转载热结构耦合分析

1、.转载 热 结构耦合分析原文地址：热-构造耦合分析 可乐鸡翅热-构造耦合问题是构造分析中通常遇到的一类耦合分析问题.由于构造温度场的分布不均会引起构造的热应力,或者构造部件在高温环境中工作,材料受到温度的影响会发生性能的改变,这些都是进展构造分析时需要考虑的因素.为此需要先进展相应的热分析,然后在进展构造分析.热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数,如热量的获取或损失,热梯度,热流密度热通量等.本章主要介绍在ANSYS中进展稳态,瞬态热分析的根本过程,并讲解如何完好的进展热-构造耦合分析.21.1热-构造耦合分析简介热-构造耦合分析是指求解温度场对构造中应力,应变和位移等物理量

2、影响的分析类型.对于热-构造耦合分析,在ANSYS中通常采用顺序耦合分析方法,即先进展热分析求得构造的温度场,然后再进展构造分析.且将前面得到的温度场作为体载荷加到构造中,求解构造的应力分布.为此,首先需要理解热分析的根本知识,然后再学习耦合分析方法.21.1.1热分析根本知识ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程,用有限元法计算各节点的温度,并导出其它热物理参数.ANSYS热分析包括热传导,热对流及热辐射三种热传递方式.此外,还可以分析相变,有内热源,接触热阻等问题.热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换.热对流是指固体的外表和与它

3、周围接触的流体之间,由于温差的存在引起的热量的交换.热辐射指物体发射电磁能,并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程.假设系统的净热流率为0,即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量：q流入+q生成-q流出=0,那么系统处于热稳态.在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变化.瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程.在这个过程中系统的温度,热流率,热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化.ANSYS热分析的边界条件或初始条件可分为七种：温度,热流率,热流密度,对流,辐射,绝热,生热.热分析涉及到的单元有大约40种,其中纯粹用于热分析的有14种,它们如表21.1所示.表21.1热分析

4、单元列表单元类型名称呼明线性LINK32 LINK33 LINK34 LINK31两维二节点热传导单元三维二节点热传导单元二节点热对流单元二节点热辐射单元二维实体PLANE55 PLANE77 PLANE35 PLANE75 PLANE78四节点四边形单元八节点四边形单元三节点三角形单元四节点轴对称单元八节点轴对称单元三维实体SOLID87 SOLID70 SOLID90六节点四面体单元八节点六面体单元二十节点六面体单元壳SHELL57四节点四边形壳单元点MASS71节点质量单元21.1.2耦合分析在ANSYS中可以进展的热耦合分析有：热-构造耦合,热-流体耦合,热-电耦合,热-磁耦合,热-电

5、-磁-构造耦合等,因为本书主要讲解构造实例分析,所以着重讲解热-构造耦合分析.在ANSYS中通常可以用两种方法来进展耦合分析,一种是顺序耦合方法,另一种是直接耦合方法.顺序耦合方法包括两个或多个按一定顺序排列的分析,每一种属于某一物理分析.通过将前一个分析的结果作为载荷施加到下一个分析中的方式进展耦合.典型的例子就是热-应力顺利耦合分析,热分析中得到节点温度作为"体载荷"施加到随后的构造分析中去.直接耦合方法,只包含一个分析,它使用包含多场自由度的耦合单元.通过计算包含所需物理量的单元矩阵或载荷向量矩阵或载荷向量的方式进展耦合.典型的例子是使用了SOLID45,PLANE1

6、3或SOLID98单元的压电分析.进展顺序耦合场分析可以使用间接法和物理环境法.对于间接法,使用不同的数据库和结果文件,每个数据库包含适宜的实体模型,单元,载荷等.可以把一个结果文件读入到另一个数据库中,但单元和节点数量编号在数据库和结果文件中必须是一样的.物理环境方法整个模型使用一个数据库.数据库中必须包含所有的物理分析所需的节点和单元.对于每个单元或实体模型图元,必须定义一套属性编号,包括单元类型号,材料编号,实常数编号及单元坐标编号.所有这些编号在所有物理分析中是不变的.但在每个物理环境中,每个编号对应的实际的属性是不同的.对于本书要讲解的热-构造耦合分析,通常采用间接法顺序耦合分析,其

7、数据流程如图21.1所示.图21.1间接法顺序耦合分析数据流程图21.2稳态热分析稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响.通常在进展瞬态热分析以前,需要进展稳态热分析来确定初始温度分布.稳态热分析可以通过有限元计算确定由于稳定的热载荷引起的温度,热梯度,热流率,热流密度等参数.ANSYS稳态热分析可分为三个步骤：前处理：建模求解：施加载荷计算后处理：查看结果21.2.1建模稳态热分析的模型和前面的构造分析模型建立过程根本一样.不同的就是需要在菜单过虑对话框中将分析类型指定为热分析,这样才能使菜单项选择项为热分析选项,单元类型也为热分析的单元类型,另外在材料定义时需要定义相应的热性能参数

8、,下面为大概操作步骤.1.确定jobname,title,unit；2.进入PREP7前处理,定义单元类型,设定单元选项；3.定义单元实常数；4.定义材料热性能参数,对于稳态传热,一般只需定义导热系数,它可以是恒定的,也可以随温度变化；5.创立几何模型并划分网格,请参阅构造分析的建模步骤.21.2.2施加载荷计算热分析跟前面讲解的构造分析相比,区别在于指定的载荷为温度边条.通常可施加的温度载荷有恒定的温度,热流率,对流,热流密度和生热率五种.另外在分析选项中也包含非线性选项,结果输出选项等需要根据情况进展设置.1.定义分析类型1假设进展新的热分析,那么使用下面命令或菜单途径：COMMAND：A

9、NTYPE,STATIC,NEW GUI：Main menu|Solution|-Analysis Type-|New Analysis|Steady-state2假设继续上一次分析,比方增加边界条件等,那么需要进展重启动功能：COMMAND：ANTYPE,STATIC,REST GUI：Main menu|Solution|Analysis Type-|Restart 2.施加载荷可以直接在实体模型或单元模型上施加五种载荷边界条件.1恒定的温度：通常作为自由度约束施加于温度的边界上.COMMAND：D GUI：Main Menu|Solution|-Loads-Apply|-Thermal-

10、Temperature2热流率：热流率作为节点集中载荷,主要用于线单元模型中通常线单元模型不能施加对流或热流密度载荷,假设输入的值为正,代表热流流入节点,即单元获取热量.假设温度与热流率同时施加在一节点上,那么ANSYS读取温度值进展计算.注意：假设在实体单元的某一节点上施加热流率,那么此节点周围的单元要密一些,在两种导热系数差异很大的两个单元的公共节点上施加热流率时,尤其要注意.此外,尽可能使用热生成或热流密度边界条件,这样结果会更准确些.COMMAND：F GUI：Main Menu|Solution|-Loads-Apply|-Thermal-Heat Flow3对流：对流边界条件作为面

11、载施加于实体的外外表,计算与流体的热交换.它仅可施加于实体和壳模型上,对于线模型,可以通过对流线单元LINK34考虑对流.COMMAND：SF GUI：Main Menu|Solution|-Loads-Apply|-Thermal-Convection4热流密度：热流密度也是一种面载荷.当通过单位面积的热流率或通过FLOTRAN CFD计算得到时,可以在模型相应的外外表施加热流密度.假设输入的值为正,代表热流流入单元.热流密度也仅适用于实体和壳单元.热流密度与对流可以施加在同一外外表,但ANSYS仅读取最后施加的面载荷进展计算.COMMAND：F GUI：Main Menu|Solution

12、|-Loads-Apply|-Thermal-Heat Flux5生热率：生热率作为体载施加于单元上,可以模拟化学反响生热或电流生热.它的单位是单位体积的热流率.COMMAND：BF GUI：Main Menu|Solution|-Loads-Apply|-Thermal-Heat Generat 3.确定载荷步选项对于一个热分析,可以确定普通选项,非线性选项以及输出控制.热分析的载荷不选项和构造静力分析中的载荷步一样,读者可以参阅本书构造静力分析部分的相关内容或根本分析过程中关于载荷步选项的内容.这里就不再详细讲解了.4.确定分析选项在这一步需要选择求解器,并确定绝对零度.在进展热辐射分析时

13、,要将目前的温度值换算为绝对温度.假设使用的温度单位是摄氏度,此值应设定为273；如果使用的是华氏度,那么为460.Command：TOFFST GUI：Main Menu|Solution|Analysis Options 5.求解在完成了相应的热分析选项设定之后,便可以对问题进展求解了.Command：SOLVE GUI：Main Menu|Solution|Current LS 21.2.3后处理ANSYS将热分析的结果写入*.rth文件中,它包含如下数据信息：1根本数据：节点温度2导出数据：节点及单元的热流密度节点及单元的热梯度单元热流率节点的反作用热流率其它对于稳态热分析,可以使用P

14、OST1进展后处理.关于后处理的完好描绘,可参阅本书第四章中关于利用通用后处理器进展结果观察分析的讲解.下面是几个关键操作的命令和菜单途径.1.进入POST1后,读入载荷步和子步：COMMAND：SET GUI：Main Menu|General Postproc|-Read Results-By Load Step 2.在热分析中可以通过如下三种方式查看结果：彩色云图显示COMMAND：PLNSOL,PLESOL,PLETAB等GUI：Main Menu|General Postproc|Plot Results|Nodal Solu,Element Solu,Elem Table矢量图显示

15、COMMAND：PLVECT GUI：Main Menu|General Postproc|Plot Results|Pre-defined or Userdefined列表显示COMMNAD：PRNSOL,PRESOL,PRRSOL等GUI：Main Menu|General Postproc|List Results|Nodal Solu,Element Solu,Reaction Solu 21.3瞬态传热分析瞬态热分析用于计算一个系统随时间变化的温度场及其它热参数.在工程上一般用瞬态热分析计算温度场,并将之作为热载荷进展应力分析.瞬态热分析的根本步骤与稳态热分析类似.主要的区别是瞬态热

16、分析中的载荷是随时间变化的.为了表达随时间变化的载荷,首先必须将载荷时间曲线分为载荷步.载荷时间曲线中的每一个拐点为一个载荷步,如以以下图所示.图21.2瞬态热分析载荷-时间曲线对于每一个载荷步,必须定义载荷值荷对应的时间值,同时必须指定载荷步的施加方式为渐变或阶越.21.3.1建模一般瞬态热分析中,定义材料性能时要定义导热系数,密度及比热,其余建模过程与稳态热分析类似,这里就不再赘述.21.3.2加载求解和其它ANSYS中进展的分析一样,瞬态热分析进展加载求解时同样需要完成如下的工作.包括定义分析类型,定义初始条件,施加载荷,指定载荷步选项,指定结果输出选项以及最后进展求解.1.定义分析类型

17、指定分析类型为瞬态分析,通用可以进展新的分析或进展重启动分析.2.获得瞬态热分析的初始条件1定义均匀温度场假设模型的起始温度是均匀的,可设定所有节点初始温度Command：TUNIF GUI：Main Menu|Solution|-Loads-|Settings|Uniform Temp假设不在对话框中输入数据,那么默认为参考温度.参考温度的值默认为零,但可通过如下方法设定参考温度：Command：TREF GUI：Main Menu|Solution|-Loads-|Settings|Reference Temp注意：设定均匀的初始温度,与如下的设定节点的温度自由度其作用不同.Command

18、：D GUI：Main Menu|Solution|-Loads-|Apply|-Thermal-|Temperature|On Nodes初始均匀温度仅对分析的第一个子步有效；而设定节点温度将保持贯穿整个瞬态分析过程,除非通过以下方法删除此约束：Command：DDELE GUI：Main Menu|Solution|-Loads-|Delete|-Thermal-Temperature|On Nodes2设定非均匀的初始温度在瞬态热分析中,用下面的命令或菜单途径可以将节点温度设定为不同的值.Command：IC GUI：Main Menu|Solution|Loads|Apply|-Ini

19、tial Condit'n|Define假设初始温度场是不均匀的且又是未知的,就必须首先作稳态热分析确定初始条件.设定载荷如的温度,热对流等将时间积分设置为OFF：Command：TIMINT,OFF GUI：Main Menu|Preprocessor|Loads|-Load Step Opts-Time/Frequenc|Time Integration设定一个只有一个子步的,时间很小的载荷步例如0.001：Command：TIME GUI：Main Menu|Preprocessor|Loads|-Load Step Opts-Time/Frequenc|Time and Sub

20、stps写入载荷步文件：Command：LSWRITE GUI：Main Menu|Preprocessor|Loads|Write LS File或先求解：Command：SOLVE GUI：Main Menu|Solution|Solve|Current LS注意：在第二载荷步中,要删去所有设定的温度,除非这些节点的温度在瞬态分析与稳态分析一样.3.设定载荷步选项进展瞬态热分析需要指定的载荷步选项和进展瞬态构造分析一样,主要有普通选项,非线性选项和输出控制选项.1普通选项时间：本选项设定每一载荷步完毕时的时间.Command：TIME GUI：Main Menu|Solution|-Loa

21、d Step Opts-Time/Frequenc|Time and Substps每个载荷步的载荷子步数,或时间增量.对于非线性分析,每个载荷步需要多个载荷子步.时间步长的大小关系到计算的精度.步长越小,计算精度越高,同时计算的时间越长.根据线性传导热传递,可以按如下公式估计初始时间步长：ITS=24其中为沿热流方向热梯度最大处的单元的长度,为导温系数,它等于导热系数除以密度与比热的乘积=kc.Command：NSUBST or DELTIM GUI：Main Menu|Solution|-Load Step Opts-|Time/Frequenc|Time and Substps假设载荷值

22、在这个载荷步是恒定的,需要设为阶越选项；假设载荷值随时间线性变化,那么要设定为渐变选项.可以下面命令或菜单途径来实现.Command：KBC GUI：Main Menu|Solution|-Load Step Opts-|Time/Frequenc|Time and Substps2非线性选项迭代次数：每个子步默认的次数为25,这对大多数非线性热分析已经足够.假设分析的问题不容易收敛,可以通过下面的命令来指定迭代次数.Command：NEQIT GUI：Main Menu|Solution|-Load step opts|Nonlinear|Equilibrium Iter自动时间步长：本选项

23、为ON时,在求解过程中将自动调整时间步长.Command：AUTOTS GUI：Main Menu|Solution|-Load Step Opts-|Time/Frequenc|Time and Substps时间积分效果：假设将此选项设定为OFF,将进展稳态热分析.Command：TIM1INT GUI：Main Menu|Solution|-Load Step Opts-|Time/Frequenc|Time Integration GUI：Main Menu|Solution|-Load Step Opts-|Output Ctrls|DB/Results File 4.在定义完所有求

24、解分析选项后,进展结果求解.21.3.3结果后处理对于瞬态热分析,ANSYS提供两种后处理方式.通用后处理器POST1,可以对整个模型在某一载荷步时间点的结果进行后处理；Command：POST1 GUI：Main Menu|General Postproc.时间-历程后处理器POST26,可以对模型中特定点在所有载荷步整个瞬态过程的结果进展后处理.Command：POST26 GUI：Main Menu|TimeHist Postproc 1.用POST1进展后处理进入POST1后,可以读出某一时间点的结果.Command：SET GUI：Main Menu|General Postproc

25、|Read Results|By Time/Freq假设设定的时间点不在任何一个子步的时间点上,ANSYS会进展线性插值.此外,还可以读出某一载荷步的结果.GUI：Main Menu|General Postproc|Read Results|By Load Step然后,就可以采用与稳态热分析类似的方法,对结果进展彩色云图显示,矢量图显示,打印列表等后处理.2,用POST26进展后处理首先,要定义变量.Command：NSOL or ESOL or RFORCE GUI：Main Menu|TimeHist Postproc|Define Variables然后,就可以绘制这些变量随时间变化

26、的曲线.Command：PLVAR GUI：Main Menu|TimeHist Postproc|Graph Variables或列表输出Command：PRVAR GUI：Main Menu|TimeHist Postproc|List Variables 21.4热-构造耦合分析前面讲了热-构造耦合分析是一种间接法顺序耦合分析的典型例子.其主要分三步完成：1.进展热分析,求得构造的的温度场；2.将模型中的单元转变为对应的构造分析单元,并将第一步求得的热分析构造当作体载荷施加到节点上；3.定义其余构造分析需要的选项,并进展构造分析.前面已经介绍了如何单独进展热分析和构造分析,下面介绍如何转