第20章熱－應力耦合分析實例

1、第20章 熱應力耦合分析實例由于溫度的分布不均在部件內(nèi)部會產(chǎn)生熱應力，在結(jié)構(gòu)分析中常會遇到需要考慮溫度場對應力分布影響的情況。特別在進行各類燃機部件，如航空發(fā)動機的渦輪盤、葉片等的強度計算分析時通常要考慮熱問題。還有一些輸送管道由于內(nèi)外溫度不同也會產(chǎn)生熱應力。另外材料的性能和其溫度是相關(guān)的，不同的溫度下其性能通常不同，這也會造成部件應力的變化。本章將通過實例來講解如何用ANSYS6.1來進行這類問題的分析。20.1 問題描述一無限長的截面形狀和尺寸如圖20.1所示的厚壁雙層圓管，其內(nèi)外層溫度分別為Ti和To，材料數(shù)據(jù)和邊條如表20.1所示，利用ANSYS程序來求解圓管沿徑向的溫度分布情況，并求

2、解圓管內(nèi)沿徑向和周向的應力情況。圖20.1 雙層管道的截面圖表20.1 材料性能參數(shù)表材料編號熱導率(W/mm. oC)彈性模量(MPa)泊松比熱膨脹系數(shù)(oC-1)1(鋼),內(nèi)層0.02342.05E50.310.32 (鋁) ,外層0.1520.63E50.3320.7從上面描述的問題可以看出，本實例屬于軸對稱問題，我們可以采用軸對稱方法來進行分析。同時本問題為典型的熱應力耦合問題，可以采用間接法順序耦合分析的一般步驟進行分析。因為管道為無限長，故建模時軸向尺寸可以是任意大于零的值，且將其一邊軸向約束，一邊所有節(jié)點軸向自由度耦合。下面我們將首先建立有限元模型，進行穩(wěn)態(tài)熱分析，并觀察分析其沿

3、徑向的溫度分布情況。然后將模型中的熱單元類型轉(zhuǎn)換稱對應的結(jié)構(gòu)分析單元類型，從新定義材料的力學性能參數(shù)，并將熱分析的結(jié)果以體載荷的形式施加到模型中，定義合理的邊界條件，進行結(jié)構(gòu)靜力求解。最后，觀察并分析整個結(jié)構(gòu)沿徑向和周向的應力分布情況。20.2 建立模型在ANSYS6.1中，首先我們通過完成如下工作來建立本算例的有限元模型，需要完成的工作有：指定分析標題，定義材料性能，定義單元類型，建立幾何模型并劃分有限元網(wǎng)格等。本節(jié)中定義的單元類型和材料屬性都是針對熱分析的。下面將詳細講解分析過程。20.2.1指定分析標題并設(shè)置分析范疇在這一步中我們將指定本實例的分析路徑、數(shù)據(jù)庫的名稱、分析標題。另外為了得

4、到適合熱分析的菜單選項，需要將分析范疇指定為熱分析。1選取菜單路徑Utility Menu >File >Change Jobname，將彈出修改文件名(Change Jobname)對話框，如圖20.2所示。在輸入新文件名(Enter new jobname)文本框中輸入文字“CH20”，為本分析實例的數(shù)據(jù)庫文件名。單擊按鈕，完成文件名的修改。圖20.2 修改文件名(Change Jobname)對話框2選取菜單路徑Utility Menu >File >Change Title，將彈出修改標題(Change Title)對話框，如圖20.3所示。在輸入新標題(Ent

5、er new title)文本框中輸入文字“Thermal Stress in Concentric Cylinders-Indirect Method”，為本分析實例的標題名。單擊按鈕，完成對標題名的指定。圖20.3 修改標題(Change Title)對話框3選取菜單路徑Main Menu >Preference，將彈出菜單過濾參數(shù)選擇(Preference of GUI Filtering)對話框，如圖20.4所示。單擊對話框中的Themal(熱)選擇按鈕，選中Thermal選項，以便ANSYS6.1的主菜單設(shè)置為與熱分析相對應的菜單選項。單擊按鈕，完成分析范疇的指定圖20.4 指

6、定分析范疇20.2.2 定義單元類型本實例熱分析中選用8節(jié)點平面熱單元PLANE77，并將其設(shè)置為軸對稱單元類型。下面為定義單元的具體操作過程。1選取菜單路徑Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete，將彈出單元類型定義(Element Types)對話框。單擊對話框中的按鈕，將彈出單元類型庫(Library of Element Types)對話框,如圖20.5所示。圖20.5 定義單元類型PLANE772在對話框單元類型庫(Library of Element Type)左邊的滾動框中單擊“Thermal Sol

7、id”，選擇熱實體單元類型。在右邊的滾動框中單擊“Quad 8node 77”選擇8節(jié)點平面單元PLANE77。然后單擊按鈕，關(guān)閉單元類型庫(Library of Element Types)對話框。單元類型 (Element Types)對話框中將列出定義的單元類型，如圖20.6所示。圖20.6 定義的單元類型3設(shè)置單元PLANE77的軸對稱選項。單擊圖20.6所示對話框中的按鈕，將彈出單元PLANE77的選項對話框(PLANE77 element type options)，如圖20.7所示。在對話框中，單擊單元行為參數(shù)K3的下拉設(shè)置框“Axisymmetric”選項，將單元設(shè)置為軸對稱單

8、元，單擊按鈕，關(guān)閉對話框。圖20.7 將單元設(shè)置為軸對稱單元4單擊單元類型對話框中(圖20.6)中的按鈕關(guān)閉對話框，完成單元類型的定義。20.2.3 定義材料性能本實例中共有兩種材料，管道內(nèi)層的鋼和外層的鋁。其性能參數(shù)在前面問題描述中已經(jīng)給出。因為這里建立的是穩(wěn)態(tài)熱分析的有限元模型，所以只需定義材料的熱傳導系數(shù)。其它屬性在進行結(jié)構(gòu)應力分析時在定義，具體的操作如下：1選取菜單路徑Main Menu > Preprocessor > Material Props > Material Models，將彈出材料模型定義(Define Material Model Behavior)

9、對話框，如圖20.8所示。圖20.8 材料模型定義(Define Material Model Behavior)對話框2在依次雙擊Thermal >Conductivity >Isotropic，將彈出1號材料的熱傳導率KXX的定義對話框，如圖20.9所示。圖20.9定義材料類型1的熱傳導率3在圖20.9中的KXX文本框中輸入0.0234，指定1號材料的熱傳導系數(shù)為0.0234，單擊按鈕，關(guān)閉對話框。在材料模型定義對話框中將會列出定義的1號材料，如圖20.10所示。圖20.10 定義的材料列表4單擊圖20.10所示對話框中的菜單：Material >New Model，將彈

10、出定義新材料編號(Define Material ID)對話框，如圖20.11所示。保持對話框中的缺省設(shè)置，單擊對話框中的按鈕關(guān)閉對話框。在圖20.10所示的對話框中的左邊列表框中將會出現(xiàn)新增加的材料。圖20.11定義新材料編號(Define Material ID)對話框5重復步驟23，定義2號材料的熱傳導率為0.152W/mm.oC，單擊圖20.10所示對話框中的菜單Material >Exit，關(guān)閉對話框，完成對內(nèi)外層管道的材料定義。20.2.4 建立軸對稱幾何模型由于本實例符合軸對稱條件，且其軸向尺寸無限大，因此我們將采用軸對稱方法來進行分析。建立模型時只需建立內(nèi)外管道的軸對稱面

11、即可。具體的操作過程如下。過度語，不要一開始就講如何操作，得有引導性內(nèi)容。1選取路徑MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Rectangle>By Dimensions，彈出通過尺寸來創(chuàng)建矩形(Create Rectangle by Dimensions)對話框，圖20.12所示。圖20.12 創(chuàng)建矩形面2在彈出的對話框中，輸入矩形的四條邊的X、Y坐標：X1=5.5、X2=10.8、Y1=0、Y2=1.5，單擊按鈕，在圖形窗口將顯示創(chuàng)建的第一個矩形。3在接著彈出的通過尺寸來創(chuàng)建矩形(Create Rectangle by Di

12、mensions)對話框中，重復第2步的工作，輸入四條邊的坐標為：X1=10.8、X2=15.6、Y1=0、Y2=1.5，單擊按鈕，在圖形窗口將顯示創(chuàng)建的第二個矩形，圖20.13為創(chuàng)建的兩個矩形面。圖20.13 創(chuàng)建的內(nèi)外管道的軸對稱面4選取菜單路徑Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate> Booleans >Glue>Areas，將彈出粘合面(Glue Area)拾取對話框，單擊對話框中的按鈕，ANSYS程序?qū)褎倓?chuàng)建的兩個面的相鄰邊粘合為一條，即讓兩個面有公共的邊。5壓縮模型元素的編號。選取菜單路徑Main Me

13、nu>Preprocessor>Numbering Ctrls>Compress Numbers，將彈出壓縮序號(Compress Numbers)對話框，如圖20.14所示。在對話框中的下拉框中選擇“All”，單擊按鈕對所有元素的序號進行壓縮，并關(guān)閉對話框。圖20.14 壓縮模型元素編號6顯示線、面的序號。選取菜單路徑Utility Menu>PlotCtrls>Numbering，將彈出序號顯示控制(Plot Numbering Controls)對話框，在對話框中單擊線(LINE)和面(AREA)的選擇按框，將其設(shè)置為“On”，然后單擊按鈕關(guān)閉對話框。選取菜

14、單路徑Utility Menu>Plot>Replot，ANSYS程序?qū)λǖ哪Ｐ瓦M行重新顯示，并顯示線、面的序號，如圖20.15所示。圖20.15 模型元素的序號20.2.5對截面進行有限元分網(wǎng)建立好管道的軸對稱幾何模型之后，就需要根據(jù)具體的幾何形面和分析要求，對其進行網(wǎng)格劃分。盡量使劃分的網(wǎng)格的粗細能夠既滿足分析的精度，又不至使模型太大，占用太多的計算機資源和求解時間。由于本實例有兩種不同的材料，所以進行不同面的網(wǎng)格劃分時需要指定正確的材料屬性。具體過程如下。圖9.28應該叫做對話框，而不是菜單吧？1設(shè)置面的材料屬性。選取路徑Main Menu>Preprocessor

15、>Meshing>Mesh Attributes >Picked Areas，將彈出設(shè)置面的屬性(Area Attributes)拾取對話框，在ANSYS圖形顯示窗口中單擊標號為“A1”的面，然后單擊拾取對話框中的按鈕。將會彈出設(shè)置面的屬性(Area Attributes)對話框，如圖20.16所示。圖20.16 設(shè)置面的屬性2在對話框中將材料屬性序號(Material number)設(shè)置為“1”，將單元類型Element type number設(shè)置為“1 PLANE77”，然后單擊對話框中的按鈕，完成對面A1的屬性設(shè)置。3接著將重新彈出設(shè)置面的屬性(Area Attribu

16、tes)拾取對話框，在ANSYS圖形顯示窗口中單擊標號為“A2”的面，然后單擊拾取對話框中的按鈕。將會彈出設(shè)置面的屬性(Area Attributes)對話框，如圖20.16所示。在對話框中將材料屬性序號(Material number)設(shè)置為“2”，將單元類型Element type number設(shè)置為“1 PLANE77”，然后單擊對話框中的按鈕，完成對面A2的屬性設(shè)置，并關(guān)閉對話框。4設(shè)置單元尺寸。選取菜單路徑Main Menu>Preprocessor>Meshing>Size Cntrls >ManualSize >Global >Size，將彈出

17、全局單元尺寸控制(Global Element Sizes)對話框，如圖20.17所示。在對話框中的單元邊長度(Element edge length)對話框中輸入“0.8”，單擊按鈕，完成單元尺寸的設(shè)置，并關(guān)閉對話框。圖20.17 設(shè)置單元尺寸5單元劃分。選取菜單路徑Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh >Areas >Free，將彈出劃分面網(wǎng)格(Mesh Areas)拾取對話框，單擊對話框中的，對所有建立的兩個面按照設(shè)置的屬性和尺寸進行網(wǎng)格劃分。完成后的單元如圖20.18所示。圖20.18 內(nèi)外管道軸對稱網(wǎng)格至此，完成了創(chuàng)建內(nèi)

18、外管道軸對稱有限元模型的所有工作，下面將根據(jù)其工作條件設(shè)置有限元邊條并進行求解。20.3 穩(wěn)態(tài)熱分析在完成了有限元幾何模型的建立后，便可以定義按照問題描述中給定的管道內(nèi)外表面的溫度定義溫度邊條，然后進行問題熱分析了。20.3.1 定義溫度邊條根據(jù)問題描述知道，整個管道外表面溫度為20，內(nèi)表面的溫度為180。對整個系統(tǒng)在分析過程中我們按照絕熱情況處理，所以只定義溫度邊條，不考慮其它因素。具體的操作過程如下。圖20.19 選擇節(jié)點1選定內(nèi)表面節(jié)點。選取菜單路徑Utility Menu >Select >Entities，將彈出實體選擇對話框，如圖20.19所示。在對話框中最上面下拉框中

19、選中“Nodes”，接下來的下拉框中選中“By Locations”，然后單擊“X coordinates”單選按鈕，并在下面的文本框中輸入“5.5” ，單擊按鈕。通過這些操作指定要選擇的對象為X坐標值為5.5的所有節(jié)點。2選取菜單Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Thermal >Temperature >On Nodes，將彈出給節(jié)點施加溫度載荷(Apply TEMP on Nodes)拾取對話框，單擊對話框中的按鈕。將彈出施加節(jié)點溫度(Apply TEMP on Nodes)對話框，如圖20.20所示。圖20.

20、20 定義管道內(nèi)表面的溫度3在對話框中的溫度值(Load TEMP value)文本框中輸入180，其余設(shè)置保持缺省，單擊按鈕，關(guān)閉對話框。然后選取菜單路徑Utility Menu >Select Everything，選取所有元素。4重復步驟13，選取X坐標值為15.6的所有節(jié)點，然后定義其溫度值為20。即外表面的溫度值為20。20.3.2 進行穩(wěn)態(tài)溫度求解前面完成了溫度載荷的定義，下面進行穩(wěn)態(tài)熱分析的求解。1選擇菜單Main Menu>Solution>Current LS，將彈出求解命令狀態(tài)(/STATUS Command)輸出窗口(見圖20.21)和求解當前載荷步(S

21、olve Current Load Step)對話框(見圖20.22)。2檢查求解命令狀態(tài)輸出窗口中列出的命令情況，如果符合分析要求，關(guān)閉圖20.21所示對話框。單擊求解當前載荷步對話框(圖20.22)中的按鈕，進行穩(wěn)態(tài)熱分析求解。如果有不符合要求的地方，則回到相應菜單對其進行修改。圖20.21 進行穩(wěn)態(tài)熱分析的求解選項和載荷步選項設(shè)置圖20.22 求解當前載荷步(Solve Current Load Step)對話框3根據(jù)求解問題所劃分單元和節(jié)點的多少，ANSYS將會花一定的時間對問題進行求解。當求解完時，ANSYS將彈出求解提示(Solution is Done)對話框，單擊按鈕，結(jié)束穩(wěn)態(tài)

22、熱分析。20.3.3 觀察穩(wěn)態(tài)熱分析結(jié)果對于本實例求解的穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果我們可以采用ANSYS6.1提供的通用后處理器(POST1)進行結(jié)果列表、云圖顯示等方法來進行觀察。另外，根據(jù)本實例的特點我們可以利用ANSYS6.1一個非常強大的后處理功能路徑來觀察結(jié)果。本實例將主要利用路徑來進行結(jié)果觀察。讀者可以認真體會路徑的用法，具體的操作過程如下。1云圖顯示結(jié)果。選取菜單路徑Main Menu>General Postproc>Plot Results>Nodal Solu，將彈出彩色云圖顯示結(jié)果對話框，如圖20.23所示。圖20.23 云圖顯示求解的溫度分布2在對話框中單擊云圖顯示

23、項目(Item to be contoured)列表框左邊列表的“DOF solution”和右邊的“Temperature TEMP”，其余設(shè)置保持缺省，單擊對話框中的按鈕關(guān)閉對話框，在ANSYS6.1圖形顯示窗口中將顯示溫度場求解結(jié)果的云圖顯示，如圖20.24所示。圖20.24 內(nèi)外管道溫度分布云圖3定義沿徑向的路徑。選取菜單路徑Main Menu>General Postproc>Path Operations>Define Path>By Location，將彈出根據(jù)位置定義路徑(By Location)對話框，如圖20.25所示。圖20.25 根據(jù)位置定義路徑

24、4在對話框中的定義路徑名(Define Path Name)文本框中輸入路徑名“radial”，其余設(shè)置保持缺省，單擊按鈕關(guān)閉對話框。將彈出在全局直角坐標系中創(chuàng)建路徑點(By Location in Global Cartesian)對話框，如圖20.26所示。圖20.26 5在對話框中，指定路徑點序號(Path point number)為1，指定路徑X方向位置(XLocation in Global CS)為5.5，單擊按鈕，指定第一個路徑點的位置。6重復步驟5的操作。在接著彈出的圖20.26所示的對話框中，指定路徑點序號(Path point number)為2，指定路徑X方向位置(X

25、Location in Global CS)為15.6，單擊按鈕，指定第二個路徑點的位置。然后單擊按鈕關(guān)閉對話框，完成路徑點的定義。7在路徑上進行溫度插值。選擇菜單路徑Main Menu>General Postproc>Path Operations>Map onto Path，將彈出將結(jié)果映射到路徑(Map Result Items onto Path )對話框，如圖20.27所示。圖20.27 將溫度映射到路徑上8在圖20.27所示的對話框中，輸入用戶定義項目標簽為“temp”，單擊映射項目(Item to be mapped)列表框左邊列表的“DOF solution

26、”和右邊的“Temperature TEMP”。其余設(shè)置保持缺省，然后單擊按鈕關(guān)閉對話框。9對路徑進行存檔，以便后面查看應力分析結(jié)果時用。選取菜單路徑Main Menu>General Postproc>Path Operations>Archive Path> Store >Path in array，將彈出存檔路徑到一組參數(shù)(Archive Path in to Array Parameters)對話框，如圖20.28所示。圖20.28 對路徑點進行歸檔10單擊對話框中的POIN-only points單選按鈕，指定僅對 路徑點進行歸檔。單擊按鈕，關(guān)閉對話框。

27、將會彈出歸檔路徑點到參數(shù)(Archive Path Points into Array)對話框，如圖20.29所示。圖20.29 指定路徑點的歸檔參數(shù)名11在對話框中的文本框中輸入“path”，然后單擊按鈕關(guān)閉對話框，完成路徑的歸檔。12繪制溫度沿路徑的變化曲線。選取菜單路徑Main Menu>General Postproc>Path Operations Plot Path Item >On Graph，將彈出繪制路徑項目圖(Plot of Path Items on Graph)對話框，如圖20.30所示。圖20.30 繪制溫度沿路徑的變化曲線13在對話框中單擊要繪制路

28、徑項目列表框中的“TEMP”選項，使其高亮度顯示，然后單擊按鈕關(guān)閉對話框，在ANSYS6.1圖形顯示窗口中將會繪制出溫度沿路徑變化的曲線，如圖20.31所示。圖20.31 溫度沿路徑變化曲線14利用路徑查看，管道沿徑向的溫度分布。選取菜單路徑Main Menu>General Postproc>Path Operations Plot Path Item >On Geometry，將彈出繪制路徑項目的幾何圖(Plot of Path Items on Geometry)對話框，如圖20.32所示。圖20.32 繪制溫度的幾何圖15單擊對話框中的顯示路徑項目列表框中的“TEMP

29、”選項，使其高亮度顯示。在比例系數(shù) (Scale factor offset)文本框中輸入“30”，其余設(shè)置保持缺省，然后單擊按鈕關(guān)閉對話框，在ANSYS6.1圖形顯示窗口中將會顯示，溫度沿路徑的幾何圖，如圖20.33所示。圖20.33 溫度沿路徑的幾何圖至此，完成了全部的穩(wěn)態(tài)熱分析工作，并進行了相應的后處理。讀者根據(jù)需要還可以進行其它的后處理工作，這里就不再贅述，下面將進行應力分析的操作。20.4 結(jié)構(gòu)應力分析前面完成了穩(wěn)態(tài)熱分析，求解得到了內(nèi)外層管道沿徑向的溫度分布，下面我們將進行結(jié)構(gòu)應力分析。首先，對前面建立的熱分析有限元模型進行轉(zhuǎn)換，將單元轉(zhuǎn)換成對應的結(jié)構(gòu)分析單元；其次，定義兩種材料的

30、力學性能參數(shù)；接著，定義相應的結(jié)構(gòu)邊條，進行靜力分析，得到熱載荷作用下管道的應力分布；最后，對結(jié)果進行后處理，觀察管道沿徑向和周向的應力分布，其操作過程如下。20.4.1 轉(zhuǎn)換模型對于進行熱分析建立的有限元模型，由于其單元類型是熱分析單元，無法進行結(jié)構(gòu)應力求解。ANSYS提供了單元轉(zhuǎn)換功能，可以將熱單元轉(zhuǎn)換成相應的結(jié)構(gòu)單元，而無需重新建立模型。20.4.1.1 轉(zhuǎn)換單元類型下面將熱單PLANE77轉(zhuǎn)換為和其對應的結(jié)構(gòu)單元PLANE82，并將其設(shè)定為軸對稱單元，下面是具體的操作過程。1指定分析范疇為結(jié)構(gòu)分析，對菜單選項進行過慮。選取菜單路徑Main Menu >Preference，將彈出

31、菜單過濾參數(shù)選擇(Preference of GUI Filtering)對話框。單擊對話框中的Sturctrual(結(jié)構(gòu))選擇按鈕，選中Structural選項。并關(guān)掉Thermal選項，使以便ANSYS6.1的主菜單設(shè)置為與結(jié)構(gòu)分析相對應的菜單選項。單擊按鈕，完成分析范疇的指定2將熱單元轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)單元。選取菜單路徑Main Menu>Preprocessor>Element Type>Switch Elem Type，將彈出轉(zhuǎn)換單元類型(Swith Elem Type)對話框，如圖20.34所示。圖20.34 轉(zhuǎn)換單元類型3單擊對話框中的改變單元類型(Change ele

32、ment type)下拉框中的“Thermal to Struc”選項，指定將熱單元轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)單元，單擊按鈕關(guān)閉對話框，ANSYS6.1程序?qū)涯Ｐ椭械臒釂卧D(zhuǎn)換為對應的結(jié)構(gòu)單元。同時彈出如圖20.35所示的警告信息對話框。圖20.35 轉(zhuǎn)換單元警告信息4單擊警告信息對話框中的按鈕，關(guān)閉對話框。5將單元設(shè)置為軸對稱單元。選取菜單路徑Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete，將彈出單元類型定義(Element Types)對話框。單擊對話框中的按鈕，將彈出單元PLANE82的選項對話框(PLANE82 element

33、 type options)，如圖20.36所示。圖20.36 設(shè)置單元軸對稱屬性6在對話框中，單擊單元行為參數(shù)K3的下拉設(shè)置框中的“Axisymmetric”選項，將單元設(shè)置為軸對稱單元，其余設(shè)置保持缺省，單擊按鈕，關(guān)閉對話框。在單擊單元類型定義(Element Types)對話框中的按鈕，將其關(guān)閉。20.4.1.2 定義材料力學性能在熱分析時對管道的內(nèi)外層分別定義了材料類型，并定義了材料的熱傳導系數(shù)。在結(jié)構(gòu)分析中需要材料的力學性能參數(shù)，對于熱應力耦合分析，還需要定義材料的熱膨脹系數(shù)。下面定義兩種材料的力學性能參數(shù)和熱膨脹系數(shù)，具體操作如下。1選取菜單路徑Main Menu > Pre

34、processor > Material Props > Material Models，將彈出材料模型定義(Define Material Model Behavior)對話框，如圖20.37所示。圖20.37 定義材料結(jié)構(gòu)性能2在對話框中，單擊左邊列表框中的材料1(Material Model Number1)使其高亮度顯示，然后單擊對話框右邊的材料結(jié)構(gòu)參數(shù)列表框中的菜單路徑Structural > Linear >Elastic >Isotropic，將彈出定義材料1的彈性模量EX和泊松比PRXY對話框，在對話框中指定EX2.05E5，PRXY0.3，然后單

35、擊按鈕關(guān)閉對話框。3在圖20.37所示對話框的右邊材料屬性列表中單擊菜單路徑Structural >Thermal Expansion Coef >Isotropic，將彈出定義材料1的熱膨脹系數(shù)(Thermal Expansion Coefficient for Material 1)對話框，如圖20.38所示。圖20.38 定義材料1的熱膨脹系數(shù)4在對話框中的參考溫度(Reference temperature)文本框中輸入20，指定膨脹系數(shù)的參考溫度為20，接著指定熱膨脹系數(shù)ALPX為10.3E-6，然后單擊按鈕關(guān)閉對話框，完成材料1的性能設(shè)置。5單擊圖20.37所示對話框左

36、邊列表框中的2號材料(Material Model Number 2)，使其高亮度顯示。然后重復步驟24的操作過程，定義2號材料的力學性能參數(shù)，其中彈性模量EX為0.63E5，泊松比PRXY為0.33，熱膨脹系數(shù)ALPX為20.7E-6(參考溫度為20)。最后，關(guān)閉圖20.37所示的對話框，完成材料性能的定義。20.4.2 定義結(jié)構(gòu)分析邊條及溫度載荷由于本實例利用軸對稱方法來求解無限長的圓管熱應力問題，根據(jù)問題性質(zhì)知道，內(nèi)管的內(nèi)表面各節(jié)點的變形是相同的，且節(jié)點沿軸向變形是相同的，為此需要定義相應的自由度耦合集，具體的操作如下。1選定內(nèi)表面節(jié)點。選取菜單路徑Utility Menu >Se

37、lect >Entities，將彈出實體選擇對話框(如圖20.19所示)。在對話框中最上面下拉框中選中“Nodes”，接下來的下拉框中選中“By Locations”，然后單擊“X coordinates”單選按鈕，并在下面的文本框中輸入“5.5” ，單擊按鈕。通過這些操作指定要選擇的對象為X坐標值為5.5的所有節(jié)點。2選取菜單路徑Main Menu>Preprocessor>Coupling / Ceqn>Couple DOFs，將彈出定義節(jié)點自由度耦合集(Define Coupled DOFs)對話框，如圖20.39所示。在對話框中指定耦合集的參考序號(Set re

38、ference number)為1，指定耦合自由度為“UY”，然后單擊按鈕關(guān)閉對話框，將內(nèi)壁上所有節(jié)點的徑向自由度耦合。圖20.39 定義節(jié)點自由度耦合集3重復步驟12，選擇Y坐標值為1.5的所有節(jié)點，并定義自由度耦合集2為所有Y坐標值為1.5的節(jié)點Y方向自由度(軸向)的耦合。4定義位移約束。重復步驟1的操作，選定Y坐標值為0的所有節(jié)點。然后選取菜單路徑Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>On Nodes，將彈出施加節(jié)點位移約束拾取對話框，單擊對話框中的按鈕，將彈出如圖2

39、0.40所示的對話框。圖20.40 定義軸向位移約束5在對話框中單擊約束自由度(DOFs to be Constrained)列表框中“UY”，使其高亮度顯示。其余設(shè)置保持缺省，單擊對話框中的按鈕關(guān)閉對話框，完成自由度約束的定義。定義的自由度耦合集和位移約束在ANSYS6.1的圖形輸出窗口中顯示如圖20.41所示。圖20.41 定義的節(jié)點自由度耦合集和位移約束6選取菜單路徑Utility Menu >Select Everything，選取所有元素。7施加溫度載荷。選取菜單路徑Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Struct

40、ural>Temperature>From Therm Analy，將彈出施加從熱分析所得的溫度載荷(Apply TEMP from Thermal Analysis)對話框，如圖20.42所示。圖20.42 指定溫度分析結(jié)果文件8單擊對話框中的按鈕，將彈出根據(jù)文件名找結(jié)果文件(Fname Name of results file)對話框，從指定的數(shù)據(jù)庫文件路徑找到熱分析結(jié)果文件CH20.rth，單擊按鈕?；蛑苯釉趫D20.42所示對話框中輸入文件名“CH20.Rth”。其余設(shè)置保持缺省，然后單擊按鈕，關(guān)閉對話框。ANSYS6.1程序?qū)亚懊鏌岱治龅慕Y(jié)果施加到結(jié)構(gòu)模型的節(jié)點上。9查看

41、施加的溫度載荷。選取菜單路徑Utility Menu >PlotCtrls >Symbols，將彈出如圖20.43所示的對話框。圖20.43 顯示結(jié)構(gòu)溫度符號10單擊對話框中體載荷符號(Body Load Symbols)下拉框中的“Structural temps”選項，然后單擊按鈕關(guān)閉對話框。ANSYS6.1程序?qū)⒃趫D形輸出窗口中的有限元模型上顯示施加的溫度載荷情況，如圖20.44所示。也可以通過命令：(/PBF,TEMP,1)，來顯示施加的溫度載荷情況。圖20.44 施加的溫度載荷情況至此，完成了結(jié)構(gòu)應力求解需要定義的所有邊條和載荷設(shè)置，下面來進行求解。20.4.3 進行求解

42、完成了模型轉(zhuǎn)換和邊條、載荷的定義之后，我們可以對溫度載荷作用下的雙層管道的應力情況進行分析求解了，下面是具體的操作過程。1選擇菜單Main Menu>Solution>Current LS，將彈出求解命令狀態(tài)(/STATUS Command)輸出窗口和求解當前載荷步(Solve Current Load Step)對話框。2檢查求解命令狀態(tài)輸出窗口中列出的命令情況，如果符合分析要求，關(guān)閉求解命令狀態(tài)對話框。單擊求解當前載荷步對話框中的按鈕，進行穩(wěn)態(tài)熱分析求解。如果有不符合要求的地方，則回到相應菜單對其進行修改。3根據(jù)求解問題所劃分單元和節(jié)點的多少，ANSYS將會花一定的時間對問題進

43、行求解。當求解完時，ANSYS將彈出求解提示(Solution is Done)對話框，單擊按鈕，完成結(jié)構(gòu)應力求解。20.4.4 觀察結(jié)構(gòu)分析結(jié)果在完成了結(jié)構(gòu)應力求解之后，下面我們將根據(jù)問題的分析要求，利用ANSYS的通用后處理器(POST1)來查看在雙層管道沿徑向和周向的應力分布情況。這里我們?nèi)匀焕寐窂降姆椒▉碛^察結(jié)果，下面是具體的操作。1重新獲得前面熱分析時定義的路徑點參數(shù)。選取菜單路徑Main Menu>General Postproc>Path Operations>Archive Path>Retrieve >Path from array，將彈出從存

44、檔的數(shù)列恢復路徑(Retrieve Path from Arrays)對話框，如圖20.45所示。圖20.45 恢復路徑對話框2在對話框中指定路徑名(Define Path with Name)為“path”，接著單擊“POIN-only points”單選按鈕，然后單擊按鈕關(guān)閉對話框。ANSYS6.1程序?qū)棾鋈鐖D20.46所示的對話框。圖20.46 恢復路徑點參數(shù)3單擊對話框中的按鈕(缺省為PATH選項高亮度顯示)關(guān)閉對話框，在熱分析時定義的路徑點將被恢復。4定義路徑的結(jié)合映射。選取菜單路徑Main Menu>General Postproc>Path Operations&g

45、t;Define Path>Path Options，將彈出路徑選項(Path Options)對話框，如圖20.47所示。圖20.47 考慮材料不連續(xù)5定義路徑上的映射項目。選擇菜單路徑Main Menu>General Postproc>Path Operations>Map onto Path，將彈出將結(jié)果映射到路徑(Map Result Items onto Path )對話框。圖20.48 將徑向應力映射到路徑6在對話框中指定映射項目的用戶標簽為“sx”，在要映射項目列表(Item to be mapped)左邊列表框中單擊“Stress”使其高亮度顯示，在右

46、邊列表框中單擊“Xdirection SX”使其高亮度顯示，然后單擊按鈕，映射沿X方向(徑向)的應力到路徑上。7類似第6步的操作，將Z方向(周向)的應力映射到路徑上，指定標簽為“sz”，然后單擊按鈕關(guān)閉對話框。8繪制徑向、周向應力沿路徑的變化曲線。選取菜單路徑Main Menu>General Postproc>Path Operations Plot Path Item >On Graph，將彈出繪制路徑項曲線(Plot of Path Items on Graph)對話框，如圖20.49所示。圖20.49 Plot of Path Items on Graph對話框9單擊

47、對話框中的路徑項列表框中的“SX”和“SZ”，使其高亮度顯示，然后單擊按鈕關(guān)閉對話框，在ANSYS圖形輸出框中將顯示繪制的徑向和周向應力沿路徑的變化情況，如圖20.50所示。圖20.50 徑向、周向應力沿路徑的分布曲線10繪制徑向應力沿路徑的幾何圖。選取菜單路徑Main Menu>General Postproc>Path Operations Plot Path Item >On Geometry，將彈出繪制路徑項在路徑幾何上的圖(Plot of Path Items on Geometry)對話框，如圖20.51所示。圖20.51 繪制徑向應力在路徑幾何上的分布圖11在對話框中，單擊要顯示路徑項目列表框中的“SX”選項，使其高亮度顯示，接著單擊“With nodes”單選按鈕，指定同時顯示節(jié)點，單擊按鈕，在ANSYS圖形顯示窗口中將繪制出徑向應力沿路徑