ANSYS多物理耦合场有限元分析学习教案

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1、会计学1ANSYS多物理多物理(wl)耦合场有限元分析耦合场有限元分析第一页，共162页。ANSYSANSYS多物理多物理(wl)(wl)耦合场有限元分析耦合场有限元分析结构结构-热耦合分析热耦合分析流体流体(lit)-固体耦合分析固体耦合分析第1页/共162页第二页，共162页。ANSYSANSYS热分析热分析(fnx)(fnx)第2页/共162页第三页，共162页。ANSYSANSYS热分析热分析(fnx)(fnx)第3页/共162页第四页，共162页。Tnq*dTdnndirection in gradient thermalre temperatundirection in ty co

2、nductivi thermalWhere,ndirection in areaunit per rate flowheat *nTTKnTKqnnnnANSYSANSYS热分析热分析(fnx)(fnx)第4页/共162页第五页，共162页。TsTBre temperatufluidbulk re temperatusurfacetcoefficien film convective Where,fluid and surfacebetween areaunit per rate flowheat )(*BSfBSfTThTThqANSYSANSYS热分析热分析(fnx)(fnx)第5页/共1

3、62页第六页，共162页。程。程。0generatedboundary heout thru tboundary ein thru thstoredEEEEANSYSANSYS热分析热分析(fnx)(fnx)第6页/共162页第七页，共162页。常用(chn yn)的热单元类型材料特性材料特性至少至少(zhsho)(zhsho)需要需要 Kxx Kxx 稳态分析热传导系数。稳态分析热传导系数。如果是瞬态分析，则需要比热如果是瞬态分析，则需要比热 (C) (C) 。优先设置为优先设置为 “thermal” “thermal” （热分析），在（热分析），在 GUI GUI 方式中只显示热材料特性。

4、方式中只显示热材料特性。实常数实常数主要用于壳和线单元。主要用于壳和线单元。ANSYSANSYS热分析热分析第7页/共162页第八页，共162页。ANSYSANSYS热分析热分析(fnx)(fnx)第8页/共162页第九页，共162页。相应的节点相应的节点(ji din)处的有限元平衡方程为处的有限元平衡方程为:0.qzTkzyTkyxTkxzzyyxxQKT ANSYSANSYS热分析热分析第9页/共162页第十页，共162页。可以在非线性分析中用于估计可以在非线性分析中用于估计随温度变化材料特性的初值。随温度变化材料特性的初值。n热流率热流率n是集中节点载荷。正的热流率是集中节点载荷。正的

5、热流率表示热量流入模型。热流率同表示热量流入模型。热流率同样可以施加在关键点上。此载样可以施加在关键点上。此载荷通常荷通常(tngchng)用于不能施用于不能施加对流和热通量的情况下。施加对流和热通量的情况下。施加该载荷到热传导率相差很大加该载荷到热传导率相差很大的区域上时应注意。的区域上时应注意。ANSYSANSYS热分析热分析(fnx)(fnx)第10页/共162页第十一页，共162页。热流密度值表示热量流入模型。热流密度值表示热量流入模型。n热生成率热生成率n作为体载荷施加，代表体内生作为体载荷施加，代表体内生成的热，单位是单位体积内的成的热，单位是单位体积内的热流率。热流率。ANSYS

6、ANSYS热分析热分析(fnx)(fnx)第11页/共162页第十二页，共162页。荷荷(对流对流(duli)、热流密度、热流密度)n4. 体载荷体载荷 - 体积或场载荷体积或场载荷（热生成）（热生成）ANSYSANSYS热分析热分析(fnx)(fnx)第12页/共162页第十三页，共162页。ANSYSANSYS热分析热分析(fnx)(fnx)第13页/共162页第十四页，共162页。由于受随时间变化的载荷和边界条件由于受随时间变化的载荷和边界条件,如果需要知道系统随时间的响应，就需要进行瞬态分析如果需要知道系统随时间的响应，就需要进行瞬态分析 。热能热能(rnng)存储效应在稳态分析中忽略

7、，在此要考虑进去。时间，在稳态分析中只用于计数，现在有了确定的物理含义。存储效应在稳态分析中忽略，在此要考虑进去。时间，在稳态分析中只用于计数，现在有了确定的物理含义。涉及到相变的分析总是瞬态分析。涉及到相变的分析总是瞬态分析。时变时变(sh bin)载荷载荷时变响应时变响应ANSYSANSYS热分析热分析第14页/共162页第十五页，共162页。除了导热系数除了导热系数 (k), 还要定义密度还要定义密度 (r) 和和 比热比热 (c ) 。 稳态分析和瞬态分析对明显的区别在于加载和求解稳态分析和瞬态分析对明显的区别在于加载和求解(qi ji) 过程。过程。* MASS71热质量单元比较特殊

8、热质量单元比较特殊(tsh)，它能够存贮热能单不能传导，它能够存贮热能单不能传导热能。因此，本单元不需要热传导系热能。因此，本单元不需要热传导系数。数。ANSYSANSYS热分析热分析第15页/共162页第十六页，共162页。回忆线性系统热分析的控制方程矩阵形式。热存储项的计入将静态系统转变为瞬态系统回忆线性系统热分析的控制方程矩阵形式。热存储项的计入将静态系统转变为瞬态系统:在瞬态分析中，载荷随时间变化在瞬态分析中，载荷随时间变化. . . . . 或或,对于对于(duy)非线性瞬态分析非线性瞬态分析, 时间时间 和和 温度温度: QTKTC tQTKTC tTQTTKTTC,热存储项热存储

9、项 = (比热矩阵比热矩阵) x (时间对温度时间对温度(wnd)的的微分微分)ANSYSANSYS热分析热分析第16页/共162页第十七页，共162页。选择选择(xunz)合理的时间步很重要，它影响求解的精度和收敛性。合理的时间步很重要，它影响求解的精度和收敛性。如果时间步长如果时间步长 太小太小, 对于有中间节点的单元会形成不对于有中间节点的单元会形成不切实际的振荡切实际的振荡(zhndng)，造成温度结果不真实。，造成温度结果不真实。TtD D t如果时间步长如果时间步长 太大太大, 就不能得到就不能得到足够的温度梯度。足够的温度梯度。一种方法是先指定一个相对较保守的初始时间步长，然后使

10、用自动时间步长按需要增加时间步。下面说明使用自动时间步长大致估计初始时间步长的方法。一种方法是先指定一个相对较保守的初始时间步长，然后使用自动时间步长按需要增加时间步。下面说明使用自动时间步长大致估计初始时间步长的方法。ANSYSANSYS热分析热分析第17页/共162页第十八页，共162页。在瞬态热分析中大致估计初始时间步长，可以使用在瞬态热分析中大致估计初始时间步长，可以使用Biot和和Fourier数。数。 Biot 数数 是无量纲的对流和传导热阻的比率是无量纲的对流和传导热阻的比率:其中其中(qzhng) D x是名义单元宽度是名义单元宽度, h是平均对流换热系数，是平均对流换热系数，

11、K 是平均导热系数。是平均导热系数。Fourier 数数 是无量纲的时间是无量纲的时间(Dt/t ) , 对于宽度为对于宽度为D x 的单元它量化了热传导与热存储的相对比率的单元它量化了热传导与热存储的相对比率:其中其中(qzhng) r 和和 c 是平均的密度和比热。是平均的密度和比热。KxhBiD2)( xctKFoDDANSYSANSYS热分析热分析(fnx)(fnx)第18页/共162页第十九页，共162页。如果如果Bi 1: 时间步长可以用时间步长可以用Fourier 和和 Biot数的乘积预测数的乘积预测:求解求解 D t 得到得到: (Again, where 0.1 b 0.5

12、)时间步长的预测精度随单元宽度的取值，材料特性的平均方法和比例因子时间步长的预测精度随单元宽度的取值，材料特性的平均方法和比例因子b 而变化。而变化。DDDDDxcthKxhxctKBiFo2)(cKandwherexKxctDDD5 . 01 . 0,)()(22hxctDDANSYSANSYS热分析热分析(fnx)(fnx)第19页/共162页第二十页，共162页。ANSYS缺省情况下是稳态分析。使用下列求解缺省情况下是稳态分析。使用下列求解(qi ji)菜单指定要进行瞬态分析菜单指定要进行瞬态分析:“FULL” 是瞬态热分析(fnx)唯一可以使用的选项。7. 用户要输入求解选项，并不是只

13、对热分析有效用户要输入求解选项，并不是只对热分析有效 (如求解器，如求解器，N-R 选项等选项等)143256ANSYSANSYS热分析热分析第20页/共162页第二十一页，共162页。初始条件初始条件 必须必须(bx)对模型的每个温度自由度定义，使得时间积分过程得以开始。对模型的每个温度自由度定义，使得时间积分过程得以开始。施加在有温度约束的节点上的初始条件被忽略。施加在有温度约束的节点上的初始条件被忽略。根据初始温度域的性质，初始条件可以用以下方法之一指定根据初始温度域的性质，初始条件可以用以下方法之一指定:注注: 如果如果(rgu)没没有指定初始温度，有指定初始温度，初始初始DOF数值为

14、数值为0。ANSYSANSYS热分析热分析(fnx)(fnx)第21页/共162页第二十二页，共162页。如果整个模型的初始温度为均匀如果整个模型的初始温度为均匀(jnyn)且非且非0，使用下列菜单指定，使用下列菜单指定:1234ANSYSANSYS热分析热分析(fnx)(fnx)第22页/共162页第二十三页，共162页。如果模型的初始温度分布已知但不均匀，使用这些菜单将初始条件施加在特定如果模型的初始温度分布已知但不均匀，使用这些菜单将初始条件施加在特定(tdng)节点上节点上:4. 用图形选取或输入点号的方法确定要建立初始温度的节点。用图形选取或输入点号的方法确定要建立初始温度的节点。5

15、. 单击单击 OK.注注: 当手动或借助于输入文件输入当手动或借助于输入文件输入IC命令命令(mng lng)时，可以使用节点组元名来区分节点。时，可以使用节点组元名来区分节点。12354ANSYSANSYS热分析热分析第23页/共162页第二十四页，共162页。注注: 没有定义没有定义DOF初始温度的节点其初始温度缺省为初始温度的节点其初始温度缺省为TUNIF命令命令(mng lng)指定的均匀数值。指定的均匀数值。6.选择选择 DOF 标记标记(bioj) “TEMP”。7. 指定初始温度数值。指定初始温度数值。8. 完成后单击完成后单击OK。单击。单击APPLY重复操作，将初始温度指定到

16、其它节点上。重复操作，将初始温度指定到其它节点上。678ANSYSANSYS热分析热分析第24页/共162页第二十五页，共162页。当模型中的初始温度分布是不均匀且未知的，单载荷步的稳态热分析当模型中的初始温度分布是不均匀且未知的，单载荷步的稳态热分析(fnx)可以用来确定瞬态分析可以用来确定瞬态分析(fnx)前的初始温度。要这样做，按照下列步骤前的初始温度。要这样做，按照下列步骤:1. 稳态第一载荷步稳态第一载荷步:进入求解器，使用稳态分析进入求解器，使用稳态分析(fnx)类型。类型。施加稳态初始载荷和边界条件。施加稳态初始载荷和边界条件。为了方便，指定一个很小的结束时间为了方便，指定一个很

17、小的结束时间 (如如1E-3 秒秒)。避免使用非常小的时间数值。避免使用非常小的时间数值 ( 1E-10) 因为可能形成数值错误。因为可能形成数值错误。指定其它所需的控制或设置指定其它所需的控制或设置 (如非线性控制如非线性控制)。求解当前载荷步。求解当前载荷步。ANSYSANSYS热分析热分析(fnx)(fnx)第25页/共162页第二十六页，共162页。施加瞬态分析控制和设置。施加瞬态分析控制和设置。求解之前求解之前, 打开时间积分打开时间积分(jfn):求解当前瞬态载荷步。求解当前瞬态载荷步。求解后续载荷步。时间积分求解后续载荷步。时间积分(jfn)效果保持打开直到在后面的载荷步中关闭为

18、止。效果保持打开直到在后面的载荷步中关闭为止。2. 后续后续(hux)载荷步为瞬态载荷步为瞬态:在第二个载荷步中，根据第一个载荷步施加载荷和边界条件。记住删除第一个载荷步中多余的载荷。在第二个载荷步中，根据第一个载荷步施加载荷和边界条件。记住删除第一个载荷步中多余的载荷。1234ANSYSANSYS热分析热分析第26页/共162页第二十七页，共162页。象刚刚说明的那样象刚刚说明的那样, 稳态分析可以迅速的变为瞬态分析，只要简单的在后续载荷步中将时间积分效果打开。稳态分析可以迅速的变为瞬态分析，只要简单的在后续载荷步中将时间积分效果打开。同样，瞬态分析可以变成稳态分析，只要简单的在后续载荷步中

19、将时间积分效果关闭。同样，瞬态分析可以变成稳态分析，只要简单的在后续载荷步中将时间积分效果关闭。结论结论(jiln): 从求解方法来说，瞬态分析和稳态分析的差别就在于时间积分。从求解方法来说，瞬态分析和稳态分析的差别就在于时间积分。ANTYPE,TRANS + TIMINT,OFF ANTYPE,STATICANTYPE,STATIC + TIMINT,ON ANTYPE,TRANSANSYSANSYS热分析热分析(fnx)(fnx)第27页/共162页第二十八页，共162页。在本例中，不是在分析的开始关闭在本例中，不是在分析的开始关闭(gunb)时间积分效果来建立初始条件，而是在分析的结束关

20、闭时间积分效果来建立初始条件，而是在分析的结束关闭(gunb)时间积分来时间积分来“加速加速”瞬态。瞬态。通常，分析的目标将将瞬态热现象通常，分析的目标将将瞬态热现象(xinxing)中最严重的温中最严重的温度梯度定量。这些梯度通常在瞬态的初始阶段发生度梯度定量。这些梯度通常在瞬态的初始阶段发生,并在系统并在系统进入稳态时随时间衰减。进入稳态时随时间衰减。当系统响应稳定后，后面的结果就没有意义了，分析可以简当系统响应稳定后，后面的结果就没有意义了，分析可以简单的结束或如果稳态温度场也需要得到，就在最后载荷步关单的结束或如果稳态温度场也需要得到，就在最后载荷步关闭时间积分效果。闭时间积分效果。注

21、意改变到稳态边界时的突变注意改变到稳态边界时的突变。最后一个载荷步的终止时间。最后一个载荷步的终止时间可以是任意的可以是任意的,但必须比前面但必须比前面的瞬态载荷步时间数值要大。的瞬态载荷步时间数值要大。ANSYSANSYS热分析热分析第28页/共162页第二十九页，共162页。打开控制打开控制 用于在当瞬态热分析接近稳态时让自动时间步用于在当瞬态热分析接近稳态时让自动时间步 “打开打开”(增加增加)时间步长。在缺省情况下，如果连续时间步长。在缺省情况下，如果连续3个子步间的最大温度变化都小于个子步间的最大温度变化都小于 0.1个温度单位，那么时间步长将迅速增加以提高效率。这个控制只能在求解控

22、制中实现。用这些菜单个温度单位，那么时间步长将迅速增加以提高效率。这个控制只能在求解控制中实现。用这些菜单(ci dn)改变设置改变设置:3. 指定温度指定温度(wnd)。4. 指定门槛值。指定门槛值。5. 指定子步数。指定子步数。6. 单击单击OK。123456ANSYSANSYS热分析热分析第29页/共162页第三十页，共162页。要准确模拟系统的瞬态响应，载荷必须以正确的幅值，在正确的时间和正确的速率施加。要准确模拟系统的瞬态响应，载荷必须以正确的幅值，在正确的时间和正确的速率施加。回忆一下载荷在载荷步中相对时间可以是阶跃的或渐变的回忆一下载荷在载荷步中相对时间可以是阶跃的或渐变的:AN

23、SYS 缺省是渐变加载的。渐变加载可以提高瞬态求解的适应性，如果缺省是渐变加载的。渐变加载可以提高瞬态求解的适应性，如果(rgu)有非线性时可以提高收敛性。参考第有非线性时可以提高收敛性。参考第4章学习章学习ANSYS如何处理渐变载荷。如何处理渐变载荷。ANSYSANSYS热分析热分析(fnx)(fnx)第30页/共162页第三十一页，共162页。要模拟阶跃载荷，将载荷在很短的时间内渐变施加到全值，然后在后续(hux)载荷步中保持不变。问题问题: 对茶壶进行瞬态热分析。在底上施加热流模拟炉子对茶壶进行瞬态热分析。在底上施加热流模拟炉子(l zi)的加热。热流载荷应该是的加热。热流载荷应该是阶跃

24、的还是渐变的如果阶跃的还是渐变的如果 . . .1. 茶壶在一个刚燃着的炉子茶壶在一个刚燃着的炉子(l zi)上上2. 茶壶载一个已经很热的炉子茶壶载一个已经很热的炉子(l zi)上上ANSYSANSYS热分析热分析第31页/共162页第三十二页，共162页。当进行直接耦合时当进行直接耦合时, 多个物理场（如热多个物理场（如热电）的自由度同时进行计算。这称为直接方法，适用于多个物理场各自的响应互相依赖的情况电）的自由度同时进行计算。这称为直接方法，适用于多个物理场各自的响应互相依赖的情况(qngkung)。由于平衡状态要满足多个准则才能取得，直接耦合分析往往是非线性的。每个结点上的自由度越多，

25、矩阵方程就越庞大，耗费的机时也越多。由于平衡状态要满足多个准则才能取得，直接耦合分析往往是非线性的。每个结点上的自由度越多，矩阵方程就越庞大，耗费的机时也越多。下表列出了下表列出了ANSYS中可以用作直接耦合分析的单元中可以用作直接耦合分析的单元类型。不是所有单元都有温度自由度。类型。不是所有单元都有温度自由度。结构结构- -热耦合分析热耦合分析第32页/共162页第三十三页，共162页。结构结构(jigu)-(jigu)-热耦合分析热耦合分析第33页/共162页第三十四页，共162页。铝板的温度铝板的温度(wnd)将影响材料弹塑性特性和将影响材料弹塑性特性和热应变。热应变。机械和热载荷使得板

26、产生大应变。新的热分析机械和热载荷使得板产生大应变。新的热分析必须计入形状改变。必须计入形状改变。结构结构- -热耦合分析热耦合分析第34页/共162页第三十五页，共162页。传导线圈在钢芯周围产生电磁场。该区域传导线圈在钢芯周围产生电磁场。该区域 的交变电的交变电流在钢芯内产生焦耳热。流在钢芯内产生焦耳热。钢芯在热作用下产生高温，由于温度变化梯度很大钢芯在热作用下产生高温，由于温度变化梯度很大，因此必须考虑钢芯材料特性随温度的变化。而且，因此必须考虑钢芯材料特性随温度的变化。而且，磁场变化的强度和方向，磁场变化的强度和方向(fngxing)都会改变。都会改变。象这种电磁场谐波分析，只要得出磁

27、向量势象这种电磁场谐波分析，只要得出磁向量势A，就能计就能计算出电流密度向量算出电流密度向量J。它用来计算下式中的焦耳热它用来计算下式中的焦耳热:22maxRIPowerRMSQj结构结构- -热耦合分析热耦合分析第35页/共162页第三十六页，共162页。结构结构(jigu)-(jigu)-热耦合分析热耦合分析第36页/共162页第三十七页，共162页。结构结构(jigu)-(jigu)-热耦合分析热耦合分析第37页/共162页第三十八页，共162页。热热 结构结构热热 结构结构许多问题需要热到结构许多问题需要热到结构 的耦合的耦合(温度引起的热膨胀温度引起的热膨胀)但反之不可但反之不可 结

28、构到热结构到热 耦合是可以忽略的耦合是可以忽略的(小的应变将不对初始的热分析小的应变将不对初始的热分析(fnx)结果产生影响结果产生影响)在实用问题中，这种方法比直接耦合要方便一些，因为分析使用的是单场单元，不用进行多次迭代计算。在实用问题中，这种方法比直接耦合要方便一些，因为分析使用的是单场单元，不用进行多次迭代计算。结构结构- -热耦合分析热耦合分析第38页/共162页第三十九页，共162页。叶片和盘中的温度会产生热膨胀应变。这会显著影叶片和盘中的温度会产生热膨胀应变。这会显著影响应力响应力(yngl)状态。状态。由于应变较小，而且接触区域是平面对平面的，因由于应变较小，而且接触区域是平面

29、对平面的，因此温度解不用更新。此温度解不用更新。Disk SectorAirfoilPlatformRoot下面是有关热现象的一些可以使用间接耦合方法下面是有关热现象的一些可以使用间接耦合方法(fngf)进行分析的例子进行分析的例子:热热-结构结构:透平机叶片部件分析透平机叶片部件分析这种分析又叫做热应力分析。这种分析又叫做热应力分析。这合非常典型的分析类型将在后面有更加详细的描述。这合非常典型的分析类型将在后面有更加详细的描述。结构结构- -热耦合分析热耦合分析第39页/共162页第四十页，共162页。热热-电电:嵌于玻璃嵌于玻璃(b l)盘的电热器盘的电热器嵌于玻璃盘的电热器中有电流。这使

30、得嵌于玻璃盘的电热器中有电流。这使得电线中有焦耳热产生。电线中有焦耳热产生。 由于热效应，电线和盘中温度增加。由由于热效应，电线和盘中温度增加。由于系统的温度变化于系统的温度变化(binhu)不大，热引不大，热引起的电阻变化起的电阻变化(binhu)被忽略。因此，被忽略。因此，电流也是不变的。电流也是不变的。当电压当电压V求解后，可以用于下式中求解焦求解后，可以用于下式中求解焦耳热耳热:RVPowerQj2+ V -结构结构- -热耦合分析热耦合分析第40页/共162页第四十一页，共162页。结构结构(jigu)-(jigu)-热耦合分析热耦合分析第41页/共162页第四十二页，共162页。单

31、元类型单元类型(lixng)和选项和选项节点和单元坐标系节点和单元坐标系耦合和约束方程耦合和约束方程分析和载荷步选项分析和载荷步选项载荷和边界条件载荷和边界条件GUI 界面和标题界面和标题在建立带有物理环境的模型时，要选择在建立带有物理环境的模型时，要选择相容于所有物理场的单元类型。例如，相容于所有物理场的单元类型。例如， 8节点的热块单元与节点的热块单元与8节点的结构块单元节点的结构块单元相容，而不与相容，而不与10节点结构单元相容节点结构单元相容:yesno在使用降阶单元形状时要注意。具有相同基本形状的单元不一定支持该种单元的降阶模式。结构结构- -热耦合分析热耦合分析第42页/共162页

32、第四十三页，共162页。结构结构(jigu)-(jigu)-热耦合分析热耦合分析第43页/共162页第四十四页，共162页。这种划分方法在热分析中可以得到满意的温度分布，但. . . . . 这样的网格密度在结构分析中才能得到准确的结果。结构结构(jigu)-(jigu)-热耦合分析热耦合分析第44页/共162页第四十五页，共162页。结构结构(jigu)-(jigu)-热耦合分析热耦合分析第45页/共162页第四十六页，共162页。1热模型热模型(mxng)自动转换为结构模型自动转换为结构模型(mxng)，使用，使用ETCHG 命令命令(见相应单元见相应单元表格表格)。温度可以直接从热分析结

33、果文件读出温度可以直接从热分析结果文件读出并使用并使用LDREAD 命令施加到结构模型上命令施加到结构模型上。结构结构- -热耦合分析热耦合分析第46页/共162页第四十七页，共162页。2结构结构(jigu)-(jigu)-热耦合分析热耦合分析第47页/共162页第四十八页，共162页。相同相同(xin tn)网格网格?5A. 将热模型转换将热模型转换(zhunhun)为结构为结构模型模型 (ETCHG)5a. 清除热网格并建立结构清除热网格并建立结构网格网格Yes(Option 1)No (Option 2)5B. 读入热载荷读入热载荷 (LDREAD)5b.写节点文件写节点文件(NWRI

34、TE) 并存储结构文件并存储结构文件5c.读入热模型并进行温度读入热模型并进行温度插值插值 (BFINT)5d. 读入结构模型并读入体读入结构模型并读入体载荷文件载荷文件 (/INPUT)6. 指定分析类型，分析选项和指定分析类型，分析选项和载荷步选项载荷步选项7. 指定参考温度并施加其它结指定参考温度并施加其它结构载荷构载荷8. 存储并求解存储并求解9. 后处理后处理结束结束 1.建立，加载，求解热建立，加载，求解热模型模型2.后处理确定要传到结后处理确定要传到结构的温度构的温度3. 设置设置 GUI过滤，改过滤，改变工作文件名并删除变工作文件名并删除热载荷，热载荷， CEs, CPs4.定

35、义结构材料特性定义结构材料特性开始开始 结构结构- -热耦合分析热耦合分析第48页/共162页第四十九页，共162页。1.建立热模型并进行瞬态或稳态热分析，得到节点上的温度。建立热模型并进行瞬态或稳态热分析，得到节点上的温度。2.查看查看(chkn)热结果并确定大温度梯度的时间点热结果并确定大温度梯度的时间点 (或载荷步或载荷步/子步子步)。3a. 将将GUI过滤设置为过滤设置为“Structural” 和和 “Thermal”。3b.改变工作文件名。改变工作文件名。213b下面下面(xi mian)是热是热-应力分析的每步细节。应力分析的每步细节。3a结构结构- -热耦合分析热耦合分析第49

36、页/共162页第五十页，共162页。3c. 删除删除(shnch)所有热载荷所有热载荷3d. 删除删除(shnch)耦合序列和约束方程耦合序列和约束方程3d3c结构结构(jigu)-(jigu)-热耦合分析热耦合分析第50页/共162页第五十一页，共162页。4. 定义结构定义结构(jigu)材料特性，包括热膨胀系数材料特性，包括热膨胀系数 (ALPX)。4非线性材料(cilio)特性如塑性和蠕变在数据表格下定义结构结构- -热耦合分析热耦合分析第51页/共162页第五十二页，共162页。下面两页下面两页 (步骤步骤 5A 和和 5B)假设热网格在结构假设热网格在结构(jigu)中同样使用中同

37、样使用 (选项选项 1).5A. 改变单元类型，从热到结构改变单元类型，从热到结构(jigu) (ETCHG 命令命令):检查实常数检查实常数(chngsh)和单元选项是否正确。和单元选项是否正确。5AResets optionsRetains options结构结构- -热耦合分析热耦合分析第52页/共162页第五十三页，共162页。5B. 从热分析中施加从热分析中施加(shji)温度体载荷温度体载荷(LDREAD 命令命令):9. Solve current load step5B确定温度结果文件确定结果的时间和子步结构结构(jigu)-(jigu)-热耦合分析热耦合分析第53页/共162

38、页第五十四页，共162页。下面六页下面六页 (步骤步骤 5a-5d) 假设热网格不在结构模型假设热网格不在结构模型(mxng)中使用中使用 (选项选项2)。5a.清除热网格清除热网格 . . . 删除热单元类型并定义删除热单元类型并定义(dngy)结构单元类型结构单元类型. . .改变网格控制并划分结构模型。改变网格控制并划分结构模型。结构结构- -热耦合分析热耦合分析第54页/共162页第五十五页，共162页。5b.选择温度体载荷选择温度体载荷(zi h)的所有节点并写入节点文件。的所有节点并写入节点文件。5b指定(zhdng)节点文件名结构结构- -热耦合分析热耦合分析第55页/共162页

39、第五十六页，共162页。5c.存储结构模型，将工作存储结构模型，将工作(gngzu)文件名改为热工作文件名改为热工作(gngzu)文件名，读入热数据库文件名，读入热数据库. . .进入通用后处理器进入通用后处理器 . . . 结构结构(jigu)-(jigu)-热耦合分析热耦合分析第56页/共162页第五十七页，共162页。读入需要读入需要(xyo)的结果序列，并的结果序列，并 . . . 进行体载荷插值进行体载荷插值:节点(ji din)文件名写出的载荷文件名用于写多个载荷文件使用体-体结构结构- -热耦合分析热耦合分析第57页/共162页第五十八页，共162页。有些情况下热网格和结构网格并

40、不完全一致。这时，有些情况下热网格和结构网格并不完全一致。这时，ANSYS对超过热模型的结对超过热模型的结构模型节点进行体载荷插值。构模型节点进行体载荷插值。缺省的判断准则是看插值的结构节点到热单元边界的距离是否小于单元边长的缺省的判断准则是看插值的结构节点到热单元边界的距离是否小于单元边长的0.5 倍。一个在倍。一个在5.4版没有版没有(mi yu)写入手册的特性允许用户控制该公差数值：写入手册的特性允许用户控制该公差数值： 本命令没有本命令没有(mi yu)GUI路径。因此，命令只能在输入窗口中手工输入。路径。因此，命令只能在输入窗口中手工输入。BFINT, Fname1, Ext1, D

41、ir1, Fname2, Ext2, Dir2, KPOS, Clab, KSHS, EXTOL例如: 如果(rgu)结构网格包括在热模型中不存在的圆角时，许多节点将落在热模型的外面。如果(rgu)圆角足够大而且热模型足够细致，圆角区域的载荷将不能写出。Using the default tolerance, these two nodes would not be assigned a load热网格热网格结构网格边界结构网格边界结构结构- -热耦合分析热耦合分析第58页/共162页第五十九页，共162页。5d. 退出通用后处理器，将工作文件名改为结构工作文件名，读入结构数据库退出通用后处理

42、器，将工作文件名改为结构工作文件名，读入结构数据库. . .进入求解器进入求解器 . . .读入载荷读入载荷(zi h)文件施加温度载荷文件施加温度载荷(zi h):结构结构(jigu)-(jigu)-热耦合分析热耦合分析第59页/共162页第六十页，共162页。6a.定义结构分析类型定义结构分析类型(缺省为静态缺省为静态(jngti)6b.指定分析选项指定分析选项 (如求解器选项如求解器选项)6c.指定载荷步选项指定载荷步选项(如，输出控制如，输出控制)6a6b6c结构结构(jigu)-(jigu)-热耦合分析热耦合分析第60页/共162页第六十一页，共162页。7a.设置求解热膨胀时自由应

43、变参考设置求解热膨胀时自由应变参考(cnko)温度温度 (TREF):7结构结构(jigu)-(jigu)-热耦合分析热耦合分析第61页/共162页第六十二页，共162页。7b.施加其它施加其它(qt)结构载荷。结构载荷。8.存储模型并求解当前载荷步。存储模型并求解当前载荷步。7b989. 结果结果(ji gu)后处理后处理:结构结构- -热耦合分析热耦合分析第62页/共162页第六十三页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)第63页/共162页第六十四页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)第64页/

44、共162页第六十五页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)第65页/共162页第六十六页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)第66页/共162页第六十七页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)第67页/共162页第六十八页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)第68页/共162页第六十九页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)第69页/共162页第七十页，共162页

45、。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第70页/共162页第七十一页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第71页/共162页第七十二页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第72页/共162页第七十三页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第73页/共162页第七十四页，共162页。 固定支撑：为确保薄板的底部固定于平板，需要设置固定支撑条件。右击目录树中Transient Stress，在

46、快捷菜单中选择Insert Fixed Support用旋转键 旋转几何模型，以便可以看见(kn jin)模型底面（low-y），然后选择 并点击底面（low-y）在Details窗口，选择Geometry，然后点击No Selection使Apply按钮出现（如果需要）。点击Apply以设置固支。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第74页/共162页第七十五页，共162页。(fngbin)的通过钮在流固界面上选择三个面（low-x, high-y and high-x faces），注意这样会自动生成1个流固界面。ANSYSANSYS流流- -固耦

47、合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第75页/共162页第七十六页，共162页。Tabular Data面板，在表中相对应于时间为0 s设置压力为100 pa表中需要继续输入两排参数，100 pa对应于0.499 s， 0 pa对应于0.5 s模拟中固体问题(wnt)的描述加入载荷ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第76页/共162页第七十七页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第77页/共162页第七十八页，共162页。OscillatingPlate.点击 Save.ANSYSANS

48、YS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第78页/共162页第七十九页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第79页/共162页第八十页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第80页/共162页第八十一页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第81页/共162页第八十二页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第82页/共162页第八十三页，共162页。ANSY

49、SANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第83页/共162页第八十四页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第84页/共162页第八十五页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第85页/共162页第八十六页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第86页/共162页第八十七页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第87页/共162页第八十八页，共162页

50、。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第88页/共162页第八十九页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第89页/共162页第九十页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第90页/共162页第九十一页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第91页/共162页第九十二页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第92页/共162页第九十三页，共

51、162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第93页/共162页第九十四页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第94页/共162页第九十五页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第95页/共162页第九十六页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第96页/共162页第九十七页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第97页/共162页第九

52、十八页，共162页。ANSYSANSYS流流- -固耦合分析固耦合分析(fnx)(fnx)示例示例第98页/共162页第九十九页，共162页。使用间接方法进行热使用间接方法进行热应力应力(yngl)分析的实例分析的实例本节描述了一个利用间接方法进行热本节描述了一个利用间接方法进行热-应力应力(yngl)分析的简单例子分析的简单例子一个长厚壁双层圆管，内壁温度为Ti，外壁温度为To，其他参数如下图所示。求解(qi ji)温度沿径向的分布，轴向应力及环向应力。第99页/共162页第一百页，共162页。间接方法进行本问题分析基本步骤如下：1定义并求解热分析问题；2回到前处理(/PREP7)。转换单元

53、类型，添加材料属性(shxng)，设定结构边界条件；3从热分析结果文件中读入温度；4求解结构问题。第100页/共162页第一百零一页，共162页。/batch,list/show/title,thermalstress in concentric cylinders - indirect method/prep7et,1,plane77,1! PLANE77 axisymmetric optionmp,kxx,1,2.2! Steel conductivitymp,kxx,2,10.8! Aluminum conductivityrectng,.1875,.4,0,.05! Modelrect

54、ng,.4,.6,0,.05aglue,allnumcmp,areaasel,s,area,1!Assign attributes to solid modelaatt,1,1,1asel,s,area,2第101页/共162页第一百零二页，共162页。aatt,2,1,1asel,allesize,.05amesh,all! Mesh modelnsel,s,loc,x,.1875d,all,temp,200! Apply thermal loadsnsel,s,loc,x,.6d,all,temp,70nsel.allfinish /solusolvefinish第102页/共162页第一

55、百零三页，共162页。/post1path,radial,2! Definepath name and number of path pointsppath,1,.1875! Define path by locationppath,2,.6pdef,temp,temp! Interpret temperature to pathpaget,path,points,radial! Archive path points in array pathplpath,temp! Plot temperature solutionfinish第103页/共162页第一百零四页，共162页。/prep7e

56、t,1,82,1! Switch to structural element, SOLID82mp,ex,1,30e6! Define structural steel propertiesmp,alpx,1,.65e-5mp,nuxy,1,.3mp,ex,2,10.6e6! Define aluminum structural propertiesmp,aplx,2,1.35e-5mp,nuxy,2,.33nsel,s,loc,y,.05! Apply structural boundary conditionscp,1,uy,allnsel,s,loc,x,.1875cp,2,ux,all

57、nsel,s,loc,y,0d,all,uy,0nsel,allfinish第104页/共162页第一百零五页，共162页。/solutref,70ldread,temp,rth! Read in temperatures from thermal runsolvefinish/post1paput,path,points!Restore pathpmap,mat!Set path mapping to handle material discontinuitypdef,sx,s,x! Interpret radial stresspdef,sz,s,z! Interpret hoop str

58、essplpath,sx,sz! Plot stressesplpagm,sx,node! Plot radial stress on path geometryfinish第105页/共162页第一百零六页，共162页。使用物理环境方法进行热使用物理环境方法进行热应力分析的实例应力分析的实例本节使用物理环境方法求解前一节中描述的热本节使用物理环境方法求解前一节中描述的热应力问题。应力问题。对于这样非常简单的问题，物理环境方法无法体现其优越性对于这样非常简单的问题，物理环境方法无法体现其优越性，因为它是一个简单的单向耦合问题。但全部求解结束后，因为它是一个简单的单向耦合问题。但全部求解结束后，

59、可以使用可以使用PHYSICS命令在不同物理环境之间迅速切换，以得命令在不同物理环境之间迅速切换，以得到不同物理环境下的结果。到不同物理环境下的结果。该问题用物理环境法处理基本步骤该问题用物理环境法处理基本步骤(bzhu)如下：如下：1定义热分析问题；定义热分析问题；2写入热分析物理环境文件；写入热分析物理环境文件；3清除热分析边界条件及选项清除热分析边界条件及选项4定义结构问题；定义结构问题；5写入结构分析物理环境文件；写入结构分析物理环境文件；6读入热分析物理环境文件；读入热分析物理环境文件；7热分析求解并进行后处理；热分析求解并进行后处理；第106页/共162页第一百零七页，共162页。

60、8读入结构分析物理环境(hunjng)文件；9从热分析结果文件中读入温度；10求解并后处理物理文件。/prep7et,1,plane77,1! PLANE77 axisymmetric optionsmp,kxx,1,2.2! Steel conductivitymp,kxx,2,10.8! Aluminum conductivityrectng,.1875,.4,0,.05! Modelrectng,.4,.6,0,.05aglue, allnumcmp,areaasel,s,area,1! Assign attributes to solid model第107页/共162页第一百零八页，

61、共162页。aatt,1,1,1asel,s,area,2aatt,2,1,1asel,allesize,.05amesh,all! Mesh modelnsel,s,loc,x,.1875d,all,temp,200! Apply thermal loadsnsel,s,loc,x,.6d,all,temp,70nsel,all,physics,write,thermal! Write the thermal physics filephysics,clear! Clear all bcs and options第108页/共162页第一百零九页，共162页。et,1,82,1! Switc

62、h to structural element, SOLID82mp,ex,1,30e6! Define structural steel propertiesmp,aplx,1,.65e-5mp,nuxy,1,.3mp,ex,2,10.6e6! Define aluminum structural propertiesmp,alpx,2,1.35e-5mp,nuxy,2,.33nsel,s,loc,y,.05!Apply structural boundary conditionscp,1,uy,allnsel,s,loc,x,.1875cp,2,ux,allnsel,s,loc,y,0d,

63、all,uy,0nsel,alltref,70第109页/共162页第一百一十页，共162页。physics,write,struct! Write structural physics filesave! Save databasefinish/soluphysics,read,thermal! Read thermal physics filesolve! Solve thermal problemfinish/post1path,radial,2! Definepath name and number of path pointsppath,1,.1875! Define path by

64、 locationppath,2,.6pdef,temp,temp! Interpret temperature to pathpaget,path,points! Archive path points in array pathplpath.temp! Plot temperature solutionfinish第110页/共162页第一百一十一页，共162页。/soluphysics,read,struct! Read structural physics fileldread,temp,rth! Read in temperatures from thermal runsolve!

65、Solve structural problemfinish/post1paput,path,points,radial! Restore pathpmap,mat!Set path mapping to handle material discontinuitypdef,sx,s,x! Interpret radial stresspdef,sz,s,z! Interpret hoop stressplpath,sx,sz! Plot stressesplpagm,sx,node! Plot radial stress on path geometryfinish第111页/共162页第一百

66、一十二页，共162页。使用物理环境方法进行流使用物理环境方法进行流固耦合分析的实例固耦合分析的实例本节中示例一个稳态流体本节中示例一个稳态流体结构相互作用的问题。此问题结构相互作用的问题。此问题将演示如何使非线性大变形将演示如何使非线性大变形(bin xng)结构分析与流体动力学分析进行结构分析与流体动力学分析进行相互耦合分析，以及如何在物理环境设定中使用相互耦合分析，以及如何在物理环境设定中使用NULL单元。单元。1 问题描述问题描述流道中有一橡胶垫阻碍水的流动，入口流速为流道中有一橡胶垫阻碍水的流动，入口流速为0.35m/s（如图），（如图），其他参数将在命令流中详细给出。求解水通过此流道的压力降，其他参数将在命令流中详细给出。求解水通过此流道的压力降，以及稳态条件下橡胶垫的变形以及稳态条件下橡胶垫的变形(bin xng)。2分析步骤分析步骤建立所要分析的流体及固体区域的模型。对于此问题应当创建建立所要分析的流体及固体区域的模型。对于此问题应当创建三个区域：（三个区域：（a）橡胶垫；）橡胶垫；(b)环绕橡胶垫的流体区域，要求网格环绕橡胶垫的流体区域，要求网格随移；随移；(c)纯流体