ANSYS热应力分析--精选实例.docx

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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， 推荐使用第二种方法

2、一间接法。因为这种方法叮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如果进行瞬态分析的要求。例如，在有可能有应力

3、集中的地方的网格要密一些。析，在后处理中要找出热梯度最大的时间点或载荷步。热单元结构单元L1NK3 2L1NK1LINK33LINK8PLANE35PLANE2PLANE55PLANE42SHELL57SHELL63PLANE67PLANE42LINK68LINK8S0LID7 9S0LID45MASS71MASS21PLANE75PLANE25PLANE77PLANE82PLANE78PLANE83PLANE87PLANE92PLANE90PLANE95SHELL1 57SHELL63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:Ma

4、in MenuPreprocessorElement TypoSwitch Element TyPe , 选择 Thermal toStrUCtUalo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： SOIUtiOnLoad APPIyTemperatureFrom Thermal AnalySiSo 输入或选择 热分析的结果文件 名*rth。如果热分析是瞬

5、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 MenuListLoadBody Load0n all nodes列表输出。Main MenuSolutionLoad SettingReference TemPO设置参考温度进行求解、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1000 lb / in2 ,管 内流体温度为450 oF,对流系数为1 8的/亚玲0外界 流体温度为70 oF,

6、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 MenuFileChange Title,输入 Indirect thermal-stress AllalySiS Of a COOling fin02、选择 Utility MenuFileChange Filename,输入“ PIPE_FINO进入热分析，定义热单元和热材料属性1 选择 Main MenuPreprocessorElement TypeAdd / Edit / Delete，选择 PLANE55,设定单兀 选项为轴对称。2、设定导热系数： 选择 “ Main M

7、enuPreprocessorMaterial PorpsMateriaI MOdelS ”,点击ThermaL Conductivity, ISOtrOpic,输入。创建模型1 仓ll建八个关键点，选择 Main MenuPreprocessorCreatKeypointsOnACtiVe CS , ”关键点的坐标如下：编号12345678X5612126655Y)00112、 组成二个面： 选择 Mairi MenuPreprocessorCreatAreaArbitraryThrouthKps”,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

8、。3、设定单兀尺寸，并划分网格：“Mairi MenuPreprocessorMeshtooh 设定 global SiZe 为选择 AREA, Mapped, Mesh,点击 PiCk allo施加荷载1 选择 Utility MenuSelectEntitiesNodesBy I0CationX COOrdinateS , FrOrn 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“MainMenuSolutionApplyConvectionOn nodes，点” Vs Pick, all,输入对流换热系数 1,流体环境温度450。3 选择 Ut

9、ility MenuSelectEntitiesNodesBy I0CationX COOrdinateS , FrOrn FUU ,“输入6, 12,点击Apply；4、选择 Utility MenuSeIectEntitieSNodesBy IOCatiOnY COOrdinateS , ReSeleCt ,“输入，1,点击 Apply；5 选择 Utility MenuSelectEntitiesNodesBy IOCatiOnY COOrdinateS , AISOSelect ,“ 输入 12,点击 OK；6、在管外边界上施加对流边界条件：选择“MainMenUSolutionApp

10、lyConvectionOn 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 MenuSelectSelect Everythingo”2、选择 Main MenuSolutionSolve CUrrent LS o 后处理1 显不温度分布： 选择 Main MenuGeneral PostprooPlot ReSUItNodal SOIUtionTemPeratUreo ”重新进入前处理，改变单元，定义结构材料1 选择 Main MenuPreprocessorElement TypoSwitch Elem TyPe 选择,T

11、hermal to StrUCtUre o2、选择Main MenuPreprocessorElement TypeAdd / Edit/Delete,点击“OPtiOn,将结构单兀 设置为轴对称。3、选择 Mairi MenuPreprocessorMaterial PorpsMaterial MOdelS，输入材 料的 EX 为28E6, PRXY 为，ALPX 为。定义对称边界条件1 选择 Utility MenuSelectEntitiesNodesBy IOCatiOnY COOrdinateS J FrOrn FUU , 输入o,点击APPIy；2、选择 Utiiity MenuS

12、electEntitiesNodesBy IOCatiOnY COOrdinateS J A1S0 SeleCt ,“ 输入1,点击Apply；3、选择 Main MenuSolutionApplyDisplacementSymmetry . On NOdeSJ 点 击 PiCkAll,选择 Yaxis,点击 OK；施加管内壁压力1 选择 Utility MenuSelectEntitiesNodesBy I0Cati0nX COOrdinateS J FrOrnFUU , ”输入5,点击OK；2、选择 Main MenuSolutionApplyPressureOn nodes,点击“ Pi

13、CkAll,输入10000设置参考温度1、选择 “ Utility MenuSelectSelect Everythingo”2、选择 Main MenuSolution-Loads-SettingReference TemP 输入“ 70o读入热分析结果1 选择 Main MenuSolutionApplyTemperatureFrom Thermal AnaIySis, 选择。求解，选择 “Main MenuSolutionSolve CUlTent LSO后处理选择 “Main MenuGeneral POStPrOPlot ReSUltNodal SOIUtiOnStreSSVonMi

14、SeS ” o显示等效应力。等效的命令流方法/file n a m e , p ip e _fin/TITLE, Thermal-S tre S S AnalyS is Of a COOling fin/prep7!进入前处理et, 1, plane55!定义热单兀keyopt, 1, 3, 1 !定义轴对称mp, kxx, 1, !定义导热系数k, 1,5健模k, 2,6k, 3, 12k, 4, 12,k, 5, 6,k, 6, 6, 1k, 7, 5,1k, 8, 5,a, 2, 3, 4, 5 a, 8, 5, 6, 7esize, !定义网格尺寸JmeSh, al 1!划分网格epl

15、otfinish/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 ns el, s, loc, X, 6, 12!选择外表面节点 nsel, r, loc, y, 1 nsel, a, loc, x, 12sf, all, conv, 70!施加对流边界条件nsel, all/ pse, conv, hcoef, 1nplotSOlVe !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P

16、Iane42keyopt, 1, 3, 1!定义轴对称特性mp, ex, 1, 28e6!定义弹性模量mp, nuxy, 1,陡义泊松比mp, alpx, 1, !定义热膨胀系数finish/ solu!进入结构分析求解/ sei, 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s f, a 11, pre s, 1000!施加压力边界条件nsel, all/ pbc, all, 1/ psf, pres, , 1nplottref, 70!设定参考温度I dread, te

17、mp, , rth!读入节点温度/pbc, all, 0/psf, pres, 0 分布/ pbf, temp, 1eplotSOlVe !求解finish/ postl , plnsol, s, eqv!得到等效应力finish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

18、、外管接触热导：0C命令流方法/file name ,contact_thermal/title,contact_thermal example/ prep7et, 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ke yopt, 2, 2, 1ke yopt, 2, 7 J r, 2, 2e 11, 0,!定义接触单元实常数mp, ex, 1, 2e 11!定义管材结构及热属性mp, alpx, 1, 5e-5mp, kxx, 1, 10mp,

19、dens, 1, 7880mp, c, 1, 500rect, ,0, !建模rect, 0,amesh, allnsel, s, loc, x, !将内管内壁的X方向位移及温度耦合cp, 1, ux, allcp, 2, temp, allnsel, s, loc, x, !将内管外壁的X方向位移及温度耦合cp, 3, ux, all cp, 4, temp, allnsel, x, !将外管内壁的X方向位移及温度耦合cp, 5, ux, all cp, 6, temp, allnsel, s, loc, x, !将外管外壁的X方向位移及温度耦合cp, 7, ux, all cp, 8, t

20、emp, all nsel, s, loc, y, !将内管顶部节点的Y方向位移及温度耦合nsel, r, loc, x, 0, cp, 9, uy, allnsel, s, loc, y, !将外管顶部节点的Y方向位移及温度耦合nsel, r, loc, x, cp, 10, uy, all nsel, s, loc, x, !创建接触单兀Crn, cont, node nsel, s, loc, x, cm, targ, node type, 2 re a 1, 2 gcgen, cont, targ, 3/ solu antype, trans !瞬态分析tunif, 20!初始平均温度tref, 20!参考温度 sfl, 4, COiw, 300, 300!内管内壁对流边界sfl, 6, conv, 10, , 20!外管外壁对流边界nsel, s, loc, y, 0!约束所有底边单兀的Y向位移d, all, uy, 0 time, 180!载荷步时间deltime, 10, 5, 15!定义时间步长OUtreS, all, a 11kbc, 1autots,on! 自动时间步长a UselSOIVe!求解/ postlPInSOl, temp!显示温度分布PInSOI, s, eqv!显示等效应力