1、ANSYS热应力分析实例ANSYS热应力分析实例当一个结构加热或冷却时,会发生膨胀或收缩。如果结构各部分之间膨胀收缩程度不同,和结构的膨胀、收缩受到限制,就会产生热应力。热应力分析的分类ANSYS提供三种进行热应力分析的方法:在结构应力分析中直接定义节点的温度。如果所以节点的温度已知,则可以通过命令直接定义节点温度。节点温度在应力分析中作为体载荷,而不是节点自由度间接法。首先进行热分析,然后将求得的节点温度作为体载荷施加在结构应力分析中。直接法。使用具有温度和位移自由度的耦合单元,同时得到热分析和结构应力分析的结果。如果节点温度已知,适合第一种方法。但节点温度一般是不知道的。对于大多数问题,推
2、荐使用第二种方法间接法。因为这种方法可以使用所有热分析的功能和结构分析的功能。如果热分析是瞬态的,只需要找出温度梯度最大的时间点,并将此时间点的节点温度作为荷载施加到结构应力分析中去。如果热和结构的耦合是双向的,即热分析影响结构应力分析,同时结构变形又会影响热分析(如大变形、接触等),则可以使用第三种直接法使用耦合单元。此外只有第三种方法可以考虑其他分析领域(电磁、流体等)对热和结构的影响。间接法进行热应力分析的步骤首先进行热分析。可以使用热分析的所有功能,包括传导、对流、辐射和表面效应单元等,进行稳态或瞬态热分析。但要注意划分单元时要充分考虑结构分析的要求。例如,在有可能有应力集中的地方的网
3、格要密一些。如果进行瞬态分析,在后处理中要找出热梯度最大的时间点或载荷步。热单元结构单元LINK32LINK1LINK33LINK8PLANE35PLANE2PLANE55PLANE42SHELL57SHELL63PLANE67PLANE42LINK68LINK8SOLID79SOLID45MASS71MASS21PLANE75PLANE25PLANE77PLANE82PLANE78PLANE83PLANE87PLANE92PLANE90PLANE95SHELL157SHELL63重新进入前处理,将热单元转换为相应的结构单元,表7-1是热单元与结构单元的对应表。可以使用菜单进行转换:Main
4、MenuPreprocessorElement TypeSwitch Element Type,选择Thermal to Structual。但要注意设定相应的单元选项。例如热单元的轴对称不能自动转换到结构单元中,需要手工设置一下。在命令流中,可将原热单元的编号重新定义为结构单元,并设置相应的单元选项。设置结构分析中的材料属性(包括热膨胀系数)以及前处理细节,如节点耦合、约束方程等。读入热分析中的节点温度,GUI:SolutionLoad ApplyTemperatureFrom Thermal Analysis。输入或选择热分析的结果文件名*.rth。如果热分析是瞬态的,则还需要输入热梯度最
5、大时的时间点或载荷步。节点温度是作为体载荷施加的,可通过Utility MenuListLoadBody LoadOn all nodes列表输出。设置参考温度,Main MenuSolutionLoad SettingReference Temp。进行求解、后处理。间接法热应力分析实例问题描述热流体在代有冷却栅的管道里流动,如图为其轴对称截面图。管道及冷却栅的材料均为不锈钢,导热系数为hr-in-oF,弹性模量为28E6lb/in2泊松比为。管内压力为1000 lb/in2,管内流体温度为450 oF,对流系数为1 Btu/hr-in2-oF,外界流体温度为70 oF,对流系数为 Btu/h
6、r-in2-oF。求温度及应力分布。菜单操作过程设置分析标题1、选择“Utility MenuFileChange Title”,输入Indirect thermal-stress Analysis of a cooling fin。2、选择“Utility MenuFileChange Filename”,输入PIPE_FIN。进入热分析,定义热单元和热材料属性1、选择“Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete”,选择PLANE55,设定单元选项为轴对称。2、设定导热系数:选择“Main MenuPreprocessorMaterial
7、 PorpsMaterial Models”,点击Thermal,Conductivity,Isotropic,输入。创建模型1、创建八个关键点,选择“Main MenuPreprocessorCreatKeypointsOn Active CS”,关键点的坐标如下:编号12345678X5612126655Y000112、组成三个面:选择“Main MenuPreprocessorCreatAreaArbitraryThrouth Kps”,由1,2,5,8组成面1;由2,3,4,5组成面2;由8,5,6,7组成面3。3、设定单元尺寸,并划分网格:“Main MenuPreprocessor
8、Meshtool”,设定global size为,选择AREA,Mapped,Mesh,点击Pick all。施加荷载1、选择“Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationX coordinates,From Full”,输入5,点击OK,选择管内壁节点;2、在管内壁节点上施加对流边界条件:选择“Main MenuSolutionApplyConvectionOn nodes”,点击Pick,all,输入对流换热系数1,流体环境温度 450。3、选择“Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationX coordina
9、tes,From Full”,输入6,12,点击Apply;4、选择“Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationY coordinates,Reselect”,输入,1,点击Apply;5、选择“Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationY coordinates,Also select”,输入12,点击OK;6、在管外边界上施加对流边界条件:选择“Main MenuSolutionApplyConvectionOn nodes”,点击Pick,all,输入对流换热系数,流体环境温度70。求解1、选择“Util
10、ity MenuSelectSelect Everything”。2、选择“Main MenuSolutionSolve Current LS”。后处理1、显示温度分布:选择“Main MenuGeneral PostprocPlot ResultNodal SolutionTemperature”。重新进入前处理,改变单元,定义结构材料1、选择“Main MenuPreprocessorElement TypeSwitch Elem Type”,选择Thermal to Structure。2、选择“Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Dele
11、te”,点击Option,将结构单元设置为轴对称。3、选择“Main MenuPreprocessorMaterial PorpsMaterial Models”,输入材料的EX为28E6,PRXY为,ALPX为。定义对称边界条件1、选择“Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationY coordinates,From Full”,输入0,点击Apply;2、选择“Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationY coordinates,Also select”,输入1,点击Apply;3、选择“Main MenuS
12、olutionApplyDisplacementSymmetry . On Nodes”,点击Pick All,选择Y axis,点击OK;施加管内壁压力1、选择“Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationX coordinates,From Full”,输入5,点击OK;2、选择“Main MenuSolutionApplyPressureOn nodes”,点击Pick All,输入1000。设置参考温度1、选择“Utility MenuSelectSelect Everything”。2、选择“Main MenuSolution-Loads-Se
13、ttingReference Temp”输入70。读入热分析结果1、选择“Main MenuSolutionApplyTemperatureFrom Thermal Analysis”,选择。求解选择“Main MenuSolutionSolve Current LS”。后处理选择“Main MenuGeneral PostproPlot ResultNodal SolutionStressVon Mises”。显示等效应力。等效的命令流方法/filename,pipe_fin/TITLE,Thermal-Stress Analysis of a cooling fin/prep7!进入前处理
14、et,1,plane55!定义热单元keyopt,1,3,1!定义轴对称mp,kxx,1,!定义导热系数k,1,5!建模k,2,6k,3,12k,4,12,k,5,6,k,6,6,1k,7,5,1k,8,5,a,1,2,5,8a,2,3,4,5a,8,5,6,7esize,!定义网格尺寸amesh,all!划分网格eplotfinish/solu!热分析求解nsel,s,loc,x,5!选择内表面节点sf,all,conv,1,450!施加对流边界条件nsel,s,loc,x,6,12!选择外表面节点nsel,r,loc,y,1nsel,a,loc,x,12sf,all,conv,70!施加对
15、流边界条件nsel,all/pse,conv,hcoef,1nplotsolve!求解生成文件finish/post1plnsol,temp!得到温度场分布finish/prep7 !重新进入前处理etchg,tts!将热单元转换为结构单元plane42keyopt,1,3,1!定义轴对称特性mp,ex,1,28e6!定义弹性模量mp,nuxy,1,!定义泊松比mp,alpx,1,!定义热膨胀系数finish/solu!进入结构分析求解nsel,s,loc,y,0!选择对称边界nsel,a,loc,y,1dsym,symm,y!定义对称条件nsel,s,loc,x,5!选择内表面sf,all,
16、pres,1000!施加压力边界条件nsel,all/pbc,all,1/psf,pres,1nplottref,70!设定参考温度ldread,temp,rth!读入节点温度/pbc,all,0/psf,pres,0分布/pbf,temp,1eplotsolve!求解finish/post1,plnsol,s,eqv!得到等效应力finish直接法热应力分析实例问题描述两个同心圆管之间有一个小间隙,内管中突然流入一种热流体,求经过3分钟后外管表面的温度。已知条件:管材弹性模量:2E11N/m2热膨胀系数:5E-41/ oF泊松比:导热系数:10W/密度:7880Kg/m3比热:500J/外管
17、外半径: m外管内半径: m内管外半径:内管内半径:流体温度:300oC流体与内管内壁对流系数:300W/内、外管接触热导:oC命令流方法/filename,contact_thermal/title,contact_thermal example/prep7et,1,13,4,1! 选择直接耦合单元PLANE13,单元自由度为ux,uy,temp! 定义为轴对称et,2,48! 定义结构接触单元keyopt,2,1,1! 设定接触单元的相应选项keyopt,2,2,1keyopt,2,7,1r,2,2e11,0,! 定义接触单元实常数mp,ex,1,2e11! 定义管材结构及热属性mp,al
18、px,1,5e-5mp,kxx,1,10mp,dens,1,7880mp,c,1,500rect,0,! 建模rect,0,amesh,allnsel,s,loc,x,! 将内管内壁的X方向位移及温度耦合cp,1,ux,allcp,2,temp,allnsel,s,loc,x,! 将内管外壁的X方向位移及温度耦合cp,3,ux,allcp,4,temp,allnsel,x,! 将外管内壁的X方向位移及温度耦合cp,5,ux,allcp,6,temp,allnsel,s,loc,x,! 将外管外壁的X方向位移及温度耦合cp,7,ux,allcp,8,temp,allnsel,s,loc,y,!
19、将内管顶部节点的Y方向位移及温度耦合nsel,r,loc,x,0,cp,9,uy,allnsel,s,loc,y,! 将外管顶部节点的Y方向位移及温度耦合nsel,r,loc,x,cp,10,uy,allnsel,s,loc,x,! 创建接触单元cm,cont,nodensel,s,loc,x,cm,targ,nodetype,2real,2gcgen,cont,targ,3/soluantype,trans! 瞬态分析tunif,20! 初始平均温度tref,20! 参考温度sfl,4,conv,300,300! 内管内壁对流边界sfl,6,conv,10,20! 外管外壁对流边界nsel,s,loc,y,0! 约束所有底边单元的Y向位移d,all,uy,0time,180! 载荷步时间deltime,10,5,15! 定义时间步长outres,all,allkbc,1autots,on! 自动时间步长allselsolve! 求解/post1plnsol,temp! 显示温度分布plnsol,s,eqv! 显示等效应力
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