ANSYS热分析有限元热分析上机指导书.docx

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ANSYS热分析有限元热分析上机指导书

第四讲热分析上机指导书

CAD/CAM实验室,USTC

实验要求:

1、通过对冷却栅管的热分析练习,熟悉用ANSYS进行稳态热分析的基本过程,熟悉用直接耦合法、间接耦合法进行热应力分析的基本过程。

2、通过对铜块和铁块的水冷分析,熟悉用ANSYS进行瞬态热分析的基本过程。

内容1:

冷却栅管问题

问题描述:

本实例确定一个冷却栅管(图a)的温度场分布及位移和应力分布。

一个轴对称的冷却栅结构管内为热流体,管外流体为空气。

冷却栅材料为不锈钢,特性如下:

导热系数:

W/m℃

弹性模量:

×109MPa

热膨胀系数:

×10-5/℃

泊松比:

边界条件:

(1)管内:

压力:

MPa

流体温度:

250℃

对流系数W/m2℃

(2)管外:

空气温度39℃

对流系数:

W/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:

GUI:

UtilityMenu>File>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:

GUI:

UtilityMenu>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:

GUI:

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:

GUI:

MainMenu>Preprocessor>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文本框中分别输入和,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,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:

GUI:

MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>ByDimensions,弹出【CreateRectanglebyDimensions】对话框,在X-coordinates文本框中输入,,在Y-coordinates文本框中输入0,,单击Apply按钮。

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

2)面相加操作:

GUI:

MainMenu>Preprocessor>Operate>Booleans>Add>Areas,弹出一个拾取框,单击PickAll按钮。

3)打开线编号控制:

GUI:

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

4)线倒角:

GUI:

MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>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,单击OK按钮。

5)显示线:

GUI:

UtilityMenu>Plot>Lines。

6)生成面:

GUI:

MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>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:

GUI:

MainMenu>Preprocessor>Modeling>Add>Areas,弹出一个拾取框,单击PickAll按钮。

 

4.生成有限元模型

1)显示工作平面:

GUI:

UtilityMenu>WorkPlane>DisplayWorkplane

2)打开关键点编号:

GUI:

UtilityMenu>PlotCtrls>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:

GUI:

UtilityMenu>WorkPlane>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:

GUI:

UtilityMenu>WorkPlane>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:

GUI:

MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Divide

6)打开面的编号:

GUI:

UtilityMenu>WorkPlane>PlotCtrls>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:

GUI:

UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPto>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:

GUI:

UtilityMenu>WorkPlane>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:

GUI:

MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Divide

10)创建关键点:

GUI:

MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>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,单击OKANNIU生成一个编号为12的关键点。

11)平移工作平面:

GUI:

UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPto>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:

GUI:

UtilityMenu>WorkPlane>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:

GUI:

MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Divide

14)关闭工作平面:

GUI:

UtilityMenu>WorkPlane>DisplayWorkingPlane

15)线相加操作:

GUI:

MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Add>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:

GUI:

MainMenu>Preprocessor>Meshing>SizeCntrls>ManulSize>Global>Size,弹出【GlobalElementSize】对话框,在Elementedgelength文本框中输入,单击OK按钮。

17)划分映射网格:

GUI:

MainMenu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Areas>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:

GUI:

MainMenu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Areas>Mapped>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:

GUI:

MainMenu>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,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,在Bulktemperature文本框中输入250,单击OK按钮。

 

2)列表显示边界条件:

GUI:

Utility>List>Loads>Surface>OnAllLoads,检查所有对流边界条件是否加载。

3)求解:

GUI:

MainMenu>Solution>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>File>Saveas,弹出【Saveas】对话框,在SaveDatabaseTo文本框中输入Thermal,单击OK。

6.后处理

1)绘制温度分布云图:

GUI:

Main>GeneralPostproc>PlotResults>Contour>Plot>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:

GUI:

Main>GeneralPostproc>PlotResults>Contour>Plot>NodalSolu,弹出【ContourNodalSolutionData】对话框,点击Thermalflux\Thermalfluxvectorsum,单击OK。

 

3)绘制热梯度分布云图:

GUI:

Main>GeneralPostproc>PlotResults>Contour>Plot>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。

步骤:

1、恢复数据库文件

GUI:

UtilityMenu>File>Resumefrom,弹出【ResumeDatabase】对话框,在ResumeDatabasefrom列表框中选择选项,单击OK按钮。

2、改变工作标题和分析类型

1)改变工作标题:

GUI:

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

2)改变分析类型:

GUI:

MainMenu>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:

GUI:

MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>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:

GUI:

MainMenu>Preprocessor>ElementType>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:

GUI:

MainMenu>Preprocessor>ElementType>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:

GUI:

MainMenu>Preprocessor>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,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:

GUI:

MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>Symmetry.>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:

GUI:

UtilityMenu>Plot>Line

3)施加节点温度载荷:

GUI:

MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Temperature>FromThermAnaly,弹出【ApplyTEMPfromThermalAnalysis】对话框,在Nameofresultfile文本框中输入文件名,单击OK按钮。

4)在管的内壁施加面载荷:

GUI:

MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>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,单击OK按钮。

5)显示节点的温度体载荷:

GUI:

UtilityMenu>PlotCtrls>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:

GUI:

UtilityMenu>Plot>Element

7)求解:

求解:

GUI:

MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS

8)求解完成后,保存结果文件:

GUI:

UtilityMenu>File>Saveas,弹出【Saveas】对话框,在SaveDatabaseTo文本框中输入,单击OK。

5、普通后处理

1)显示变形:

GUI:

MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>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:

GUI:

MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>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:

GUI:

MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>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:

GUI:

UtilityMenu>PlotCtrls>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:

GUI:

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

3)显示轴向应力云图:

GUI:

MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>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:

GUI:

MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>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

问题描述:

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

导热系数

W/m℃

383

70

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

步骤:

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:

GUI:

UtilityMenu:

File>ChangeJobname,输入文件名Thermal_Transient;勾选Newloganderrorfiles单选框。

3)设定工作目录:

GUI:

UtilityMenu:

File>Change>Directory

4)设置标题:

GUI:

UtilityMenu:

File>ChangeTitle,输入ThermalTransientExercise;

2.建立几何模型

1)定义单元类型:

GUI:

MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete,选择单元ThermalSolidQuad8node77;

2)设置铜的材料属性:

GUI:

MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>Ma

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