ANSYS热应力分析实例

ANSYS 热应力分析实例热应力分析实例 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 热单元热单元结构单元结构单元 LINK32LINK1 LINK33LINK8 PLANE35PLANE2 PLANE55PLANE42 SHELL57SHELL63 PLANE67PLANE42 LINK68LINK8 SOLID79SOLID45 MASS71MASS21 PLANE75PLANE25 PLANE77PLANE82 PLANE78PLANE83 PLANE87PLANE92 PLANE90PLANE95 SHELL157SHELL63 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 Menu Preprocessor Element Type Switch 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 Solution Load Apply Temperature From 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 Menu List Load Body Load On all nodes 列表输出 设置参考温度 Main Menu Solution Load Setting Reference Temp 进行求解 后处理 7 3 间接法热应力分析实例间接法热应力分析实例 7 3 1 问题描述问题描述 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 菜单操作过程菜单操作过程 7 3 2 1 设置分析标题设置分析标题 1 选择 Utility Menu File Change Title 输入 Indirect thermal stress Analysis of a cooling fin 2 选择 Utility Menu File Change 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进入热分析 定义热单元和热材料属性 1 选择 Main Menu Preprocessor Element Type Add 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 Menu Preprocessor Material Porps Material Models 点击 Thermal Conductivity Isotropic 输入 1 25 7 3 2 3 创建模型创建模型 1 创建八个关键点 选择 Main Menu Preprocessor Creat Keypoints On Active CS 关键点的坐标如下 编号编号12345678 X5612126655 Y0000 250 25110 25 2 组成三个面 选择 Main Menu Preprocessor Creat Area Arbitrary Throuth 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 Menu Preprocessor Meshtool 设定 global size 为 0 125 选择 AREA Mapped Mesh 点击 Pick all 7 3 2 4 施加荷载施加荷载 1 选择 Utility Menu Select Entities Nodes By location X 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 Menu Solution Apply Convection On 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 Menu Select Entities Nodes By location X coordinates From Full 输入 6 12 点击 Apply 4 选择 Utility Menu Select Entities Nodes By location Y coordinates Reselect 输入 0 25 1 点击 Apply 5 选择 Utility Menu Select Entities Nodes By location Y 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 Menu Solution Apply Convection On 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 求解求解 1 选择 Utility Menu Select Select Everything 2 选择 Main Menu Solution Solve Current LS 7 3 2 6 后处理后处理 1 显示温度分布 选择 Main Menu General Postproc Plot Result Nodal Solution Temperature 7 3 2 7 重新进入前处理 改变单元 定义结构材料重新进入前处理 改变单元 定义结构材料 1 选择 Main Menu Preprocessor Element Type Switch Elem Type 选 择 Thermal to Structure 2 选择 Main Menu Preprocessor Element Type Add Edit Delete 点 击 Option 将结构单元设置为轴对称 3 选择 Main Menu Preprocessor Material Porps Material Models 输 入材料的 EX 为 28E6 PRXY 为 0 3 ALPX 为 0 9E 5 7 3 2 8 定义对称边界条件定义对称边界条件 1 选择 Utility Menu Select Entities Nodes By location Y coordinates From Full 输入 0 点击 Apply 2 选择 Utility Menu Select Entities Nodes By location Y coordinates Also select 输入 1 点击 Apply 3 选择 Main Menu Solution Apply Displacement Symmetry B C On Nodes 点击 Pick All 选择 Y axis 点击 OK 7 3 2 8 施加管内壁压力施加管内壁压力 1 选择 Utility Menu Select Entities Nodes By location X coordinates From Full 输入 5 点击 OK 2 选择 Main Menu Solution Apply Pressure On nodes 点击 Pick All 输入 1000 7 3 2 9 设置参考温度设置参考温度 1 选择 Utility Menu Select Select Everything 2 选择 Main Menu Solution Loads Setting Reference Temp 输入 70 7 3 2 10 读入热分析结果读入热分析结果 1 选择 Main Menu Solution Apply Temperature From Thermal Analysis 选择 PIPE FIN rth 7 3 2 11 求解求解 选择 Main Menu Solution Solve Current LS 7 3 2 12 后处理后处理 选择 Main Menu General Postpro Plot Result Nodal Solution Stress Von Mises 显示等效应力 7 3 3 等效的命令流方法等效的命令流方法 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 6 k 3 12 k 4 12 0 25 k 5 6 0 25 k 6 6 1 k 7 5 1 k 8 5 0 25 a 1 2 5 8 a 2 3 4 5 a 8 5 6 7 esize 0 125 定义网格尺寸 amesh all 划分网格 eplot finish 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 1 nsel a loc x 12 sf all conv 0 25 70 施加对流边界条件 nsel all pse conv hcoef 1 nplot solve 求解生成 PIPE FIN rth 文件 finish post1 plnsol 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 plane42 keyopt 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 1 dsym 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 1 nplot tref 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 1 eplot solve 求解 finish post1 plnsol s eqv 得到等效应力 finish 7 4 直接法热应力分析实例直接法热应力分析实例 7 4 1 问题描述问题描述 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 oC 7 4 2 命令流方法命令流方法 filename contact thermal title contact thermal example prep7 et 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 1 keyopt 2 7 1 r 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 5 mp kxx 1 10 mp dens 1 7880 mp c 1 500 rect 0 11 0 12 0 0 02 建模 rect 0 121 0 131 0 0 02 amesh all nsel s loc x 0 11 将内管内壁的 X 方向位移及温度耦合 cp 1 ux all cp 2 temp all nsel s loc x 0 12 将内管外壁的 X 方向位移及温度耦合 cp 3 u