ANSYS热应力分析--精选实例.docx

1、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。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

2、法一间接法。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一使用耦合单元。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。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

3、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。重新进入前处理，将热单元转换为相应的结构单元，表7-1是热单元与结构热单元结构单元LINK32LINK1LINK33LINK8PLANE35PLANE2PLANE55PLANE42SHELL57SHELL63PLANE67PLANE42LINK68LINK8SOLID79SOLID45MASS71MASS21PLANE75PLANE25PLANE77PLANE82PLANE78PLANE83PLANE87PLANE92PLANE90PLANE95SHELL157SHELL63单元的对应表。可以使用菜单进行转换:Main

4、 Menu>Preprocessor>Element Type>S witch Element Type , 选择 Thermal toStructuaL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,设置参考温度,GUI： Solution>Load Apply>Temperature>From Thermal Analysis。输入

5、或选择 热分析的结果文件名*rth o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 歹U表输出。Main Menu>Solution>Load Setting>Re fere nee Tempo进行求解、后处理。间接法热应力分析实例问题描述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 hr-in-oF,弹性模量为28E61b/in2泊松比为。管 内压力为10

6、00 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 Btu/hr-in2-oFo求温度及应力分布。菜单操作过程设置分析标题1 > 选择 Utility Menu>File>Change Title,输入 Indirect” thermal-stress Analysis of a cooling fino2、选择 “ Utility Menu>File>Change Filename,输入 “ PIPE_FINo进入热分析，定义热单元和热材料属性1 > 选择 " Mai

7、n 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>MateriaI Models "，点击 Themial, Conductivity, Isotropic,输入。创建模型1 > 创建八个关键点，选择 “ Main Menu>Preprocessor>Creat>Keypoints>OnActive CS, ”关键点的坐标

8、如下:编号12345678X5612126655Y)00112、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>Meshtooh设” 定 global size 为，选择 AREA, Mapped, Mesh,点击 Pick all。施加荷载1 > 选择 " Utility Menu>Sele

9、ct>Entities>Nodes>By location>X coordinates , FromFull, ”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 “ MainMenu>Solution>Apply>Convection>On nodes ,点、”击 Pick, all,输入对流换热系数 1,流体环境温度450o3 > 选择 " Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By location>X coordinates , Fro

10、mFuU , ”输入6,12,点击Apply；4、选择 “ Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By location>Y coordinates ,Reselect , ”输入，1,点击 Apply；5 > 选择 " Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By location>Y coordinates , Alsoselect , ”输入 12,点击 OK；6、在管外边界上施加对流边界条件：选择 “ MainMenu>Solution>

11、Apply>Convection>On nodes , "点击 Pick, all,输入对流换热系数，流体环境温度70o求解1、选择 Utility Menu>Select>Select Everythingo ”2、选择 Main Menu>Solution>Solve Current LS o后处理1 > 显示温度分布：选择 Main Menu>General Postproc>Plot Result>Nodal Solution>Temperature 。 "重新进入前处理，改变单元，定义结构材料2 &

12、gt; 选择 " Main Menu>Preprocessor>Element TypoSwitch Elem Type 选择”， Thermal to Structure o2、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，ALPX为。定义对称边界条件1

13、 > 选择 " Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By location>Y coordinates , From FuU , ”输入。，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 .

14、 On Nodes,点 击 Pick All,选择 Y axis,点击 OK；施加管内壁压力1 > 选择 " Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By location>X coordinates , FromFuU ,“输入5,点击OK；2、选择 Main Menu>Solution>Apply>Pressure>On nodes,点击“Pick All,输入 1000 c设置参考温度1、选择 Utility Menu>Select>Select Everythingo ”2、

15、选择 “ Main Menu>Solution>-Loads-Setting>Reference Temp 输入” 70。读入热分析结果1 > 选择 " Main Menu>Solution>Apply>Temperature>From Thermal Analysis>, 选择。求解选择 “Main Menu>Solution>Solve Cunent LS。 "后处理选择 “Main Menu>General Postpro>Plot Result>Nodal Solution>S

16、tress>Von Mises " o显示等效应力。等效的命令流方法/file name ,pipe_fin/TITLE,The rma 1-S tre s s Analys is of a cooling fin/prep7!进入前处理et,l,plane55!定义热单元keyopt, 1,3,1!定义轴对称mp,kxx,l,!定义导热系数k, 1,5!建模k,2,6k,3,12k,4,12,k,5,6,k,6,6,lk,7,5,lk,8,5,a,1,2,5,8a,2,3,4,5a,8,5,6,7esize,!定义网格尺寸amesh,all!划分网格eplotfinish/s

17、olu!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,k)c,x,6/2!选择外表面节点nsel,r,loc,y,lnsel,a,loc,x,12sf,all,conv,70!施加对流边界条件nsel,all/pse,conv,hcoef,lnplotsolve!求解生成文件finish/postlpInsol,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,3,l!定义轴对称特性mp,ex,l,28e6!定义弹性模量mp,nuxy

18、,l,!定义泊松比mp,alpx,l,!定义热膨胀系数finish/solu!进入结构分析求解nseLs,k)c,y,O!选择对称边界nsel,a,loc,y,ldsym,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,l/psf,pres,lnplottref,70!设定参考温度ldread,temprth!读入节点温度/pbc,all,0/psf,pres,0 分布/pbf,temp,leplotsolve!求解finish/postl ,plnsoLs,eqv!得到等效应力finish

19、直接法热应力分析实例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：2E1 lN/m2热膨胀系数：5E-41/OF泊松比：导热系数：10W/密度：7880Kg/m3比热：500J/外管外半径：m外管内半径：m内管外半径：内管内半径：流体温度：300oC流体与内管内壁对流系数：300W/内、外管接触热导：oC命令流方法/filename.contact thermal/title,contact_thermal example/prep7et,l,13,4l!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,l,l!设定接触单元的相应选项ke yopt,2,2,lke yopt,2,7,lr,2,2e 11,0,!定义接触单元实常数mp,ex,l,2e 11!定义管材结构及热属性mp,alpx,l,5e-5mp,kxx,l,10mp,dens,1,7880mp,c,1,500rect,0,!建模rect,0,amesh,allnsel,s,loc,x,!将内管内壁的X方向位