《热应力耦合分析》PPT课件.ppt

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1、Training Manual热结构耦合场分析 INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual热应力产生结构受热或变冷时，由于热胀冷缩产生变形。若变形受到某些限制 如位移约束或相反的压力 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）。由约束产生热应力由不同材料产生热应力耦合场分析概述 INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTROD

2、UCTION TO ANSYS 11.0Training Manual在 ANSYS 中求解热-应力问题有两种方法。这两种方法各有所长。顺序耦合-传统方法是使用两种单元类型，将热分析的结果作为结构的温度荷载。+当热瞬态分析时间点很多，但结构时间点很少时效率较高。+很容易用输入文件实现自动处理。直接耦合+比较新的方法，用一种单元类型就能求解两种物理场问题。+热和结构之间可实现真正的耦合。-在某些分析中可能耗费过多开销。耦合场分析概述 INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Trai

3、ning Manual顺序耦合方法涉及两种分析：1.先作稳态（或瞬态）热分析。建立热单元模型。施加热荷载。求解并检查结果。2.然后作静力结构分析。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特性。施加包括从热分析得到的温度在内的结构荷载。求解并检查结果。热分析结构分析jobname.rth jobname.rst温度 耦合场分析顺序耦合方法 INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual1.热分析该过程在第 11 章中描述。2.结构分析a)进

4、入前处理，把热单元类型转换成结构单元。 Main Menu Preprocessor Element Type Switch Elem Type注意：转换单元类型时，所有单元选项重新设置回原来缺省状态。例如，若用户在热分析中使用的 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元选项： Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete Options 或用 ETLIST 和 KEYOPT 命令耦合场分析顺序耦合方法 INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANS

5、YS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manualb)定义结构的材料性质 (EX等)，包括热膨胀系数 (ALPX) (若使用的是 ANSYS 提供的材料库，材料的热特性和结构特性均已定义，该项可以省略).注意：如果没有定义 ALPX ，或将该项设置为零，则不计算热应变。可以用该项技巧“关闭”温度的影响。c)指定静力分析类型，这一步只在热分析是瞬态分析时用。 Main Menu Solution Analysis Type New Analysis或用 ANTYPE 命令 耦合场分析顺序耦合方法 INTRODUCTION TO ANSYS 11.0I

6、NTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manuald)施加结构荷载，而把温度作为荷载的一部分。 Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Temperature From Therm Analy或用 LDREAD 命令。e)求解。f)观察应力结果。耦合场分析顺序耦合方法 INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual直接

7、耦合方法，通常只涉及用耦合单元的分析，单元必须包括热、结构的自由度。1.首先用以下耦合单元之一建立模型并划分网格。 PLANE13 (平面实体单元)。 SOLID5 (六面体单元)。 SOLID98 (四面体单元)。在模型上施加结构荷载、热荷载及约束。求解并查看热和结构结果。Combined热分析结构分析 jobname.rst 耦合场分析直接耦合方法 INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual顺序方法对非高度非线性耦合情况，顺序方法更有效、灵活，因为

8、它可以独立执行两种分析。 在顺序方法热-应力分析中，例如，在非线性瞬态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荷载。直接方法对耦合场是高度非线性情况，直接方法更好，并且该方法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分析及电路电磁分析。耦合场分析顺序耦合方法与直接耦合方法比较 Training Manual带散热片的轴对称管热应力耦合分析-顺序耦合 INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11

9、.0Training Manual13A.热应力分析 顺序耦合带散热片的轴对称管说明接上面练习12的轴对称散热片问题做一个热应力分析。如下所示，管内部有压力。顶部的线(在Y=1.0处)代表一个对称边界 , 我们将该线的所有节点的 UY自由度耦合起来。 INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual13A.热应力分析 顺序耦合带散热片的轴对称管载荷和边界条件从练习12的热分析获取节点温度 施加内压力10,000 psi在Y=1的节点处耦合自由度 UY在线上施

10、加对称边界条件 INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual1.按教师指定的工作目录，用 “pipe-th-str” 作为作业名，进入 ANSYS 。2.从练习12中恢复数据库文件 (或 pipe-th.db1): Utility Menu File Resume from 选择 “pipe-th.db”, 然后按 OK或用命令:RESUME,pipe-th,db3.在 GUI优选框中选择结构: Main Menu Preferences选择 “Stru

11、ctural”而不选 “Thermal”,然后按 OK4.改变标题: Utility Menu File Change Title .标题为 “2D AXI-SYMM THERMAL-STRESS ANALYSIS W/ INT. PRESS - ESIZE=0.125” OK 13A.热应力分析 顺序耦合带散热片的轴对称管 INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual5.删除实体模型边上的对流载荷: Main Menu Preprocessor Loa

12、ds Define Loads Delete All Load Data All SolidMod Lds OK或用命令:/PREP7LSCLEAR,SOLID6.将温度单元改为相应的结构单元: Main Menu Preprocessor Element Type Switch Elem Type选择 “Thermal to Struc”,然后按 OK检查警告信息窗, 然后按 Close或用命令: ETCHG,TTS 13A.热应力分析 顺序耦合带散热片的轴对称管 INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION

13、 TO ANSYS 11.0Training Manual13A.热应力分析 顺序耦合带散热片的轴对称管7.将单元选项设为轴对称: Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete Options .将 K3设为轴对称, 然后按 OK Close8.在练习 12 的热应力分析中施加温度荷载: Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural Temperature From Therm Analy选择结果文件 “pipe-th.rth” , 然后按 OK9.在线（Y=0 ）

14、上施加对称边界条件 : Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural Displacement Symmetry B.C. On Lines选择线 3, 5, 11, 然后按 OK INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual13A.热应力分析 顺序耦合带散热片的轴对称管10.将节点自由度（在Y=1） UY耦合:10a. 选择节点（在Y=1）: Utility Menu Select

15、 Entities .通过 “By Location”选择 “Nodes”选择 “Y coordinates”将 Min,Max设为 1,然后按 OK或用命令:NSEL,S,LOC,Y,110b.将选择的一组节点在 UY方向上耦合起来: Main Menu Preprocessor Coupling / Ceqn Couple DOFs Pick All将NSET设为 1将 Lab设为 UY,然后按 OK Utility Menu Select Everything或用命令: CP,1,UY,ALLALLSEL,ALL INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTIO

16、N TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual13A.热应力分析 顺序耦合带散热片的轴对称管11.将内部压力施加在线上: Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural Pressure On Lines拾取线 9和13, 然后按 OK将VALUE设为 1000, 然后按 OK或用命令:SFL,9,PRES,1000SFL,13,PRES,100012.通过显示体荷载检查温度载荷: Utility Menu PlotCtrls Symbols将体载荷符号设为

17、“Structural temps”,然后按 OK Utility Menu Plot Elements 或用命令:/PBF,TEMP, ,1EPLOT INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual13A.热应力分析 顺序耦合带散热片的轴对称管13.存储数据库并计算结果: Pick the “SAVE_DB” button in the Toolbar (or select: Utility Menu File Save as Jobname.db) M

18、ain Menu Solution Solve Current LS观察 “/STATUS Command”窗口并关闭 OK Close 在求解结束时关闭黄色信息框或用命令: :SAVE/SOLUSOLVE14.进入后处理并观察结果: Main Menu General Postproc 或用命令:/POST1 INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual13A.热应力分析 顺序耦合带散热片的轴对称管14a.显示位移: Main Menu General

19、 Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu拾取 “DOF solution”和 “Translation USUM”, 选择 “Def + undef edge”,然后按 OK或用命令:PLNSOL,U,SUM,2,1 INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual13A.热应力分析 顺序耦合带散热片的轴对称管14b.画 von Mises 应力: Main Menu General Postproc Pl

20、ot Results Contour Plot Nodal Solu拾取 “Stress” 和 “von Mises SEQV”, 选择 “Def shape only”, 然后按 OK或用命令:PLNSOL,S,EQV INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual13A.热应力分析 顺序耦合带散热片的轴对称管14c.画径向应力等值线图 : Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Noda

21、l Solu拾取 “Stress”和 “X-direction SX”,然后按 OK或用命令:PLNSOL,S,X INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual13A.热应力分析 顺序耦合带散热片的轴对称管14d.绕Y轴将轴对称的径向应力扩展90度，然后关于x-z 平面做镜面反射 : Utility Menu PlotCtrls Style Symmetry Expansion 2D Axi-Symmetric .拾取 “1/4 expansion” 然

22、后选择镜像,按 OK ISO或用命令:/EXPAND, 9,AXIS,10,2,RECT,HALF,0.00001/VIEW,1,1,1,1/REPLOT INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual13A.热应力分析 顺序耦合带散热片的轴对称管 INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual13A.热应力分析 顺序

23、耦合带散热片的轴对称管14e.画纵向(轴向)的应力图: Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu拾取 “Stress” 和 “Y-direction SY”, 然后按 OK或用命令:PLNSOL,S,Y INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual13A.热应力分析 顺序耦合带散热片的轴对称管14f.画切向应力 (周向或环向) : Main Menu General P

24、ostproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu拾取 “Stress”和 “Z-direction SZ”, 然后按 OK或用命令:PLNSOL,S,Z Training Manual带散热片的轴对称管热应力耦合分析-直接耦合 INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual13B.热应力分析 直接耦合带散热片的轴对称管说明在这个练习题中,我们将 用直接耦合方法重做前面的题目。 这个轴对称的散热片将被用来分析以前施加的

25、热和结构荷载。 INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual13B.热应力分析 直接耦合带散热片的轴对称管施加与练习 12 相同的荷载同时施加内部压力。内部压力 = 1000 psi INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual13B.热应力分析 直接耦合带散热片的轴对称管1.按教师指定的工作目录，用 “pipe-

26、direct” 作为 作业名进入 ANSYS。2.读入 “pipe-th.inp” 文件建立 2-D 轴对称模型，在线上指定网格份数： Utility Menu File Read Input from 选择 “pipe-th.inp”, 然后按OK或用命令:/INPUT,pipe-th,inp3.添加轴对称耦合场单元类型(plane13): Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete选择“Coupled Field” 和 “Vector Quad 13”, 然后按 OK 4.把单元选项改为 structural / thermal,

27、 轴对称: Options K1 = UX UY Temp AZ K3 = Axisymmetric OK Close 或用命令:ET,1,PLANE13KEYOPT,1,1,4KEYOPT,1,3,1 INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual13B.热应力分析 直接耦合带散热片的轴对称管5.将模型用 2-D 的四边形单元划分映射网格: Main Menu Preprocessor Meshing MeshTool选择Global，按Set将SIZE

28、 设为 0.25/2,然后按 OK选择 “Mapped”, 然后按 Mesh Pick All6. 从材料库中读入304号钢的材料特性: Main Menu Preprocessor Material Props Material Library Library Path输入路径 “Path for READING files” (例如， h:ansys57matlib) OK Main Menu Preprocessor Material Props Material Library Import Library 选择 “BIN”, 然后按 OK选择 “Stl_AISI-304.BIN_MP

29、L”, 然后按 OK INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual13B.热应力分析 直接耦合带散热片的轴对称管7.在实体模型的线上施加对流荷载: Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Thermal Convection On Lines拾取外部的四条线, 然后按 OK设 VALI = 0.69e-4 和 VAL2I = 70, 然后按 Apply拾取内部的两条线, 然后按 OK设 VALI =

30、 0.28e-3 和 VAL2I = 450, 然后按 OK或用命令:SFL,2,CONV,0.69e-4, ,70SFL,6,CONV,0.69e-4, ,70SFL,7,CONV,0.69e-4, ,70SFL,10,CONV,0.69e-4, ,70 SFL,9,CONV,0.28e-3, ,450SFL,13,CONV,0.28e-3, ,450 INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual13B.热应力分析 直接耦合带散热片的轴对称管8.在线上

31、施加内部均匀压力: Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural Pressure On Lines拾取线段 9和13, 然后按 OK设压力值为 1000,然后按 OK或用命令:SFL,9,PRES,1000SFL,13,PRES,1000 INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual13B.热应力分析 直接耦合带散热片的轴对称管9.将Y=1 处的节点的自由度在 UY方向上耦合 :9

32、a. 选择Y=1 处的节点 : Utility Menu Select Entities .选择 “Nodes” 和 “By Location”选择 “Y coordinates”将最大和最小均设为1, 然后按 OK或用命令:NSEL,S,LOC,Y,19b. 在选择的节点集合上定义 UY 方向的耦合： Main Menu Preprocessor Coupling / Ceqn Couple DOFs Pick All NSET = 1设置 Lab = UY, 然后 OK Utility Menu Select Everything或用命令: CP,1,UY,ALLALLSEL,ALL IN

33、TRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual13B.热应力分析 直接耦合带散热片的轴对称管10.在 Y=0 的线上施加对称边界条件: Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural Displacement Symmetry B.C. On Lines选择线 3, 5, 11,然后 OK11. 存储数据库并求解:在工具条上按 “SAVE_DB”按钮 (或 Utility Menu File

34、 Save as Jobname.db) Main Menu Solution Solve Current LS查看 “/STATUS Command” 窗口，然后关闭。 OK Yes 出现警告信息，继续求解 Close 求解完成后关闭黄色信息窗口12. 进入通用后处理器观察结果: Main Menu General Postproc 或用命令:/POST1 INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual13B.热应力分析 直接耦合带散热片的轴对称管12a

35、.画温度图: Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu拾取 “DOF solution” 和 “Temperature TEMP”,然后按 OK或用命令:PLNSOL,TEMP INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual12b.画位移图: Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu拾取

36、 “DOF solution” 和 “Translation USUM”, 选择 “Def + undef edge”,然后按 OK或用命令:PLNSOL,U,SUM,2,113B.热应力分析 直接耦合带散热片的轴对称管 INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual13B.热应力分析 直接耦合带散热片的轴对称管12c.画 von Mises 应力图: Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot

37、 Nodal Solu拾取 “Stress” 和 “von Mises SEQV”, 选择 “Def shape only”, 然后按 OK或用命令:PLNSOL,S,EQV INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual13B.热应力分析 直接耦合带散热片的轴对称管12d.绕Y轴将轴对称的径向应力扩展90度，然后关于x-z 平面镜面反射 : Utility Menu PlotCtrls Style Symmetry Expansion 2D Axi-Sy

38、mmetric .拾取 “1/4 expansion” 并将镜像设为“yes”, 然后按 OK ISO或用命令:/EXPAND, 9,AXIS,10,2,RECT,HALF,0.00001/VIEW,1,1,1,1/REPLOT INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual13B.热应力分析 直接耦合带散热片的轴对称管12e.画温度: Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu拾取 “DOF solution” 和 “Temperature TEMP”, 然后按 OK或用命令:PLNSOL,TEMP INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual13B.热应力分析 直接耦合带散热片的轴对称管13. 保存并退出 ANSYS:在工具条上按 “QUIT” (或选择: Utility Menu File Exit.)选择 “Save Everything” OK或用命令:FINISH/EXIT,ALL