有限元热分析上机指南Word格式文档下载.docx

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对流系数249.23W/m2℃

（2）管外：

空气温度39℃

对流系数：

62.3W/m2℃

假定冷却栅管无限长，根据冷却栅结构的对称性特点可以构造出的有限元模型如图b。

其上下边界承受边界约束，管内部承受均布压力。

练习1－1：

冷却栅管的稳态热分析

步骤：

1.定义工作文件名及工作标题

1）定义工作文件名：

GUI:

UtilityMenu>

File>

ChangeJobname，在弹出的【ChangeJobname】对话框中输入文件名Pipe_Thermal，单击OK按钮。

2）定义工作标题：

ChangeTitle，在弹出的【ChangeTitle】对话框中2DAxisymmetricalPipeThermalAnalysis，单击OK按钮。

3）关闭坐标符号的显示：

PlotCtrls>

WindowControl>

WindowOptions，在弹出的【WindowOptions】对话框的Locationoftriad下拉列表框中选择NoShown选项，单击OK按钮。

2.定义单元类型及材料属性

1）定义单元类型：

MainMenu>

Preprocessor>

ElementType>

Add/Edit>

Delete命令，弹出【ElementTypes】对话框，单击Add按钮，弹出【LibraryType】对话框，选择ThermalSolidQuad8node77选项，单击OK按钮。

2）设置单元选项：

单击【ElementType】对话框的Options按钮，弹出【Plane77elementtypeoptions】对话框，在Elementbehavior下拉列框中选择Axisymmetrical选项，单击OK按钮，单击Close按钮。

3）设置材料属性：

MaterialProps>

MaterialModels，弹出【DefineMaterialModelsBehavior】窗口，双击MaterialModelAvailable列表框中的Structural\Linear\Elastic\Isotropic选项，弹出【LinearIsotropicMaterialPropertiesforMaterialNumber1】对话框，在EX和PRXY文本框中分别输入1.93E11J和0.3，单击OK按钮。

接着为材料1设置导热系数，点击Thermal\Conductivity\Isotropic，弹出【ConductivityforMaterialNumber1】对话框，在KXX文本框中填入25.96，单击OK按钮，关闭材料属性定义对话框。

3.建立几何模型

1）创建矩形面：

Modeling>

Create>

Areas>

Rectangle>

ByDimensions，弹出【CreateRectanglebyDimensions】对话框，在X-coordinates文本框中输入0.127，0.152，在Y-coordinates文本框中输入0，0.025，单击Apply按钮。

接着在X-coordinates文本框中输入0.127，0.304，在Y-coordinates文本框中输入0，0.005，单击OK按钮。

2）面相加操作：

Operate>

Booleans>

Add>

Areas，弹出一个拾取框，单击PickAll按钮。

3）打开线编号控制：

Numbering，弹出【PlotNumberingControls】对话框，选择Linenumbers复选框，单击OK按钮。

4）线倒角：

Lines>

LineFillet，弹出一个拾取框，拾取编号为L11和L13的线，单击OK按钮，弹出【LineFillet】对话框，在RADFilletradius文本框中输入0.005，单击OK按钮。

5）显示线：

Plot>

Lines。

6）生成面：

Arbitrary>

ByLines，弹出一个拾取框，拾取编号为L2，L5和L4的线，单击OK按钮。

7）面相加操作：

4.生成有限元模型

1）显示工作平面：

WorkPlane>

DisplayWorkplane

2）打开关键点编号：

Numbering，弹出【PlotNumberingControls】对话框，选择Keypointnumbers复选框，清除Linenumbers复选框，单击OK按钮。

3）平移工作平面：

OffsetWPto>

Keypoint，弹出一个拾取框，拾取编号为10的关键点，单击OK按钮。

4）旋转工作平面：

OffsetWPByIncrements，显示【OffsetWP】工具栏，在XY,YZ,ZXAngles文本框中输入0,0,90，单击Apply按钮。

5）面分解：

Divide<

AreabyWorkPlane，显示一个拾取框，单击PickAll按钮，将面在工作平面处分为两个面。

6）打开面的编号：

Numbering，弹出【PlotNumberingControls】对话框，选择Areanumber复选框，单击OK按钮。

7）平移工作平面：

Keypoint，弹出一个拾取框，拾取编号为5的关键点，单击OK按钮。

8）旋转工作平面：

OffsetWPByIncrements，显示【OffsetWP】工具栏，在XY,YZ,ZXAngles文本框中输入0,90,0，单击Apply按钮。

9）面分解：

AreabyWrkPlane，显示一个拾取框，拾取A3，单击OK按钮，将A3在工作平面分为两个面。

10）创建关键点：

Keypoints>

OnLineW/Ratio，拾取编号为L3的线，单击OK按钮，弹出【CreateKPonLine】对话框，在Lineratio（0-1）文本框中输入0.24，单击OKANNIU生成一个编号为12的关键点。

11）平移工作平面：

Keypoint，弹出一个拾取框，拾取编号为12的关键点，单击OK按钮。

12）旋转工作平面：

OffsetWPByIncrements，显示【OffsetWP】工具栏，在XY,YZ,ZXAngles文本框中输入0,-90,0，单击OK按钮。

13）面分解：

AreabyWrkPlane，显示一个拾取框，拾取A2和A4，单击OK按钮。

14）关闭工作平面：

DisplayWorkingPlane

15）线相加操作：

Lines，弹出一个拾取框，拾取编号为L9和L14的线，单击OK按钮弹出【AddLines】对话框，单击Apply按钮，接着拾取编号为L9和L21的线，单击OK按钮弹出【AddLines】对话框，单击OK按钮。

16）设置单元尺寸：

Meshing>

SizeCntrls>

ManulSize>

Global>

Size，弹出【GlobalElementSize】对话框，在Elementedgelength文本框中输入0.003，单击OK按钮。

17）划分映射网格：

Mesh>

Mapped>

3or4sided，弹出一个拾取框，拾取编号为A1，A3，A5，A6的面，单击OK按钮。

18）对A7划分网格：

Byconners，弹出一个拾取框，拾取编号为A7的面，单击OK，接着拾取编号为5，14，9，10的关键点，单击OK。

19）保存网格：

ToolBar>

Save_DB

5.施加载荷及求解

1）在线上施加对流载荷：

Solution>

DefineLoads>

Apply>

Thermal>

Convection>

OnLines，弹出一个拾取框，拾取编号为L2，L6，L13，L11的线，单击OK按钮，弹出【ApplyCONVonLines】对话框，在Filmcoefficient文本框中输入62.3，在Bulktemperature文本框中输入39，单击Apply按钮。

拾取编号为L9和L8的线，单击OK按钮，在Filmcoefficient文本框中输入249.23，在Bulktemperature文本框中输入250，单击OK按钮。

2）列表显示边界条件：

Utility>

List>

Loads>

Surface>

OnAllLoads，检查所有对流边界条件是否加载。

3）求解：

Solve>

CurrentLS，弹出一个提示窗口和【SolveCurrentLoadStep】对话框，确认后关闭提示窗口，单击OK求解。

4）求解完成后，保存结果文件：

GUI：

UtilityMenu>

Saveas，弹出【Saveas】对话框，在SaveDatabaseTo文本框中输入Thermal_Pipe_Result.db，单击OK。

6.后处理

1）绘制温度分布云图：

Main>

GeneralPostproc>

PlotResults>

Contour>

NodalSolu，弹出【ContourNodalSolutionData】对话框，点击NodalSolution\DOFSolution\Temperature，UndisplacedShapekey下拉框中选择Deformedshapewithundeformedmodel。

2）绘制热流量分布云图：

NodalSolu，弹出【ContourNodalSolutionData】对话框，点击Thermalflux\Thermalfluxvectorsum，单击OK。

3）绘制热梯度分布云图：

NodalSolu，弹出【ContourNodalSolutionData】对话框，点击Thermalgradientvectorsum，单击OK按钮。

练习1－2：

间接法计算冷却栅管的热应力

这个练习是接着上一个的，如果ANSYS还没有关闭，则忽略下面的第1步，否则从第1步开始往下做。

1、恢复数据库文件

Resumefrom，弹出【ResumeDatabase】对话框，在ResumeDatabasefrom列表框中选择Thermal_Pipe_Result.db选项，单击OK按钮。

2、改变工作标题和分析类型

1）改变工作标题：

Changetitle，弹出【ChangeTitle】对话框，输入2DAxisymmetricalPipeThermal_StressAnalysis，单击OK按钮。

2）改变分析类型：

Preferences，在弹出的【PreferenceforGUIFiltering】对话框中选择Structural，单击OK按钮。

3、转换单元类型及重新设置材料属性

1）删除对流边界：

Delete>

AllLoadData>

AllSolidModLds，弹出【DeleteAllSolidModelLoads】对话框，单击OK按钮，则施加在实体上的所有载荷均被删除。

2）转换单元类型为结构单元：

SwitchElemType，弹出【SwitchElemType】对话框。

在Changeelementtype下拉框中选择ThermaltoStruc，单击OK后会弹出一个警告，提示单元类型已经转变，单击Close按钮。

3）设置单元为轴对称：

Add/Edit/Delete，弹出【ElementType】对话框，单击Options按钮，弹出【PLANE82elemnttypeoptions】对话框，在ElementbehaviorK3下拉框中选择Axisymmetrical选项，单击OK按钮。

4）设置材料的线胀系数：

MaterialPros>

MaterialModels，弹出【DefineMaterialModelBehavior】窗口，点击MaterialModelAvailable列表框中的Structural\Thermal\SecantCoefficienet\Isotropic，弹出【ThermalExpansionCoefforMaterialNumber1】对话框，在ALPX文本框中填入1.62e-5，单击OK按钮，关闭材料属性设置对话框。

4、施加结构分析载荷并求解

1）施加对称边界约束：

Structural>

Displacement>

SymmetryB.C.>

OnLines，弹出一个拾取对话框。

拾取编号为L19，L7和L4的线，单击Apply。

接着拾取L12，L17，单击OK按钮。

2）显示线：

Line

3）施加节点温度载荷：

Temperature>

FromThermAnaly，弹出【ApplyTEMPfromThermalAnalysis】对话框，在Nameofresultfile文本框中输入文件名Pipe_Thermal.rth，单击OK按钮。

4）在管的内壁施加面载荷：

Pressure>

OnLines，弹出一个拾取框，拾取编号为L9和L8的线，单击OK按钮，弹出【ApplyPRESonlines】对话框，在VALUELoadPRESvalue文本框中输入6.89e6，单击OK按钮。

5）显示节点的温度体载荷：

Symbols，弹出【Symbols】对话框。

在BodyLoadSymbols下拉框中选择Structuraltemps选项，单击OK按钮。

6）显示单元：

Element

7）求解：

求解：

CurrentLS

8）求解完成后，保存结果文件：

Saveas，弹出【Saveas】对话框，在SaveDatabaseTo文本框中输入Pipe_Thermal_Stress.db，单击OK。

5、普通后处理

1）显示变形：

DeformedShape，弹出【PlotDeformedShape】对话框，选择Def+undeformed单选框，单击OK按钮。

2）显示位移云图：

NodalSolu，弹出【ContourNodalSolutionData】对话框，点击NodalSolution\DOFSolution\Displamentvectorsum，接着在Undisplacedshapekey下拉框中选择Deformedshapewithundeformededge，单击OK按钮。

3）显示VonMises应力分布云图：

NodalSolu，弹出【ContourNodalSolutionData】对话框，点击NodalSolution\Stress\vonMisesstress，单击OK按钮。

6、扩展后处理（针对轴对称结构）

1）绕Y方向扩展1/4：

Style>

SymmetryExpansion>

2DAxi-symmetric，弹出【2DAxi-symmetricExpansion】对话框，选择1/4expansion单选框和AlsoreflectaboutX-Zplane复选框，单击OK按钮。

2）转换视角：

Pan,Zoom,Rotate，利用Pan-Zoom-Rotate工具调整视角。

3）显示轴向应力云图：

NodalSolu，弹出【ContourNodalSolutionData】对话框，点击NodalSolution\Stress\Y-Componentofstress，单击OK按钮。

4）显示环向应力分布：

NodalSolu，弹出【ContourNodalSolutionData】对话框，点击NodalSolution\Stress\Z-Componentofstress，单击OK按钮。

轴向应力分布

环向应力分布

提示：

冷却栅管的热应力分布也可以用直接耦合法求解。

回顾上课时的内容，直接耦合法的求解和间接法有何区别？

与间接耦合法分别求解不同，直接耦合法将结构分析的载荷和热分析的载荷同时加载求解。

大家可以试一试，看求解结果是否和间接耦合法一致。

注意：

单元类型必须是耦合单元，推荐CoupledFieldVectorQuad13。

其余过程大致和间接耦合法差不多。

内容2：

铜铁水冷问题

一个30公斤重、温度为70℃的铜块,以及一个20公斤重、温度为80℃的铁块，突然放入温度为20℃、盛满了300升水的、完全绝热的水箱中,如图所示。

过了一个小时，求铜块与铁块的最高温度（假设忽略水的流动）。

材料热物理性能如下：

热性能

单位制

铜

铁

水

导热系数

W/m℃

383

70

0.61

密度

Kg/m3

8889

7833

996

比热

J/kg℃

390

448

4185

练习2：

铜块和铁块的水冷瞬态热分析

1.设置工作名称、工作目录和标题

1）如果上一个练习的文件没有关闭，在命令输入窗口输入：

finish回车，再输入：

/clear,nostart回车

2）设定工作名称：

UtilityMenu:

ChangeJobname，输入文件名Thermal_Transient；

勾选Newloganderrorfiles单选框。

3）设定工作目录：

Change>

Directory

4）设置标题：

Fil