ANSYS热应力分析实例

1、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，则可以 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。对于大

2、 多数问题， 推荐使用第二种方法间接法。 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

3、分考虑结构分 析的要求。 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 LINK32 LINK1 LINK33 LINK8 PLANE35 PLANE2 PLANE55 PLANE42 SHELL57 SHELL63 PLANE67 PLANE42 LINK68 LINK8 SOLID79 SOLID45 MASS71 MASS21 PLANE75 PLANE25 PLANE77 PLANE82 PLANE78 PLANE83 PLANE87 PLANE92 PLANE90

4、 PLANE95 SHELL157 SHELL63 重新进入前处理，将热单元转换为相应的结构单元，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： Main MenuPreprocessorElement TypeSwitch Element 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

5、温度， GUI：SolutionLoad ApplyTemperatureFrom Thermal Analysis 。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 Utility MenuListLoadBody LoadOn all nodes 列表输出。 设置参考温度， Main MenuSolutionLoad SettingReference 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，

6、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 松比为 0.3 。管压力为 1000 lb/in2 ，管流体温度为 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 MenuFileChange Title”，输入 Indirect thermal-stress Analysis of a cooling fi

7、n。 2、选择“ Utility MenuFileChange Filename ”，输入 PIPE_FIN。 7.3.2.2 进入热分析，定义热单元和热材料属性 1、选择“ Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete ”，选 择 PLANE5，5 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 。 7.3.2.3 创建模型 1、创建八个关键点，选

8、择“ Main MenuPreprocessorCreatKeypointsOn Active CS ”，关键点的坐标如下： 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 X 5 6 12 12 6 6 5 5 Y 0 0 0 0.25 0.25 1 1 0.25 2、组成三个面：选择“ Main MenuPreprocessorCreatAreaArbitraryThrouth 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 globa

9、l size 为 0.125 ，选择 AREA，Mapped，Mesh，点击 Pick all 。 7.3.2.4 施加荷载 1、选择“ Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationX coordinates ，From Full ”，输入 5，点击 OK，选择管壁节点； 2、在管壁节点上施加对流边界条件：选择“ Main MenuSolutionApplyConvectionOn n odes”，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

10、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 MenuSelectEnti tiesNodesBy locationY coordinates ，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“ Main MenuSolutionApplyConvectionOn n

11、odes ”，点击 Pick ，all ，输入对流换 热系数 0.25 ，流体环境温度 70。 7.3.2.5 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 MenuGeneral PostprocPlot ResultNodal Solution Temperature ”。 7.3.2.7 重新进入前处理，改变单元，定义结构材料 1、选择“ Main MenuPreprocessorElement

12、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”， 输入材料的 EX为28E6，PRXY为 0.3 ，ALPX为 0.9E-5 。 7.3.2.8 定义对称边界条件 1、选择“ Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationY c

13、oordinates ，From Full ”， 输入 0，点击 Apply ； 2、选择“ Utility MenuSel ectEntitiesNodesBy locationY coordinates ，Also select ”，输入 1，点击 Apply ； 3、选择“ Main MenuSolutionApplyDisplacementSymmetry B.C. On Nodes”，点击 Pick All ，选择 Y axis ，点击 OK； 7.3.2.8 施加管壁压力 1、选择“ Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationX coord

14、inates ，From Full ”，输入 5，点击 OK； 2、选择“ Main MenuSolutionApplyPressureOn nodes”，点击 Pick All ， 输入 1000。 7.3.2.9 设置参考温度 1、选择“ Utility MenuSelectSelect Everything”。 2、选择“ Main MenuSolution -Loads- SettingReference Temp”输入 70。 7.3.2.10 读入热分析结果 1、选择“ Main MenuSolutionApplyTemperatureFr om Thermal Analysis

15、”，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 ResultNodal SolutionStressVon Mises ”。显示等效应力。 7.3.3 等效的命令流方法 /filename,pipe_fin /TITLE,Thermal-Stress Analysis of a cooling fin /prep7! 进入前处理 et,1,plane55! 定义热单元 keyopt,1,3,1! 定义轴对称

16、 mp,kxx,1,1.25! 定义导热系数 k,1,5! 建模 k,2,6 k,3,12 k,4,12,0.25 k,5,6,0.25 k,6,6,1 k,7,5,1 k,8,5,0.25 a,1,2,5,8 a,2,3,4,5 a,8,5,6,7 esize,0.125! 定义网格尺寸 amesh,all! 划分网格 eplot finish /solu! 热分析求解 nsel,s,loc,x,5! 选择表面节点 /prep7 ! 重新进入前处理 etchg,tts! 将热单元转换为结构单元 plane42 keyopt,1,3,1! 定义轴对称特性 mp,ex,1,28e6! 定义弹性模

17、量 mp,nuxy,1,0.3! 定义泊松比 mp,alpx,1,0.9e-5! 定义热膨胀系数 finish sf,all,conv,1,450! nsel,s,loc,x,6,12! nsel,r,loc,y,0.25,1 nsel,a,loc,x,12 sf,all,conv,0.25,70! nsel,all /pse,conv,hcoef,1 施加对流边界条件 选择外表面节点 施加对流边界条件 nplot solve! 求解生成 PIPE_FIN.rth 文件 finish /post1 plnsol,temp! 得到温度场分布 finish /solu! 进入结构分析求解 nsel

18、,s,loc,y,0! 选择对称边界 nsel,a,loc,y,1 dsym,symm,y!定义对称条件 nsel,s,loc,x,5! 选择表面 sf,all,pres,1000! 施加压力边界条件 nsel,all /pbc,all,1 /psf,pres,1 nplot tref,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,1 eplot solve! 求解 finish /post1,plnsol,s,eqv! 得到等效应力 finish 7.4 直接法热应力分

19、析实例 7.4.1 问题描述 两个同心圆管之间有一个小间隙，管中突然流入一种热流体，求经过3 分钟 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 外管半径： 0.121 m 管外半径： 0.12m 管半径： 0.11m 流体温度： 300oC 流体与管壁对流系数： 300W/m2.oC 、外管接触热导： 0.1W/oC 7.4.2 命令流方法 /filename,contact_thermal /title

20、,contact_thermal example /prep7 et,1,13,4,1! 选择直接耦合单元 PLANE1，3 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,2,2,1 keyopt,2,7,1 r,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-5 mp,kxx,1,10 mp,dens,1,7880 mp,c,1,500 rect,0.11,0.12,0,0.02! 建模 rect,0.121,0.131,0,0.02 amesh,all nsel,s,loc,x,0.11! 将管壁的 X 方向位移及温度耦合 cp,1,ux,all cp,2,temp,all nsel,s,loc,x,0.12! 将管外壁的 X 方向位移及温度耦合 cp,3,ux,all cp,4,tem