ansys热膨胀.docx

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ansys热膨胀

ａnsys热膨胀

对AＮSYS　中几个温度术语的探讨  

　在　ANＳYＳ中进行热应力分析时,会遇到几个有关温度的术语,均匀温度　TＵNＩＦ、参考温度　TREF等、以下,通过一些例子来探讨这些术语的具体用法。

   　模型1:

　10０＊１00＊100的立方体,材料属性为:

       E　=２0０0０0

   　　　μ=0、3

　　　α=1、0e—5

   不定义材料的参考温度。

 　对整个体施加温度50　（°C）,求解得到:

三个方向的伸长（绝对值）　都是　0、0５,例如Ux:

 理论值为:

　　　　　　Ｕx＝αΔＴL=1e－5*50＊１00　=　0、０５

 　计算结果与理论值为一致、

 假如修改整个体的温度为１0０°C,求解结果,三个方向的伸长（绝对值）为　0、１,也与理论值１e—5＊10０*1００　=0、1一致:

 下面定义材料性能中的的参考温度与随温度变化的材料性能:

 首先定义参考温度为０°C,热膨胀系数如下图:

 如此做,热膨胀系数值将简化为:

温度值＊1e—7、当温度为　100°Ｃ　时,热膨胀系数应为:

     　 10０*１e—7=　１ｅ－5　　　　

 　三个方向的理论位移应为　０、1,计算结果如下图,与理论值一致:

 　将材料性能的参考温度改为　５0°Ｃ:

仍施加均匀温度　10０°Ｃ,求解得到三个方向的位移都是0、0５。

以下分析一下材料的参考温度是如何起作用的:

1、假如热膨胀系数只与施加的温度载荷值有关,与参考温度无关,当温度为1０0°C　时,热膨胀系数为:

1e—４/　１000＊1０0=１e-５、当计算热应变的温度取为温度载荷与材料参考温度之差时,结果与理论值一致:

　　　　　　Ｕｘ　＝1e—5*　（１00–５0）＊100=　0、0５

2、假如假设热膨胀系数与施加的温度载荷与材料参考温度之差有关,当温度为　１0０°C　时,热膨胀系数为:

   　1e—4／　（１000—50）　＊（１00—５０）　＝0、5263e-5。

 此时当计算应变的温度取为所施加的温度时,位移结果是:

Ux　=0、52６3ｅ—5＊　1００　＊　10０　=0、0５263

 假如将计算应变的温度取为所施加的温度与材料参考温度之差,位移结果是:

　Ux　＝０、５2６3e-５＊（１０0－50）*1０0=０、0２6３２

 两个结果都与理论值　0、05不一致。

 进一步验证这两种计算方法,再将材料属性的参考温度改为　８0°C,求解后得到三个方向的位移都是０、0２:

假如热膨胀系数只与施加的温度载荷值有关,与参考温度无关,当温度为1００°C　时,热膨胀系数为:

1e-4　/1０0０*100=1e—５、

当计算热应变的温度取为施加的温度载荷与材料参考温度之差时,位移结果是:

Ｕx=1e-5＊（1０0–80）　*1０0＝　０、02

假如热膨胀系数与施加的温度与材料参考温度之差有关,当温度为100°Ｃ时,热膨胀系数为:

1ｅ-４　/　（1000－8０）　＊（100—8０）=　0、217e－5。

此时当计算热应变的温度取为所施加的温度时,结果是:

　Uｘ=0、217e—５*　1０0　＊1０0=0、０217

从这两个例子来看,在求解时,材料属性是依照所施加的温度载荷值对随温度变化的属性值进行插值而得到的,与参考温度无关;而计算热应变的温度是用所施加的温度载荷值减去参考温度所得到、

进一步,设置热膨胀系数为:

温度100°Ｃ　时为1ｅ—5;温度1000°C时为１e—4。

如此,热膨胀系数值仍可简化为:

温度值*1e—7。

 首先设置参考温度为　０°C,则三个方向的位移理论值都是　0、1:

 　计算结果与此一致。

 再将参考温度改为50°Ｃ,依照上述第一种做法:

热膨胀系数只与施加的温度载荷值有关,与参考温度无关;而热应变由施加的温度载荷与材料参考温度之差确定,则结果是:

Uｘ　=　100*1e-７　＊（１０0　–50）*　10０=0、０5

 即三个方向的理论位移应该是０、０5,计算结果与此一致:

依照这些算例,能够看到,在ANＳYＳ中,当材料性能随温度变化时,是采纳输入的温度载荷值进行插值得到不同温度的材料性能;而在计算热应变时,则是采纳温度载荷值与材料的参考温度之差、

关于　ＴUNIF　命令:

命令　ＴUＮＩF　能够用来定义结果中的均匀温度（施加到所有节点上）,然而实际上其它定义温度的方式优先于此命令,只有在没有使用其它命令定义温度的节点处才使用TＵＮＩF指定的温度、

如上例中,对整个体施加了温度10０°Ｃ,假如再使用TUＮIＦ　命令定义均匀温度为　５５0°C（减去参考温度　50°C　后,实际温度变化为50０°C）,计算后结果仍是　0、05:

修改TUNIF为其它值,结果依然一样。

讲明假如采纳其她方式定义了结构温度,则计算时该均匀温度不起作用。

然后,删除施加在Volume　上的温度,TUNＩF仍设置为５50　°Ｃ,减去参考温度50°Ｃ后,对应的温度变化为５0０°C、软件计算结果,三个方向的位移都是2、75、如下图:

 理论值:

　　　55０°C时的热膨胀系数为５、5ｅ—５,变形应为:

　　　１0０＊５、５e—５*　500＝2、７5

 计算结果与理论值是一致的、讲明此时TUNＩF定义的均匀温度起到了作用、

 　由此可见,由　ＴＵNIＦ定义的均匀温度,仅对没有其她温度定义的那部分结构起作用。

即直截了当对实体定义的温度载荷优先于TUNIF的定义、

 关于参考温度TREＦ

 除了在定义材料属性时能够定义参考温度外,ANSYS中还有一个定义参考温度的命令–　TREF,比如上例中将参考温度ＴRＥF定义为100°Ｃ:

 同时仍保留了材料属性中的参考温度5０°Ｃ、

 将均匀温度改为1５０°C,计算结果三个方向的位移都是0、１5、

 对计算结果进行分析可见,计算时实际使用的参考温度是在材料属性中定义的参考温度、此时,1５０°C时的热膨胀系数为1、5e—５,温度变化为150–５０　=100　°C,边长1０0的伸长为:

　10０　*　１00*　1、5e－5　=0、１5

 　即计算结果与理论值一致、

 　假如依照ＴRＥF定义的参考温度,伸长应该是:

　１0０*　（１50–100）＊1、５ｅ-5=　0、075

 显然与理论值不一致了。

 　进一步,修改模型如下:

   　１、定义第二种材料,除了参考温度改为　２０°C以外,其余与第一种材料相同:

   　２、将z　〉5０的所有单元的材料属性改为材料2:

求解结果如下:

 　能够看到:

材料2　部分的变形要大于材料1部分的变形。

缘故是材料　2的参考温度设置比材料　1小,如此一来,尽管同样施加了温度载荷1０0°C,但实际计算热应变的温度是　150–20=　130°C,大于材料1　部分的　１50–50　=100　°C、

将材料　2部分的单元温度改为120　°C,以使两部分单元的温度载荷与材料参考温度之差相同,计算结果如下:

少量误差估计是由于在两部分单元的材料热膨胀系数不同,关于材料1,依照上述条件,在　150°Ｃ时,其热膨胀系数为:

１、5e-5;而材料２,在1２0　°Ｃ时,其热膨胀系数为:

1、2ｅ—5。

为使二者的热膨胀系数一致,将材料　2的性能参数修改如下:

 如此,材料　2在120°Ｃ时,其热膨胀系数为:

1、5e—５。

计算结果如下:

 与前面计算结果一致了、

 依照以上计算结果,并参考ANSYS　的帮助文件,能够得出以下结论:

 1、当模型中同时定义了实体（包括几何实体与有限元实体）　的温度载荷以及TUＮIF时,TUNIＦ　仅对没有定义温度载荷的那部分实体起作用、

 ２、当模型中同时定义了材料的参考温度以及　ＴREF时,ＴRＥＦ仅对没有定义参考温度的材料起作用、

 　３、实际计算时,不同温度的材料属性依照输入的实体温度插值计算,与参考温度无关。

而用于热应变计算的温度为输入的实体温度载荷与该实体所属材料的参考温度之差。

假如该材料没有定义参考温度,则用于热应变计算的温度为输入的实体温度载荷与TREF　之差、假如没有定义任何参考温度,则为输入的温度值,也能够理解为参考温度的默认值为０