热应力耦合分析

第一页，共四十页，2022年，8月28日热应力产生结构受热或变冷时，由于热胀冷缩产生变形。若变形受到某些限制—如位移约束或相反的压力—则在结构中产生热应力。产生热应力的另一个原因，是由于材料不同而形成的不均匀变形（如，不同的热膨胀系数）。由约束产生热应力由不同材料产生热应力–耦合场分析

…概述第二页，共四十页，2022年，8月28日在ANSYS中求解热-应力问题有两种方法。这两种方法各有所长。顺序耦合传统方法是使用两种单元类型，将热分析的结果作为结构的温度荷载。当热瞬态分析时间点很多，但结构时间点很少时效率较高。很容易用输入文件实现自动处理。直接耦合比较新的方法，用一种单元类型就能求解两种物理场问题。热和结构之间可实现真正的耦合。在某些分析中可能耗费过多开销。–耦合场分析

…概述第三页，共四十页，2022年，8月28日顺序耦合方法涉及两种分析：1. 先作稳态（或瞬态）热分析。建立热单元模型。施加热荷载。求解并检查结果。2. 然后作静力结构分析。把单元类型转换成结构单元。定义包括热膨胀系数在内的结构材料特性。施加包括从热分析得到的温度在内的结构荷载。求解并检查结果。热分析结构分析jobname.rthjobname.rst温度

–耦合场分析

顺序耦合方法第四页，共四十页，2022年，8月28日1. 热分析该过程在第11章中描述。2. 结构分析a) 进入前处理，把热单元类型转换成结构单元。MainMenu>Preprocessor>ElementType>SwitchElemType 注意：转换单元类型时，所有单元选项重新设置回原来缺省状态。例如，若用户在热分析中使用的2-D轴对称单元，则需要在转换后重新指定轴对称选项，因此，一定要确保设置正确的单元选项：MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete>[Options]

或用ETLIST和KEYOPT命令–耦合场分析

…顺序耦合方法第五页，共四十页，2022年，8月28日b) 定义结构的材料性质(EX等)，包括热膨胀系数(ALPX)(若使用的是ANSYS提供的材料库，材料的热特性和结构特性均已定义，该项可以省略). 注意：如果没有定义ALPX，或将该项设置为零，则不计算热应变。可以用该项技巧“关闭”温度的影响。c) 指定静力分析类型，这一步只在热分析是瞬态分析时用。MainMenu>Solution>AnalysisType>NewAnalysis或用ANTYPE命令

–耦合场分析

…顺序耦合方法第六页，共四十页，2022年，8月28日d) 施加结构荷载，而把温度作为荷载的一部分。MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Temperature>FromThermAnaly或用LDREAD命令。e) 求解。f) 观察应力结果。–耦合场分析

…顺序耦合方法第七页，共四十页，2022年，8月28日直接耦合方法，通常只涉及用耦合单元的分析，单元必须包括热、结构的自由度。1. 首先用以下耦合单元之一建立模型并划分网格。PLANE13(平面实体单元)。SOLID5(六面体单元)。SOLID98(四面体单元)。在模型上施加结构荷载、热荷载及约束。求解并查看热和结构结果。Combined热分析结构分析jobname.rst

–耦合场分析

直接耦合方法第八页，共四十页，2022年，8月28日顺序方法对非高度非线性耦合情况，顺序方法更有效、灵活，因为它可以独立执行两种分析。在顺序方法热-应力分析中，例如，在非线性瞬态分析之后可以紧接着进行线性静力分析，然后可以把热分析中任意荷载步或时间点的节点温度作为应力分析的荷载。直接方法对耦合场是高度非线性情况，直接方法更好，并且该方法用耦合公式单一求解时是最好的。直接耦合的例子，包括压电分析，有流体流动的共轭传热分析及电路电磁分析。–耦合场分析

顺序耦合方法与直接耦合方法比较第九页，共四十页，2022年，8月28日带散热片的轴对称管热应力耦合分析---顺序耦合第十页，共四十页，2022年，8月28日13A.热应力分析–顺序耦合

带散热片的轴对称管说明接上面练习12的轴对称散热片问题做一个热应力分析。如下所示，管内部有压力。顶部的线(在Y=1.0处)代表一个对称边界,我们将该线的所有节点的UY自由度耦合起来。第十一页，共四十页，2022年，8月28日13A.热应力分析–顺序耦合

带散热片的轴对称管载荷和边界条件从练习12的热分析获取节点温度施加内压力10,000psi在Y=1的节点处耦合自由度UY在线上施加对称边界条件第十二页，共四十页，2022年，8月28日1. 按教师指定的工作目录，用“pipe-th-str”作为作业名，进入ANSYS。2. 从练习12中恢复数据库文件(或pipe-th.db1):UtilityMenu>File>Resumefrom…选择“pipe-th.db”,然后按[OK]或用命令:RESUME,pipe-th,db3. 在GUI优选框中选择结构:MainMenu>Preferences选择“Structural”而不选“Thermal”,然后按[OK]4. 改变标题:UtilityMenu>File>ChangeTitle...标题为“2DAXI-SYMMTHERMAL-STRESSANALYSISW/INT.PRESS-ESIZE=0.125”[OK]13A.热应力分析–顺序耦合

带散热片的轴对称管第十三页，共四十页，2022年，8月28日5. 删除实体模型边上的对流载荷:MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Delete>AllLoadData>AllSolidModLds[OK]或用命令:/PREP7LSCLEAR,SOLID6. 将温度单元改为相应的结构单元:MainMenu>Preprocessor>ElementType>SwitchElemType选择“ThermaltoStruc”,然后按[OK]检查警告信息窗,然后按[Close]或用命令:ETCHG,TTS13A.热应力分析–顺序耦合

带散热片的轴对称管第十四页，共四十页，2022年，8月28日13A.热应力分析–顺序耦合

带散热片的轴对称管7. 将单元选项设为轴对称:MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete[Options...]将K3设为轴对称,然后按[OK][Close]8. 在练习12的热应力分析中施加温度荷载:MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>Temperature>FromThermAnaly选择结果文件“pipe-th.rth”,然后按[OK]9. 在线（Y=0）上施加对称边界条件:MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>SymmetryB.C.>OnLines选择线3,5,11,然后按[OK]第十五页，共四十页，2022年，8月28日13A.热应力分析–顺序耦合

带散热片的轴对称管10. 将节点自由度（在Y=1）UY耦合:10a.选择节点（在Y=1）:UtilityMenu>Select>Entities...通过“ByLocation”选择“Nodes”选择“Ycoordinates”将Min,Max设为1,然后按[OK]或用命令:NSEL,S,LOC,Y,110b.将选择的一组节点在UY方向上耦合起来:MainMenu>Preprocessor>Coupling/Ceqn>CoupleDOFs[PickAll]将NSET设为1将Lab设为UY,然后按[OK]UtilityMenu>Select>Everything或用命令:CP,1,UY,ALLALLSEL,ALL第十六页，共四十页，2022年，8月28日13A.热应力分析–顺序耦合

带散热片的轴对称管11. 将内部压力施加在线上:MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>Pressure>OnLines拾取线9和13,然后按[OK]将VALUE设为1000,然后按[OK]或用命令:SFL,9,PRES,1000SFL,13,PRES,100012. 通过显示体荷载检查温度载荷:UtilityMenu>PlotCtrls>Symbols将体载荷符号设为“Structuraltemps”,然后按[OK]UtilityMenu>Plot>Elements或用命令:/PBF,TEMP,,1EPLOT第十七页，共四十页，2022年，8月28日13A.热应力分析–顺序耦合

带散热片的轴对称管13. 存储数据库并计算结果:Pickthe“SAVE_DB”buttonintheToolbar(orselect:UtilityMenu>File>SaveasJobname.db)MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS观察“/STATUSCommand”窗口并关闭[OK][Close]–在求解结束时关闭黄色信息框或用命令::SAVE/SOLUSOLVE14. 进入后处理并观察结果:MainMenu>GeneralPostproc或用命令:/POST1第十八页，共四十页，2022年，8月28日13A.热应力分析–顺序耦合

带散热片的轴对称管14a.显示位移:MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu拾取“DOFsolution”和“TranslationUSUM”,选择“Def+undefedge”,然后按[OK]或用命令:PLNSOL,U,SUM,2,1第十九页，共四十页，2022年，8月28日13A.热应力分析–顺序耦合

带散热片的轴对称管14b.画vonMises应力:MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu拾取“Stress”和“vonMisesSEQV”,选择“Defshapeonly”,然后按[OK]或用命令:PLNSOL,S,EQV第二十页，共四十页，2022年，8月28日13A.热应力分析–顺序耦合

带散热片的轴对称管14c.画径向应力等值线图:MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu拾取“Stress”和“X-directionSX”,然后按[OK]或用命令:PLNSOL,S,X第二十一页，共四十页，2022年，8月28日13A.热应力分析–顺序耦合

带散热片的轴对称管14d.绕Y轴将轴对称的径向应力扩展90度，然后关于x-z平面做镜面反射:UtilityMenu>PlotCtrls>Style>SymmetryExpansion>2DAxi-Symmetric...拾取“1/4expansion”然后选择镜像,按[OK][ISO]或用命令:/EXPAND,9,AXIS,,,10,,2,RECT,HALF,,0.00001/VIEW,1,1,1,1/REPLOT

第二十二页，共四十页，2022年，8月28日13A.热应力分析–顺序耦合

带散热片的轴对称管第二十三页，共四十页，2022年，8月28日13A.热应力分析–顺序耦合

带散热片的轴对称管14e.画纵向(轴向)的应力图:MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu拾取“Stress”和“Y-directionSY”,然后按[OK]或用命令:PLNSOL,S,Y第二十四页，共四十页，2022年，8月28日13A.热应力分析–顺序耦合

带散热片的轴对称管14f.画切向应力(周向或环向):MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu拾取“Stress”和“Z-directionSZ”,然后按[OK]或用命令:PLNSOL,S,Z第二十五页，共四十页，2022年，8月28日带散热片的轴对称管热应力耦合分析----直接耦合第二十六页，共四十页，2022年，8月28日13B.热应力分析–直接耦合

带散热片的轴对称管说明在这个练习题中,我们将用直接耦合方法重做前面的题目。这个轴对称的散热片将被用来分析以前施加的热和结构荷载。第二十七页，共四十页，2022年，8月28日13B.热应力分析–直接耦合

带散热片的轴对称管施加与练习12相同的荷载同时施加内部压力。内部压力=1000psi第二十八页，共四十页，2022年，8月28日13B.热应力分析–直接耦合

带散热片的轴对称管1. 按教师指定的工作目录，用“pipe-direct”作为作业名进入ANSYS。2. 读入“pipe-th.inp”文件建立2-D轴对称模型，在线上指定网格份数：UtilityMenu>File>ReadInputfrom…选择“pipe-th.inp”,然后按[OK]或用命令:/INPUT,pipe-th,inp3. 添加轴对称耦合场单元类型(plane13):MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete选择“CoupledField”和“VectorQuad13”,然后按[OK]4. 把单元选项改为structural/thermal,轴对称:OptionsK1=UXUYTempAZK3=Axisymmetric[OK][Close]或用命令:ET,1,PLANE13KEYOPT,1,1,4KEYOPT,1,3,1第二十九页，共四十页，2022年，8月28日13B.热应力分析–直接耦合

带散热片的轴对称管5.将模型用2-D的四边形单元划分映射网格:MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshTool选择Global，按[Set]将SIZE设为0.25/2,然后按[OK]选择“Mapped”,然后按[Mesh][PickAll]6.从材料库中读入304号钢的材料特性:MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialLibrary>LibraryPath输入路径“PathforREADINGfiles”(例如，h:\ansys57\matlib)[OK]MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialLibrary>ImportLibrary选择“BIN”,然后按[OK]选择“Stl_AISI-304.BIN_MPL”,然后按[OK]第三十页，共四十页，2022年，8月28日13B.热应力分析–直接耦合

带散热片的轴对称管7.在实体模型的线上施加对流荷载:MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Thermal>Convection>OnLines拾取外部的四条线,然后按[OK]设VALI=0.69e-4和VAL2I=70,然后按[Apply]拾取内部的两条线,然后按[OK]设VALI=0.28e-3和VAL2I=450,然后按[OK]或用命令:SFL,2,CONV,0.69e-4,,70SFL,6,CONV,0.69e-4,,70SFL,7,CONV,0.69e-4,,70SFL,10,CONV,0.69e-4,,70SFL,9,CONV,0.28e-3,,450SFL,13,CONV,0.28e-3,,450第三十一页，共四十页，2022年，8月28日13B.热应力分析–直接耦合

带散热片的轴对称管8.在线上施加内部均匀压力:MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>Pressure>OnLines拾取线段9和13,然后按[OK]设压力值为1000,然后按[OK]或用命令:SFL,9,PRES,1000SFL,13,PRES,1000第三十二页，共四十页，2022年，8月28日13B.热应力分析–直接耦合

带散热片的轴对称管9.将Y=1处的节点的自由度在UY方向上耦合:9a.选择Y=1处的节点:UtilityMenu>Select>Entities...选择“Nodes”和“ByLocation”选择“Ycoordinates”将最大和最小均设为1,然后按[OK]或用命令:NSEL,S,LOC,Y,19b.在选择的节点集合上定义UY方向的耦合：MainMenu>Preprocessor>Coupling/Ceqn>CoupleDOFs[PickAll]NSET=1设置Lab=UY,然后[OK]UtilityMenu>Select>Everything…或用命令:CP,1,UY,ALLALLSEL,ALL第三十三页，共四十页，2022年，8月28日13B.热应力分析–直接耦合

带散热片的轴对称管10.在Y=0的线上施加对称边界条件:MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>SymmetryB.C.>OnLines选择线3,5,11,然后[OK]11.存储数据库并求解:在工具条上按“SAVE_DB”按钮(或UtilityMenu>File>SaveasJobname.db)MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS查看“/STATUSCommand”窗口，然后关闭。[OK][Yes]–出现警告信息，继续求解[Close]–求解完成后关闭黄色信息窗口12.进入通用后处理器观察结果:MainMenu>GeneralPostproc或用命令:/POST1第三十四页，共四十页，2022年，8月28日13B.热应力分析–直接耦合

带散热片的轴对称管12a.画温度图:MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu拾取“DOFsolution”和“TemperatureTEMP”,然后按[OK]或用命令:PLNSOL,TEMP第三十五页，共四十页，2022年，8月28日12b.画位移图:MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu拾取“DOFsolution”和“TranslationUSUM”,选择“D