Ansys第36例熱應(yīng)力分析間接法實例—液體管路

1、第36例熱應(yīng)力分析(間接法)實例一液體管路本例介紹了利用間接法進行熱應(yīng)力計算的方法和步驟：首先進行熱分析得到結(jié)構(gòu)節(jié)點溫度分布，然后把溫度作為載荷施加到結(jié)構(gòu)上并進行結(jié)構(gòu)分析。36.1 概述利用間接法計算熱應(yīng)力，首先進行熱分析，然后進行結(jié)構(gòu)分析。熱分析可以是瞬態(tài)的，也可以是穩(wěn)態(tài)的，需要將熱分析求得的節(jié)點溫度作為體載荷施加到結(jié)構(gòu)上。當熱分析是瞬態(tài)的時，需要找到溫度梯度最大的時間點，并將該時間點的結(jié)構(gòu)溫度場作為體載荷施加到結(jié)構(gòu)°IC由于間接法可以使用所有熱分析和結(jié)構(gòu)分析的功能，所以對于大多數(shù)情況都推薦使用該萬法。間接法進行熱應(yīng)力計算的主要步驟如下。36.1.1 熱分析瞬態(tài)熱分析的過程在前例已

2、經(jīng)介紹過，下面介紹穩(wěn)態(tài)熱分析。A穩(wěn)態(tài)熱分析用于研究穩(wěn)定的熱載荷對結(jié)構(gòu)的影響，有時還用于瞬態(tài)熱分析時計算初始溫度場。穩(wěn)態(tài)熱分析王要步驟如下。土0J1 .建模穩(wěn)態(tài)熱分析的建模過程與其他分析相似，包括定義單元類型、定義單元實常數(shù)、定義材C料特性、建立幾何模型和劃分網(wǎng)格等。但需注意的是：穩(wěn)態(tài)熱分析必須定義材料的導熱系數(shù)。2 .施加載荷和求解(1)指定分析類型。MainMenuSolutionAnalysisTypNewAnalysis,選擇Static.(2)施加載荷。可以施加的載荷有恒定的溫度、熱流率、對流、熱流密度、生熱率，MainMenufSolutionfDefineLoadsfApplyfT

3、hermal.(3)設(shè)置載荷步選項。普通選項包括時間(用于定義載荷步和子步)、每一載荷步的子步數(shù)，以及階躍選項等，MainMenuSolutionLoadStepOpts-Time/FrequencTime一TimeStep.非線性選項包括：一迭代次數(shù)(默認25),MainMenuSolutionLoadStepOpts-NonlinearEquilibriumIter;打開自動時間步長，MainMenuSolutionLoadStepOpts-Time/FrequencfTimefTimeStep等.輸出選項包括：控制打印的輸出，MainMenuSolutionLoadStepOptsOut

4、putCtrlsfSoluPrintout;控制結(jié)果文彳的輸出，MainMenuSolutionfLoadStepOptsfOutputCtrls一DB/ResultsFileo(4)設(shè)置分析選項。牛頓拉普森選項(僅對非線性分析有用)。選擇求解器。確定絕對零度(在熱輻射分析時使用)。(5)求解。3 .查看結(jié)果穩(wěn)態(tài)熱分析使用POST1后處理器查看結(jié)果，對于熱應(yīng)力計算而言，查看結(jié)果不是必要的。36.1.2 結(jié)構(gòu)分析與一般的結(jié)構(gòu)分析過程大致相同，不同的有以下幾點。4一I)(1)轉(zhuǎn)換單兀。/將熱單元轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元，并設(shè)置需要的單元選項，/MainMenufPreprocessorfElement

5、TypefSwitchElemTypeoO"日，2)設(shè)置結(jié)構(gòu)分析的材料屬性，例如，熱膨脹系數(shù)、彈性模量、泊松比等。設(shè)置前處理細節(jié)，例如，節(jié)點耦合等，MainMenufPreprocessorfMaterialPropsMaterialModels。7j(3)讀入熱分析得到的節(jié)點溫度，工*MainMenufSolutionfDefineLoadsfApply-TOStructural一TemperaturefFromThermAnaly。IkJ(4)指定參考溫度，當計算熱膨脹大小時，溫度差等于節(jié)點溫度減去參考溫度，MainMenufSolutionfDefineLoadsfSettin

6、gsfReferenceTempo36.2 問題描述某液體管路內(nèi)部通有液體，外部包裹有保溫層，保溫層與空氣接觸如圖36-1所示。已知管路由鑄鐵制造，其導熱系數(shù)為70W/(m.C),彈性模量為2xl011N/m2,泊松比為0.3,熱膨脹系數(shù)為1.2x10-6/C；保溫層的導熱系數(shù)為0.02W/(m.C),彈性模量為2x1010N/m2,泊松比為0.4,熱膨脹系數(shù)為1.2x10-6/C；管路內(nèi)液體壓力為0.3MPa,溫度為70C,對流換熱系數(shù)為1W/(m2.C)；空氣溫度為-40C,對流換熱系數(shù)為0.5W/(m2.C)。試分析管路內(nèi)熱應(yīng)力的情況。V)36.3 分析步驟C)jJ*36.3.1 改變?nèi)?/p>

7、務(wù)名Wz拾取菜單UtilityMenufFile-ChangeJobname,彈出如圖36-2所示的對話框，在“/(、FILNAM”文本框中輸入EXAMPLE36單擊“OK”按鈕。圖36-2改變?nèi)蝿?wù)名對話框36.3.2 選擇單元類型拾取菜單MainMenufPreprocessorfElementTypAdd/Edit/Delete,彈出"ElementTypes”對話框，單擊其“Add,”按鈕，彈出如圖36-3所示的對話框，在左側(cè)列表中選“ThermalSolid”,在右側(cè)列表中選“8node77",單擊"OK"按鈕，返回到"ElementT

8、ypes”對話框，選中“TypelPLANE7Z,單擊“Options”按鈕，彈出如圖36-4所示的對話框，選擇“K3”“Close”下拉列表框為"Axisymmetric",單擊"OK'按鈕，然后單擊如圖36-3所示對話框的按鈕。圖36-3單元類型庫對話框圖36-4單元選項對話框廣36.3.3 定義材料模型拾取菜單MainMenuPreprocessorMaterialPropsMaterialModels,彈出如圖36-5Jfjhr'所示的對話框，在右側(cè)列表中依次拾取"Thermal"、"Conductivity&

9、quot;、"Isotropic",彈出如圖36-6所示的對話框，在«KXX'文本框中輸入70（導熱系數(shù)），單擊«OK”按鈕。單擊如X圖36-5所示對話框的菜單項MaterialNewModel,單擊所彈出"DefineMaterialID”對話框中的“OK”按鈕，然后重復定義材料模型1時的各步驟，定義材料模型2的導熱系數(shù)為0.02,最后關(guān)閉如圖36-5所示的對話框。圖36-5材料模型對話框餐圖36-6材料特性對話框36.3.4 創(chuàng)建矩形面，模擬金屬管路和保溫層拾取采單MainMenu-Preprocessor-Modeling-Cre

10、ate-Areas-RectanglefByDimension,彈出如圖36-7所示的對話框，在“XI,X2文本框中分別輸入0.14,0.15,在“Y1,Y2'文本框中分別輸入0,1,單擊“Apply”按鈕。再次彈出如圖36-7所示的對話框,在“刈X2”文本框中分別輸入0.15,0.2,在“Y1,Y2”文本框中分別輸入0,1,單擊“按鈕。"OK”按鈕。圖36-7創(chuàng)建矩形對話框JX36.3.5 黏結(jié)面iry拾取菜單MainMenuPreprocessorModelingOperateBooleansfGlue-JAreas,彈出拾取窗口，單擊“PickAll”按鈕。36.3.6

11、 顯小面號拾取菜單UtilityMenufPlotCtrlsfNumbering,在所彈出:PlotNumberingControls”對話框中，將AreaNumbers（面號）打開，單擊"OK"按鈕。36.3.7 劃分單元JrA拾取菜單MainMenuPreprocessorMeshingMeshTool,彈出如圖36-8所示的對話框。選擇ElementAttributesAreas”，單擊下拉列表框后面的“Set”鈕，彈出拾取窗口，選擇面1,單擊拾取窗口中的OK按鈕，彈出AreasAttributes話框，選擇“MAT”下拉列表框為1,單擊“Apply”按鈕，再次彈出拾

12、取窗口，選擇面()單擊拾取窗口中的“OK'按鈕，選擇“AreasAttributes"對話框的“MAT”下拉列表框為按對3,2,單擊“OK'按鈕。圖36-8單元工具對話框2f（SlcbalzIESIZEGobal.IlflH斗士h小心3%城口悵（jpplifsodyto"unsized5lines|SIZEEemcmcdg,elerlfi0皿ND!VNdcfelementdmons-Q（usedonlyitele-nented9Eng*hS1ZLisblsrkcrzero）OKCaredHdp圖36-9單元尺寸對話框單擊«SizeControls&

13、quot;區(qū)域中«Global”后面的«Set”按鈕，彈出如圖36-9所示的對話L1框，在“SIZE文本框中輸入0.01,單擊“OK”按鈕。在如圖36-8所示對話框中的“Mesh”區(qū)域，選擇單元形狀為“Quad”（四邊形），選擇劃分單元的方法為“Mapped”（映射），單擊“Mesh”按鈕，彈出拾取窗口，拾取面1和面3,單擊“OK'按鈕。36.3.8 施加對流邊界條件r、拾取菜單MainMenuSolutionDefineLoadsfApplyfThermalfConvectionfOnLines,彈出拾取窗口，拾取最左面一條直線（即x坐標最小的直線），單擊“OK”

14、按鈕，彈Jrf出如圖36-10所示的對話框，在“VAL1”文本框中輸入1,在“VAL2I”文本框中輸入70,單擊“OK'按鈕。再次執(zhí)行命令，彈出拾取窗口，拾取最右面一條直線（即x坐標最大的+小斗一,，O）:，、人、直線），單擊“OK”按鈕，彈出如圖、36-10所示的對話框，在“VAL1”文本框中輸入0.5,在“VAL2r文本框中輸入-40,單擊”O(jiān)K“按鈕。圖36-10施加對流邊界條件對話框436.3.9求解r拾取菜單框中的“OK'MainMenufSolutionfSoke-CurrentLS,單擊“SolveCurrentLoadStep”對話按鈕，當出現(xiàn)"Sol

15、utionisdone!”提示時，求解結(jié)束。以下進行結(jié)構(gòu)分析。36.3.10 轉(zhuǎn)換熱單元為結(jié)構(gòu)單元拾取菜單MainMenufPreprocessorfElementTypefSwitchElemType,彈出如圖36-11所示的對話框，選擇"Changeelementtype”下拉歹U表框為"ThermaltoStruc",單擊"OK"按鈕。圖36-11轉(zhuǎn)換單元類型對話框36.3.11 設(shè)定單元軸對稱選項拾取菜單MainMenufPreprocessorfElementTypAdd/Edit/Delete彈出"ElementTypes

16、”對話框，單擊其“Options”按鈕，彈出如圖36-12所示的對話框，選擇“K3”下拉列表框為"Axisymmetric",單擊"OK"按鈕，然后單擊“ElementTypes”對話中1的"Close"按鈕。圖36-12單元選項對話框36.3.12 定義村料模型拾取菜單MainMenuPreprocessorMaterialPropsMaterialModels,彈出如圖36-5所示的對話框，在左側(cè)列疊沖選中"MaterialModelNumber1”,在右側(cè)列表中依農(nóng)拾取“Structural"、"L

17、inear"、"Elastic"、"Isotropic",彈出如圖36-13所示的對話框,在"EX'文本框中輸入2e11、（彈性模量），在“PRXY文本框中輸入0.3（泊松比），單擊“OK”按鈕再在如圖36_5所示對話框的右側(cè)列表中依次拾取"Structural"、"ThermalExpansion"、"SecantCoefficient"、“Isotropic"，彈出如圖36-14所示的對話框，在“ALPX'文本框中輸入1.2e-5（線膨脹系數(shù)），

18、然后單擊“OK”按鈕。FALinearh-otrcpicPropertieslorMateri'Number1圖36-13材料特性對話框（一）0圖36-14材料特性對話框（二）選擇如圖36-5所示對話框左側(cè)列表中的"MaterialModelNumber2",用與MaterialModelNumber1同樣的方法，定義彈性模量EX為2e10、泊松比PRXY為0.4、線膨脹系數(shù)ALPX為1.2e-6。最后關(guān)閉如圖36-5所示的對話框。36.3.13 施加約束拾取菜單MainMenufSolutionfDefineLoadsfApplyfStructuralfDispl

19、acementfOn4條直線），單擊“OK”按Lines,彈出拾取窗口，拾取水平方向的所有直線（即長度較短的鈕，彈出如圖36-15所示的對話框，在列表中選擇“UY”，單擊“OK”按鈕。圖36-15施加約束對話框36.3.14 施加壓力載荷/拾取菜單MainMenufSolution-DefinefLoadsApplyStructuralfPressurefOn拓人仃，人仃日I，一日A±/4田+，拓Lines,彈出拾取窗口，拾取最左面一條直線（即x坐標最小的直線），單擊OK按鈕，彈出如圖36-16所示的對話框，在“VALUE'文本框中輸入3e5,單擊“OK'按鈕。圖36

20、-16施加壓力載荷對話框36.3.15 讀入熱分析所得到的節(jié)點溫度拾取菜單MainMenu-Solution-DefineLoads-Apply-Structural-TemperaturefFrom或者單擊“Browse”按鈕在ANSYSX作文件夾中選擇同一文件，單擊“OK'按鈕。圖36-17從熱分析讀入節(jié)點溫度對話框ThermAnaly,彈出如圖36-17所示的對話框，在“Fame”文本框中輸入EXAMPLE36Roth36.3.16 指定參考溫度拾取菜單MainMenufSolutionfDefineLoadsfSettingsfReferenceTemp,彈出如圖在計算熱膨脹大

21、小時，溫度差等于節(jié)點溫度減去參考溫度，參考溫度的默認值為0。a*36-18所示的對話框，在“TREF文本框中輸入20,單擊“OK'按鈕。圖36-18定義參考溫度對話框36.3.17 求解拾取菜單MainMenufSolutionfSoke-CurrentLS,單擊“SolveCurrentLoadStep”對話框中的"OK"按鈕，當出現(xiàn)"Solutionisdone!”提示時，求解結(jié)束，即可查看即可查看結(jié)果。36.3.18 查看結(jié)果，用等圖線顯小VonMises應(yīng)力拾取菜單MainMenuGeneralPostprocPlotResultsContourP

22、lotNodalSolu,彈出“ContourNodalSolutionData”對話框，在列表中依次選擇"NodalSolutionfStressfvonMisesSEQV（第四強度理論的等效應(yīng)力），單擊“OK'按鈕。結(jié)果如圖36-19所示，可以看出，VonMises應(yīng)力的最大值為0.588x108Pa,即58.8MPa。ANSYSJAN11201622:10*27圖36-19液體管路的VonMises應(yīng)力第37例熱應(yīng)力分析（直接法）實例-液體管路3MLSOLIRIONSTEP-1SUB-1TTME-1SRQV(AVG)DMX=.450E-045MN=.d59忙于tn3MX

23、:.弓gE芭*UH.459E+0.166E4(J3.2H7E+D3.407E+0B.52BE+0B.lOiEfD6.227E+Q6.3A7E+0B.469E+0B.568ErOa與間接法相比，直接法步驟更簡本例介紹了利用直接法進行熱應(yīng)力計算的方法和步驟,I捷，但要使用耦合單元進行非線性分析，計算量較大。37.1概述與一般的分析過程相似，只是要使用耦合單元，并同時施加結(jié)構(gòu)分析和熱分析的約束和載荷。JlX.37.2問題描述為了與間接法進行熱應(yīng)力計算相對比，本例采用了與第36例相同的模型一液體管路。7.3分析步驟37.3.1 改變?nèi)蝿?wù)名拾取菜單UtilityMenuFile一ChangeJobnam

24、e,彈出如圖37-1所示的對話框，在“/FILNAM”文本框中輸入EXAMPLE37單擊”O(jiān)K“按鈕。圖37-1改變?nèi)蝿?wù)名對話框37.3.2 選擇單元類型拾取菜單MainMenufPreprocessorfElementTypefAdd/Edit/Delete,彈出"ElementTypes”對話框，單擊其“Add.。，”按鈕，彈出如圖37-2所示的對話框，在左側(cè)列表中選CoupledField，在右側(cè)列表中選VectorQuad13，單擊OK按鈕，返回至1NElementTypes對話框，選中“TypelPLANE13',單擊“Options”按鈕，彈出如圖37-3所示的對

25、話框，選VJ擇“K1”下拉列表框為«UXUYTEMPAZ,選擇«K3”下拉列表框為«Axisymmetric”，單擊“OK”按鈕，單擊如圖37-2所示對話框中的“Close”按鈕。圖37-2:單元類型庫對話框APLANEl3elementtype叩tinn零圖37-3單元選項對話框37.3.3 定義材料模型1拾取采單MainMenufPreprocessorfMaterialPropsfMaterialModels,彈出如圖37-4所示的對話框，在右側(cè)列表中依次拾取"Thermal'、"Conductivity"、"

26、Isotropic",彈出如圖37-5所示的對話框，在“KXX'文本框中輸入70（導熱系數(shù)），單擊“OK”按鈕；再在右側(cè)列表中依次拾取"Structural"、"Linear"、"Elastic"、"Isotropic",彈出如圖37-6所示的對話框，在“EX”文本框中輸入2ell（彈性模量），在“PRXY文本框中輸入0.3（泊松比），單擊“OK”按鈕；再在右側(cè)列表中依次拾取"LStructural"、"ThermalExpansion"、"Sec

27、antCoefficient”、“Isotropic"，彈出如圖37-7所示的對話框，在“ALPX'文本框中輸入1.2e-5（線膨脹系數(shù)），單擊“OK'按鈕。單擊如圖37-4。所示對話框的菜單項MaterialNewModel,單擊所彈出“DefineMaterialID”對話框中的“OK”按鈕，然后重復定義材料模型1時的各步驟，定義材料模型2的導熱系數(shù)KXX為0.02、彈性模量EX為2e10、泊松比PRXY為0.4、線膨脹系數(shù)ALPX為1.2e-6。最后關(guān)閉如圖37-4所示的對話框。圖37-4材料模型對話框0圖37-5材料特性對話框（一）圖37-6材料特性對話框（二

28、）37-7材料特性對話框（三）37.3.4 創(chuàng)建矩形面，模擬金屬管路和保溫層拾取菜單MainMenu-Preprocessor-Modeling-Create-Areas-RectanglefByDimension,彈出如圖37-8所示的對話框，在“X1,x2”文本框中分別輸入0.14,0.15,在“Y1,Y2'文本框中分別輸入0,1,單擊“Apply”按鈕。再次彈出如圖37-8所示的對話框，在“Xl,X2”文本框中分別輸入0.15,0.2,在“Y1,Y2”文本框中分別輸入0,1,單擊”O(jiān)K“按鈕。圖37-8.創(chuàng)建矩形對話框37.3.5黏結(jié)面拾取菜單MainMenufPreproces

29、sorfModelingfOperatefBooleansfGluefAreas。彈kT出拾取窗口，單擊“PickAll”按鈕。37.3.6 顯示面號拾取菜單UtilityMenuPlotCtrlsNumbering,將所彈出"PlotNumberingControls”對話框中的AreaNumbers（面3）打開，單擊OK按鈕。37.3.7 劃分單元拾取菜單MainMenufMeshingfMeshTool,彈出如圖37-9所示的對話框。選擇"ElementAttributes”下拉列表框為“Areas”，單擊下拉列表框后面的“Set”按鈕，彈出拾取窗口，選擇面1,單擊拾

30、取窗口中的"OK'按鈕，彈出"AreasAttributes”對話框，選擇"MAT”下拉列表框為1,單擊“Apply”按鈕，再次彈出拾取窗口，選擇面3,單擊拾取窗口中的“OK”按鈕，選擇“AreasAttributes"對話框的“MAT”下拉列表框為2,單擊"OK"按鈕。單擊“SizeControls"區(qū)域中«Global”后面的«Set”按鈕，弓t出如圖37-10所示的對話框，在“SIZE文本框中輸入0.01,單擊“OK'按鈕。在如圖37-9所示對話框的“Mesh”區(qū)域，選擇單元形狀為“

31、Quad"（四邊形），選擇劃分單元的方法為“"Mapped”（映射），單擊“Mesh”按鈕，彈出拾取窗口，拾取面1和面3,單擊“OK'按鈕。圖37-9單元工具對話框陌在Globalx坐標最小的直線），單擊“OK'按鈕,A引口MlElAmentsi?i=eferiertanddivijion&(appliesonlySI7FFlfEnnigpFiragrhND1VNo,of-kinent：iivisions-unlyifclernicr±edije'ergth,SIZE.、Hankorzrrc)Cancel圖37-10單元尺寸對話框3

32、7.3.8 流邊界條件施加對流拾取菜單MainMenufSolutionfDefineLoadsApplyThermalConvection一OnLines,彈出拾取窗口，拾取最左面一條直線（即彈出如圖37-11所示的對話框，在“VAL文本框中輸入1（對流換熱系數(shù)），在“VAL2I”文本框中輸入70（溫度），單擊“OK”按鈕，再次執(zhí)行命令，彈出拾取窗口，拾取最右面一條直線（即x坐標最大的直線），單擊“OK”按鈕，彈出如圖37-11所示的對話框，在“VAL1”文本框中輸入0.5（對流換熱系數(shù)），在“VAL2I”文本框中輸入-40（溫度），單擊“OK'按圖37-11施加對流邊界條件對話框G3.3.9施加約束、九u拾取菜單MainMenufSo