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。

7.1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，贝U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，推荐使用第二种方法一间接法。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一使用耦合单元。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。

7.2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。

表7-1热单元及相应的结构单元

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：

Mai n Menu>Prep roeessor>Eleme nt Typ e>Switeh Eleme nt Type ，选择Thermal to Struetual 。

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: Solution>Load Apply>Temperature>From 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

Men u>List>Load>Body Load>On all nodes 列表输出。

设置参考温度，Mai n Men u>Solutio n>Load Setti ng>Refere nee Temp 。

进行求解、后处理。

7.3间接法热应力分析实例

7.3.1 问题描述

图7-1冷却栅示意图

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fluH

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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1.25Btu/hr-in-oF，弹性模量为28E6lb/in2泊松比为0.3。管内压力为1000 Ib/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0.25 Btu/hr-in2-oF。求温度及应力分布。

7.3.2 菜单操作过程

7.321设置分析标题

1、选择“ Utility Men u>File>Cha nge Title，输入In direct thermal-stress Analysis of a cooling fin 。

2、选择“ Utility Me nu>File>Cha nge File name，输入PIP E_FIN。

7.322进入热分析，定义热单元和热材料属性

1、选择“ Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/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 Menu>Preprocessor>Material Porps>Material Models ”，点击Thermal，Conductivity，Isotropic，输入 1.25。

7.3.2.3创建模型

1、创建八个关键点，选择“ Ma in Men u> Prep rocessor>Creat>Key poin ts> On Active CS :关键点的坐标如下：

2、组成三个面：选择“ Mai n

Menu> Preprocessor>Creat>Area>Arbitrary>Throuth 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 Menu>Preprocessor>Meshtool，”设

定global size 为0.125，选择AREA，Mapped，Mesh，点击Pick all。

7.324施加荷载

1、选择“ Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By location>X 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“ Mai n

Menu>Solution>Apply>Convection>On 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 Menu>Select>Entities>Nodes>By location>X coordinates

，From Full，

输入6,12，点击Apply ；

4、选择“ Utility Menu>Seect>Entities>Nodes>By location>Y coordinates

，Reselect，输入0.25,1，点击Apply ；

5、选择“ Utility Menu >Select>E ntities>Nodes>By locatio n>Y coord in ates

，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

Menu>Solution>Apply>Convection>On nodes ，点击Pick，all，输入对流换热系数0.25，流体环境温度70。

7.325求解

1、选择“ Utility Menu>Select>Select Everything。”

2、选择“ Main Menu>Solution>Solve Current LS。”

7.326后处理

1、显示温度分布：选择“ Mai n Men u>Ge neral P ost proc>P lot Result>Nodal Solutio n>

Temperature ”。

7.3.2.7重新进入前处理，改变单元，定义结构材料

1、选择“ Ma in Menu>Prep rocessor>Eleme nt Typ e>Switch Elem Type Thermal to Structure 。

2、选择“ Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete Option，将结构单元设置为轴对称。

选释,

，点击，输”