(64)-16 热应力分析计算机辅助工程分析

8热应力分析计算机辅助工程分析概述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概述在ANSYS中求解热-应力问题有两种方法。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。顺序耦合SETP1进行稳态（或瞬态）热分析。建立热分析有限元模型。施加热荷载及边界。求解并检查结果。STEP2进行结构静力分析。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温度顺序耦合1. 热分析计算结构温度场。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

命令顺序耦合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。直接耦合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。首先用以下耦合单元之一建立模型并划分网格。PLANE222(平面实体单元)。SOLID226(六面体单元)。SOLID227(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顺序和直接耦合对比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。问题说明基本描述一个带有矩形翅片的长钢管从管中流动的热气体通过对流吸收能量。外表面暴露在大气中，热流从翅片端部释放。载荷条件:热气体的温度是250ºC，内部对流热交换系数是10000W/(m2ºC)外部大气温度是25ºC，外部对流热交换系数为1000W/(m2ºC)每个翅片端部热流为

-320J/m2

。分析目标:分析其中最小的循环部分，要求得到如下结果: 1)温度场分布。2)热应力分布。说明一个带散热片的管，在给定的荷载条件下，分析温度和热量分布该模型是轴对称的。仅分析散热片的一半，模型的底部为对称约束。圆管内半径：50mm圆管厚度：12mm热片外半径：100mm热片厚度：6mm热片间距：18mm材料：304不锈钢导热系数：70W/m·ºC弹性模量：2×1011N/m2泊松比：0.3热膨胀系数：12×10-6/ºC问题说明问题简化绝热对称边界绝热对称边界翅片端部的热流密度对流面对流面简化成了最小的可重复2D几何模型。使用最小的可循环部分求解:钢管/肋骨中的温度场分布

钢管/肋骨的对流热损耗绘出钢管/肋骨面上的温度变化情况。使用轴对称的PLANE55单元。材料各向同性，且不随温度变化。1打开原热分析文件，并指定文件名：在菜单栏中，依次点击【File】->【ChangeJobname】，打开文件名更改窗口，如下图所示。可输入指定的文件名，如Case14.2-Thermal。点击【Resumefrom…】，打开数据文件，找到所需的热分析文件。建模准备定义新的文件名与其他分析题目区别开来。所有文件名将为jobname.ext，勾选Yes点取“OK”将重写文件名分别为jobname.log和jobname.err的命令记录文件和错误文件。2为应力分析指定文件名：在菜单栏中，依次点击【File】->【ChangeJobname】，打开文件名更改窗口，如下图所示。可输入指定的文件名，如Case14.2-ThSt.建模准备3为应力分析指定标题：在菜单栏中，依次点击【File】->【ChangeTitle】，打开标题更改窗口，如下图所示。可输入指定的标题名，如Thermalstressanalysis.1变更单元类型：点击【ElementType】->【SwitchElemType】，打开单元类型变更窗口，选择Thermalto

Struc，如图所示。点击OK。模型构建-Preprocessor把热单元类型转换成结构单元.1定义单元类型：查看并选择单元关键选项：点击【ElementType】->【Options】，打开单元关键选项窗口。将K3选项更改为【Axisymmetric】，如图所示。点击OK。模型构建-Preprocessor关键选项或KEYOPTs是与单元类型相关的选项。使用下拉式菜单查看该单元的基本选项，并选择合适的数值。本例题需要轴对称单元。缺省值为平面单元。2定义材料性能：点击【MaterialProps】->【MaterialModels】，打开定义材料属性窗口，如图所示。分别定义弹性模量EX、泊松比PRXY以及热膨胀系数ALPX。模型构建-Preprocessor定义结构的材料力学性能(EX、PRXY等)，热膨胀系数(ALPX)等1定义分析类型：进入【Solution】模块，点击【AnalysisType】->【NewAnalysis】，打开分析类型选项，单击OK。模型求解-Solution指定这是一个新的分析，类型为静态分析(这是缺省值)。2施加载荷与边界条件：点击【DefineLoads】->【Apply】->【Structural】->【Displacement】->【SymmetryB.C.】->【OnLines】，分别选择对应的对称边界，单击OK。模型求解-Solution2施加载荷与边界条件：点击【DefineLoads】->【Apply】->【Structural】->【Temperature】->【FromThermAnaly】，在弹出的对话框中单击【Browse…】选择热分析结果的对应的th文件。模型求解-Solution3求解：点击【Solution】->【Solve】->【CurrentLS】，在弹出的对