(64)-16 熱應力分析計算機輔助工程分析

8熱應力分析計算機輔助工程分析概述熱應力產(chǎn)生結構受熱或變冷時，由于熱脹冷縮產(chǎn)生變形。若變形受到某些限制—如位移約束或相反的壓力—則在結構中產(chǎn)生熱應力。產(chǎn)生熱應力的另一個原因，是由于材料不同而形成的不均勻變形（如，不同的熱膨脹系數(shù)）。由約束產(chǎn)生熱應力由不同材料產(chǎn)生熱應力概述在ANSYS中求解熱-應力問題有兩種方法。順序耦合傳統(tǒng)方法是使用兩種單元類型，將熱分析的結果作為結構的溫度荷載。當熱瞬態(tài)分析時間點很多，但結構時間點很少時效率較高。很容易用輸入文件實現(xiàn)自動處理。直接耦合比較新的方法，用一種單元類型就能求解兩種物理場問題。熱和結構之間可實現(xiàn)真正的耦合。在某些分析中可能耗費過多開銷。順序耦合SETP1進行穩(wěn)態(tài)（或瞬態(tài)）熱分析。建立熱分析有限元模型。施加熱荷載及邊界。求解并檢查結果。STEP2進行結構靜力分析。把單元類型轉換成結構單元。定義包括熱膨脹系數(shù)在內的結構材料特性。施加包括從熱分析得到的溫度在內的結構荷載。求解并檢查結果。熱分析結構分析jobname.rthjobname.rst溫度順序耦合1. 熱分析計算結構溫度場。2. 結構分析a) 進入前處理，把熱單元類型轉換成結構單元。MainMenu>Preprocessor>ElementType>SwitchElemType

注意：轉換單元類型時，所有單元選項重新設置回原來缺省狀態(tài)。例如，若用戶在熱分析中使用的2-D軸對稱單元，則需要在轉換后重新指定軸對稱選項，因此，一定要確保設置正確的單元選項：MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete>[Options]

或用

ETLIST

和

KEYOPT

命令順序耦合b) 定義結構的材料性質(EX等)，包括熱膨脹系數(shù)(ALPX)(若使用的是ANSYS提供的材料庫，材料的熱特性和結構特性均已定義，該項可以省略).

注意：如果沒有定義ALPX，或將該項設置為零，則不計算熱應變?？梢杂迷擁椉记伞瓣P閉”溫度的影響。c) 指定靜力分析類型，這一步只在熱分析是瞬態(tài)分析時用。

MainMenu>Solution>AnalysisType>NewAnalysis或用

ANTYPE

命令d) 施加結構荷載，而把溫度作為荷載的一部分。 MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Temperature>FromThermAnaly或用

LDREAD

命令。e) 求解。f) 觀察應力結果。直接耦合通常只涉及用耦合單元的分析，單元必須包括熱、結構的自由度。首先用以下耦合單元之一建立模型并劃分網(wǎng)格。PLANE222(平面實體單元)。SOLID226(六面體單元)。SOLID227(四面體單元)。在模型上施加結構荷載、熱荷載及約束。求解并查看熱和結構結果。Combined熱分析結構分析jobname.rst順序和直接耦合對比順序方法對非高度非線性耦合情況，順序方法更有效、靈活，因為它可以獨立執(zhí)行兩種分析。

在順序方法熱-應力分析中，例如，在非線性瞬態(tài)分析之后可以緊接著進行線性靜力分析，然后可以把熱分析中任意荷載步或時間點的節(jié)點溫度作為應力分析的荷載。直接方法對耦合場是高度非線性情況，直接方法更好，并且該方法用耦合公式單一求解時是最好的。

直接耦合的例子，包括壓電分析，有流體流動的共軛傳熱分析及電路電磁分析。問題說明基本描述一個帶有矩形翅片的長鋼管從管中流動的熱氣體通過對流吸收能量。外表面暴露在大氣中，熱流從翅片端部釋放。載荷條件:熱氣體的溫度是250oC，內部對流熱交換系數(shù)是10000W/(m2oC)外部大氣溫度是25oC，外部對流熱交換系數(shù)為1000W/(m2oC)每個翅片端部熱流為

-320J/m2

。分析目標:分析其中最小的循環(huán)部分，要求得到如下結果: 1)溫度場分布。2)熱應力分布。說明一個帶散熱片的管，在給定的荷載條件下，分析溫度和熱量分布該模型是軸對稱的。僅分析散熱片的一半，模型的底部為對稱約束。圓管內半徑：50mm圓管厚度：12mm熱片外半徑：100mm熱片厚度：6mm熱片間距：18mm材料：304不銹鋼導熱系數(shù)：70W/m·oC彈性模量：2×1011N/m2泊松比：0.3熱膨脹系數(shù)：12×10-6/oC問題說明問題簡化絕熱對稱邊界絕熱對稱邊界翅片端部的熱流密度對流面對流面簡化成了最小的可重復2D幾何模型。使用最小的可循環(huán)部分求解:鋼管/肋骨中的溫度場分布

鋼管/肋骨的對流熱損耗繪出鋼管/肋骨面上的溫度變化情況。使用軸對稱的PLANE55單元。材料各向同性，且不隨溫度變化。1打開原熱分析文件，并指定文件名：在菜單欄中，依次點擊【File】->【ChangeJobname】，打開文件名更改窗口，如下圖所示。可輸入指定的文件名，如Case14.2-Thermal。點擊【Resumefrom…】，打開數(shù)據(jù)文件，找到所需的熱分析文件。建模準備定義新的文件名與其他分析題目區(qū)別開來。所有文件名將為jobname.ext，勾選Yes點取“OK”將重寫文件名分別為jobname.log和jobname.err的命令記錄文件和錯誤文件。2為應力分析指定文件名：在菜單欄中，依次點擊【File】->【ChangeJobname】，打開文件名更改窗口，如下圖所示?？奢斎胫付ǖ奈募?，如Case14.2-ThSt.建模準備3為應力分析指定標題：在菜單欄中，依次點擊【File】->【ChangeTitle】，打開標題更改窗口，如下圖所示?？奢斎胫付ǖ臉祟}名，如Thermalstressanalysis.1變更單元類型：點擊【ElementType】->【SwitchElemType】，打開單元類型變更窗口，選擇Thermalto

Struc，如圖所示。點擊OK。模型構建-Preprocessor把熱單元類型轉換成結構單元.1定義單元類型：查看并選擇單元關鍵選項：點擊【ElementType】->【Options】，打開單元關鍵選項窗口。將K3選項更改為【Axisymmetric】，如圖所示。點擊OK。模型構建-Preprocessor關鍵選項或KEYOPTs是與單元類型相關的選項。使用下拉式菜單查看該單元的基本選項，并選擇合適的數(shù)值。本例題需要軸對稱單元。缺省值為平面單元。2定義材料性能：點擊【MaterialProps】->【MaterialModels】，打開定義材料屬性窗口，如圖所示。分別定義彈性模量EX、泊松比PRXY以及熱膨脹系數(shù)ALPX。模型構建-Preprocessor定義結構的材料力學性能(EX、PRXY等)，熱膨脹系數(shù)(ALPX)等1定義分析類型：進入【Solution】模塊，點擊【AnalysisType】->【NewAnalysis】，打開分析類型選項，單擊OK。模型求解-Solution指定這是一個新的分析，類型為靜態(tài)分析(這是缺省值)。2施加載荷與邊界條件：點擊【DefineLoads】->【Apply】->【Structural】->【Displacement】->【SymmetryB.C.】->【OnLines】，分別選擇對應的對稱邊界，單擊OK。模型求解-Solution2施加載荷與邊界條件：點擊【DefineLoads】->【Apply】->【Structural】->【Temperature】->【FromThermAnaly】，在彈出的對話框中單擊【Browse…】選擇熱分析結果的對應的th文件。模型求解-Solution3求解：點擊【Solution】->【Solve】->【CurrentLS】，在彈出的對