ANSYS熱應(yīng)力分析實例

1、ANSY訣應(yīng)力分析實例當(dāng)一個結(jié)構(gòu)加熱或冷卻時，會發(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，就會產(chǎn)生熱應(yīng)力。7.1熱應(yīng)力分析的分類ANSY提供三種進(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)點的溫度。如果所以節(jié)點的溫度已知，貝冋以 通過命令直接定義節(jié)點溫度。節(jié)點溫度在應(yīng)力分析中作為體載荷，而不是節(jié)點自 由度間接法。首先進(jìn)行熱分析，然后將求得的節(jié)點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，同時得到熱分析和結(jié)構(gòu)應(yīng) 力分析的結(jié)果。如果節(jié)點溫度已知，適合第一種方法。但節(jié)點溫度一般是不知道的。對于大 多數(shù)問題，推薦使用第二

2、種方法一間接法。因為這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間 點，并將此時間點的節(jié)點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，同時結(jié)構(gòu)變形又會影響熱分析（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）對熱和結(jié)構(gòu)的影響。7.2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埽▊鲗?dǎo)、對流、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

3、中的地方的網(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間點或載荷步。表7-1熱單元及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元熱單元結(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

4、的對應(yīng)表?？梢允褂貌藛芜M(jìn)行轉(zhuǎn)換：Ma in Menu PreprocessorEleme nt TypeSwitch Eleme nt Type，選擇 Thermal to Structual 。但要注意設(shè)定相應(yīng)的單元選項。例如熱單元的軸對稱不能自動轉(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重新定義為結(jié)構(gòu)單 元，并設(shè)置相應(yīng)的單元選項。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)點耦 合、約束方程等。讀入熱分析中的節(jié)點溫度，GUI: SolutionLoad ApplyTemperatureFrom Thermal Analysis。輸入或選擇熱分析的

5、結(jié)果文件名*.rth。如果熱分析是瞬態(tài)的，則還需要輸入熱梯度最 大時的時間點或載荷步。節(jié)點溫度是作為體載荷施加的，可通過 Utility Me nuListLoadBody LoadOn all nodes 列表輸出。設(shè)置參考溫度，Mai n Men uSolutio nLoad Setti ngRefere nee Temp 。進(jìn)行求解、后處理。7.3間接法熱應(yīng)力分析實例7.3.1 問題描述熱流體在代有冷卻柵的管道里流動，如圖為其軸對稱截面圖。管道及冷卻柵的材料均為不銹鋼，導(dǎo)熱系數(shù)為1.25Btu/hr-in-oF，彈性模量為28E6lb/in2泊松比為0.3。管壓力為1000 Ib/in2

6、 ，管流體溫度為450 oF ,對流系數(shù)為1Btu/hr-in2-oF,外界流體溫度為70 oF，對流系數(shù)為0.25 Btu/hr-in2-oF 。求溫度及應(yīng)力分布。7.3.2 菜單操作過程設(shè)置分析標(biāo)題1、 選擇“ Utility Me nuFileCha nge Title”，輸入 In directthermal-stress An alysis of a cooli ng fin。2、 選擇“ Utility Men uFileCha nge File name”，輸入 PIPE_FIN。7.3.2.2 進(jìn)入熱分析，定義熱單元和熱材料屬性1、選擇“ Main MenuPreprocess

7、orElement TypeAdd/Edit/Delete ”，選 擇PLANE55設(shè)定單元選項為軸對稱。2、設(shè)定導(dǎo)熱系數(shù)：選擇“ Main MenuPreprocessorMaterialPorpsMaterial Models”，點擊 Thermal, Co nductivity , Isotropic ，輸入 1.25。7.3.2.3 創(chuàng)建模型1、創(chuàng)建八個關(guān)鍵點，選擇“ Ma in Men uPreprocessorCreatKeypoi nts On Active CS ”，關(guān)鍵點的坐標(biāo)如下：編號12345678X5612126655Y0000.250.25110.252、組成三個面：

8、選擇“ MainMenuPreprocessorCreatAreaArbitraryThrouthKps”，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：“ Ma in Me nuPreprocessorMeshtool ”， 設(shè)定 global size 為 0.125，選擇 AREA Map ped Mesh,點擊 Pick all 。7.324施加荷載1、選擇“ Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationX coordinates ，F(xiàn)rom Full ”，輸入5，點擊OK選擇

9、管壁節(jié)點；2、 在管壁節(jié)點上施加對流邊界條件：選擇“Mai nMenuSolutionApplyConvectionOn n odes”，點擊 Pick，all ，輸入對流換 熱系數(shù)1，流體環(huán)境溫度450。3、選擇“ Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationX coordinates ， From Full ”，輸入6,12，點擊Apply ；4、選擇“ Utility MenuSelectEntitiesNodesBy location丫 coordinates ，Reselect ”，輸入 0.25,1，點擊 Apply ；5、 選擇“ Util

10、ity MenuSelectEntitiesNodesBy locationY coordinates ，Also select ”，輸入 12，點擊 OK6、 在管外邊界上施加對流邊界條件：選擇“Mai nMenuSolutionApplyConvectionOn nodes ”，點擊 Pick，all ，輸入對流換 熱系數(shù)0.25，流體環(huán)境溫度70。7.325 求解1、 選擇“ Utility MenuSelectSelect Everything”。2、選擇“ Main MenuSolutionSolve Current LS ”。7.3.2.6 后處理1、顯示溫度分布：選擇“ Main

11、 MenuGeneralPostprocPlot ResultNodal Solutio nTemperature ”。重新進(jìn)入前處理，改變單元，定義結(jié)構(gòu)材料1、選擇“ Ma in Menu PreprocessorEleme nt TypeSwitch Elem Type ” ,選 擇 Thermal to Structure 。2、選擇“ Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete ”，點 擊Option，將結(jié)構(gòu)單元設(shè)置為軸對稱。3、 選擇“ Main MenuPreprocessorMaterial PorpsMaterial Mod

12、els”， 輸入材料的 EX為 28E6, PRXY為 0.3，ALPX為 0.9E-5。7.328 定義對稱邊界條件1、選擇“ Utility MenuSelectEntitiesNodesBy location丫 coordinates , From Full ”，輸入0,點擊Apply ;2、選擇“ Utility MenuSel ectEntitiesNodesBy location丫 coordinates , Also select ”，輸入 1，點擊 Apply ；3、選擇“ Main MenuSolutionApplyDisplacementSymmetry B.C. On N

13、odes”，點擊 Pick All ，選擇 丫 axis，點擊 OK7.3.2.8 施加管壁壓力1、選擇“ Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationX coordinates ，F(xiàn)rom Full ”，輸入 5，點擊 OK2、選擇“ Main Me nuSolutio nApplyPressure On n odes”，點擊 Pick All ， 輸入1000。7.329 設(shè)置參考溫度1、選擇“ Utility MenuSelectSelect Everything ”。2、 選擇“ Main MenuSolution -Loads- Setting

14、Referenee Temp 輸入 70。7.3.2.10 讀入熱分析結(jié)果1、選擇“ Ma in Menu Soluti on ApplyTemperatureFr om Thermal Analysis ”，選擇 PIPE_FIN.rth。7.3.2.11 求解選擇“ Main Me nuSolutio n Solve Curre nt LS ”。7.3.2.12 后處理選擇“ Main Men uGe neral PostproPlot ResultNodal Solutio n StressVon Mises ”。顯示等效應(yīng)力。7.3.3 等效的命令流方法/file name,pipe_

15、fi n/TITLE,Thermal-Stress An alysis of a cooli ng fin/prep7!進(jìn)入前處理et,1,pla ne55! 定義熱單元keyopt,1,3,1!定義軸對稱mp,kxx,1,1.25!定義導(dǎo)熱系數(shù)k,1,5!建模k,2,6k,3,12k,4,12,0.25k,5,6,0.25k,6,6,1k,7,5,1k,8,5,0.25a,1,2,5,8a,2,3,4,5a,8,5,6,7esize,0.125!定義網(wǎng)格尺寸amesh,all!劃分網(wǎng)格eplotfin ish/solu!熱分析求解nsel,s,loc,x,5!選擇表面節(jié)點sf,all,co

16、nv,1,450! nsel,s,loc,x,6,12! nsel,r,loc,y,0.25,1n sel,a,loc,x,12sf,all,co nv,0.25,70! nsel,all/pse,c onv ,hcoef,1施加對流邊界條件選擇外表面節(jié)點施加對流邊界條件n plotsolve!求解生成PIPE_FIN.rth文件fin ish/post1pin sol,temp!得到溫度場分布fin ish/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pla ne42keyopt,1,3,1!定義軸對稱特性mp,ex,1,28e6!定義彈性模量 mp, nu xy,

17、1,0.3!定義泊松比 mp,alpx,1,0.9e-5!定義熱膨脹系數(shù)fin ish/solu!進(jìn)入結(jié)構(gòu)分析求解n sel,s,loc,y,0!選擇對稱邊界n sel,a,loc,y,1dsym,sym m,y!定義對稱條件n sel,s,loc,x,5!選擇表面sf,all,pres,1000!施加壓力邊界條件nsel,all/pbc,all,1/psf,pres,1n plottref,70!設(shè)定參考溫度ldread,temp,rth! 讀入 PIPE_FIN.rth 節(jié)點溫度 /pbc,all,0/psf,pres,0 分布/pbf,temp,1eplotsolve!求解fin ish

18、/post1,pl nsol,s,eqv!得到等效應(yīng)力fin ish7.4直接法熱應(yīng)力分析實例7.4.1問題描述兩個同心圓管之間有一個小間隙，管中突然流入一種熱流體，求經(jīng)過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：0.3導(dǎo)熱系數(shù)：10W/m.oC密度：7880Kg/m3比熱：500J/Kg.oC外管外半徑：0.131 m外管半徑：0.121 m管外半徑：0.12m管半徑：0.11m流體溫度：300oC流體與管壁對流系數(shù)：300W/m2.oC、外管接觸熱導(dǎo)：0.1W/oC7.4.2命令流方法/filen ame,c on tact_th

19、ermal/title,c on tact_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!定義為軸對稱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keyopt,2,2,1keyopt,2,7,1r,2,2e11,0,0.0001,0.1!定義接觸單元實常數(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,de ns,1,7880mp,c,1,500rect,0.11,0.12,0,0.02! 建模rect,0.121,0.131,0,0.02amesh,allnsel,s,loc,x,0.11!將管壁的X方向位移及溫度耦合cp,1,ux,allcp,2,temp,allnsel,s,loc,x,0.12!將管外壁的X方向位移及溫度耦合cp,3,ux,a