ANSYS热应力分析实例

1、ANSYS热应力分析实例ANSYS热应力分析实例当一个结构加热或冷却时，会发生膨胀或收缩。如果结构各部分之间膨胀收 缩程度不同，和结构的膨胀、收缩受到限制，就会产生热应力。7.1热应力分析的分类ANSYS提供三种进行热应力分析的方法：在结构应力分析中直接定义节点的温度。如果所以节点的温度已知，贝冋以 通过命令直接定义节点温度。节点温度在应力分析中作为体载荷，而不是节点自 由度间接法。首先进行热分析，然后将求得的节点温度作为体载荷施加在结构应 力分析中。直接法。使用具有温度和位移自由度的耦合单元，同时得到热分析和结构应 力分析的结果。如果节点温度已知，适合第一种方法。但节点温度一般是不知道的。对

2、于大 多数问题，推荐使用第二种方法一间接法。因为这种方法可以使用所有热分析的 功能和结构分析的功能。如果热分析是瞬态的，只需要找出温度梯度最大的时间 点，并将此时间点的节点温度作为荷载施加到结构应力分析中去。如果热和结构的耦合是双向的，即热分析影响结构应力分析，同时结构变形又会影响热分析（如 大变形、接触等），则可以使用第三种直接法 一使用耦合单元。此外只有第三种 方法可以考虑其他分析领域（电磁、流体等）对热和结构的影响。7.2间接法进行热应力分析的步骤首先进行热分析。可以使用热分析的所有功能，包括传导、对流、辐射和表 面效应单元等，进行稳态或瞬态热分析。但要注意划分单元时要充分考虑结构分 析

3、的要求。例如，在有可能有应力集中的地方的网格要密一些。如果进行瞬态分析，在后处理中要找出热梯度最大的时间点或载荷步。表7-1热单元及相应的结构单元热单元结构单元LINK32LINK1LINK33LINK8PLANE35PLANE2PLANE55PLANE42SHELL57SHELL63PLANE67PLANE42LINK68LINK8SOLID79SOLID45MASS71MASS21PLANE75PLANE25PLANE77PLANE82PLANE78PLANE83PLANE87PLANE92PLANE90PLANE95SHELL157SHELL63重新进入前处理，将热单元转换为相应的结构单

4、元，表7-1是热单元与结构单元的对应表。可以使用菜单进行转换：Mai n Menu PreprocessorEleme nt TypeSwitch Eleme nt Type，选择Thermal to Structual。但要注意设定相应的单元选项。例如热单元的轴对称不能自动转换到结构单 元中，需要手工设置一下。在命令流中，可将原热单元的编号重新定义为结构单 元，并设置相应的单元选项。设置结构分析中的材料属性（包括热膨胀系数）以及前处理细节，如节点耦 合、约束方程等。读入热分析中的节点温度，GUI: SolutionLoad ApplyTemperatureFrom Thermal Analy

5、sis。输入或选择热分析的结果文件名*.rth。如果热分析是瞬态的，则还需要输入热梯度最大 时的时间点或载荷步。节点温度是作为体载荷施加的，可通过UtilityMe nuListLoadBody LoadOn all nodes列表输出。设置参考温度，Mai n Men uSolutio nLoad Setti ngRefere nee Temp 。进行求解、后处理。7.3间接法热应力分析实例7.3.1 问题描述图7-1冷却栅示意图热流体在代有冷却栅的管道里流动，如图为其轴对称截面图。管道及冷却栅的材料均为不锈钢，导热系数为1.25Btu/hr-in-oF，弹性模量为28E6lb/in2泊松

6、比为0.3。管内压力为1000 Ib/in2，管内流体温度为450 oF ,对流系数为1 Btu/hr-in2-oF,外界流体温度为70 oF，对流系数为0.25 Btu/hr-in2-oF。求温度 及应力分布。7.3.2 菜单操作过程7.3.2.1设置分析标题1、选择 “ Utility Menu Title，输入 In direct thermal-stress An alysis of a cooling fin。2、选择 “ Utility Menu，输入 PIPE_FIN。7.322进入热分析，定义热单元和热材料属性1、 选择 “ Main MenuPreprocessorEleme

7、nt TypeAdd/Edit/Delete，选择 PLANE55，设定单元选项为轴对称。2、设定导热系数：选择 “ Main MenuPreprocessorMaterial PorpsMaterial Models ”，点击 Thermal，Conductivity， Isotropic，输入 1.25。7.323创建模型1、创建八个关键点，选择 “ Ma in Men uPreprocessorCreatKeypoi nts On Active CS关键点的坐标如下：编号12345678X5612126655Y0000.250.25110.252、组成三个面：选择 “ Mai nMenu

8、PreprocessorCreatAreaArbitraryThrouth Kps ，由 1,2,5,8 组成面 1; 由2,3,4,5组成面2;由8,5,6,7组成面3。3、设定单元尺寸，并划分网格：“ Main MenuPreprocessorMeshtool，”设定 global size 为 0.125，选择 AREA , Map ped , Mesh，点击 Pick all。7.324施加荷载1、 选择 “ Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationX coordinates， From Full，输入5,点击OK，选择管内壁节点；2、 在管

9、内壁节点上施加对流边界条件：选择“ Mai nMenuSolutionApplyConvectionOn nodes，点击 Pick，all，输入对流换热系数1，流体环境温度450。3、 选择 “ Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationX coordinates， From Full :输入6,12，点击Apply ；4、 选择 “ Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationY coordinates， Reselect，输入 0.25,1，点击 Apply ；5、 选择 “ Utility Menu Se

10、lectE ntitiesNodesBy locatio nY coord in ates， Also select，输入 12，点击 OK ；6、 在管外边界上施加对流边界条件：选择“ MainMenuSolutionApplyConvectionOn nodes，点击 Pick，all，输入对流换热系数0.25，流体环境温度70。7.325求解1、选择 “ Utility MenuSelectSelect Everything。”2、选择 “ Main MenuSolutionSolve Current LS。”7.3.2.6后处理1、显示温度分布：选择 “ Main Me nuGe ne

11、ral PostprocPlot ResultNodal Solutio nTemperature ”。7.327重新进入前处理，改变单元，定义结构材料1、 选择 “ Ma in Menu PreprocessorEleme nt TypeSwitch Elem Type选择, Thermal to Structure。2、 选择 “ Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete，点击 Option，将结构单元设置为轴对称。3、 选择 “Main MenuPreprocessorMaterial PorpsMaterial Models，输”

12、 入材料的 EX 为 28E6，PRXY 为 0.3，ALPX 为 0.9E-5。7.328定义对称边界条件1、 选择 “ Utility MenuSelectEntitiesNodesBy location丫 co ordinates , From Full :输入0，点击Apply ;2、 选择 “ Utility MenuSelectEntitiesNodesBy location丫 coordinates， Also select ，”俞入 1，点击 Apply ；3、选择 “ Main MenuSolutionApplyDisplacementSymmetry B.C. On Nod

13、es”，点击 Pick All，选择 Y axis，点击 OK ；7.3.2.8施加管内壁压力1、选择 “ UtilityMenuSelectEntitiesNodesBy locationX coordinates , From Full ,输入 5,点击 OK;2、选择 “ Main MenuSolutionApplyPressureOn nodes ，点击 Pick All, 输入1000。7.329设置参考温度1、选择 “ Utility MenuSelectSelect Everything。”2、选择 “ Main MenuSolution-Loads-SettingReferen

14、ee Temp 输入 70。7.3.2.10读入热分析结果1、选择 “ Main MenuSolutionApplyTemperatureFrom Thermal Analysis， 选择 PIPE_FIN.rth。7.3.2.11 求解选择 “Main MenuSolutionSolve Current LS。”7.3.2.12后处理选择 “ Main MenuGeneral PostproPlot ResultNodalSolutio nStressVon Mises。”显示等效应力。7.3.3 等效的命令流方法/TITLE,Thermal-Stress An alysis of a co

15、oli ng fin/prep7!进入前处理et,1,plane55!定义热单元keyopt,1,3,1!定义轴对称mp,kxx,1,1.25!定义导热系数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!定义网格尺寸amesh,all!划分网格eplotfin ish/solu!热分析求解nsel,s,loc,x,5!选择内表面节点 sf,all,conv,1,450!施加对流边界条件 nsel,s,loc,x,6,12!选择外表面节点

16、nsel,r,loc,y,0.25,1n sel,a,loc,x,12sf,all,conv,0.25,70!施加对流边界条件 nsel,all/pse,c onv ,hcoef,1n plotsolve!求解生成PIPE_FIN.rth文件 fin ish/post1pinsol,temp!得到温度场分布fin ish/prep7 !重新进入前处理etchg,tts!将热单元转换为结构单元pla ne42 keyopt,1,3,1!定义轴对称特性 mp,ex,1,28e6!定义弹性模量 mp,nuxy,1,0.3!定义泊松比 mp,alpx,1,0.9e-5!定义热膨胀系数 fin ish/

17、solu!进入结构分析求解nsel,s,loc,y,0!选择对称边界n sel,a,loc,y,1dsym,symm,y!定义对称条件nsel,s,loc,x,5!选择内表面sf,all,pres,1000!施加压力边界条件nsel,all/pbc,all,1/psf,pres,1n plottref,70!设定参考温度ldread,temp,rth!读入 PIPE_FIN.rth 节点温度/pbc,all,0/psf,pres,0 分布/pbf,temp,1eplotsolve!求解fin ish/post1,plnsol,s,eqv!得到等效应力fin ish7.4直接法热应力分析实例7.

18、4.1问题描述两个同心圆管之间有一个小间隙，内管中突然流入一种热流体，求经过 钟后外管表面的温度。已知条件：管材弹性模量：2E11N/m2热膨胀系数：5E-41/ oF泊松比：0.3导热系数：10W/m.oC密度：7880Kg/m3比热：500J/Kg.oC外管外半径：0.131 m外管内半径：0.121 m内管外半径：0.12m内管内半径：0.11m流体温度：300oC流体与内管内壁对流系数：300W/m2.oC内、外管接触热导：0.1W/oC7.4.2 命令流方法/title,c on tact_thermal example/prep7et,1,13,4,1!选择直接耦合单元 PLANE

19、13，单元自由度为ux,uy,temp!定义为轴对称et,2,48!定义结构接触单元keyopt,2,1,1!设定接触单元的相应选项keyopt,2,2,1keyopt,2,7,1r,2,2e11,0,0.0001,0.1! 定义接触单元实常数mp,ex,1,2e11!定义管材结构及热属性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!将内管内壁的X方向位移及温度耦合cp,1,ux,allcp,2,temp,allnsel,s,loc,x,0.12!将内管外壁的X方向位移及温度耦合cp,3,ux,allcp,4,temp,alln