第20章 热-应力耦合分析(ansys教程).ppt

1、第20章 热-应力耦合分析,引子： 考虑两块焊在一起的板，它们有不同的热膨胀系数。如果复合材料棒的右半部分的热膨胀系数大于左半部分，当其受热时将会发生图示的弯曲现象，因为右半部分伸长比左半部分多。,问题： 如何施加热载荷？ 如何进行耦合分析？,20.1 热应力的产生,当一个结构被加热或冷却时，如果满足下列条件，则在结构中只会发生自由热膨胀，不会有应力出现： 均匀 只约束刚体运动 在整个结构中除了一个均匀的温度变化外没有其它载荷 然而，如果温度变化均匀，但有其它的约束，或者有不同的热膨胀系数，那么结构中将会产生热应力。,20.1 热应力的产生(续),结构受热或变冷时，由于热胀冷缩产生变形 若变形

2、受到某些限制如位移受到约束或施加相反的力则在结构中 产生热应力 产生热应力的另一个原因是由于材料不同而形成的不均匀变形(如, 不同的热膨胀系数),约束产生热 应力,材料不同产生热应力,20.2 求解热-应力问题的方法,在ANSYS中解决热-应力问题的方法有两种：,20.2 求解热-应力问题的方法(续),间接耦合 传统方法：使用两种单元类型，将热分析的结果做为结构温度载荷 当运行很多热瞬态时间点但结构时间点很少时效率较高 可以很容易地用输入文件实现自动处理 直接耦合 新方法：使用一种单元类型就能求解两种物理问题 热问题和结构现象之间可实现真正的耦合 在某些分析中可能耗费过多的时间,20.3 间接

3、耦合,间接耦合涉及到两个分析： 1.首先做一个稳态(或瞬态)热分析 建立热单元模型 施加热载荷 求解并查看结果 2.然后做静力结构分析 把单元类型转换成结构单元 定义包括热膨胀系数在内的结构材料属性 施加包括从热分析得到的温度在内的结构载荷 求解并查看结果,20.4 间接耦合的分析过程,采用间接耦合法进行热应力耦合分析的全过程 1.进行瞬态或稳态的热分析以得到结点温度 2.查看结果，并确定温度梯度较大的时间点(或载荷步) Main Menu: General PostProc 在每个对话框中输入对应值,20.4 间接耦合的分析过程(续),3.删除热载荷，并将分析从热分析转换到结构分析 Main

4、 Menu: Preferences a.选择结构分析。 b.单击OK。 注意：如果在开始分析时没有明确指定热分析，则不需要转换分析类型。,20.4 间接耦合的分析过程(续),4.将单元类型从热分析转换到结构分析 Main Menu: Preprocessor Element Type Switch Element Type 或用 ETCHG 命令 a.选择“thermal to structure” b.单击OK,注意：转换单元类型时，将把所有的单元选项重新设置回它们原来的缺省设置。例如：若用户在热分析中使用的是2-D轴对称单元，则需要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

5、元选项。,20.4 间接耦合的分析过程(续),5.验证单元选项设置 Main Menu:PreprocessorElement Type Add/Edit/Delete a.选定单元类型，然后选择Option b.验证, 如果需要可以更改 c.选择OK,或使用 ETLIST 和 KEYOPT 命令,20.4 间接耦合的分析过程(续),6.定义结构的材料特性(EX等)，特别注意不要忘记输入热膨胀系数(ALPX)和其它建模细节 Main Menu: Preprocessor Materail Props -Constant- Isotropic a.单击OK b.输入结构的材料特性值，包括热膨胀系

6、数ALPX，然后单击OK,注意：如果没有定义ALPX或将该项设置为0，则不能计算热应变。用户可以使用该项技巧 “关闭” 温度的影响!,20.4 间接耦合的分析过程(续),7.指定静力分析类型和分析选项。 a.选择分析类型（缺省是静态，该步仅在热分析类型为瞬态时使用） Main Menu: Solution -Analysis Type- New Analysis,20.4 间接耦合的分析过程(续),b.选择分析选项 Main Menu: Solution Analysis Options,20.4 间接耦合的分析过程(续),8.施加结构载荷并包括温度作为加载的一部分 Main Menu: So

7、lution -Load- Apply -Structure- Temperature From Therm Analy a.输入期望的载荷步和子步号(缺省为第一个载荷步和最后一个子步) b. 选择热分析的 结果文件，以rth为扩展名 c. 单击OK,20.4 间接耦合的分析过程(续),9.画图核定温度 a. PlotCtrls Symbols. b. Choose None in Boundary Cond. Symbol c. Turn “body load symbol” to “structural temps” d. Choose Do not replot 10.指定载荷步选项 M

8、ain Menu: Solution 在每个对话框中输入对应值 11.开始求解 Main Menu: Solution,20.5 直接耦合,直接耦合通常只涉及用耦合单元的分析，该单元包括必要的自由度 1.首先用以下耦合单元之一建立模型并划分网格 PLANE13 (板实体单元) SOLID5 (六面体单元) SOLID98 (四面体单元tetrahedron) 2.在模型上施加结构载荷、热载荷及约束 3.求解并查看热分析结果和结构分析结果,20.6 间接耦合和直接耦合的比较,间接耦合 对不是高度非线性的耦合情况, 间接方法更有效，更灵活，因为可以相互独立地执行两种分析 在间接热-应力分析中，例如

9、，在非线性瞬态热分析之后可以紧接着进行线性静力分析。然后可以把热分析中任意荷载步或时间点的节点温度作为应力分析的载荷,直接耦合 对耦合场的相互作用是高度非线性的情况，直接方法优先，并且该方法在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问题及电路电磁分析,20.7 耦合场分析方法的选择,直接方法 最适合于那种耦合效应是循环的双向耦合的情况 真正的“多物理场”分析 不能用于非线形 非常好但耗费时间较长(全自由度设置) 例子:结构特性随温度而变的分析,间接方法 最适合于那种单向耦合的情况,一种分析的结果能够影响到另一种分析,反之不能 独立进行两种分析,较灵活 不能用于非线形 非常好但耗费时间较长(全自由度设置) 例子:结构特性随温度而变的分析 涡流的焦耳热,20.8 其它耦合场分析,定义耦合场分析：耦合场分析考虑了两个或多个工程学科间的相互耦合作用 Examples Applications Thermal-stress Pressu