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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。7.1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间接法。因为这种方法可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。7.2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析的要求。例如，在有可能有应力集中的地方的网格要密一些。如果进行瞬态分析，在后处理中要找出热梯度最大的时间点或载荷步。表7-1热单元及相应的结构单元热单元结构单元LINK32LINK1LINK33LINK8PLANE35PLANE2PLANE55PLANE42SHELL57SHELL63PLANE67PLANE42LINK68LINK8SOLID79SOLID45MASS71MASS21PLANE75PLANE25PLANE77PLANE82PLANE78PLANE83PLANE87PLANE92PLANE90PLANE95SHELL157SHELL63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：Main MenuPreprocessorElement TypeSwitch Element Type，选择Thermal to Structual。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：SolutionLoad ApplyTemperatureFrom Thermal Analysis。输入或选择热分析的结果文件名*.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 MenuListLoadBody LoadOn all nodes列表输出。设置参考温度，Main MenuSolutionLoad SettingReference Temp。进行求解、后处理。7.3间接法热应力分析实例7.3.1问题描述图7-1冷却栅示意图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1.25Btu/hr-in-oF，弹性模量为28E6lb/in2泊松比为0.3。管内压力为1000 lb/in2，管内流体温度为450 oF，对流系数为1 Btu/hr-in2-oF,外界流体温度为70 oF，对流系数为0.25 Btu/hr-in2-oF。求温度及应力分布。7.3.2菜单操作过程7.3.2.1设置分析标题1、选择“Utility MenuFileChange Title”，输入Indirect thermal-stress Analysis of a cooling fin。2、选择“Utility MenuFileChange Filename”，输入PIPE_FIN。7.3.2.2进入热分析，定义热单元和热材料属性1、选择“Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete”，选择PLANE55，设定单元选项为轴对称。2、设定导热系数：选择“Main MenuPreprocessorMaterial PorpsMaterial Models”，点击Thermal，Conductivity，Isotropic，输入1.25。7.3.2.3创建模型1、创建八个关键点，选择“Main MenuPreprocessorCreatKeypointsOn Active CS”，关键点的坐标如下：编号12345678X5612126655Y0000.250.25110.252、组成三个面：选择“Main MenuPreprocessorCreatAreaArbitraryThrouth Kps”，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、设定单元尺寸，并划分网格：“Main MenuPreprocessorMeshtool”，设定global size为0.125，选择AREA，Mapped，Mesh，点击Pick all。7.3.2.4施加荷载1、选择“Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationX coordinates，From 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“Main MenuSolutionApplyConvectionOn nodes”，点击Pick，all，输入对流换热系数1，流体环境温度 450。3、选择“Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationX coordinates，From Full”，输入6,12，点击Apply；4、选择“Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationY coordinates，Reselect”，输入0.25,1，点击Apply；5、选择“Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationY coordinates，Also select”，输入12，点击OK；6、在管外边界上施加对流边界条件：选择“Main MenuSolutionApplyConvectionOn nodes”，点击Pick，all，输入对流换热系数0.25，流体环境温度70。7.3.2.5求解1、选择“Utility MenuSelectSelect Everything”。2、选择“Main MenuSolutionSolve Current LS”。7.3.2.6后处理1、显示温度分布：选择“Main MenuGeneral PostprocPlot ResultNodal SolutionTemperature”。7.3.2.7重新进入前处理，改变单元，定义结构材料1、选择“Main MenuPreprocessorElement TypeSwitch Elem Type”,选择Thermal to Structure。2、选择“Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete”，点击Option，将结构单元设置为轴对称。3、选择“Main MenuPreprocessorMaterial PorpsMaterial Models”，输入材料的EX为28E6，PRXY为0.3，ALPX为0.9E-5。7.3.2.8定义对称边界条件1、选择“Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationY coordinates，From Full”，输入0，点击Apply；2、选择“Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationY coordinates，Also select”，输入1，点击Apply；3、选择“Main MenuSolutionApplyDisplacementSymmetry B.C. On Nodes”，点击Pick All，选择Y axis，点击OK；7.3.2.8施加管内壁压力1、选择“Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationX coordinates，From Full”，输入5，点击OK；2、选择“Main MenuSolutionApplyPressureOn nodes”，点击Pick All，输入1000。7.3.2.9设置参考温度1、选择“Utility MenuSelectSelect Everything”。2、选择“Main MenuSolution-Loads-SettingReference Temp”输入70。7.3.2.10读入热分析结果1、选择“Main MenuSolutionApplyTemperatureFrom Thermal Analysis”，选择PIPE_FIN.rth。7.3.2.11求解选择“Main MenuSolutionSolve Current LS”。7.3.2.12后处理选择“Main MenuGeneral PostproPlot ResultNodal SolutionStressVon Mises”。显示等效应力。7.3.3等效的命令流方法/filename,pipe_fin/TITLE,Thermal-Stress Analysis of a cooling fin/prep7!进入前处理et,1,plane55!定义热单元keyopt,1,3,1!定义轴对称mp,kxx,1,1.25!定义导热系数k,1,5!建模k,2,6k,3,12k,4,12,0.25k,5,6,0.25k,6,6,1k,7,5,1k,8,5,0.25a,1,2,5,8a,2,3,4,5a,8,5,6,7esize,0.125!定义网格尺寸amesh,all!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nsel,s,loc,x,6,12!选择外表面节点nsel,r,loc,y,0.25,1nsel,a,loc,x,12sf,all,conv,0.25,70!施加对流边界条件nsel,all/pse,conv,hcoef,1nplotsolve!求解生成PIPE_FIN.rth文件finish/post1plnsol,temp!得到温度场分布finish/prep7 !重新进入前处理etchg,tts!将热单元转换为结构单元plane42keyopt,1,3,1!定义轴对称特性mp,ex,1,28e6!定义弹性模量mp,nuxy,1,0.3!定义泊松比mp,alpx,1,0.9e-5!定义热膨胀系数finish/solu!进入结构分析求解nsel,s,loc,y,0!选择对称边界nsel,a,loc,y,1dsym,symm,y!定义对称条件nsel,s,loc,x,5!选择内表面sf,all,pres,1000!施加压力边界条件nsel,all/pbc,all,1/psf,pres,1nplottref,70!设定参考温度ldread,temp,rth!读入PIPE_FIN.rth节点温度/pbc,all,0/psf,pres,0分布/pbf,temp,1eplotsolve!求解finish/post1,plnsol,s,eqv!得到等效应力finish7.4直接法热应力分析实例7.4.1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：2E11N/m2热膨胀系数：5E-41/ oF泊松比：0.3导热系数：10W/m.oC密度：7880Kg/m3比热：500J/Kg.oC外管外半径：0.131 m外管内半径：0.121 m内管外半径：0.12m内管内半径：0.11m流体温度：300oC流体与内管内壁对流系数：300W/m2.oC内、外管接触热导：0.1W/oC7.4.2命令流方法/filename,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keyopt,2,2,1keyopt,2,7,1r,2,2e11,0,0.0001,0.1! 定义接触单元实常数mp,ex,1,2e11! 定义管材结构及热属性mp,alpx,1,5e-5mp,kxx,1,10mp,dens,1,7880mp,c,1,500rect,0.11,0.12,0,0.02! 建模rect,0.121,0.131,0,0.02amesh,allnsel,s,loc,x,0.11! 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,0.12! 将内管外壁的X方向位移及温度耦合cp,3,ux,allcp,4,temp,allnsel,s.