有限元热分析上机指南.docx

1、有限元热分析上机指南热分析上机指导书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：25.96 W/m 弹性模量：1.93109 MPa 热膨胀系数：1.6210-5 / 泊松比：0.3边界条件：（1）管内：压力：6.89

2、MPa流体温度：250 对流系数249.23 W/m2（2）管外：空气温度39 对流系数：62.3 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11：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: Utility Menu File Change Jobname，在弹出的【Change Jobname】对话框中输入文件名Pipe_Thermal，单击OK按钮。2) 定义工作标题：GUI: Utility Menu File Change Title，在弹出的【Chan

3、ge Title】对话框中2D Axisymmetrical Pipe Thermal Analysis，单击OK按钮。3) 关闭坐标符号的显示：GUI: Utility Menu PlotCtrls Window Control Window Options，在弹出的【Window Options】对话框的Location of triad下拉列表框中选择No Shown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: Main Menu Preprocessor Element Type Add/EditDelete命令，弹出【Element Types】对话框

4、，单击Add按钮，弹出【Library Type】对话框，选择Thermal Solid Quad 8node 77选项，单击OK按钮。2) 设置单元选项：单击【Element Type】对话框的Options按钮，弹出【Plane77 element type options】对话框，在Element behavior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: Main Menu Preprocessor Material Props Material Models，弹出【Define Material Models Beh

5、avior】窗口，双击Material Model Available列表框中的StructuralLinearElasticIsotropic选项，弹出【Linear Isotropic Material Properties for Material Number1】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ThermalConductivityIsotropic，弹出【Conductivity for Material Number1】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

6、立几何模型1) 创建矩形面：GUI: Main Menu Preprocessor Modeling Create Areas Rectangle By Dimensions，弹出【Create Rectangle by Dimensions】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：GUI: Main Menu Preprocesso

7、r Operate Booleans Add Areas，弹出一个拾取框，单击Pick All按钮。3) 打开线编号控制：GUI: Utility Menu PlotCtrls Numbering，弹出【Plot Numbering Controls】对话框，选择Line numbers复选框，单击OK按钮。4) 线倒角：GUI: Main Menu Preprocessor Modeling Create Lines Line Fillet，弹出一个拾取框，拾取编号为L11和L13的线，单击OK按钮，弹出【Line Fillet】对话框，在RAD Fillet radius文本框中输入0.0

8、05，单击OK按钮。5) 显示线：GUI: Utility Menu Plot Lines。6) 生成面：GUI: Main Menu Preprocessor Modeling Create Areas Arbitrary By Lines，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: Main Menu Preprocessor Modeling Add Areas，弹出一个拾取框，单击Pick All按钮。4. 生成有限元模型1) 显示工作平面：GUI: Utility Menu WorkPlane Display Workplane2) 打开

9、关键点编号：GUI: Utility Menu PlotCtrls Numbering，弹出【Plot Numbering Controls】对话框，选择Keypoint numbers复选框，清除Line numbers复选框，单击OK按钮。3) 平移工作平面：GUI: Utility Menu WorkPlane Offset WP to 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: Utility Menu WorkPlane Offset WP By Increments，显示【Offset WP】工具栏，在XY,YZ,ZX An

10、gles文本框中输入0,0,90，单击Apply按钮。5) 面分解：GUI: Main Menu Preprocessor Modeling Operate Booleans Divide WorkPlane PlotCtrls Numbering，弹出【Plot Numbering Controls】对话框，选择Area number复选框，单击OK按钮。7) 平移工作平面：GUI: Utility Menu WorkPlane Offset WP to 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: Utility Menu WorkPl

11、ane Offset WP By Increments，显示【Offset WP】工具栏，在XY,YZ,ZX Angles文本框中输入0,90,0，单击Apply按钮。9) 面分解：GUI: Main Menu Preprocessor Modeling Operate Booleans Divide Preprocessor Modeling Create Keypoints On Line W/Ratio，拾取编号为L3的线，单击OK按钮，弹出【Create KP on Line】对话框，在Line ratio(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。

12、11) 平移工作平面：GUI: Utility Menu WorkPlane Offset WP to 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: Utility Menu WorkPlane Offset WP By Increments，显示【Offset WP】工具栏，在XY,YZ,ZX Angles文本框中输入0,-90,0，单击OK按钮。13) 面分解：GUI: Main Menu Preprocessor Modeling Operate Booleans Divide WorkPlane Display Working

13、Plane15) 线相加操作：GUI: Main Menu 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【Add Lines】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【Add Lines】对话框，单击OK按钮。16) 设置单元尺寸：GUI: Main Menu Preprocessor Meshing Size Cntrls ManulSize Global Size，弹出【Global Element Size】对话框，在Element edg

14、e length文本框中输入0.003，单击OK按钮。17) 划分映射网格：GUI: Main Menu Preprocessor Meshing Mesh Areas Mapped 3 or 4 sided，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: Main Menu Preprocessor Meshing Mesh Areas Mapped By conners，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_DB5. 施加载荷及求解1

15、) 在线上施加对流载荷：GUI: Main Menu Solution Define Loads Apply Thermal Convection On Lines，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【Apply CONV on Lines】对话框，在Film coefficient文本框中输入62.3，在Bulk temperature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Film coefficient文本框中输入249.23，在Bulk temperature文本框中输入250，单击OK按钮。2) 列表显

16、示边界条件：GUI: Utility List Loads Surface On All Loads，检查所有对流边界条件是否加载。3) 求解：GUI: Main Menu Solution Solve Current LS，弹出一个提示窗口和【Solve Current Load Step】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：Utility Menu File Save as，弹出【Save as】对话框，在Save Database To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：G

17、UI: Main General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu，弹出【Contour Nodal Solution Data】对话框，点击Nodal SolutionDOF SolutionTemperature，Undisplaced Shape key下拉框中选择Deformed shape with undeformed model。2) 绘制热流量分布云图：GUI: Main General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu，弹出【Contour Nodal Solu

18、tion Data】对话框，点击Thermal flux Thermal flux vector sum，单击OK。3) 绘制热梯度分布云图：GUI: Main General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu，弹出【Contour Nodal Solution Data】对话框，点击Thermal gradient vector sum，单击OK按钮。练习12：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: Utility Me

19、nu File Resume from，弹出【Resume Database】对话框，在Resume Database from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：GUI: Utility Menu File Change title，弹出【Change Title】对话框，输入2D Axisymmetrical Pipe Thermal_Stress Analysis，单击OK按钮。2) 改变分析类型：GUI: Main Menu Preferences，在弹出的【Preference for GUI F

20、iltering】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: Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Delete All Load Data All SolidMod Lds，弹出【Delete All Solid Model Loads】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: Main Menu Preprocessor Element Type Switch Elem Type，弹出【Switch Elem Type】对

21、话框。在Change element type下拉框中选择Thermal to Struc，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: Main Menu Preprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete，弹出【Element Type】对话框，单击Options按钮，弹出【PLANE82 elemnt type options】对话框，在Element behavior K3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: Main Menu Preproc

22、essor Material Pros Material Models，弹出【Define Material Model Behavior】窗口，点击Material Model Available列表框中的Structural Thermal Secant Coefficienet Isotropic，弹出【Thermal Expansion Coef for Material Number 1】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：GUI: Main Menu Solution Define

23、Loads Apply Structural DisplacementSymmetry B.C. On Lines，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: Utility Menu Plot Line3) 施加节点温度载荷：GUI: Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Temperature From Therm Analy，弹出【Apply TEMP from Thermal Analysis】对话框，在Name of result fil

24、e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：GUI: Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Pressure On Lines，弹出一个拾取框，拾取编号为L9和L8的线，单击OK按钮，弹出【Apply PRES on lines】对话框，在VALUE Load PRES value文本框中输入6.89e6，单击OK按钮。5) 显示节点的温度体载荷：GUI: Utility Menu PlotCtrls Symbols，弹出【Symbols】对话框。在Body Load Symbols

25、下拉框中选择Structural temps选项，单击OK按钮。6) 显示单元：GUI: Utility Menu Plot Element7) 求解：求解：GUI: Main Menu Solution Solve Current LS8) 求解完成后，保存结果文件：GUI：Utility Menu File Save as，弹出【Save as】对话框，在Save Database To文本框中输入Pipe_Thermal_Stress.db，单击OK。5、 普通后处理1) 显示变形：GUI: Main Menu General Postproc Plot Results Deformed

26、 Shape，弹出【Plot Deformed Shape】对话框，选择Def + undeformed单选框，单击OK按钮。2) 显示位移云图：GUI: Main Menu General Postproc Plot ResultsNodal Solu，弹出【Contour Nodal Solution Data】对话框，点击Nodal Solution DOF Solution Displament vector sum，接着在Undisplaced shape key下拉框中选择Deformed shape with undeformed edge，单击OK按钮。3) 显示Von Mis

27、es应力分布云图：GUI: Main Menu General Postproc Plot ResultsNodal Solu，弹出【Contour Nodal Solution Data】对话框，点击Nodal Solution Stress von Mises stress，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：Utility Menu PlotCtrls Style Symmetry Expansion 2D Axi-symmetric，弹出【2D Axi-symmetric Expansion】对话框，选择1/4 expansion单选框和A

28、lso reflect about X-Z plane复选框，单击OK按钮。2) 转换视角：GUI：Utility Menu 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: Main Menu General Postproc Plot ResultsNodal Solu，弹出【Contour Nodal Solution Data】对话框，点击Nodal Solution Stress Y-Component of stress，单击OK按钮。4) 显示环向应力分布：GUI: Main Menu Gener

29、al Postproc Plot ResultsNodal Solu，弹出【Contour Nodal Solution Data】对话框，点击Nodal Solution Stress Z-Component of stress，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Coupled Field Vector Quad13。其余过程大

30、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：热性能单位制铜铁水导热系数W/m383700.61密度Kg/m388897833996比热J/kg3904484185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: Utility Menu: FileChange Jobname，输入文件名Thermal_Transient；勾选New log and error files单选框。3) 设定工作目录：GUI: Utility Menu: FileChange Directory4) 设置标题：GUI: Utility Menu: Fil