ANSYS Example07热-结构耦合分析算例 (ANSYS)
ansysworkbench结构热耦合教材
标题：深度解析ANSYS Workbench 结构热耦合教材在工程领域，ANSYS Workbench 结构热耦合是一个非常重要而复杂的主题。
它涉及到结构分析和热传导的耦合问题，在工程实践中有着广泛的应用。
本文将对ANSYS Workbench 结构热耦合教材进行全面评估，并共享个人观点和理解。
1. 教材概述ANSYS Workbench 结构热耦合教材是针对结构分析和热传导耦合问题而编写的教材，它包含了理论知识与实际应用相结合的内容。
教材以简洁清晰的语言，系统地介绍了ANSYS Workbench 中结构热耦合分析的基本原理、方法和操作步骤，并通过大量的例题进行了详细演示与讲解。
2. 主题深度探讨在教材中，对结构热耦合分析的基本原理和数学模型进行了深入讲解。
通过对热传导方程和结构强度理论的介绍，使学习者能够了解结构受热载荷作用下的变形和应力分布规律。
教材还涵盖了ANSYS Workbench 中热-结构耦合分析的建模和网格划分技术，使学习者能够掌握仿真分析的关键技术。
3. 教材回顾与总结ANSYS Workbench 结构热耦合教材通过丰富的案例分析和实例演示，帮助学习者深入理解了结构热耦合分析的实际应用。
从简单的热传导问题到复杂的结构热耦合分析，教材覆盖了多个领域和行业的案例，为学习者提供了丰富的学习资源。
通过总结与回顾，学习者可以全面、深刻地领会结构热耦合分析的理论与实践。
4. 个人观点与理解在学习和掌握ANSYS Workbench 结构热耦合教材的过程中，我对结构热耦合分析有了更深入的理解。
通过教材的系统学习，我认识到在工程实践中，结构热耦合分析能够为工程设计和优化提供重要依据，尤其在高温场、冷却系统、电子器件等领域有着广泛的应用。
我也意识到结构热耦合分析需要综合考虑材料性能、热载荷和结构强度等多个因素，需要综合运用结构分析、热传导分析与ANSYS仿真技术，具有一定的复杂性和挑战性。
总结而言，ANSYS Workbench 结构热耦合教材涵盖了结构热耦合分析的基本理论与实际应用，是学习者系统学习结构热耦合分析的重要参考资料。
热-结构耦合分析
热－结构耦合分析1 前言增压器的工作原理是，通过发动机废气推动涡轮叶轮高速旋转，吸收发动机排气的能量，同时带动同轴的压气机叶轮，压缩新鲜空气到发动机气缸内，起到增压的目的。
涡轮叶轮不仅承受着高转速所带来的离心力作用，还要面对发动机所排出的700℃左右的高温，因此涡轮叶轮的可靠性就显得尤为重要。
一般的涡轮叶轮采用镍基高温耐热合金材料，有良好的高温机械性能，但由于其密度大，直接影响增压器的加速性。
采用轻质材料可以大幅度提高增压器瞬态响应性，但材料的高温特性还需要进一步验证。
本文讨论涡轮叶轮采用钛铝合金后，针对试验前期的强度计算、试验结果分析以及试验后再进行的强度验算等情况的变化，进行了分析和总结，同时根据分析结果修改了叶轮设计过程的强度计算方法，进一步提高了设计准确度。
2 涡轮叶轮结构、材料特性和计算边界条件本文研究的涡轮叶轮为向心混流式叶轮，叶轮最大直径为136.2mm，叶片由12 片组成，整个叶轮重量在采用了钛铝合金材料后，由原来的2.4 公斤减为1.15 公斤。
该材料密度为3.9g/cm3，常温下屈服强度σp0.2＝452MPa，抗拉强度σb＝533Mpa，随温度变化趋势图见图1，材料性能如表1 所示。
图1 钛铝材料抗拉强度、屈服强度趋势图表1 TiAl 涡轮叶轮材料性能为了降低计算规模，根据涡轮叶轮旋转对称结构的特点，在计算过程中取叶轮的1/12 模型，设置周期性边界进行计算、分析。
网格选用8 节点六面体实体单元SOLID45，在叶片的圆角处进行了网格细化，同时根据实际情况定义了位移约束。
3 试验结果分析涡轮叶轮采用钛铝合金材料后，为验证其可靠性，进行了超速破坏试验，当增压器转速达到90000 转/分钟后，涡轮叶轮发生断裂，如图2 所示。
经初步分析，叶轮可能是从轮背与轴的交界处开始断裂的，断裂位置如图3 所示。
图2 TiAl 涡轮叶轮破坏情况图3 TiAl 涡轮叶轮断裂位置试验结果和前期设计过程中叶轮静强度计算结果对比发现，叶片最大应力集中的区域，并不在试验样件断裂的位置，最大应力集中区域为图4 标识区域中叶片根部，为605.259MPa，实际断裂位置为470.962MPa。
ansys热流双向耦合+结构单向耦合
ANSYS软件是一种强大的有限元分析软件，广泛应用于工程领域的热流双向耦合和结构单向耦合分析。
本文将从热流双向耦合和结构单向耦合的基本原理、ANSYS软件的应用方法以及应用案例等方面进行介绍和分析。
一、热流双向耦合的基本原理1. 热流双向耦合是指热传导和流体流动之间相互影响的耦合分析方法。
2. 在热流双向耦合分析中，热传导和流体流动之间存在相互影响的物理过程。
热传导会导致流体的温度分布发生变化，而流体的流动又会影响热传导的过程。
3. 热流双向耦合分析可以用于模拟汽车发动机的冷却系统、航空发动机的燃烧室等工程问题，对于研究热传导和流体流动之间的复杂耦合现象具有重要意义。
二、结构单向耦合的基本原理1. 结构单向耦合是指结构应力和温度之间的单向耦合分析方法。
2. 在结构单向耦合分析中，结构的应力状态会随着温度的变化而发生变化，而温度的变化不会受到结构应力的影响。
3. 结构单向耦合分析可以用于模拟航空航天器在进入大气层时的热应力行为、电子器件的热机械性能等工程问题，对于研究结构应力和温度之间的复杂耦合现象具有重要意义。
三、ANSYS软件的应用方法1. ANSYS软件是目前应用最为广泛的有限元分析软件之一，具有强大的热流双向耦合和结构单向耦合分析功能。
2. 在进行热流双向耦合分析时，可以利用ANSYS软件中的流体动力学模块和热传导模块进行耦合求解，得到热传导和流体流动的相互影响结果。
3. 在进行结构单向耦合分析时，可以利用ANSYS软件中的结构分析模块和热分析模块进行耦合求解，得到结构应力和温度之间的单向耦合结果。
四、应用案例分析1. 以汽车发动机冷却系统为例，可以利用ANSYS软件进行热流双向耦合分析，研究冷却水在发动机中的流动和散热过程，为发动机的热管理设计提供依据。
2. 以航空航天器进入大气层时的热应力行为为例，可以利用ANSYS 软件进行结构单向耦合分析，研究航空航天器在高速进入大气层时的热应力分布，为材料选型和结构设计提供依据。
ANSYS经典_M07热-应力耦合分析
热-应力分析
…顺序耦合
d) 施加结构载荷并把温度作为载荷的一部分.
Training Manual
INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1
Solution > -Loads- Apply > -Structural- Temperature > From Therm Analy 或使用 LDREAD 命令 e) 求解. f) 查看应力结果.
January 30, 2001 Inventory #001441 7-2
热-应力分析
A. 概述
热应力的产生 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—如位移受到约束或施 加相反的力—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).
热-应力分析
… 顺序耦合 和 直接耦合 的比较
顺序耦合
– 对不是高度非线性的耦合情况, 顺 序方法更有效,更灵活,因为可 以相互独立地执行两种分析. – 在顺序热-应力分析中,例如,在 非线性瞬态热分析之后可以紧接 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载荷.
1. 首先做一个稳态 (或瞬态) 热分析
建立热单元模型 施加热载荷 求解并查看结果 2. 然后做静力结构分析 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属性. 施加包括从热分析得到的温度在内的结构载 荷 求解并查看结果
热分析
jobname.rth 温度
结构分析
jobname.rst
Training Manual
INTRODUCTION TO ANSYS 5.7 - Part 1
ANSYS热结构耦合命令流算例
＝＝＝＝＝【热力耦合分析单元简介】＝＝＝＝＝＝SOLID5－三维耦合场实体具有三维磁场、温度场、电场、压电场和结构场之间有限耦合的功能。
本单元由8个节点定义，每个节点有6个自由度。
在静态磁场分析中，可以使用标量势公式（对于简化的RSP，微分的DSP，通用的GSP）。
在结构和压电分析中，具有大变形的应力钢化功能。
与其相似的耦合场单元有PLANE13、SOLID62和SOLID98。
INFIN9－二维无限边界用于模拟一个二维无界问题的开放边界。
具有两个节点，每个节点上带有磁向量势或温度自由度。
所依附的单元类型可以为PLANE13和PLANE53磁单元，或PLANE55和PLANE77和PLANE35热单元。
使用磁自由度（ＡＺ）时，分析可以是线性的也可以是非线性的，静态的或动态的。
使用热自由度时，只能进行线性稳态分析。
PLANE13－二维耦合场实体具有二维磁场、温度场、电场和结构场之间有限耦合的功能。
由4个节点定义，每个节点可达到4个自由度。
具有非线性磁场功能，可用于模拟B－H曲线和永久磁铁去磁曲线。
具有大变形和应力钢化功能。
当用于纯结构分析时，具有大变形功能，相似的耦合场单元有SOLID5、SOLID98和SOLID62。
LINK31－辐射线单元用于模拟空间两点间辐射热流率的单轴单元。
每个节点有一个自由度。
可用于二维（平面或轴对称）或三维的、稳态的或瞬态的热分析问题。
允许形状因子和面积分别乘以温度的经验公式是有效的。
发射率可与温度相关。
如果包含热辐射单元的模型还需要进行结构分析，辐射单元应当被一个等效的或（空）结构单元所代替。
LINK32－二维传导杆用于两节点间热传导的单轴单元。
该单元每个节点只有一个温度自由度。
可用于二维（平面或轴对称）稳态或瞬态的热分析问题。
如果包含热传导杆单元的模型还需进行结构分析，该单元可被一个等效的结构单元所代替。
LINK33－三维传导杆用于节点间热传导的单轴单元。
该单元每个节点只有一个温度自由度。
用ANSYS进行温度和结构的耦合分析需要注意的问题总结
采用ansys进行温度和结构的耦合分析需要注意的问题总结温度场和结构的耦合有两种：间接和直接。
间接法，可以理解为先做温度场的分析，再做结构的分析，其中要引入温度场分析的结果。
在不同的分析里，单元的性质是不同的，但DOF一定要一致。
直接法，和上述方法不同的地方是，单元是直接就定义为含有温度和结构耦合的单元，然后直接做分析，即不需要分为两个步骤。
瞬态分析，一样可以用上述两个方法。
只是运用第一个时要十分清楚载荷步与分析的关系，虽然比第二种灵活，但处理起来也十分麻烦。
在做温度场的瞬态分析，根据需要，在合适的载荷步停顿，做结构分析（如果想省去单元定义转换的麻烦，那么就定义physics环境切换）。
做完结构分析，再开启温度场分析（一样要转换环境），这里为确保从某一载荷步出发，我们用FLOCHECK,2，然后继续加载边界条件求解。
耦合的过程很公式化，但是要让其符合你的要求，就要很小心数据的提取。
还有一个问题，结构分析时需不需要删除热边界条件。
需要删除热边界条件，比如对流等等。
一般情况下，不考虑变形对温度的影响（因为特别小），采用间接耦合，即先计算温度场，然后读取温度场结果，进行结构分析。
........................载荷步是为了表达随时间变化的载荷，也就是说把载荷—时间曲线分成载荷步。
这是瞬态与稳态分析最大的不同。
分析时对于每一个载荷步都要定义载荷值和对应的时间值。
而分析类型应定义为瞬态分析，每计算一个载荷步时，都要删掉上一个载荷步的温度，除非这些节点的温度在瞬态与稳态分析中都相同。
至于单元，个人推荐使用SOLID62，无论是分网还是施加载荷都比教方便，基本可满足各类瞬态分析计算条件。
......................首先了解一个概念，顺序耦合或是直接耦合的选择是针对不同的问题选择的，一般地，当温度变化对于结构的力学影响相对很小的时候，也就是说可以忽略的情况下，我们称之为单向弱耦合，此时采用顺序耦合很方便，例如焊接过程，这样可以节省分析时间！而对于诸如车的制动系统即车闸盘与闸片的接触，在制动过程中，由于闸片与闸盘的摩擦生热会影响两者的接触，同时由于闸盘的减速对闸片的生热也会有很大影响，所以两者是强耦合，只能采用直接耦合！你需要选择合适的耦合方法才能更好的求解你的问题！从实际情况来讲，直接耦合是最接近现实的耦合方法，但同时求解也会存在困难性！你的模型如果是热力过程同时进行的话，那么这个求解过程无疑是瞬态的，每一点每一时刻的温度值都是需要读入力学分析中的相应时刻的，不存在“静态力分析和瞬态热分析的过程！当然，如果你的分析过程是模型先受热后才开始力载荷的作用，那可以进行”静态力分析“，此时你的模型热分析的温度值你只需对最终的温度值以载荷形式赋与结构分析中去，当然，这种过程也就不叫做耦合了！.....................顺序法热力耦合的基本思路是：在热载荷作用下温度场分析的过程，是热梯度分布渐变的过程。
Ansys耦合热分析教程解读
物理环境 (续)
同时，确认网格划分的密度在所有物理环境中都能得到可以接收的 结果。如：
这种划分方法在热分析中可以得到 满意的温度分布，但. . .
. . . 这样的网格密度在结构分析中
才能得到准确的结果。
物理环境方法允许载一个模型中定义最多9种物理环境。这种方法 当考虑多于两个场的相互作用时或不能在每个环境中使用不同的数 据库文件的情况下比较适用。要得到关于间接问题的物理环境方法， 可以参考《耦合场分析指南》的第二章。
间接方法
间接方法 用于求解间接耦合场问题。它需要连续进行两个单场的
分析(而不是同时)，第一种分析的结果作为第二种分析的载荷。如:
热
结构
热
结构
许多问题需要热到结构 的耦合(温度引 起的热膨胀) 但反之不可 结构到热 耦合是可以忽略的(小的应变 将不对初始的热分析结果产生影响)
在实用问题中，这种方法比直接耦合要方便一些，因为分析使用的 是单场单元，不用进行多次迭代计算。
1.建立，加载，求解 热模型
5b.写节点文件 (NWRITE) 并存储结 构文件
5c.读入热模型并进行 温度插值 (BFINT)
结束 5d. 读入结构模型并读 入体载荷文件 (/INPUT)
9. 后处理
4.定义结构材料特性
6. 指定分析类型，分 析选项和载荷步选项
7. 指定参考温度并施 加其它结构载荷
流程细节 (续)
5B. 从热分析中施加温度体载荷(LDREAD 命令):
5B 确定结果的 时间和子步 确定温度结 果文件 9. 求解当前载荷步
8. 存储并求解
流程细节
下面是热-应力分析的每步细节。
1. 2.
建立热模型并进行瞬态或稳态热分析，得到节点 上的温度。 查看热结果并确定大温度梯度的时间点 (或载荷步 /子步)。
热-结构耦合(单元转换)
ANSYS热－结构耦合分析实例在土木工程结构中，温度应力在很多情况下对结构的影响很大。
很多时候需要先对结构进行热传导分析，得到结构内部的温度应力分布，再进行结构分析，得到由于温度产生的结构内力。
ANSYS提供了很方便的热分析－结构分析切换工具，本节将以一个圆环的热应力分析为例，介绍ANSYS提供的相关功能。
(1) 首先进行热分析，进入ANSYS主菜单Preprocessor->ElementType->Add/Edit/Delete，选择添加单元为Quad 4 node 55 号热分析单元(2) 进入ANSYS主菜单Preprocessor->Material Props->Material Models，添加热传导速率参数Thermal->Conductivity->Isotropic，设定热传导速率为0.07。
添加力学属性Structural->Linear->Elastic->Isotropic，设定弹性模量为30e9，泊松比为0.2。
添加热膨胀系数Structural->ThermalExpansion->Secant Coefficient->Isotropic，设定热膨胀系数为1e-5。
(1) 开始建立模型。
还是按照ANSYS标准的点、线、面、体建立模型。
首先建立关键点。
在ANSYS主菜单Preprocessor->Modeling->Create->Keypoints->In Active CS，输入以下关键点信息(2) 下面开始建立弧线。
在ANSYS主菜单Preprocessor-> Modeling-> Create-> Lines-> Arcs-> By End KPs&Rad，首先点选关键点2和3，然后点选中心点1，最后输入半径为5，生成第一个圆弧。
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!!!!!!!!!!!!
FINISH
/POST1
!*
/EFACET,1
PLNSOL, TEMP,, 0
FINISH
/PREP7
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
! Switch from thermal to structure
ETCHG,TTS
FINISH
/SOL
DL,4, ,UX,
(6)下面首先进入热分析，进入ANSYS主菜单Solution->Analysis Type->New Analysis，设置分析类型为稳态分析Steady-state
(7)输入热边界条件，进入ANSYS主菜单Solution-> Define Loads-> Apply-> Thermal-> Temperature-> On Lines，在直线1上加上1000度的温度荷载，如图所示，在直线2上加上20度的温度荷载。
(5)下面划分网格，由于本模型只有一种单元一种材料，所以不必复杂的设置属性。进入ANSYS主菜单Preprocessor->Meshing->Size Cntrls->ManualSize->Global->Size，在Global Element Size窗口中设置单元尺寸为0.5。在ANSYS主菜单Preprocessor->Meshing->Mesh->Areas，点选圆环进行网格划分
(8)进入ANSYS主菜单Solution->Solve->Current LS，计算当前结构的温度场分布。
(9)进入ANSYS主菜单General Postproc->Plot Results->Contour Plot->Nodal Solu，绘制节点的温度荷载分布如图所示。
(10)下面开始根据上面的热分析结果进行结构应力分析。进入ANSYS主菜单Preprocessor-> Element Type-> Switch Elem Type，选择单元转换方式为从热分析向结构分析转换Thermal to Struc
(1)开始建立模型。还是按照ANSYS标准的点、线、面、体建立模型。首先建立关键点。在ANSYS主菜单Preprocessor->Modeling->Create->Keypoints->In Active CS，输入以下关键点信息
关键点编号
X坐标
Y坐标
Z坐标
1
0
0
0
2
5
0
0
3
0
5
0
4
8
0
0
5
0
8
0
k,3,0,5
k,4,8,
k,0,6
k,5,0,8
larc,2,3,1,5
larc,4,5,1,8
l,2,4
l,3,5
al,1,2,3,4
esize,0.5
amesh,all
!!!!!!!!!!!!!
FINISH
/SOL
!*
ANTYPE,0
DL,1, ,TEMP,1000,0
DL,2, ,TEMP,20,0
(13)进入ANSYS主菜单Solution->Solve->Current LS，计算当前结构的温度应力。
(14)进入ANSYS主菜单General Postproc->Plot Results->Contour Plot->Nodal Solu，绘制结构的主拉应力（1st principal stress）分布如图所示
(11)输入位移边界条件，进入ANSYS主菜单Solution-> Define Loads-> Apply-> Structural-> Displacement-> On Lines，在直线3上约束Y方向自由度，在直线4上约束X方向自由度。
(12)最后将前面热分析的温度应力分布读入当前的分析工况，进入ANSYS主菜单Solution->Define Loads->Apply->Structural->Temperature->From Therm Analy，从前面的热分析结果(Jobname.rth)文件中读取热分析结果，如果设定的分析项目名称为case07的话，则热分析结果的文件名为case07.rth，如图所示。
07热－结构耦合分析算例(ANSYS)
在土木工程结构中，温度应力在很多情况下对结构的影响很大。很多时候需要先对结构进行热传导分析，得到结构内部的温度应力分布，再进行结构分析，得到由于温度产生的结构内力。ANSYS提供了很方便的热分析－结构分析切换工具，本节将以一个圆环的热应力分析为例，介绍ANSYS提供的相关功能。
(1)首先进行热分析，进入ANSYS主菜单Preprocessor->Element Type->Add/Edit/Delete，选择添加单元为Quad 4 node 55号热分析单元
(2)进入ANSYS主菜单Preprocessor->Material Props->Material Models，添加热传导速率参数Thermal->Conductivity->Isotropic，设定热传导速率为0.07。添加力学属性Structural->Linear->Elastic->Isotropic，设定弹性模量为30e9，泊松比为0.2。添加热膨胀系数Structural->Thermal Expansion->Secant Coefficient->Isotropic，设定热膨胀系数为1e-5。
DL,3, ,UY,
LDREAD,TEMP,1,1, , ,'Case07','rth',' '
solve
FINISH
/POST1
P弧线。在ANSYS主菜单Preprocessor-> Modeling-> Create-> Lines-> Arcs-> By End KPs&Rad，首先点选关键点2和3，然后点选中心点1，最后输入半径为5，生成第一个圆弧。接着点选关键点4和5，然后点选中心点，输入半径8。生成第二个圆弧
/PREP7
!*
ET,1,PLANE55
!*
MPTEMP,,,,,,,,
MPTEMP,1,0
MPDATA,KXX,1,,0.07
MPTEMP,,,,,,,,
MPTEMP,1,0
MPDATA,ALPX,1,,1e-5
MPDATA,EX,1,,30e9
MPDATA,PRXY,1,,.2
!*
k,1,
k,2,5,
(3)在ANSYS主菜单Preprocessor->Modeling->Create->Lines->Straight Line，连接关键点2，4和3，5。组成圆环轮廓
(4)在ANSYS主菜单Preprocessor->Modeling->Create->Arbitrary->By Lines，点选圆环周边轮廓线，生成圆环面。