热应力耦合分析ppt课件

1、Training Manual热构造耦合场分析热构造耦合场分析Training Manual热应力产生构造受热或变冷时，由于热胀冷缩产生变形。假设变形遭到某些限制 如位移约束或相反的压力 那么在构造中产生热应力。产生热应力的另一个缘由，是由于资料不同而构成的不均匀变形如，不同的热膨胀系数。由约束产生热应力由不同资料产生热应力耦合场分析耦合场分析概述概述Training Manual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运用两种单元类型，将热分析的结果作为构造的温度荷载。当热瞬态分析时间点很多，但构造时间点很少时效率较高。很容易用输入文件实现自动处置

2、。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。热和构造之间可实现真正的耦合。在某些分析中能够耗费过多开销。耦合场分析耦合场分析概述概述Training Manual 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. 然后作静力构造分析。把单元类型转换成构造单元。定义包括热膨胀系数在内的构造资料特性。施加包括从热分析得到的温度在内的构造荷载。求解并检查结果。热分析热分析构造分析构造分析jobname.rthjobname.rst温度温度 耦合场分析耦合场分析顺序耦合方法顺序耦合方法Training Manual1. 热分析热分

3、析该过程在第该过程在第 11 章中描画。章中描画。2. 构造分析构造分析a) 进入前处置，把热单元类型转换成构造单元。进入前处置，把热单元类型转换成构造单元。Main Menu Preprocessor Element Type Switch Elem Type留意：转换单元类型时，一切单元选项重新设置回原来缺省形状。留意：转换单元类型时，一切单元选项重新设置回原来缺省形状。例如，假设用户在热分析中运用的例如，假设用户在热分析中运用的 2-D 轴对称单元，那么需求在轴对称单元，那么需求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转换后重新指定轴对称选项，因此，一定要确保设置正确的

4、单元选项：选项：Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete Options 或用或用 ETLIST 和和 KEYOPT 命令命令耦合场分析耦合场分析顺序耦合方法顺序耦合方法Training Manualb) 定义构造的资料性质定义构造的资料性质 (EX等等)，包括热膨胀系数，包括热膨胀系数 (ALPX) (假设假设运用的是运用的是 ANSYS 提供的资料库，资料的热特性和构造特性均提供的资料库，资料的热特性和构造特性均已定义，该项可以省略已定义，该项可以省略).留意：假设没有定义留意：假设没有定义 ALPX ，或将该项设置为零，那么不

5、计，或将该项设置为零，那么不计算热应变。可以用该项技巧算热应变。可以用该项技巧“封锁温度的影响。封锁温度的影响。c) 指定静力分析类型，这一步只在热分析是瞬态分析时用。指定静力分析类型，这一步只在热分析是瞬态分析时用。 Main Menu Solution Analysis Type New Analysis或用或用 ANTYPE 命令命令 耦合场分析耦合场分析顺序耦合方法顺序耦合方法Training Manuald) 施加构造荷载，而把温度作为荷载的一部分。施加构造荷载，而把温度作为荷载的一部分。Main Menu Solution Define Loads Apply Structural

6、 Temperature From Therm Analy或用或用 LDREAD 命令。命令。e) 求解。求解。f) 察看应力结果。察看应力结果。耦合场分析耦合场分析顺序耦合方法顺序耦合方法Training Manual 直接耦合方法，通常只涉及用耦合单元的分析，单元必需包括热、构造的自在度。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)。在模型上施加构造荷载、热荷载及约束。求解并查看热和构造结果。Combined热分析构造分析jobname.rst 耦合场分析耦合场分析直接耦合方法直接耦合方法Tr

7、aining Manual顺序方法对非高度非线性耦合情况，顺序方法更有效、灵敏，由于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展线性静力分析，然后可以把热分析中恣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。耦合场分析耦合场分析顺序耦合方法与直接耦合方法比较顺序耦合方法与直接耦合方法比较Training Manual带散热片的轴对称管带散热片的轴对称管热应力耦合分析热应力耦合分析-顺序耦合

8、顺序耦合Training Manual13A.热应力分析热应力分析 顺序耦合顺序耦合带散热片的轴对称管带散热片的轴对称管阐明接上面练习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)代表一个对称边境 , 我们将该线的一切节点的 UY自在度耦合起来。Training Manual13A.热应力分析热应力分析 顺序耦合顺序耦合带散热片的轴对称管带散热片的轴对称管载荷和边境条件载荷和边境条件从练习12的热分析获取节点温度施加内压力10,000 psi在Y=1的节点处耦合自在度 UY在线上施加对称边境条件Training Manual1. 按教师指定的任务目录

9、，用按教师指定的任务目录，用 “pipe-th-str 作为作业名，进入作为作业名，进入 ANSYS 。2. 从练习从练习12中恢复数据库文件中恢复数据库文件 (或或 pipe-th.db1):Utility Menu File Resume from 选择选择 “pipe-th.db, 然后按然后按 OK或用命令或用命令:RESUME,pipe-th,db3. 在在 GUI优选框中选择构造优选框中选择构造:Main Menu Preferences选择选择 “Structural而不选而不选 “Thermal,然后按然后按 OK4. 改动标题改动标题:Utility Menu File Ch

10、ange Title .标题为标题为 “2D AXI-SYMM THERMAL-STRESS ANALYSIS W/ INT. PRESS - ESIZE=0.125OK13A.热应力分析热应力分析 顺序耦合顺序耦合带散热片的轴对称管带散热片的轴对称管Training Manual5. 删除实体模型边上的对流载荷删除实体模型边上的对流载荷:Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Delete All Load Data All SolidMod LdsOK或用命令或用命令:/PREP7LSCLEAR,SOLID6. 将温度单元改为相应的构造单元将温度

11、单元改为相应的构造单元:Main Menu Preprocessor Element Type Switch Elem Type选择选择 “Thermal to Struc,然后按然后按 OK检查警告信息窗检查警告信息窗, 然后按然后按 Close或用命令或用命令:ETCHG,TTS13A.热应力分析热应力分析 顺序耦合顺序耦合带散热片的轴对称管带散热片的轴对称管Training Manual13A.热应力分析热应力分析 顺序耦合顺序耦合带散热片的轴对称管带散热片的轴对称管7. 将单元选项设为轴对称:Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/De

12、leteOptions .将 K3设为轴对称, 然后按 OKClose8. 在练习 12 的热应力分析中施加温度荷载:Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural Temperature From Therm Analy选择结果文件 “pipe-th.rth , 然后按 OK9. 在线Y=0 上施加对称边境条件 :Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural Displacement Symmetry B.C. On Lines选择线 3, 5, 11

13、, 然后按 OKTraining Manual13A.热应力分析热应力分析 顺序耦合顺序耦合带散热片的轴对称管带散热片的轴对称管10. 将节点自在度在将节点自在度在Y=1 UY耦合耦合:10a. 选择节点在选择节点在Y=1:Utility Menu Select Entities .经过经过 “By Location选择选择 “Nodes选择选择 “Y coordinates将将 Min,Max设为设为 1,然后按然后按 OK或用命令或用命令:NSEL,S,LOC,Y,110b.将选择的一组节点在将选择的一组节点在 UY方向上耦合起来方向上耦合起来:Main Menu Preprocessor

14、 Coupling / Ceqn Couple DOFsPick All将将NSET设为设为 1将将 Lab设为设为 UY,然后按然后按 OKUtility Menu Select Everything或用命令或用命令:CP,1,UY,ALLALLSEL,ALLTraining Manual13A.热应力分析热应力分析 顺序耦合顺序耦合带散热片的轴对称管带散热片的轴对称管11. 将内部压力施加在线上将内部压力施加在线上:Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural Pressure On Lines拾取线拾取线 9和和13

15、, 然后按然后按 OK将将VALUE设为设为 1000, 然后按然后按 OK或用命令或用命令:SFL,9,PRES,1000SFL,13,PRES,100012. 经过显示体荷载检查温度载荷经过显示体荷载检查温度载荷:Utility Menu PlotCtrls Symbols将体载荷符号设为将体载荷符号设为 “Structural temps,然后按然后按 OKUtility Menu Plot Elements或用命令或用命令:/PBF,TEMP, ,1EPLOTTraining Manual13A.热应力分析热应力分析 顺序耦合顺序耦合带散热片的轴对称管带散热片的轴对称管13.存储数据库

16、并计算结果存储数据库并计算结果:Pick the “SAVE_DB button in the Toolbar (or select: Utility Menu File Save as Jobname.db)Main Menu Solution Solve Current LS察看察看 “/STATUS Command窗口并封锁窗口并封锁OKClose 在求解终了时封锁黄色信息框在求解终了时封锁黄色信息框或用命令或用命令: :SAVE/SOLUSOLVE14.进入后处置并察看结果进入后处置并察看结果:Main Menu General Postproc或用命令或用命令:/POST1Train

17、ing Manual13A.热应力分析热应力分析 顺序耦合顺序耦合带散热片的轴对称管带散热片的轴对称管14a.显示位移显示位移:Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu拾取拾取 “DOF solution和和 “Translation USUM, 选择选择 “Def + undef edge,然后按然后按 OK或用命令或用命令:PLNSOL,U,SUM,2,1Training Manual13A.热应力分析热应力分析 顺序耦合顺序耦合带散热片的轴对称管带散热片的轴对称管14b.画画 von Mises 应力应

18、力:Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu拾取拾取 “Stress 和和 “von Mises SEQV, 选择选择 “Def shape only, 然然后按后按 OK或用命令或用命令:PLNSOL,S,EQVTraining Manual13A.热应力分析热应力分析 顺序耦合顺序耦合带散热片的轴对称管带散热片的轴对称管14c.画径向应力等值线图画径向应力等值线图 :Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu拾取拾取 “S

19、tress和和 “X-direction SX,然后按然后按 OK或用命令或用命令:PLNSOL,S,XTraining Manual13A.热应力分析热应力分析 顺序耦合顺序耦合带散热片的轴对称管带散热片的轴对称管14d.绕绕Y轴将轴对称的径向应力扩展轴将轴对称的径向应力扩展90度，然后关于度，然后关于x-z 平面做镜面平面做镜面反射反射 :Utility Menu PlotCtrls Style Symmetry Expansion 2D Axi-Symmetric .拾取拾取 “1/4 expansion 然后选择镜像然后选择镜像,按按 OKISO或用命令或用命令:/EXPAND, 9,

20、AXIS,10,2,RECT,HALF,0.00001/VIEW,1,1,1,1/REPLOT Training Manual13A.热应力分析热应力分析 顺序耦合顺序耦合带散热片的轴对称管带散热片的轴对称管Training Manual13A.热应力分析热应力分析 顺序耦合顺序耦合带散热片的轴对称管带散热片的轴对称管14e.画纵向画纵向(轴向轴向)的应力图的应力图:Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu拾取拾取 “Stress 和和 “Y-direction SY, 然后按然后按 OK或用命令或用命令:P

21、LNSOL,S,YTraining Manual13A.热应力分析热应力分析 顺序耦合顺序耦合带散热片的轴对称管带散热片的轴对称管14f.画切向应力画切向应力 (周向或环向周向或环向) :Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu拾取拾取 “Stress和和 “Z-direction SZ, 然后按然后按 OK或用命令或用命令:PLNSOL,S,ZTraining Manual带散热片的轴对称管带散热片的轴对称管热应力耦合分析热应力耦合分析-直接耦合直接耦合Training Manual13B.热应力分析热应力

22、分析 直接耦合直接耦合带散热片的轴对称管带散热片的轴对称管阐明在这个练习题中,我们将 用直接耦合方法重做前面的标题。 这个轴对称的散热片将被用来分析以前施加的热和构造荷载。Training Manual13B.热应力分析热应力分析 直接耦合直接耦合带散热片的轴对称管带散热片的轴对称管 施加与练习施加与练习 12 一样的荷载一样的荷载 同时施加内部压力。同时施加内部压力。内部压力 = 1000 psiTraining Manual13B.热应力分析热应力分析 直接耦合直接耦合带散热片的轴对称管带散热片的轴对称管1. 按教师指定的任务目录，用按教师指定的任务目录，用 “pipe-direct 作为

23、作为 作业名进入作业名进入 ANSYS。2. 读入读入 “pipe-th.inp 文件建立文件建立 2-D 轴对称模型，在线上指定网格份数：轴对称模型，在线上指定网格份数：Utility Menu File Read Input from 选择选择 “pipe-th.inp, 然后按然后按OK或用命令或用命令:/INPUT,pipe-th,inp3. 添加轴对称耦合场单元类型添加轴对称耦合场单元类型(plane13):Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete选择选择“Coupled Field 和和 “Vector Quad 13,

24、 然后按然后按 OK 4. 把单元选项改为把单元选项改为 structural / thermal, 轴对称轴对称:OptionsK1 = UX UY Temp AZK3 = AxisymmetricOKClose或用命令或用命令:ET,1,PLANE13KEYOPT,1,1,4KEYOPT,1,3,1Training Manual13B.热应力分析热应力分析 直接耦合直接耦合带散热片的轴对称管带散热片的轴对称管5.将模型用将模型用 2-D 的四边形单元划分映射网格的四边形单元划分映射网格:Main Menu Preprocessor Meshing MeshTool选择选择Global，按，

25、按Set将将SIZE 设为设为 0.25/2,然后按然后按 OK选择选择 “Mapped, 然后按然后按 MeshPick All6. 从资料库中读入从资料库中读入304号钢的资料特性号钢的资料特性:Main Menu Preprocessor Material Props Material Library Library Path输入途径输入途径 “Path for READING files (例如，例如， h:ansys57matlib)OKMain Menu Preprocessor Material Props Material Library Import Library选择选择

26、“BIN, 然后按然后按 OK选择选择 “Stl_AISI-304.BIN_MPL, 然后按然后按 OKTraining Manual13B.热应力分析热应力分析 直接耦合直接耦合带散热片的轴对称管带散热片的轴对称管7.在实体模型的线上施加对流荷载在实体模型的线上施加对流荷载:Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Thermal Convection On Lines拾取外部的四条线拾取外部的四条线, 然后按然后按 OK设设 VALI = 0.69e-4 和和 VAL2I = 70, 然后按然后按 Apply拾取内部的两条线拾取内部的两

27、条线, 然后按然后按 OK设设 VALI = 0.28e-3 和和 VAL2I = 450, 然后按然后按 OK或用命令或用命令: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, ,450Training Manual13B.热应力分析热应力分析 直接耦合直接耦合带散热片的轴对称管带散热片的轴对称管8.在线上施加内部均匀压力在线上施加内部均匀压力:Main Menu Pr

28、eprocessor Loads Define Loads Apply Structural Pressure On Lines拾取线段拾取线段 9和和13, 然后按然后按 OK设压力值为设压力值为 1000,然后按然后按 OK或用命令或用命令:SFL,9,PRES,1000SFL,13,PRES,1000Training Manual13B.热应力分析热应力分析 直接耦合直接耦合带散热片的轴对称管带散热片的轴对称管9.将将Y=1 处的节点的自在度在处的节点的自在度在 UY方向上耦合方向上耦合 :9a. 选择选择Y=1 处的节点处的节点 :Utility Menu Select Entitie

29、s .选择选择 “Nodes 和和 “By Location选择选择 “Y coordinates将最大和最小均设为将最大和最小均设为1, 然后按然后按 OK或用命令或用命令:NSEL,S,LOC,Y,19b. 在选择的节点集合上定义在选择的节点集合上定义 UY 方向的耦合：方向的耦合：Main Menu Preprocessor Coupling / Ceqn Couple DOFsPick AllNSET = 1设置设置 Lab = UY, 然后然后 OKUtility Menu Select Everything或用命令或用命令:CP,1,UY,ALLALLSEL,ALLTraining

30、 Manual13B.热应力分析热应力分析 直接耦合直接耦合带散热片的轴对称管带散热片的轴对称管10.在在 Y=0 的线上施加对称边境条件的线上施加对称边境条件:Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural Displacement Symmetry B.C. On Lines选择线选择线 3, 5, 11,然后然后 OK11. 存储数据库并求解存储数据库并求解:在工具条上按在工具条上按 “SAVE_DB按钮按钮 (或或 Utility Menu File Save as Jobname.db)Main Menu Solu

31、tion Solve Current LS查看查看 “/STATUS Command 窗口，然后封锁。窗口，然后封锁。OKYes 出现警告信息，继续求解出现警告信息，继续求解Close 求解完成后封锁黄色信息窗口求解完成后封锁黄色信息窗口12. 进入通用后处置器察看结果进入通用后处置器察看结果:Main Menu General Postproc或用命令或用命令:/POST1Training Manual13B.热应力分析热应力分析 直接耦合直接耦合带散热片的轴对称管带散热片的轴对称管12a.画温度图画温度图:Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu拾取拾取 “DOF solution 和和 “Temperature TEMP,然后按然后按 OK或用命令或用命令:PLNSOL,TEMPTraining Manual12b.画位移图画位移图:Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Noda