热应力耦合分析.ppt

热结构耦合场分析,热应力产生 结构受热或变冷时，由于热胀冷缩产生变形。 若变形受到某些限制 如位移约束或相反的压力 则在结构中产生热应力。 产生热应力的另一个原因，是由于材料不同而形成的不均匀变形（如，不同的热膨胀系数）。,由约束产生 热应力,由不同材料 产生热应力,耦合场分析 概述,在 ANSYS 中求解热-应力问题有两种方法。这两种方法各有所长。 顺序耦合 传统方法是使用两种单元类型，将热分析的结果作为结构的温度荷载。 当热瞬态分析时间点很多，但结构时间点很少时效率较高。 很容易用输入文件实现自动处理。 直接耦合 比较新的方法，用一种单元类型就能求解两种物理场问题。 热和结构之间可实现真正的耦合。 在某些分析中可能耗费过多开销。,耦合场分析 概述,顺序耦合方法涉及两种分析：,1. 先作稳态（或瞬态）热分析。 建立热单元模型。 施加热荷载。 求解并检查结果。 2. 然后作静力结构分析。 把单元类型转换成结构单元。 定义包括热膨胀系数在内的结构材料特性。 施加包括从热分析得到的温度在内的结构荷载。 求解并检查结果。,耦合场分析 顺序耦合方法,1. 热分析 该过程在第 11 章中描述。 2. 结构分析 a) 进入前处理，把热单元类型转换成结构单元。 Main Menu Preprocessor Element Type Switch Elem Type 注意：转换单元类型时，所有单元选项重新设置回原来缺省状态。例如，若用户在热分析中使用的 2-D 轴对称单元，则需要在转换后重新指定轴对称选项，因此，一定要确保设置正确的单元选项： Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete Options 或用 ETLIST 和 KEYOPT 命令,耦合场分析 顺序耦合方法,b) 定义结构的材料性质 (EX等)，包括热膨胀系数 (ALPX) (若使用的是 ANSYS 提供的材料库，材料的热特性和结构特性均已定义，该项可以省略). 注意：如果没有定义 ALPX ，或将该项设置为零，则不计算热应变。可以用该项技巧“关闭”温度的影响。 c) 指定静力分析类型，这一步只在热分析是瞬态分析时用。 Main Menu Solution Analysis Type New Analysis 或用 ANTYPE 命令,耦合场分析 顺序耦合方法,d) 施加结构荷载，而把温度作为荷载的一部分。 Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Temperature From Therm Analy 或用 LDREAD 命令。 e) 求解。 f) 观察应力结果。,耦合场分析 顺序耦合方法,直接耦合方法，通常只涉及用耦合单元的分析，单元必须包括热、结构的自由度。,1. 首先用以下耦合单元之一建立模型并划分网格。 PLANE13 (平面实体单元)。 SOLID5 (六面体单元)。 SOLID98 (四面体单元)。 在模型上施加结构荷载、热荷载及约束。 求解并查看热和结构结果。,耦合场分析 直接耦合方法,顺序方法 对非高度非线性耦合情况，顺序方法更有效、灵活，因为它可以独立执行两种分析。 在顺序方法热-应力分析中，例如，在非线性瞬态分析之后可以紧接着进行线性静力分析，然后可以把热分析中任意荷载步或时间点的节点温度作为应力分析的荷载。,直接方法 对耦合场是高度非线性情况，直接方法更好，并且该方法用耦合公式单一求解时是最好的。 直接耦合的例子，包括压电分析，有流体流动的共轭传热分析及电路电磁分析。,耦合场分析 顺序耦合方法与直接耦合方法比较,带散热片的轴对称管,热应力耦合分析-顺序耦合,13A.热应力分析 顺序耦合 带散热片的轴对称管,说明 接上面练习12的轴对称散热片问题做一个热应力分析。如下所示，管内部有压力。顶部的线(在Y=1.0处)代表一个对称边界 , 我们将该线的所有节点的 UY自由度耦合起来。,13A.热应力分析 顺序耦合 带散热片的轴对称管,载荷和边界条件,1. 按教师指定的工作目录，用 “pipe-th-str” 作为作业名，进入 ANSYS 。 2. 从练习12中恢复数据库文件 (或 pipe-th.db1): Utility Menu File Resume from 选择 “pipe-th.db”, 然后按 OK 或用命令: RESUME,pipe-th,db 3. 在 GUI优选框中选择结构: Main Menu Preferences 选择 “Structural”而不选 “Thermal”,然后按 OK 4. 改变标题: Utility Menu File Change Title . 标题为 “2D AXI-SYMM THERMAL-STRESS ANALYSIS W/ INT. PRESS - ESIZE=0.125” OK,13A.热应力分析 顺序耦合 带散热片的轴对称管,5. 删除实体模型边上的对流载荷: Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Delete All Load Data All SolidMod Lds OK 或用命令: /PREP7 LSCLEAR,SOLID 6. 将温度单元改为相应的结构单元: Main Menu Preprocessor Element Type Switch Elem Type 选择 “Thermal to Struc”,然后按 OK 检查警告信息窗, 然后按 Close 或用命令: ETCHG,TTS,13A.热应力分析 顺序耦合 带散热片的轴对称管,13A.热应力分析 顺序耦合 带散热片的轴对称管,7. 将单元选项设为轴对称: Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete Options . 将 K3设为轴对称, 然后按 OK Close 8. 在练习 12 的热应力分析中施加温度荷载: Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural Temperature From Therm Analy 选择结果文件 “pipe-th.rth” , 然后按 OK 9. 在线（Y=0 ）上施加对称边界条件 : Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural Displacement Symmetry B.C. On Lines 选择线 3, 5, 11, 然后按 OK,13A.热应力分析 顺序耦合 带散热片的轴对称管,10. 将节点自由度（在Y=1） UY耦合: 10a. 选择节点（在Y=1）: Utility Menu Select Entities . 通过 “By Location”选择 “Nodes” 选择 “Y coordinates” 将 Min,Max设为 1,然后按 OK 或用命令: NSEL,S,LOC,Y,1 10b.将选择的一组节点在 UY方向上耦合起来: Main Menu Preprocessor Coupling / Ceqn Couple DOFs Pick All 将NSET设为 1 将 Lab设为 UY,然后按 OK Utility Menu Select Everything 或用命令: CP,1,UY,ALL ALLSEL,ALL,13A.热应力分析 顺序耦合 带散热片的轴对称管,11. 将内部压力施加在线上: Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural Pressure On Lines 拾取线 9和13, 然后按 OK 将VALUE设为 1000, 然后按 OK 或用命令: SFL,9,PRES,1000 SFL,13,PRES,1000 12. 通过显示体荷载检查温度载荷: Utility Menu PlotCtrls Symbols 将体载荷符号设为 “Structural temps”,然后按 OK Utility Menu Plot Elements 或用命令: /PBF,TEMP, ,1 EPLOT,13A.热应力分析 顺序耦合 带散热片的轴对称管,13. 存储数据库并计算结果: Pick the “SAVE_DB” button in the Toolbar (or select: Utility Menu File Save as Jobname.db) Main Menu Solution Solve Current LS 观察 “/STATUS Command”窗口并关闭 OK Close 在求解结束时关闭黄色信息框 或用命令: : SAVE /SOLU SOLVE 14. 进入后处理并观察结果: Main Menu General Postproc 或用命令: /POST1,13A.热应力分析 顺序耦合 带散热片的轴对称管,14a.显示位移: Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu 拾取 “DOF solution”和 “Translation USUM”, 选择 “Def + undef edge”,然后按 OK 或用命令: PLNSOL,U,SUM,2,1,13A.热应力分析 顺序耦合 带散热片的轴对称管,14b.画 von Mises 应力: Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu 拾取 “Stress” 和 “von Mises SEQV”, 选择 “Def shape only”, 然后按 OK 或用命令: PLNSOL,S,EQV,13A.热应力分析 顺序耦合 带散热片的轴对称管,14c.画径向应力等值线图 : Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu 拾取 “Stress”和 “X-direction SX”,然后按 OK 或用命令: PLNSOL,S,X,13A.热应力分析 顺序耦合 带散热片的轴对称管,14d.绕Y轴将轴对称的径向应力扩展90度，然后关于x-z 平面做镜面反射 : Utility Menu PlotCtrls Style Symmetry Expansion 2D Axi-Symmetric . 拾取 “1/4 expansion” 然后选择镜像,按 OK ISO 或用命令: /EXPAND, 9,AXIS,10,2,RECT,HALF,0.00001 /VIEW,1,1,1,1 /REPLOT,13A.热应力分析 顺序耦合 带散热片的轴对称管,13A.热应力分析 顺序耦合 带散热片的轴对称管,14e.画纵向(轴向)的应力图: Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu 拾取 “Stress” 和 “Y-direction SY”, 然后按 OK 或用命令: PLNSOL,S,Y,13A.热应力分析 顺序耦合 带散热片的轴对称管,14f.画切向应力 (周向或环向) : Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu 拾取 “Stress”和 “Z-direction SZ”, 然后按 OK 或用命令: PLNSOL,S,Z,带散热片的轴对称管,热应力耦合分析-直接耦合,13B.热应力分析 直接耦合 带散热片的轴对称管,说明 在这个练习题中,我们将 用直接耦合方法重做前面的题目。 这个轴对称的散热片将被用来分析以前施加的热和结构荷载。,13B.热应力分析 直接耦合 带散热片的轴对称管,施加与练习 12 相同的荷载 同时施加内部压力。,内部压力 = 1000 psi,13B.热应力分析 直接耦合 带散热片的轴对称管,1. 按教师指定的工作目录，用 “pipe-direct” 作为 作业名进入 ANSYS。 2. 读入 “pipe-th.inp” 文件建立 2-D 轴对称模型，在线上指定网格份数： Utility Menu File Read Input from 选择 “pipe-th.inp”, 然后按OK 或用命令: /INPUT,pipe-th,inp 3. 添加轴对称耦合场单元类型(plane13): Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete 选择“Coupled Field” 和 “Vector Quad 13”, 然后按 OK 4. 把单元选项改为 structural / thermal, 轴对称: Options K1 = UX UY Temp AZ K3 = Axisymmetric OK Close 或用命令: ET,1,PLANE13 KEYOPT,1,1,4 KEYOPT,1,3,1,13B.热应力分析 直接耦合 带散热片的轴对称管,5.将模型用 2-D 的四边形单元划分映射网格: Main Menu Preprocessor Meshing MeshTool 选择Global，按Set 将SIZE 设为 0.25/2,然后按 OK 选择 “Mapped”, 然后按 Mesh Pick All 6. 从材料库中读入304号钢的材料特性: Main Menu Preprocessor Material Props Material Library Library Path 输入路径 “Path for READING files” (例如， h:ansys57matlib) OK Main Menu Preprocessor Material Props Material Library Import Library 选择 “BIN”, 然后按 OK 选择 “Stl_AISI-304.BIN_MPL”, 然后按 OK,13B.热应力分析 直接耦合 带散热片的轴对称管,7.在实体模型的线上施加对流荷载: Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Thermal Convection On Lines 拾取外部的四条线, 然后按 OK 设 VALI = 0.69e-4 和 VAL2I = 70, 然后按 Apply 拾取内部的两条线, 然后按 OK 设 VALI = 0.28e-3 和 VAL2I = 450, 然后按 OK 或用命令: SFL,2,CONV,0.69e-4, ,70 SFL,6,CONV,0.69e-4, ,70 SFL,7,CONV,0.69e-4, ,70 SFL,10,CONV,0.69e-4, ,70 SFL,9,CONV,0.28e-3, ,450 SFL,13,CONV,0.28e-3, ,450,13B.热应力分析 直接耦合 带散热片的轴对称管,8.在线上施加内部均匀压力: Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural Pressure On Lines 拾取线段 9和13, 然后按 OK 设压力值为 1000,然后按 OK 或用命令: SFL,9,PRES,1000 SFL,13,PRES,1000,13B.热应力分析 直接耦合 带散热片的轴对称管,9.将Y=1 处的节点的自由度在 UY方向上耦合 : 9a. 选择Y=1 处的节点 : Utility Menu Select Entities . 选择 “Nodes” 和 “By Location” 选择 “Y coordinates” 将最大和最小均设为1, 然后按 OK 或用命令: NSEL,S,LOC,Y,1 9b. 在选择的节点集合上定义 UY 方向的耦合： Main Menu Preprocessor Coupling / Ceqn Couple DOFs Pick All NSET = 1 设置 Lab = UY, 然后 OK Utility Menu Select Everything 或用命令: CP,1,UY,ALL ALLSEL,ALL,13B.热应力分析 直接耦合 带散热片的轴对称管,10.在 Y=0 的线上施加对称边界条件: Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural Displacement Symmetry B.C. On Lines 选择线 3, 5, 11,然后 OK 11. 存储数据库并求解: 在工具条上按 “SAVE_DB”按钮 (或 Utility Menu File Save as Jobname.db) Main Menu Solution Solve Current LS 查看 “/STATUS Command” 窗口，然后关闭。 OK Yes 出现警告信息，继续求解 Close 求解完成后关闭黄色信息窗口 12. 进入通用后处理器观察结果: Main Menu General Postproc 或用命令: /POST1,13B.热应力分析 直接耦合 带散热片的轴对称管,12a.画温度图: Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu 拾取 “DOF solution” 和 “Temperature TEMP”,然后按 OK 或用命令: PLNSOL,TEMP,12b.画位移图: Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu 拾取 “DOF s