熱應(yīng)力耦合分析課件

熱結(jié)構(gòu)耦合場分析熱應(yīng)力產(chǎn)生結(jié)構(gòu)受熱或變冷時，由于熱脹冷縮產(chǎn)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(jié)構(gòu)中產(chǎn)生熱應(yīng)力。產(chǎn)生熱應(yīng)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(chǎn)生熱應(yīng)力由不同材料產(chǎn)生熱應(yīng)力–耦合場分析

…概述在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)分析時間點很多，但結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)分析a) 進入前處理，把熱單元類型轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)單元。MainMenu>Preprocessor>ElementType>SwitchElemType

注意：轉(zhuǎn)換單元類型時，所有單元選項重新設(shè)置回原來缺省狀態(tài)。例如，若用戶在熱分析中使用的2-D軸對稱單元，則需要在轉(zhuǎn)換后重新指定軸對稱選項，因此，一定要確保設(shè)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(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)(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(jié)構(gòu)特性均已定義，該項可以省略).

注意：如果沒有定義ALPX，或?qū)⒃擁椩O(shè)置為零，則不計算熱應(yīng)變?？梢杂迷擁椉记伞瓣P(guān)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(jié)構(gòu)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(yīng)力結(jié)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力耦合分析---順序耦合13A.熱應(yīng)力分析–順序耦合

帶散熱片的軸對稱管說明接上面練習(xí)12的軸對稱散熱片問題做一個熱應(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(xí)12中恢復(fù)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(jié)構(gòu):MainMenu>Preferences選擇“Structural”而不選“Thermal”,然后按[OK]4. 改變標(biāo)題:UtilityMenu>File>ChangeTitle...標(biāo)題為“2DAXI-SYMMTHERMAL-STRESSANALYSISW/INT.PRESS-ESIZE=0.125”[OK]13A.熱應(yīng)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(yīng)的結(jié)構(gòu)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(yīng)力分析–順序耦合

帶散熱片的軸對稱管13A.熱應(yīng)力分析–順序耦合

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

K3設(shè)為軸對稱,然后按[OK][Close]8. 在練習(xí)12的熱應(yīng)力分析中施加溫度荷載:MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>Temperature>FromThermAnaly選擇結(jié)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(yīng)力分析–順序耦合

帶散熱片的軸對稱管11. 將內(nèi)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(shè)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(shè)為“Structuraltemps”,然后按[OK]UtilityMenu>Plot>Elements或用命令:/PBF,TEMP,,1EPLOT13A.熱應(yīng)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(jié)果:Pickthe“SAVE_DB”buttonintheToolbar(orselect:UtilityMenu>File>SaveasJobname.db)MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS觀察“/STATUSCommand”窗口并關(guān)閉[OK][Close]–在求解結(jié)束時關(guān)閉黃色信息框或用命令::SAVE/SOLUSOLVE14. 進入后處理并觀察結(jié)果:MainMenu>GeneralPostproc或用命令:/POST113A.熱應(yīng)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(yīng)力分析–順序耦合

帶散熱片的軸對稱管14c.畫徑向應(yīng)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(yīng)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(yīng)力擴展90度，然后關(guān)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(yīng)力分析–順序耦合

帶散熱片的軸對稱管13A.熱應(yīng)力分析–順序耦合

帶散熱片的軸對稱管14f.畫切向應(yīng)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(yīng)力耦合分析----直接耦合13B.熱應(yīng)力分析–直接耦合

帶散熱片的軸對稱管說明在這個練習(xí)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(jié)構(gòu)荷載。13B.熱應(yīng)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(wǎng)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(yīng)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(wǎng)格:MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshTool選擇Global，按[Set]將SIZE設(shè)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(yīng)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(shè)

VALI=0.69e-4和

VAL2I=70,然后按[Apply]拾取內(nèi)部的兩條線,然后按[OK]設(shè)

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(yīng)力分析–直接耦合

帶散熱片的軸對稱管8.在線上施加內(nèi)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(shè)壓力值為1000,然后按[OK]或用命令:SFL,9,PRES,1000SFL,13,PRES,100013B.熱應(yīng)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(shè)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(shè)置Lab=UY,然后[OK]UtilityMenu>Select>Everything…或用命令:CP,1,UY,ALLALLSEL,ALL13B.熱應(yīng)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(guān)閉。[OK][Yes]–出現(xiàn)警告信息，繼續(xù)求解[Close]–求解完成后關(guān)閉黃色信息窗口12.進入通用后處理器觀察結(jié)果:MainMenu>GeneralPostproc或用命令:/POST113B.熱應(yīng)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(yīng)力分析–直接耦合

帶散熱片的軸對稱管13B.熱應(yīng)力分析–直接耦合

帶散熱片的軸對稱管12