yàn)檫@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(shí)間 點(diǎn)，并將此時(shí)間點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)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(shí)結(jié)構(gòu)變形又會(huì)影響熱分析（如 大變形、接觸等），則可以使用第三種直接法 一使用耦合單元。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(duì)熱和結(jié)構(gòu)的影響。間接法進(jìn)行熱應(yīng)力分析的步驟首先進(jìn)行熱分析?？梢允褂脽岱治龅乃泄δ?，包括傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射和表 面效應(yīng)單元等，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱分析。但要注意劃分單元時(shí)要充分考慮結(jié)構(gòu)分析的要求。例如，在有可能有應(yīng)力集中的地方的

3、網(wǎng)格要密一些。 如果進(jìn)行瞬態(tài)分析，在后處理中要找出熱梯度最大的時(shí)間點(diǎn)或載荷步。熱單元結(jié)構(gòu)單元LINK32LINK1LINK33LINK8PLANE35PLANE2PLANE55PLANE42SHELL57SHELL63PLANE67PLANE42LINK68LINK8SOLID79SOLID45MASS71MASS21PLANE75PLANE25PLANE77PLANE82PLANE78PLANE83PLANE87PLANE92PLANE90PLANE95SHELL157SHELL63重新進(jìn)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是熱單元與結(jié)構(gòu)單元的對(duì)應(yīng)表?？梢允褂貌藛芜M(jìn)行轉(zhuǎn)換:Mai

4、n Menu>Preprocessor>Element Type>Switch Element Typ遍擇 Thermal t Structual。但要注意設(shè)定相應(yīng)的單元選項(xiàng)。例如熱單元的軸對(duì)稱(chēng)不能自動(dòng)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(hào)重新定義為結(jié)構(gòu)單 元，并設(shè)置相應(yīng)的單元選項(xiàng)。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(xì)節(jié)，如節(jié)點(diǎn)耦 合、約束方程等。讀入熱分析中的節(jié)點(diǎn)溫度，GUI: Solution>Load Apply>Temperature>From Thermal Analysis 輸入或選擇 熱分析的結(jié)果

5、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(shí)的 時(shí)間點(diǎn)或載荷步。節(jié)點(diǎn)溫度是作為體載荷施加的，可通過(guò) Utility Menu>List>Load>Body Load>On all nodeSU表輸出。設(shè)置參考溫度，Main Menu>Solution>Load Setting>Reference Temp進(jìn)行求解、后處理。間接法熱應(yīng)力分析實(shí)例問(wèn)題描述hn國(guó)中國(guó)軟件網(wǎng)門(mén)三一 丁 aFF6,COM熱流體在代有冷卻柵的管道里流動(dòng)，如圖為其軸對(duì)稱(chēng)截面圖。管道及冷卻柵 的材料均為不銹鋼，導(dǎo)熱系數(shù)為 hr-in-oF,彈性模量為28E6lb/in2

6、泊松比為。管 內(nèi)壓力為1000 lb/in2,管內(nèi)流體溫度為450 oF,對(duì)流系數(shù)為1 Btu/hr-in2-oF,外界 流體溫度為70 oF,對(duì)流系數(shù)為 Btu/hr-in2-oF。求溫度及應(yīng)力分布。菜單操作過(guò)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>Change Filename 輸入 PIPE_FIN進(jìn)入熱分析，定義熱單元和熱材料屬性1、選擇 “Main Menu>

7、;Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete 選擇” PLANE55設(shè)定單元選項(xiàng)為軸對(duì)稱(chēng)。2、設(shè)定導(dǎo)熱系數(shù)：選擇 “Main Menu>Preprocessor>Material Porps>Material Models”，點(diǎn)擊 Thermal, Conductivity, Isotropic, 輸入。創(chuàng)建模型1、創(chuàng)建八個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，選擇 “Main Menu>Preprocessor>Creat>Keypoints>On Active CS，”關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)如下：編號(hào)12345678X561212665

8、5Y000112、組成三個(gè)面：選擇 “Main Menu>Preprocessor>Creat>Area>Arbitrary>ThrouthKps”，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為,選擇 AREA Mapped, Mesh,點(diǎn)擊 Pick all。施加荷載1、選擇 “Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By location&

9、gt;X coordinatesFromFull 輸入5,點(diǎn)擊OK,選擇管內(nèi)壁節(jié)點(diǎn)；2、在管內(nèi)壁節(jié)點(diǎn)上施加對(duì)流邊界條件：選擇 “MainMenu>Solution>Apply>Convection>On nodes,點(diǎn)擊 Pick, all,輸入對(duì)流換熱系數(shù) 1,流體環(huán)境溫度450。3、選擇 “Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By location>X coordinatesFrom Full ；輸入6,12,點(diǎn)擊Apply;4、選擇 “ Utility Menu>Select>Entiti

10、es>Nodes>By location>Y coordinates Reselect輸入，1,點(diǎn)擊 Apply;5、選擇 “ Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By location>Y coordinatesAlso select 輸入 12,點(diǎn)擊 OK；6、在管外邊界上施加對(duì)流邊界條件：選擇 “MainMenu>Solution>Apply>Coivection>On nodes，':點(diǎn)擊 Pick, all,輸入對(duì)流換熱系數(shù)， 流體環(huán)境溫度70。求解1、選擇 “Utili

11、ty Menu>Select>Select Everything ”2、選擇 “Main Menu>Solution>Solve Current l_S”后處理1、顯示溫度分布：選擇 “Main Menu>General Postproc>Plot Result>NodalSolutionTemperature。重新進(jìn)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擇 ” Thermal to Structure。2、選擇 “Main

12、Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete 點(diǎn)擊” Option,將結(jié)構(gòu)單元設(shè)置為軸對(duì)稱(chēng)。3、選擇 “Main Menu>Preprocessor>Material Porps>Material Models 輸入材” 料的 EX為 28E6, PRXW, ALPX為。定義對(duì)稱(chēng)邊界條件1、選擇 “Utity Menu>Select>Entities>Nodes>By location>Y coordinates From Full ；輸入0，點(diǎn)擊Apply;2、選擇 “Utili

13、ty Menu>Select>Entities>Nodes>By location>Y coordinatesAlso select 輸入 1，點(diǎn)擊 Apply;3、選擇 “Main Menu>Solution>Apply>Displacement>Symmetry . On Nodes點(diǎn) 擊 Pick All,選擇 Y axis 點(diǎn)擊 OK;施加管內(nèi)壁壓力1、選擇 “Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By location>X coordinatesFromFull ；輸入

14、5,點(diǎn)擊OK2、選擇 “Main Menu>Solution>Apply>Pressure>On nodes點(diǎn)擊“Pick All,輸入 1000。設(shè)置參考溫度1、選擇 “Utility Menu>Select>Select Everything ”2、選擇 “Main Menu>Solution-Loads-Seting>Reference Temp輸入 70。讀入熱分析結(jié)果1、選擇 “Main Menu>Solution>Apply>Temperature>From Thermal Analysis> 選擇。求解

15、選擇 “Main Menu>Solution>Solve Current LS ”后處理選擇 “Main Menu>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(jìn)入前處理et,1,plane55!定義熱單元keyopt,1,3,1!定義軸對(duì)稱(chēng)mp,kxx,1,!定義導(dǎo)熱系數(shù)k,1,5!建模k,2

16、,6k,3,12k,4,12,k,5,6,k,6,6,1k,7,5,1k,8,5,a,1,2,5,8a,2,3,4,5a,8,5,6,7esize,!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選擇內(nèi)表面節(jié)點(diǎn)sf,all,conv,1,450施加對(duì)流邊界條件nsel,s,loc,x,6,12選擇外表面節(jié)點(diǎn)nsel,r,loc,y,1nsel,a,loc,x,12sf,all,conv,70施加對(duì)流邊界條件nsel,all/pse,conv,hcoef,1nplotsolve!求解生成文件finish/postlplnsol,t

17、emp!得到溫度場(chǎng)分布finish/prep7 !重新進(jìn)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(duì)稱(chēng)特性mp,ex,1,28e6!定義彈性模量mp,nuxy,1,!定義泊松比mp,alpx,1,!定義熱膨脹系數(shù)finish/solu!進(jìn)入結(jié)構(gòu)分析求解nsel,s,loc,y,0選擇對(duì)稱(chēng)邊界nsel,a,loc,y,1dsym,symm,y!定義對(duì)稱(chēng)條件nsel,s,loc,x,5選擇內(nèi)表面sf,all,pres,1000施加壓力邊界條件nsel,all/pbc,all,1/psf,pres,1nplottref,70!設(shè)定參考溫度ldre

18、ad,temp,rth!讀入節(jié)點(diǎn)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finish直接法熱應(yīng)力分析實(shí)例問(wèn)題描述兩個(gè)同心圓管之間有一個(gè)小間隙，內(nèi)管中突然流入一種熱流體，求經(jīng)過(guò) 3分鐘后外管表面的溫度。已知條件：管材彈性模量：2E11N/m2熱膨脹系數(shù)：5E-41/ oF泊松比：導(dǎo)熱系數(shù)：10W/密度：7880Kg/m3比熱：500J/外管外半徑：m外管內(nèi)半徑：m內(nèi)管外半徑：內(nèi)管內(nèi)半徑：流體溫度：300oC流體與內(nèi)管內(nèi)壁對(duì)流系數(shù)：300W/內(nèi)、外管接觸熱導(dǎo)：oC命令流方法/

19、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(duì)稱(chēng)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(xiàng)keyopt,2,2,1keyopt,2,7,1r,2,2e11,0,!定義接觸單元實(shí)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,!建模rect,0,amesh,allnsel,s,loc,x,!將內(nèi)管內(nèi)壁的X方向位移及溫度耦合cp,1,ux,all