ANSYS热应力分析--精选实例.docx

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。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。对于大多数问题， 推荐使用第二种方法

2、一间接法。因为这种方法叮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。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如果进行瞬态分析的要求。例如，在有可能有应力

3、集中的地方的网格要密一些。析，在后处理中要找出热梯度最大的时间点或载荷步。热单元结构单元L1NK3 2L1NK1LINK33LINK8PLANE35PLANE2PLANE55PLANE42SHELL57SHELL63PLANE67PLANE42LINK68LINK8S0LID7 9S0LID45MASS71MASS21PLANE75PLANE25PLANE77PLANE82PLANE78PLANE83PLANE87PLANE92PLANE90PLANE95SHELL1 57SHELL63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:Ma

4、in Menu>Preprocessor>Element TypoSwitch Element TyPe , 选择 Thermal toStrUCtUalo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： SOIUtiOn>Load APPIy>Temperature>From Thermal AnalySiSo 输入或选择 热分

5、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 Menu>List>Load>Body Load>0n all nodes列表输出。Main Menu>Solution>Load Setting>Reference TemPO设置参考温度进行求解、后处理。间接法热应力分析实例问题描述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hr-in-oF,弹性模量为28E61b/in2泊松比为。管内压力为1000 lb /

6、 in2 ,管 内流体温度为450 oF,对流系数为1 8的/亚玲0"外界 流体温度为70 oF,对流系数为Btu / hr- in2-oFo求温度及应力分布。菜单操作过程设置分析标题1 > 选择 " Utility Menu>File>Change Title,输入 Indirect" thermal-stress AllalySiS Of a COOling fin02、选择 "Utility Menu>File>Change Filename,输入“ PIPE_FINO进入热分析，定义热单元和热材料属性1 > 选

7、择 "Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add / Edit / Delete，选择 PLANE55,设定单兀 选项为轴对称。2、设定导热系数： 选择 “ Main Menu>Preprocessor>Material Porps>MateriaI MOdelS ”,点击ThermaL Conductivity, ISOtrOpic,输入。创建模型1 > 仓ll建八个关键点，选择 "Main Menu>Preprocessor>Creat>Keypoints>OnACti

8、Ve CS , ”关键点的坐标如下：编号12345678X5612126655Y)00112、 组成二个面： 选择 Mairi Menu>Preprocessor>Creat>Area>Arbitrary>ThrouthKps”,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、设定单兀尺寸，并划分网格：“Mairi Menu>Preprocessor>Meshtooh 设"定 global SiZe 为选择 AREA, Mapped, Mesh,点击 PiCk allo施加荷载1 > 选

9、择 " Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By I0Cation>X COOrdinateS , FrOrn Full, ”输入5,点击OK,选择管内壁节点;2、在管内壁节点上施加对流边界条件：选择“MainMenu>Solution>Apply>Convection>On nodes，点” Vs Pick, all,输入对流换热系数 1,流体环境温度450。3 > 选择 " Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By I0

10、Cation>X COOrdinateS , FrOrn FUU ,“输入6, 12,点击Apply；4、选择 "Utility Menu>SeIect>EntitieS>Nodes>By IOCatiOn>Y COOrdinateS , ReSeleCt ,“输入，1,点击 Apply；5 > 选择 " Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By IOCatiOn>Y COOrdinateS , AISOSelect ,“ 输入 12,点击 OK；6、在管外边界上施加对

11、流边界条件：选择“MainMenU>Solution>Apply>Convection>On nodes ,“ 点击 Pick, all,输入对流换热系数， 流体环境温度70o 求解1、选择 "Utility Menu>Select>Select Everythingo”2、选择 Main Menu>Solution>Solve CUrrent LS o 后处理1 > 显不温度分布： 选择 Main Menu>General PostprooPlot ReSUIt>Nodal SOIUtion>TemPeratU

12、reo ”重新进入前处理，改变单元，定义结构材料1 > 选择 "Main Menu>Preprocessor>Element TypoSwitch Elem TyPe 选择,Thermal to StrUCtUre o2、选择"Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add / Edit/Delete,点击“OPtiOn,将结构单兀 设置为轴对称。3、选择 "Mairi Menu>Preprocessor>Material Porps>Material MOdelS，输入材 料的

13、 EX 为28E6, PRXY 为，ALPX 为。定义对称边界条件1 > 选择 "Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By IOCatiOn>Y COOrdinateS J FrOrn FUU , 输入o,点击APPIy；2、选择 "Utiiity Menu>Select>Entities>Nodes>By IOCatiOn>Y COOrdinateS J A1S0 SeleCt ,“ 输入1,点击Apply；3、选择 "Main Menu>Solution&

14、gt;Apply>Displacement>Symmetry . On NOdeSJ 点 击 PiCkAll,选择 Yaxis,点击 OK；施加管内壁压力1 > 选择 "Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By I0Cati0n>X COOrdinateS J FrOrnFUU , ”输入5,点击OK；2、选择 Main Menu>Solution>Apply>Pressure>On nodes,点击“ PiCkAll,输入10000设置参考温度1、选择 “ Utility Me

15、nu>Select>Select Everythingo”2、选择 "Main Menu>Solution>-Loads-Setting>Reference TemP 输入“ 70o读入热分析结果1 > 选择 " Main Menu>Solution>Apply>Temperature>From Thermal AnaIySis>, 选择。求解，选择 “Main Menu>Solution>Solve CUlTent LSO后处理选择 “Main Menu>General POStPrO&g

16、t;Plot ReSUlt>Nodal SOIUtiOn>StreSS>VonMiSeS ” o显示等效应力。等效的命令流方法/file n a m e , p ip e _fin/TITLE, Thermal-S tre S S AnalyS is Of a COOling fin/prep7!进入前处理et, 1, plane55!定义热单兀keyopt, 1, 3, 1 !定义轴对称mp, kxx, 1, !定义导热系数k, 1,5健模k, 2,6k, 3, 12k, 4, 12,k, 5, 6,k, 6, 6, 1k, 7, 5,1k, 8, 5,a, 2, 3, 4

17、, 5 a, 8, 5, 6, 7esize, !定义网格尺寸JmeSh, al 1!划分网格eplotfinish/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 ns el, s, loc, X, 6, 12!选择外表面节点 nsel, r, loc, y, 1 nsel, a, loc, x, 12sf, all, conv, 70!施加对流边界条件nsel, all/ pse, conv, hcoef, 1nplotSOlVe !求解生成文件finish/ postlPInSOl, temp!得到

18、温度场分布finish/ prep7 !重新进入前处理etchg, tts!将热单元转换为结构单元PIane42keyopt, 1, 3, 1!定义轴对称特性mp, ex, 1, 28e6!定义弹性模量mp, nuxy, 1,陡义泊松比mp, alpx, 1, !定义热膨胀系数finish/ solu!进入结构分析求解/ sei, 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 !选择内表面s f, a 11, pre s, 1000!施加压力边界条件nsel, all/ pbc, all

19、, 1/ psf, pres, , 1nplottref, 70!设定参考温度I dread, temp, , rth!读入节点温度/pbc, all, 0/psf, pres, 0 分布/ pbf, temp, 1eplotSOlVe !求解finish/ postl , plnsol, s, eqv!得到等效应力finish直接法热应力分析实例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3分 钟后外管表 面的温度。已知条件：管材弹性模量：2E1 lN/m2热膨胀系数：5E-41 / oF泊松比：导热系数：10W/密度：7880Kg / m3比热：500J/外管外半

20、径：m外管内半径：m内管外半径：内管内半径：流体温度：300oC流体与内管内壁对流系数：300W/内、外管接触热导：0C命令流方法/file name ,contact_thermal/title,contact_thermal example/ prep7et, 1, 13, 4, 1!选择直接耦合单元PLANE13,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ke yopt, 2, 2, 1ke yopt, 2, 7 J r, 2, 2e 11, 0,!定义接触单元实常数mp, ex, 1, 2e 11!定义管材结构及热属性mp, alpx, 1, 5e-5mp, kxx, 1, 10mp, dens, 1, 7880mp, c, 1, 500rect, ,0, !建模rect, 0,amesh, allnsel, s, loc, x, !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, !将内管外壁的X方向位移及温度耦合cp, 3, ux, all cp