Ansys第36例热应力分析间接法实例—液体管路

1、第36例热应力分析(间接法)实例一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。36.1 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°IC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万法。间接法进行热应力计算的主要步骤如下。36.1.1 热分析瞬态热分析的过程在前例已

2、经介绍过，下面介绍稳态热分析。A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。稳态热分析王要步骤如下。土0J1 .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C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。MainMenuSolutionAnalysisTypNewAnalysis,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，MainMenufSolutionfDefineLoadsfApplyfT

3、hermal.(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，MainMenuSolutionLoadStepOpts-Time/FrequencTime一TimeStep.非线性选项包括：一迭代次数(默认25),MainMenuSolutionLoadStepOpts-NonlinearEquilibriumIter;打开自动时间步长，MainMenuSolutionLoadStepOpts-Time/FrequencfTimefTimeStep等.输出选项包括：控制打印的输出，MainMenuSolutionLoadStepOptsOut

4、putCtrlsfSoluPrintout;控制结果文彳的输出，MainMenuSolutionfLoadStepOptsfOutputCtrls一DB/ResultsFileo(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。36.1.2 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。4一I)(1)转换单兀。/将热单元转换为相应的结构单元，并设置需要的单元选项，/MainMenufPreprocessorfElement

5、TypefSwitchElemTypeoO"日，2)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，MainMenufPreprocessorfMaterialPropsMaterialModels。7j(3)读入热分析得到的节点温度，工*MainMenufSolutionfDefineLoadsfApply-TOStructural一TemperaturefFromThermAnaly。IkJ(4)指定参考温度，当计算热膨胀大小时，温度差等于节点温度减去参考温度，MainMenufSolutionfDefineLoadsfSettin

6、gsfReferenceTempo36.2 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.C),弹性模量为2xl011N/m2,泊松比为0.3,热膨胀系数为1.2x10-6/C；保温层的导热系数为0.02W/(m.C),弹性模量为2x1010N/m2,泊松比为0.4,热膨胀系数为1.2x10-6/C；管路内液体压力为0.3MPa,温度为70C,对流换热系数为1W/(m2.C)；空气温度为-40C,对流换热系数为0.5W/(m2.C)。试分析管路内热应力的情况。V)36.3 分析步骤C)jJ*36.3.1 改变任

7、务名Wz拾取菜单UtilityMenufFile-ChangeJobname,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36.3.2 选择单元类型拾取菜单MainMenufPreprocessorfElementTypAdd/Edit/Delete,弹出"ElementTypes”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“ThermalSolid”,在右侧列表中选“8node77",单击"OK"按钮，返回到"ElementT

8、ypes”对话框，选中“TypelPLANE7Z,单击“Options”按钮，弹出如图36-4所示的对话框，选择“K3”“Close”下拉列表框为"Axisymmetric",单击"OK'按钮，然后单击如图36-3所示对话框的按钮。图36-3单元类型库对话框图36-4单元选项对话框广36.3.3 定义材料模型拾取菜单MainMenuPreprocessorMaterialPropsMaterialModels,弹出如图36-5Jfjhr'所示的对话框，在右侧列表中依次拾取"Thermal"、"Conductivity&

9、quot;、"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X图36-5所示对话框的菜单项MaterialNewModel,单击所弹出"DefineMaterialID”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0.02,最后关闭如图36-5所示的对话框。图36-5材料模型对话框餐图36-6材料特性对话框36.3.4 创建矩形面，模拟金属管路和保温层拾取采单MainMenu-Preprocessor-Modeling-Cre

10、ate-Areas-RectanglefByDimension,弹出如图36-7所示的对话框，在“XI,X2文本框中分别输入0.14,0.15,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“刈X2”文本框中分别输入0.15,0.2,在“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JX36.3.5 黏结面iry拾取菜单MainMenuPreprocessorModelingOperateBooleansfGlue-JAreas,弹出拾取窗口，单击“PickAll”按钮。36.3.6

11、 显小面号拾取菜单UtilityMenufPlotCtrlsfNumbering,在所弹出:PlotNumberingControls”对话框中，将AreaNumbers（面号）打开，单击"OK"按钮。36.3.7 划分单元JrA拾取菜单MainMenuPreprocessorMeshingMeshTool,弹出如图36-8所示的对话框。选择ElementAttributesAreas”，单击下拉列表框后面的“Set”钮，弹出拾取窗口，选择面1,单击拾取窗口中的OK按钮，弹出AreasAttributes话框，选择“MAT”下拉列表框为1,单击“Apply”按钮，再次弹出拾

12、取窗口，选择面()单击拾取窗口中的“OK'按钮，选择“AreasAttributes"对话框的“MAT”下拉列表框为按对3,2,单击“OK'按钮。图36-8单元工具对话框2f（SlcbalzIESIZEGobal.IlflH斗士h小心3%城口怅（jpplifsodyto"unsized5lines|SIZEEemcmcdg,elerlfi0皿ND!VNdcfelementdmons-Q（usedonlyitele-nented9Eng*hS1ZLisblsrkcrzero）OKCaredHdp图36-9单元尺寸对话框单击«SizeControls&

13、quot;区域中«Global”后面的«Set”按钮，弹出如图36-9所示的对话L1框，在“SIZE文本框中输入0.01,单击“OK”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r、拾取菜单MainMenuSolutionDefineLoadsfApplyfThermalfConvectionfOnLines,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”

14、按钮，弹Jrf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（即x坐标最大的+小斗一,，O）:，、人、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0.5,在“VAL2r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436.3.9求解r拾取菜单框中的“OK'MainMenufSolutionfSoke-CurrentLS,单击“SolveCurrentLoadStep”对话按钮，当出现"Sol

15、utionisdone!”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MainMenufPreprocessorfElementTypefSwitchElemType,弹出如图36-11所示的对话框，选择"Changeelementtype”下拉歹U表框为"ThermaltoStruc",单击"OK"按钮。图36-11转换单元类型对话框36.3.11 设定单元轴对称选项拾取菜单MainMenufPreprocessorfElementTypAdd/Edit/Delete弹出"ElementTypes

16、”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“ElementTypes”对话中1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MainMenuPreprocessorMaterialPropsMaterialModels,弹出如图36-5所示的对话框，在左侧列叠冲选中"MaterialModelNumber1”,在右侧列表中依农拾取“Structural"、"L

17、inear"、"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0.3（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"、"ThermalExpansion"、"SecantCoefficient"、“Isotropic"，弹出如图36-14所示的对话框，在“ALPX'文本框中输入1.2e-5（线膨胀系数），

18、然后单击“OK”按钮。FALinearh-otrcpicPropertieslorMateri'Number1图36-13材料特性对话框（一）0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"MaterialModelNumber2",用与MaterialModelNumber1同样的方法，定义弹性模量EX为2e10、泊松比PRXY为0.4、线膨胀系数ALPX为1.2e-6。最后关闭如图36-5所示的对话框。36.3.13 施加约束拾取菜单MainMenufSolutionfDefineLoadsfApplyfStructuralfDispl

19、acementfOn4条直线），单击“OK”按Lines,弹出拾取窗口，拾取水平方向的所有直线（即长度较短的钮，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36.3.14 施加压力载荷/拾取菜单MainMenufSolution-DefinefLoadsApplyStructuralfPressurefOn拓人仃，人仃日I，一日A±/4田+，拓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

20、-16施加压力载荷对话框36.3.15 读入热分析所得到的节点温度拾取菜单MainMenu-Solution-DefineLoads-Apply-Structural-TemperaturefFrom或者单击“Browse”按钮在ANSYSX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ThermAnaly,弹出如图36-17所示的对话框，在“Fame”文本框中输入EXAMPLE36Roth36.3.16 指定参考温度拾取菜单MainMenufSolutionfDefineLoadsfSettingsfReferenceTemp,弹出如图在计算热膨胀大

21、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。a*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36.3.17 求解拾取菜单MainMenufSolutionfSoke-CurrentLS,单击“SolveCurrentLoadStep”对话框中的"OK"按钮，当出现"Solutionisdone!”提示时，求解结束，即可查看即可查看结果。36.3.18 查看结果，用等图线显小VonMises应力拾取菜单MainMenuGeneralPostprocPlotResultsContourP

22、lotNodalSolu,弹出“ContourNodalSolutionData”对话框，在列表中依次选择"NodalSolutionfStressfvonMisesSEQV（第四强度理论的等效应力），单击“OK'按钮。结果如图36-19所示，可以看出，VonMises应力的最大值为0.588x108Pa,即58.8MPa。ANSYSJAN11201622:10*27图36-19液体管路的VonMises应力第37例热应力分析（直接法）实例-液体管路3MLSOLIRIONSTEP-1SUB-1TTME-1SRQV(AVG)DMX=.450E-045MN=.d59忙于tn3MX

23、:.弓gE芭*UH.459E+0.166E4(J3.2H7E+D3.407E+0B.52BE+0B.lOiEfD6.227E+Q6.3A7E+0B.469E+0B.568ErOa与间接法相比，直接法步骤更简本例介绍了利用直接法进行热应力计算的方法和步骤,I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。JlX.37.2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。7.3分析步骤37.3.1 改变任务名拾取菜单UtilityMenuFile一ChangeJobnam

24、e,弹出如图37-1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37.3.2 选择单元类型拾取菜单MainMenufPreprocessorfElementTypefAdd/Edit/Delete,弹出"ElementTypes”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CoupledField，在右侧列表中选VectorQuad13，单击OK按钮，返回至1NElementTypes对话框，选中“TypelPLANE13',单击“Options”按钮，弹出如图37-3所示的对

25、话框，选VJ择“K1”下拉列表框为«UXUYTEMPAZ,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APLANEl3elementtype叩tinn零图37-3单元选项对话框37.3.3 定义材料模型1拾取采单MainMenufPreprocessorfMaterialPropsfMaterialModels,弹出如图37-4所示的对话框，在右侧列表中依次拾取"Thermal'、"Conductivity"、"

26、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"Structural"、"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0.3（泊松比），单击“OK”按钮；再在右侧列表中依次拾取"LStructural"、"ThermalExpansion"、"Sec

27、antCoefficient”、“Isotropic"，弹出如图37-7所示的对话框，在“ALPX'文本框中输入1.2e-5（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MaterialNewModel,单击所弹出“DefineMaterialID”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KXX为0.02、弹性模量EX为2e10、泊松比PRXY为0.4、线膨胀系数ALPX为1.2e-6。最后关闭如图37-4所示的对话框。图37-4材料模型对话框0图37-5材料特性对话框（一）图37-6材料特性对话框（二

28、）37-7材料特性对话框（三）37.3.4 创建矩形面，模拟金属管路和保温层拾取菜单MainMenu-Preprocessor-Modeling-Create-Areas-RectanglefByDimension,弹出如图37-8所示的对话框，在“X1,x2”文本框中分别输入0.14,0.15,在“Y1,Y2'文本框中分别输入0,1,单击“Apply”按钮。再次弹出如图37-8所示的对话框，在“Xl,X2”文本框中分别输入0.15,0.2,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37.3.5黏结面拾取菜单MainMenufPreproces

29、sorfModelingfOperatefBooleansfGluefAreas。弹kT出拾取窗口，单击“PickAll”按钮。37.3.6 显示面号拾取菜单UtilityMenuPlotCtrlsNumbering,将所弹出"PlotNumberingControls”对话框中的AreaNumbers（面3）打开，单击OK按钮。37.3.7 划分单元拾取菜单MainMenufMeshingfMeshTool,弹出如图37-9所示的对话框。选择"ElementAttributes”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

30、取窗口中的"OK'按钮，弹出"AreasAttributes”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“AreasAttributes"对话框的“MAT”下拉列表框为2,单击"OK"按钮。单击“SizeControls"区域中«Global”后面的«Set”按钮，弓t出如图37-10所示的对话框，在“SIZE文本框中输入0.01,单击“OK'按钮。在如图37-9所示对话框的“Mesh”区域，选择单元形状为“

31、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单元工具对话框陌在Globalx坐标最小的直线），单击“OK'按钮,A引口MlElAmentsi?i=eferiertanddivijion&(appliesonlySI7FFlfEnnigpFiragrhND1VNo,of-kinent：iivisions-unlyifclernicr±edije'ergth,SIZE.、Hankorzrrc)Cancel图37-10单元尺寸对话框3

32、7.3.8 流边界条件施加对流拾取菜单MainMenufSolutionfDefineLoadsApplyThermalConvection一OnLines,弹出拾取窗口，拾取最左面一条直线（即弹出如图37-11所示的对话框，在“VAL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0.5（对流换热系数），在“VAL2I”文本框中输入-40（温度），单击“OK'按图37-11施加对流边界条件对话框G3.3.9施加约束、九u拾取菜单MainMenufSo