Ansys 第36例热应力分析(间接法)实例—液体管路

1、-作者xxxx-日期xxxxAnsys 第36例 热应力分析(间接法)实例液体管路【精品文档】第36例 热应力分析（间接法）实例液体管路本例介绍了利用间接法进行热应力计算的方法和步骤：首先进行热分析得到结构节点温度分布，然后把温度作为载荷施加到结构上并进行结构分析。概述利用间接法计算热应力，首先进行热分析，然后进行结构分析。热分析可以是瞬态的，也可以是稳态的，需要将热分析求得的节点温度作为体载荷施加到结构上。当热分析是瞬态的时，需要找到温度梯度最大的时间点，并将该时间点的结构温度场作为体载荷施加到结构上。由于间接法可以使用所有热分析和结构分析的功能，所以对于大多数情况都推荐使用该方法。间接法进

2、行热应力计算的主要步骤如下。热分析瞬态热分析的过程在前例已经介绍过，下面介绍稳态热分析。稳态热分析用于研究稳定的热载荷对结构的影响，有时还用于瞬态热分析时计算初始温度场。稳态热分析主要步骤如下。1 建模稳态热分析的建模过程与其他分析相似，包括定义单元类型、定义单元实常数、定义材料特性、建立几何模型和划分网格等。但需注意的是：稳态热分析必须定义材料的导热系数。 2施加载荷和求解(1)指定分析类型。Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis,选择 Static.(2)施加载荷。可以施加的载荷有恒定的温度、热流率、对流、热流密度、生热率，Main MenuS

3、olutionDefine LoadsApplyThermal.(3)设置载荷步选项。普通选项包括时间（用于定义载荷步和子步）、每一载荷步的子步数，以及阶跃选项等, Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTimeTime Step.非线性选项包括：迭代次数（默认25），Main MenuSolutionLoad Step OptsNonlinearEquilibrium Iter;打开自动时间步长，Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTimeTime Step等.输出选项包括：控制打印的输出，

4、Main MenuSolutionLoad Step OptsOutput CtrlsSolu Printout;控制结果文件的输出，Main MenuSolutionLoad Step OptsOutput CtrlsDB/Results File o(4)设置分析选项。牛顿拉普森选项（仅对非线性分析有用）。选择求解器。确定绝对零度（在热辐射分析时使用）。(5)求解。3.查看结果稳态热分析使用POST1后处理器查看结果，对于热应力计算而言，查看结果不是必要的。结构分析与一般的结构分析过程大致相同，不同的有以下几点。(1) 转换单元。将热单元转换为相应的结构单元，并设置需要的单元选项，Main

5、 MenuPreprocessorElement TypeSwitch Elem Type o2)设置结构分析的材料属性，例如，热膨胀系数、弹性模量、泊松比等。设置前处理细节，例如，节点耦合等，Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models。(3)读入热分析得到的节点温度， Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralTemperatureFrom Therm Analy。(4)指定参考溫度，当计算热膨胀大小时，温度差等于节点温度减去参考温度，Main MenuSolutionDefine Loa

6、dsSettingsReference Temp o问题描述某液体管路内部通有液体，外部包裹有保温层，保温层与空气接触如图36-1所示。已知管路由铸铁制造，其导热系数为70W/(m .)，弹性模量为2xl011N/m2，泊松比为，热膨胀系数为1.2x10-6/；保温层的导热系数为0.02W/( m )，弹性模量为2x1010Nm2，泊松比为0.4，热膨胀系数为1.2 x10-6/；管路内液体压力为，温度为70，对流换热系数为1W/(m2)；空气温度为-40，对流换热系数为0.5W/(m2)。图36-1 液体管路试分析管路内热应力的情况。36.3 分析步骤 改变任务名拾取菜单Utility Me

7、nuFileChange Jobname，弹出如图36-2所示的对话框，在“FILNAM”文本框中输入EXAMPLE36，单击“OK”按钮。图36-2 改变任务名对话框选择单元类型拾取菜单Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete, 弹出“Element Types”对话框，单击其“Add”按钮，弹出如图36-3所示的对话框，在左侧列表中选“Thermal Solid”， 在右侧列表中选“8node 77”，单击“OK”按钮，返回到“Element Types”对话框，选中“Type l PLANE77”，单击 “Options”按钮，弹出

8、如图36-4所示的对话框，选择“K3”下拉列表框为“Axisymmetric”，单击“OK”按钮，然后单击如图36-3所示对话框的“Close”按钮。图36-3 单元类型库对话框图36-4 单元选项对话框定义材料模型拾取菜单Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models，弹出如图36-5所示的对话框，在右侧列表中依次拾取“Thermal”、“Conductivity”、“Isotropic”， 弹出如图36-6所示的对话框，在“KXX”文本框中输入70（导热系数），单击“OK”按钮。单击如图36-5所示对话框的菜单项MaterialNew

9、Model，单击所弹出“Define Material ID”对话框中的OK”按钮，然后重复定义材料模型1时的各步骤，定义材料模型2的导热系数为，最后关闭如图36-5所示的对话框。图36-5 材料模型对话框图36-6 材料特性对话框创建矩形面，模拟金属管路和保温层拾取菜单 Main MenuPreprocessorModeling CreateAreasRectangle By Dimension，弹出如图36-7所示的对话框，在“，X2 “文本框中分别输入，在“Y1，Y2”文本框中分别输入0，1，单击“Apply”按钮。再次弹出如图36-7所示的对话框，在“Xl，X2”文本框中分别输入，在“

10、Y1，Y2”文本框中分别输入0，1，单击“按钮。”OK”按钮。图36-7 创建矩形对话框.5黏结面拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansGlueAreas , 弹出拾取窗口，单击“Pick All”按钮。显示面号拾取菜单Utility MenuPlotCtrlsNumbering,在所弹出“Plot Numbering Controls”对话框中，将Area Numbers（面号）打开，单击“OK”按钮。划分单元拾取菜单Main MenuPreprocessorMeshingMeshTool，弹出如图36-8所示的对话框。选择“Elem

11、ent Attributes”的下拉列表框为“Areas”，单击下拉列表框后面的“Set”按钮，弹出拾取窗口，选择面1，单击拾取窗口中的“OK”按钮，弹出“Areas Attributes”对话框，选择“MAT”下拉列表框为1，单击“Apply”按钮，再次弹出拾取窗口，选择面3，单击拾取窗口中的“OK”按钮，选择“Areas Attributes”对话框的“MAT”下拉列表框为2，单击“OK”按钮。图36-8 单元工具对话框图36-9 单元尺寸对话框单击“Size Controls”区域中“Global”后面的“Set”按钮，弹出如图36-9所示的对话框，在“SIZE”文本框中输入，单击“OK

12、”按钮。在如图36-8所示对话框中的“Mesh”区域，选择单元形状为“Quad”（四边形），选择划分单元的方法为“Mapped”（映射），单击“Mesh”按钮，弹出拾取窗口，拾取面1和面3，单击“OK”按钮。36.3.8 施加对流边界条件拾取菜单Main MenuSolutionDefine LoadsApplyThermalConvectionOn Lines，弹出拾取窗口，拾取最左面一条直线（即x坐标最小的直线），单击“OK”按钮，弹出如图36-10所示的对话框，在“VAL1”文本框中输入1，在“VAL2I”文本框中输入70，单击“OK”按钮。再次执行命令，弹出拾取窗口，拾取最右面一条直线

13、（即x坐标最大的直线），单击“OK”按钮，弹出如图36-10所示的对话框，在“VAL1”文本框中输入，在“VAL2I”文本框中输入-40，单击”OK“按钮。图36-10 施加对流边界条件对话框求解拾取菜单Main MenuSolutionSolveCurrent LS，单击“Solve Current Load Step 对话框中的“OK”按钮，当出现“Solution is done!”提示时，求解结束。以下进行结构分析。36.3.10 转换热单元为结构单元拾取菜单Main MenuPreprocessorElement TypeSwitch Elem Type,弹出如图36-11所示的对话

14、框，选择“Change element type”下拉列表框为“Thermal to Struc”，单击”OK”按钮。图36-11 转换单元类型对话框设定单元轴对称选项拾取菜单Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete弹出“Element Types”对话框，单击其“Options”按钮，弹出如图36-12所示的对话框，选择“K3”下拉列表框为“Axisymmetric”，单击“OK”按钮，然后单击“Element Types”对话框的“Close”按钮。图36-12 单元选项对话框36.3.12 定义村料模型拾取菜单Main MenuPr

15、eprocessorMaterial PropsMaterial Models，弹出如图36-5所示的对话框，在左侧列養冲选中“Material Model Number 1”，在右侧列表中依农拾取“Structural”、“Linear”、“Elastic”、“Isotropic”，弹出如图36-13所示的对话框，在“EX”文本框中输入2e11（弹性模量），在“PRXY”文本框中输入（泊松比），单击“OK”按钮再在如图36_5所示对话框的右侧列表中依次拾取“Structural”、“Thermal Expansion”、“Secant Coefficient”、“Isotropic”，弹出如

16、图36-14所示的对话框，在“ALPX”文本框中输入（线膨胀系数），然后单击“OK”按钮。图36-13 材料特性对话框（一）图36-14 材料特性对话框（二） 选择如图36-5所示对话框左侧列表中的“Material Model Number 2”，用与Material Model Number 1同样的方法，定义弹性模量EX为2e10、泊松比PRXY为、线膨胀系数ALPX为。最后关闭如图36-5所示的对话框。.13 施加约束拾取菜单Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Lines，弹出拾取窗口，拾取水平方向的所有

17、直线（即长度较短的4条直线），单击“OK”按钮，弹出如图36-15所示的对话框，在列表中选择“UY”，单击“OK”按钮。图36-15 施加约束对话框施加压力载荷拾取菜单Main MenuSolution-DefineLoadsApplyStructuralPressureOn Lines，弹出拾取窗口，拾取最左面一条直线（即x坐标最小的直线），单击“OK”按钮，弹出如图36-16所示的对话框，在“VALUE”文本框中输入3e5，单击“OK”按钮。 图36-16 施加压力载荷对话框读入热分析所得到的节点温度拾取菜单 Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStruct

18、uralTemperatureFrom Therm Analy，弹出如图36-17所示的对话框，在“Fame”文本框中输入EXAMPLE36Roth或者单击“Browse”按钮在ANSYS工作文件夹中选择同一文件，单击“OK”按钮。图36-17 从热分析读入节点温度对话框指定参考温度拾取菜单Main MenuSolutionDefine LoadsSettingsReference Temp,弹出如图36-18所示的对话框，在“TREF”文本框中输入20，单击“OK”按钮。图36-18 定义参考温度对话框在计算热膨胀大小时，温度差等于节点温度减去参考温度，参考温度的默认值为0。.17求解拾取菜

19、单Main MenuSolutionSolveCurrent LS，单击“Solve Current Load Step”对话框中的“OK”按钮，当出现“Solution is done!”提示时，求解结束，即可查看即可查看结果。查看结果，用等高线显示Von Mises应力拾取菜单Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu，弹出“Contour Nodal Solution Data”对话框，在列表中依次选择” Nodal SolutionStressvon Mises SEQV”（第四强度理论的等效应力），单击“OK

20、”按钮。结果如图36-19所示，可以看出，Von Mises应力的最大值为8Pa，即58.8MPa。图36-19 液体管路的Von Mises应力第37例热应力分析（直接法）实例-液体管路本例介绍了利用直接法进行热应力计算的方法和步骤，与间接法相比，直接法步骤更简捷，但要使用耦合单元进行非线性分析，计算量较大。37.1 概述与一般的分析过程相似，只是要使用耦合单元，并同时施加结构分析和热分析的约束和载荷。问题描述 为了与间接法进行热应力计算相对比，本例采用了与第36例相同的模型一液体管路。分析步骤37.改变任务名拾取菜单Utility MenuFileChange Jobname，弹出如图37

21、-1所示的对话框，在“/FILNAM”文本框中输入EXAMPLE37，单击”OK“按钮。图37-1 改变任务名对话框选择单元类型拾取菜单Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete，弹出“Element Types”对话框，单击其“Add。，”按钮，弹出如图37-2所示的对话框，在左侧列表中选 “Coupled Field”，在右侧列表中选“Vector Quad 13”，单击“OK”按钮，返回到“Element Types”对话框，选中“Type l PLANE13”，单击“Options”按钮，弹出如图37-3所示的对话框，选择“K1”下

22、拉列表框为“UX UY TEMP AZ”，选择“K3”下拉列表框为“Axisymmetric”，单击“OK”按钮，单击如图37-2所示对话框中的“Close”按钮。图37-2 单元类型库对话框图37-3 单元选项对话框37.3.3 定义材料模型拾取菜单Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models，弹出如图37-4所示的对话框，在右侧列表中依次拾取“Thermal”、“Conductivity”、“Isotropic”，弹出如图37-5所示的对话框，在“KXX”文本框中输入70（导热系数），单击OK”按钮；再在右侧列表中依次拾取“Struc

23、tural”、“Linear”、“Elastic”、“Isotropic”，弹出如图37-6所示的对话框，在“EX”文本框中输入2ell（弹性模量），在“PRXY”文本框中输入（泊松比），单击“OK”按钮；再在右侧列表中依次拾取“Structural”、“Thermal Expansion”、“Secant Coefficient”、“Isotropic”，弹出如图37-7所示的对话框，在“ALPX”文本框中输入（线膨胀系数），单击“OK”按钮。单击如图37-4。所示对话框的菜单项MaterialNew Model，单击所弹出“Define Material ID”对话框中的“OK”按钮，然后

24、重复定义材料模型1时的各步骤，定义材料模型2的导热系数KXX为0.02、弹性模量EX为2e10、泊松比PRXY为、线膨胀系数ALPX为。最后关闭如图37-4所示的对话框。图37-4 材料模型对话框图37-5 材料特性对话框（一）图37-6 材料特性对话框（二）图37-7 材料特性对话框（三）.4 创建矩形面，模拟金属管路和保温层拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasRectangleBy Dimension，弹出如图37-8所示的对话框，在“X1，x2”文本框中分别输入，在“Y1，Y2”文本框中分别输入0，1，单击“Apply”按钮。再次弹出如

25、图37-8所示的对话框，在“Xl，X2”文本框中分别输入，0.2，在“Y1，Y2”文本框中分别输入0，1，单击”OK“按钮。图37-8创建矩形对话框黏结面拾取菜单 Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansGlueAreas。弹出拾取窗口，单击“Pick All”按钮。显示面号拾取菜单Utility MenuPlotCtrlsNumbering,将所弹出 “Plot Numbering Controls”对话框中的Area Numbers（面号）打开，单击”OK“按钮。.7划分单元拾取菜单Main MenuMeshingMeshTool，弹出如图3

26、7-9所示的对话框。选择“Element Attributes”下拉列表框为“Areas”，单击下拉列表框后面的“Set”按钮，弹出拾取窗口，选择面1，单击拾取窗口中的“OK”按钮，弹出Areas Attributes”对话框，选择“MAT”下拉列表框为1，单击“Apply”按钮，再次弹出拾取窗口，选择面3，单击拾取窗口中的“OK”按钮，选择“Areas Attributes”对话框的“MAT”下拉列表框为2，单击OK按钮。单击“Size Controls”区域中“Global”后面的“Set”按钮，弹出如图37-10所示的对话框，在“SIZE”文本框中输入，单击“OK”按钮。在如图37-9所

27、示对话框的“Mesh”区域，选择单元形状为 Quad”（四边形），选择划分单元的方法为“Mapped”（映射），单击“Mesh”按钮，弹出拾取窗口，拾取面1和面3，单击“OK”按钮。图37-9 单元工具对话框图37-10 单元尺寸对话框37.流边界条件施加对流拾取菜单Main MenuSolutionDefine Loads ApplyThermalConvectionOn Lines，弹出拾取窗口，拾取最左面一条直线（即x坐标最小的直线），单击“OK”按钮，弹出如图37-11所示的对话框，在“VALI”文本框中输入1（对流换热系数），在“VAL2I”文本框中输入70 (温度)，单击“OK”按钮，再次执行命令，弹出拾取窗口，拾取最右面一条直线（即x坐标最大的直线），单击“OK”按钮，弹出如图37-11所示的对话框，在“VAL1”文本框中输入（对流换热系数），在“VA