Ansys-第33例瞬态热分析实例一水箱.docx

第33例 瞬态热分析实例水箱本例介绍了利用ANSYS进行瞬态热分析的方法和步骤、瞬态热分析时材料模型所包含的内容，以及模型边界条件和初始温度的施加方法。33.1概述 热分析是计算热应力的基础，热分析分为稳态热分析和瞬态热分析，稳态热分析将在后面两个例子中介绍，本例介绍瞬态热分析。33.1.1 瞬态热分析的定义瞬态热分析用于计算系统随时间变化的温度场和其他热参数。一般用瞬态热分析计算温度场，并找到温度梯度最大的时间点，将此时间点的温度场作为热载荷来进行应力计算。33.1.2 嚼态热分析的步骤瞬态热分析包括建模、施加载荷和求解、查看结果等几个步骤。1建模瞬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。注意：瞬态热分析必须定义材料的导热系数、密度和比热。2.施加载荷和求解(1)指定分析类型，Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis,选择 Transient。(2)获得瞬态热分析的初始条件。定义均匀的初始温度场：Main MenuSolutionDefine LoadsSettingsUniform Temp，初始温度仅对第一个子步有效，而用Main MenuSolutionDefine LoadsApplyThermalTemperature命令施加的温度在整个瞬态热分析过程中均不变，应注意二者的区别。定义非均匀的初始温度场：如果非均匀的初始温度场是已知的，可以用Main MenuSolutionDefine LoadsApplyInitial ConditnDefine即IC命令施加。非均匀的初始温度场一般是未知的，此时必须先进行行稳态分析确定该温度场。该稳态分析与一般的稳态分析相同。注意：要设定载荷（如已知的温度、热对流等），将时间积分关闭，选择Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTime IntegrationAmplitude Decay;设定只有一个子步，时间很短（如(0.01s)的载荷步， Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTimeTime Step。(3)设置载荷步选项。普通选项包括每一载荷步结束的时间、每一载荷步的子步数、阶跃选项等，选择Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTime-Time Step.非线性选项包括：迭代次数（默认25），选择Main MenuSolutionLoad Step OptsNonlinearEquilibrium Iter;打开自动时间步长，选择Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTimeTime Step：将时间积分打开，选择Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTime IntegrationAmplitude Decay.输出选项包括：控制打印的输出，选择Main MenuSolutionLoad Step OptsOutput CtrlsSolu Printout; 结果文件的输出， 选择Main MenuSolutionLoad Step OptsOutput CtrlsDB/Results File.(4)如果均匀的初始温度场是通过稳态分析施加的，则须删除稳态分析时施加的温度载荷， 选择 Main MenuSolutionDefine LoadsDeleteThermalTemperature。(5)求解。 3.查看结果 可以用POST26或POST1查看结果。33.2问题描述图33-1所示为一个温度为500的铁块和一个温度为400的铜块，突然放入温度为20的完全绝热的水箱中。忽略水的流动，试分析1h后铜块和铁块的最高温度，以及铜块和铁块的温度变化情况。材料热物理性能参数如表33-1所示。图33-1 水箱示意图表33-1 材料热物理性能参数热性能参数铜铁水导热系数/W(m.)383702密度/kg/m388897833966比热/J/(kg. )390448418533.3分析步骤33.3.1改变任务名拾取菜单Utility MenuFileChange Jobname，在所弹出对话框的“/FILNAM”文本框中输入EXAMPLE33，单击“OK”按钮。图33-2 改变任务名对话框33.3.2选择单元类型拾取菜单Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete，弹出如图33-3所示的对话框，单击“Add”按钮，弹出如图33-4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，返回到如图33-3所示的对话框，单击“Close”按钮关闭对话框。图33-3 单元类型对话框图33-4 单元类型库对话框33.3.3定义村料模型拾取菜单Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models，弹出如图33-5所示的对话框，在右侧列表中依次拾取“Thermal”、“Conductivity”、“Isotropic”，弹出如图33-6所示的对话框，在“KXX”文本框中输入383（导热系数），单击“OK”按钮；再次拾取如图33-5所示对话框中右侧列表的“Specific Heat”项，弹出如图33-7所示的对话框，在“C”文本框中输入390（比热），单击“OK”按钮；再次拾取如图33-5所示对话框中右侧列表的“Density”项，弹出如图33-8所示的对话框，在“DENS”文本框中输入8889（密度），单击“OK”按钮，于是定义好了材料模型1（铜）。单击如图33-5所示对话框的菜单项Material-New Model，单击弹出的“Define Material TD”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（铁）的导热系数为70，比热为448，密度为7833。重复定义材料模型2时的各步骤，定义材料模型3（水）的导热系数为2，比热为4185，密度为996。最后关闭如图33-5所示的对话框。略图33-5 材料模型对话框图33-6 定义导热系数对话框图33-7 定义比热对话框33.3.4创建矩形面，模拟铜块、铁块和水箱拾取菜单 Main MenuPreprocessor ModelingCreate AreasRectangleBy Dimension，弹出如图33-9所示的对话框，在“X1，X2”文本框中分别输入0，0.6，在“Y1，Y2”文本框中分别输入0，0.5，单击“Apply”按钮，再次弹出如图33-9所示的对话框，在“Xl, X2”文本框中分别输入0.15, 0.225， 在“Y1, Y2”文本框中分别输入 (0.225，0.27)，单击“Apply”按钮，再次弹出如图33-9所示的对话框，在“Xl，X2”文本框中分别输入0.342，0.42)，在“Y1，Y2”文本框中分别输入0.225，0.27，单击“OK”按钮。33.3.5显示面号拾取菜单Utility MenuPlotCtrlsNumbering，在弹出的Plot Numbering Controls 对话框中，将Area numbers（面号）打开，单击“OK”按钮。图33-8 定义密度对话框图33-9 创建矩形对话框33.3.6交叠面拾取菜单 Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansOverlapAreas,弹出拾取窗口，单击“Pick All”按钮。33.3.7划分单元拾取菜单Main MenuPreprocessorMeshingMeshTool，弹出如图33-10所示的对话框。选择“Element 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2，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“Apply”按钮，再次窗口，择面4，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3，单击OK按钮。单击“Size Controls”区域中“Global”后面的“Set”按钮，弹出如图33-11所示的对话框，在“SIZE”文本中输入0.01，单击“OK”按钮；在如图33-10所示对话框的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2和面3，单击“OK”按钮。图33-10 划分单元工具对话框图33-11 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33-11所示的对话框，在 SIZE文本框中输入0.03，单击“OK”按钮；在如图33-10所示对话框的“Mesh”区域，选择单元形状为Quad （四边形）， 选择划分单元的方法为“Free”（自由），单击“Mesh”按钮，弹出拾取窗口，拾取面4，单击“OK”按钮，关闭如图33-10所示的对话框。33.3.8指定分析类型拾取菜单Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis，在弹出的对话框中选择“Type of Analysis”为“Transient”，单击“OK”按钮，在随后弹出的“Transient Analysis”对话框中，单击“OK”按钮。以下步骤进行稳态分析，以得到初始温度场。33.3.9设置时间积分为关闭，进行稳态分析，以得到瞬态分析的初始温度场拾取菜单 Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTime IntegrationAmplitude Decay，弹出如图33-12所示的对话框，将“TIMINT”关闭，单击“OK”按钮。图33-12 时间积分控制对话框33.3.10确定稳态分析的载荷步时间和吋间步长拾取菜单Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTimeTime Step,弹出如图33-13所示的对话框，在“TIME”文本框中输入0.01，在“DELTIM Time step size”文本框中输入0.01，单击“OK”按钮。图33-13 确定载荷步时间和时间步长对话框33.3.11施加温度载荷拾取菜单Main MenuSolutionDefine LoadsApplyThermalTemperatureOn Areas，弹出拾取窗口，拾取面2，单击“OK”按钮，弹出如图33-14所示的对话框，在“Lab2”列表中选择“TEMP”，在“VALUE”文本框中输入400， 单击“Apply”按钮。再次弹出拾取窗口，拾取面3，单击“OK”按钮，弹出如图33-14所示的对话框，在“VALUE”文本框中输入500，单击“Apply”按钮。再次弹出拾取窗口，拾取面4，单击“OK”按钮，弹出如图33-14所示的对话框，在“VALUE”文本框中输入20，单击OK“按钮。33.3.12求解拾取菜单Main Menu SolutionSolveCurrent LS，单击“Solve Current Load Step对话框中的OK”按钮。图33-14 在面上施加温度载荷对话框以下步骤进行瞬态分析。33.3.13确定瞬态分析的载荷步时间和时间步长拾取菜单Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTimeTime Step，弹出如图33-13所示的对话框，在“TIME”文本框中输入3600，在“DELTIM Time step size”文本框中输入50，选择“AUTOTS”为“ON”，在“DELTIM Minimum time step size”文本框中输入10，在“DELTIM Maximum time step size”文本框中输入200，单击“OK”按钮。33.3.14打开吋间积分，进行瞬态分析拾取菜单Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTime Integration-Amplitude Decay，弹出如图33-12所示的对话框，将“TIMJNT”打开，单击“OK”按钮。33.3.15 删除稳态分析吋施加的温度载荷拾取菜单Main MenuSolutionDefine LoadsDeleteThermalTemperature On Areas，弹出拾取窗口，单击“Pick All”按钮。33.3.16 确定数据库和结果文件中所包含的内容拾取菜单Main MenuSolutionLoad Step OptsOutput CtrlsDB/Results File，弹出“Controls for Database and Results File Writing”对话框，选择下拉列表框“Item”为“All Items”，选中“Every substep”，单击“OK”按钮。33.3.17求解菜单Main MenuSolutionSolveCurrent LS，单击”Solve Current Load Step”对话框中的“OK”按钮。以下步骤查看结果。33.3.18查看温度拾取菜单Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu，在列表中依次选择“Nodal SolutionDOF SolutionNodal Temperature”，单击“OK”按钮，结果如图33-15所示。图33-.15 3600 s后的温度分布情况33.3.19定义变量拾取菜Main MenuTimeHist PostproDefine Variables,弹出 “Defined Time-History Variables “对话框，单击“Add”按钮，弹出“Add Time-History Variables”对话框，选择“Type of Variable”为“Nodal DOF result”， 单击“OK”按钮，弹出拾取窗口，在拾取窗口的文本窗口中输入106（位于铜块中心），单击“OK”按钮，弹出如图33-16所示的对话框，在“Name”文本框中输入TEMP_106，单击“OK”按钮。关闭“Defined Time-History Variables”对话框。图33-16 定义节点数据对话框33.3.20用曲线图显示温度变化情况拾取菜单Main MenuTimeHist PostproGraph Variables，弹出“Graph Time-History Variables”对话框，在“NVAR1”文本框中输入2，单击“OK”按钮，结果如图33-17所示。图33-17节点106处的温度变化情况第34例 在结构上直接施加温度载荷进行热应力分析实例-双金属簧片本例介绍了在结构单元上直接施加温度载荷进行热应力分析的方法和步骤，并使用解析解对有限元分析结果进行了验证。34.1概述当一个结构发生温度变化时，它会发生膨胀或收缩。如果其膨胀或收缩受到限制，或者由于温度分布不均而导致膨胀和收缩的程度不同，就会产生热应力。ANSYS提供了三种计算热应力的方法，即在结构上直接施加温度载荷、间接法和直接法。本例介绍第一种方法，该方法主要用于结构温度场为已知且均匀分布的场合。分析类型为静力学分析，温度场的施加采用Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralTemperature命令。此时，节点温度作为静力学分析的体载荷而不是节点自由度。34.2问题描述及解析解温度调节器所使用的双金属簧片的计算简图如图34-1所示。两簧片等厚度、等宽度，材料不同，二者紧密连成一体，其左端可视为固定端。第1个金属片为钢制，其弹性模量E1=2x1011Pa，线膨胀系数，1=10x10-6/；第2个金属片为铜制， 其弹性模量E2=1.1 x1011Pa，线膨胀系数a2=16xl0-/。簧片各部分尺寸为长度L=40mm，高度h=0.5mm。试分析当温度升高t=l00时，簧片自由端的挠度。图34-1 双金属簧片根据材料力学的知识，容易得出簧片自由端的挠度为=6（2-1）tE1E2L2h（E12+E12+14E1E2）=7.03810-4m34.3 分析步骤34.3.1改变任务名 拾取菜单Utility MenuFileChange Jobname，在所弹出对话框的“/FILNAM”文本框中输入EXAMPLE34，单击“OK”按钮。34.3.2选择单元类型拾取菜单Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete，弹出如图34-2所示的对话框，单击“Add”按钮， 弹出如图34-3所示的对话框，在左侧列表中选“Structural Solid”，在右侧列表中选“20node 186”，单击“OK”按钮，返回到如图34-2所示的对话框，单击“Close”按钮。图34-2 单元类型对话框图34-3 单元类型库对话框34.3.3定义村料模型拾取菜单Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models，弹出如图34-4所示的对话框，在右侧列表中依次拾取“Structural”、“Linear”、“Elastic”、”Isotropic”，弹出如图34-5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；再在图34-4所示对话框的右侧列表中依次拾取，Structural下面的“Thenual Expansion”、“Secant Coefficient”、“Isotropic”，弹出如图34-6所示的对话框，在“ALPX”文本框中输入10e-6（线膨胀系数），单击“OK”按钮。单击如图34-4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，然后重复定义材料模型1时的各步骤，定义材料模型2的弹性模量为1.1e11，泊松比为0.34，线膨胀系数为16e-6，最后关闭如图34-4所示的对话框。图34-4 材料模型对话框图34-5 材料特性对话框(一)图34-6 材料特性对话框（二）34.3.4创建块拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingCreateVolumesBlockBy Dimension，弹出如图34-7所示的对话框，在“X1，X2”文本框中分别输入0，0.04，在“Y1，Y2”文本框中分别输入0，0.000 5，在“21，22”文本框中分别输入0，0.005，单击“Apply”按钮。再次弹出如图34-7所示的对话框，在“X1，X2”文本框中分别输入0，0.04，在“Y1，Y2”文本框中分别输入0.0005，0.00l，在“Z1，22”文本框中分别输入0，0.005，单击“OK”按钮。图34-7 创建块对话框34.3 5黏结体拾取菜单Main MenuPreprocessorModeling OperateBooleans GlueVolumes.弹出拾取窗口，单击“Pick All”按钮。34.3.6划分单元拾取菜单Main MenuPteprocessorMeshingMeshTool，弹出如图34-8所示的对话框。选择“Element Attributes”的下拉列表框为“Volumes”，单击列表框后面的“Set”按钮，弹出拾取窗口选择上面的六面体，单击拾取窗口中的“OK”按钮，弹出“Volume 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，选择下面的六面体，单击拾取窗口中的“OK”按钮，选择“Volume 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34-9所示的对话框，在“SIZE”文本框中输入0.0005，单击“OK”按钮。图34-8 划分单元工具对话框图34-9 单元尺寸对话框在图34-8所示对话框的“Mesh”区域，选择单元形状为“Hex”（六面体），选择划分单元的方法为“Mapped”（映射），单击“Mesh”按钮，弹出拾取窗口，单击“Pick All”按钮，最后单击如图34-8所示对话框中的“Close”按钮。34.3.7改变视点拾取菜单Utility MenuPlotCtrlsPan Zoom Rotate，在弹出的对话框中，依次单击“Iso”、“Fit”按钮，或者单击图形窗口右侧显示控制工具条上的剧按钮。34.3.8施加约束拾取菜单Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Areas，弹出拾取窗口，拾取x=0平面，单击“OK”按钮，弹出如图34-10所示的对话框，在列表中选择“All DOF”，单击“OK”按钮。图34-10 在面上施加约束对话框34.3.9施加温度载荷拾取菜单Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralTemperatureOn Volumes，弹出拾取窗口，单击“Pick All”按钮，弹出如图34-11所示的对话框，在“VAL1”文本框中输入100，单击“OK”按钮。图34-11 在体上施加温度载荷对话框34.3.10定义参考温度拾取菜单Main MenuSolutionDefine LoadsSettings-Reference Temp，弹出如图34-12所示的对话框，在“TREF”文本框中输入0，单击“OK”按钮。图34-12 定义参考温度对话框计算热膨胀大小，温度差等于步骤34.3.9所定义的节点温度减去参考温度，参考温度的默认值为0。34.3.11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，即可查看结果。34.3.12查看结果，显示变形拾取菜单 Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shape,弹出如图34-13所示的对话框，选中“Def+undef edge”（变形+未变形的模型边界），单击“OK”按钮，结果如图34-14所示。图34-13 显示变形对话框图34-14 簧片的变形可见，簧片自由端的位移即簧片的最大位移为7.33 x 10-4mm，与理论解基本一致，从而,证明有限元解具有较高的精度.第35例 基于实测温度场进行热应力分析实例-转炉托圈本例通过实例介绍了利用ANSYS参数化设计语言( APDL)编制程序，将实测温度场施加到有限元模型上，并对结构的热应力进行有限元分析，得到了结构各部分热应力的精确分布。35.1概述托圈是转炉的重要传动和承载部件，工作过程中的热物理过程十分复杂，其温度场分布通过解析法或数值法进行计算几乎是不可能的，通常托圈的温度场只能是通过现场测试得到，但由于托圈结构比较复杂，其热应力计算一般都是用有限元方法进行的，因此存在着如何将实测得到的温度场施加到有限元模型上的问题。某转炉托圈形状可近似为如图35-l (a)所示的回转体，图35-1(b)为其横截面形状，已知r0=4.3185m、r1= 5.1535m、h=2.5m，经测量托圈在0、90。、180。、270。四个横截面处A、B、C、D四点的溫度如表35-1所示，沿托圈圆周和横截面高度方向温度近似线性分布，现计算其热应力。图35-1 转炉托圈的横截面表35-1 托圈温度分布横截面位置A点BCD0141881228090171115135891801389012379270212142163135由于托圈的温度按线性规律分布，所以有限元分析时可以由0、90、180、270四个横截面的温度值通过线性插值得到其他截面上A、B、C、D四点的温度值，再由该截面上A、B、C、D四点的温度值线性插值得到截面上其他点的温度值。于是，由若干个测量点的温度值插值得到整个托圈上所有点的温度值。使用ANSYS对托圈热应力进行分析时，可以利用其参数化设计语言(APDL)编制程序来模拟上述线性插值过程，然后把所计算得到的各个节点的温度值作为载荷施加到有限元模型上。程序框图如图35-2所示。35.2命令流/CLEAR !清除数据库，新建分析/FILNAME,EXAMPLE35 !定义任务名为”EXAMPLE35 “R0=4.3185 !定义参数，尺寸R1=5.1535H=2.5TH=0.1 /PREP7 !进入预处理器ET, 1, PLANE182 !选择单元类型ET, 2, SOLID185MP,EX,1,2E11 !定义材料模型，弹性模量MP,PRXY,1,0.3 !泊松比MP,ALPX,1,3.5E-6 !线膨胀系数RECTING,R0,R0+TH,-H/2,H/2 !创建矩形面RECTING,R1-TH,R1,-H/2,H/2RECTING,R0,R1,H/2-TH,H/2RECTING,R0,R1,-H/2+TH,-H/2AOVLAP,ALL !交叠所有面MSHAPE,0 !六面体单元MSHKEY,1 !映射网格ESIZE,0.05 !单元边长度AMESH,ALL !对面划分单元K,100 !创建关键点K,101,0,1EXTOPT, ESIZE,10 !挤出段数EXTOPT, ACLEAR, 1 !挤出后清除面单元VROTAT,ALL,100,101,360 !旋转挤出FINI !退出预处理器/SOLU !进入求解器NSEL,S,LOC,X,0 !在选择的节点上施加位移约束D,ALL,UXNSEL,S,LOC,Y,0D,ALL,UYNSEL,S,LOC,Z,0D,ALL,UZALLS !选择所有TA_0=141 !定义参数，实测温度TB_0=88 TC_0=122 TD_0=80 TA_90=171 TB_90=115 TC_90=135 TD_90=89 TA_180=138TB_180=90 TC_180=123 TD_180=79 TA_270=212 TB_