热应力分析实例
ABAQUS热应力分析实例详解
热应力分析实例详解学习要点通过实例分析，学习如何进行热应力分析，并掌握ABAQUS/CAE 的以下功能：1）在Material 功能模块中，定义线胀系数；2）在Load 功能模块中，使用预定义场（predefined field）来定义温度场；实例1：带孔平板的热应力分析定义材料属性——Property Property——Material——Edit——steelMechanical——Elastic, 输入弹性模量和泊松比定义材料属性——Property Property——Material——Edit——steelMechanical——Expansion, 输入线胀系数定义边界条件——Load定义边界条件——Load定义边界条件——Load固支边界条件使用预定义场定义初始温度Load——PredefinedField Manager使用预定义场使模型温度升高至120℃网格划分——Mesh结果分析——Visualization小结在ABAQUS中进行热应力分析的基本步骤：⏹定义线胀系数⏹定义初始温度场⏹定义分析步中的温度场实例2：法兰盘感应淬火的残余应力场模拟问题描述：◆表面感应淬火是一种工程中常用的热处理工艺，其原理是使用感应器来对工件的局部进行加热，然后迅速冷却，从而使工件表面产生残余压应力，抵消工作载荷所产生的一部分拉应力。
◆表面感应淬火可显著提高工件弯曲疲劳抗力和扭转疲劳抗力，工件表面产生的马氏体具有良好的耐磨性。
实例2：法兰盘感应淬火的残余应力场模拟 本例中的法兰盘经淬火后，由试验测得法拉盘的内圆角表面残余压应力约为-420MPa。
法拉盘的一端固定，另一端的整个端面受向下的面载荷p=100MPa，法拉盘内孔直径为24mm，材料的弹性模量为210000MPa，泊松比为0.3，线胀系数为1.35e-5/ ℃。
要求：模拟分析感应淬火所产生的残余应力场，并分析此残余应力场在缓和应力集中方面所起的作用。
ANSYS热应力分析经典例题
ANSYS热应力分析例题实例1——圆简内部热应力分折：有一无限长圆筒，其核截面结构如图13—1所示，简内壁温度为200℃，外壁温度为20℃，圆筒材料参数如表13．1所示，求圆筒内的温度场、应力场分布。
该问题属于轴对称问题。
由于圆筒无限长，忽略圆筒端部的热损失。
沿圆筒纵截面取宽度为10M的如图1 3—2所示的矩形截面作为几何模型。
在求解过程中采用间接求解法和直接求解法两种方法进行求解。
间接法是先选择热分析单元，对圆筒进行热分析，然后将热分析单元转化为相应的结构单元，对圆筒进行结构分析；直接法是采用热应力藕合单元，对圆筒进行热力藕合分析。
/filname,exercise1-jianjie/title,thermal stresses in a long/prep7 $Et,1,plane55Keyopt,1,3,1 $Mp,kxx,1,70Rectng,0.1,0.15,0,0.01 $Lsel,s,,,1,3,2Lesize, all,,,20 $Lsel,s,,,2,4,2Lesize,all,,,5 $Amesh,1 $Finish/solu $Antype,staticLsel,s,,,4 $Nsll,s,1 $d,all,temp,200lsel,s,,,2 $nsll,s,1 $d,all,temp,20allsel $outpr,basic,allsolve $finish/post1 $Set,last/plopts,info,onPlnsol,temp $Finish/prep7 $Etchg,ttsKeyopt,1,3,1 $Keyopt,1,6,1Mp,ex,1,220e9 $Mp,alpx,,1,3e-6 $Mp,prxy,1,0.28Lsel,s,,,4 $Nsll,s,1 $Cp,8,ux,allLsel,s,,,2 $Nsll,s,1 $Cp,9,ux,allAllsel $Finish/solu $Antype,staticD,all,uy,0 $Ldread,temp,,,,,,rthAllsel $Solve $Finish/post1/title,radial stress contoursPlnsol,s,x/title,axial stress contoursPlnsol,s,y/title,circular stress contoursPlnsol,s,z/title,equvialent stress contoursPlnsol,s,eqv $finish/filname,exercise1-zhijie/title,thermal stresses in a long/prep7 $Et,1,plane13Keyopt,1,1,4 $Keyopt,1,3,1Mp,ex,1,220e9 $Mp,alpx,,1,3e-6 $Mp,prxy,1,0.28MP,KXX,1,70Rectng,0.1,0.15,0,0.01 $Lsel,s,,,1,3,2Lesize, all,,,20 $Lsel,s,,,2,4,2Lesize,all,,,5 $Amesh,1Lsel,s,,,4 $Nsll,s,1 $Cp,8,ux,allLsel,s,,,2 $Nsll,s,1 $Cp,9,ux,allALLSEL $Finish/solu $Antype,staticLsel,s,,,4 $Nsll,s,1 $d,all,temp,200lsel,s,,,2 $nsll,s,1 $d,all,temp,20allsel $outpr,basic,allsolve $finish/post1 $Set,last/plopts,info,onPlnsol,temp/title,radial stress contoursPlnsol,s,x/title,axial stress contoursPlnsol,s,y/title,circular stress contoursPlnsol,s,z/title,equvialent stress contoursPlnsol,s,eqv $finish318页实例2——冷却栅管的热应力分析图中为一冷却栅管的轴对称结构示意图，其中管内为热流体，温度为200℃，压力为10Mp,对流系数为11 0W／(m2•℃)；管外为空气，温度为25℃，对流系数为30w／(mz．℃)。
热应力问题案例
热应力问题案例
（3）设置实常数 对于PLANE55单元，不需要定义实常数。
INTRADUCTION TO ANSYS PROJECT
热应力问题案例 （4）设置材料属性 运行主菜单 Main Menu：Preprocessor>Material Props>Material Models…
之后将出 现对话框
弹出对话框，选 择“OK‖按钮。
INTRADUCTION TO ANSYS PROJECT
热应力问题案例 （3）选择单元Main Menu：Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete…
INTRADUCTION TO ANSYS PROJECT
热应力问题案例 点击Add/Edit/Delete…菜单后出现单元类型对话框，选择“Add…‖，选择元素类型。
INTRADUCTION TO ANSYS PROJECT
热应力问题案例
①然后选择“Options…―按钮，弹出对话框
③选择Close关闭对话框
②在“Element behavior‖右边框中选 择“Axisymmetric‖，单击“OK‖按钮后
INTRADUCTION TO ANSYS PROJECT
INTRADUCTION ANSYS PROJECT
热应力问题案例 根据轴对称结构，建立关键点，共八点
INTRADUCTION TO ANSYS PROJECT
热应力问题案例 （2）连线，形成刚架结构 Main Menu：Preprocessor>Modeling-Creat>Lines>Straight Line+
热应力问题案例
INTRADUCTION TO ANSYS PROJECT
ANSYS热应力分析实例
6
设置材料属性
1.给定材料的导热系数40W/(m·℃) 。
Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material Models
7
建立实体模型（国际单位制）
1. 创建矩形A1：x1,y1(0,0)、x2,y2(0.01,0.07) MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>By Dimensions 2. 创建矩形A2：x1,y1(0,0.05)、x2,y2(0.08,0.07) 3.显示面的编号 Utility Menu>PlotCtrls>Numbering 4. 对面A1和A2进行overlap操作 Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans> Overlap>Areas
12
13
求解
Main Menu>Solution>Solve>Current LS
14
查看温度场分布
Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu
15
16
保存
稳态温度场计算完毕，下面修改分析文件名称，进行热应力计算。
注：S标志表示对称约束。
28
求解
Main Menu>Solution>Solve>Current LS
29
查看计算结果
Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu
ABAQUS热应力分析解析实例详解
ABAQUS热应力分析解析实例详解ABAQUS是一种常用的有限元分析软件，可以进行各种不同类型的分析，包括热应力分析。
热应力分析是通过模拟材料受热后发生的变形来评估材料的热稳定性和耐久性。
在这篇文章中，我们将详细介绍ABAQUS热应力分析的步骤和实例。
首先，我们需要创建一个ABAQUS模型。
模型包括几何形状、材料属性和边界条件。
在热应力分析中，我们通常需要定义一个热源，以及材料的热传导、热膨胀和热辐射等属性。
在这个实例中，我们将模拟一个烤箱的加热过程。
模型是一个简单的长方体，材料是钢铁，边界条件是恒定的热流。
下一步是定义材料属性。
我们需要定义钢铁的热传导系数，热膨胀系数和热辐射系数。
这些属性通常可以从材料手册或实验中获得。
我们将使用以下参数：-热传导系数：40W/mK-热膨胀系数：12e-61/°C-热辐射系数：0.8接下来，我们需要定义边界条件。
在这个实例中，我们将模拟一个恒定的热流输入。
我们可以通过选择“控制模拟”菜单中的“载荷”选项来定义边界条件。
在强制边界条件下选择“热流”载荷，然后指定热流的大小和方向。
我们将选择1000W的热流输入。
然后，我们需要定义分析步骤。
在这个实例中，我们将使用一个稳态热分析步骤。
在强制模式下选择“热”分析步骤，然后指定步骤的参数，包括时间步长和总时间。
我们将选择0.1s的时间步长和10s的总时间。
在模拟之前，我们需要定义网格划分。
网格划分是将模型分解为多个小元素的过程，以便于进行数值计算。
ABAQUS中有多种网格划分方法可供选择。
我们可以通过选择“网格”菜单中的“划分”选项来进行网格划分，然后选择适当的网格划分方法和参数。
当所有定义都完成后，我们可以点击“开始模拟”按钮开始进行热应力分析。
ABAQUS将使用已定义的模型、材料属性、边界条件和分析步骤来进行数值计算。
计算结果将显示在ABAQUS的图形界面中。
在热应力分析完成后，我们可以查看结果并进行后处理。
厚薄不同的T型粱热应力分析
以厚薄不同的T型粱为例,分析热应力产生的原因和过程举例为了说明铸件内热应力的产生过程，现举一个简单的例子。
现以厚度不均匀的T字梁为例（图2-1）来讨论残余热应力的产生过程。
该件是结构最为简单的铸件。
T字梁铸件由杆I和杆II两部分组成，杆I较厚，杆II较薄。
A 假设：为了讨论简化起见，现作如下假设：1）．杆I和杆II从同一温度tH开始冷却，最后冷却到同一温度T0。
2）. 合金有一个临界温度Tk，在此温度以上，合金处于塑性状态，以下处于弹性状态；3）合金在冷却过程中没有固态相变，铸件收缩不受铸型的阻碍；4）杆I 和杆II冷却速度相互没有影响，即各自相互冷却。
5）材料的膨胀（收缩）系数a和弹性模量E不随温度而变，其值为一常数。
6）在整个过程中，杆件不产生弯曲变形。
B 图的解释：图12-4）是杆I和杆II的冷却曲线（t一T曲线）。
两个图纵横坐标，时间, 温度，应变。
开始冷却时两杆温度相同，为Th。
冷到最后时，两杆温度也相同，为T0。
由于杆I较厚而杆II较薄，所以冷却前期杆II的冷却速度比杆I快。
但两杆温度最后相同，所以冷却后期必然是杆I的冷却速度比杆II快。
假如收缩（膨胀）系数，不随温度而变，其值为一常数，则铸件在各个温度时的自由收缩量ε与温度成正比，亦即ε一t 曲线在外形上与T一t 二曲线完全一致，因而可得图12-4b）线收缩曲线。
虚线C0C1C2C3为两杆联在一起时的线收缩曲线。
C）分析：热应力产生过程，可根据图11-1分为三个阶段说明之：第一阶段：时间从t0到t1，杆I温度从TH 到TI' ，杆II温度从TH到Tk（TII'），T（TI，TII ）＞Tk，杆I及杆II均处于塑性状态。
如两杆均能自由收缩，则杆I的长度为l＋d1a1：，杆II的长度应为l0＋d b11。
但事实上两杆联在一起，收缩彼此受到限制，故两杆应具有长度l0＋d1c1。
此时若不产生弯曲变形，杆I被塑性地压缩，杆II塑性拉伸。
热应力分析例题
例1：有一截面为圆环形的输暖管道，如图7—17内外管道半径分别为200mm、800mm，管道内水的半径为80℃，管外表层温度为10℃，求管道内的热应力分布(假设管道内充满水)。
材料参数：弹性模量Z—120GPa泊松比v＝0.3线膨胀系数α＝1.3×10^-6m/m℃导热系数k=l.2w／m℃分析：该问题属于轴对称问题。
在进行有限元计算时，沿管道横截面取宽度50mm的矩形截面(如图7—18为计算模型，首先采用间接法进行对其进行热应力分析，然后再采用直接法进行分析，最后对二者求解结果进行比较分析。
间接法求解：Finish/clear/filname,thermal stresses in a long cylinder-indirect solution/prep7Et,1,plane55,,,1 !定义轴对称单元Mp,kxx,1,1.2Rectng,0.2,0.8,0,0.05Type,1Lsel,s,line,,1,3,2Lesize,all,,,10Lsel,s,line,,2,4,2Lesize,all,,,2Amesh,1Finish/solu !热传导求解Antype,staticLsel,s,line,,4Nsll,s,1D,all,temp,80Lsel,s,line,,2Nsll,s,1D,all,temp,10AllselOutpr,basic,allSolvefinish/post1Plnsol,tempFinish/prep7 !重新进入前处理，进行热应力耦合分析Etchg,tts !转化单元类型热单元55为结构单元42Keyopt,1,3,1 !定义单元关键字选项3为1（轴对称）Keyopt,1,6,1 !定义单元关键字选项6为1（无表面输出）Mp,ex,1,120e9 !输入材料结构性能参数Mp,alpx,,1.3e-6Mp,nuxy,1,0.3Lsel,s,line,,3Nsll,a,1Cp,7,uy,allallselCp,8,ux,1,14,24Cp,9,ux,2,12,13Finish/solu !热应力求解Antype,staticD,1,uy,,,11 !施加位移约束Ldread,temp,,,,,,rthSolveFinish/post1Plnsol,s,xPlnsol,s,yPlnsol,s,zFinish直接法求解：Finish/clear/filname,thermal stresses in a long cylinder-direct solution/prep7Et,1,plane13,,,1 !定义热应力耦合单元Keyopt,1,1,4 !定义单元关键字选项1=4（ux,uy,temp,az自由度）Keyopt,1,3,1 !定义单元关键字选项3=1（轴对称）Mp,ex,1,120e9 ！输入材料性能参数Mp,nuxy,1,0.3Mp,alpx,,1.3e-6Mp,kxx,1,1.2Rectng,0.2,0.8,0,0.05 !创建几何模型Type,1 !进行网格划分Lsel,s,line,,1,3,2Lesize,all,,,10Lsel,s,line,,2,4,2Lesize,all,,,2Amesh,1Lsel,s,line,,3Nsll,s,1Cp,7,uy,all !耦合节点AllselCp,8,ux,1,14,24Cp,9,ux,2,12,13Finish/soluAntype,static !热应力耦合求解Lsel,s,line,,4Nsll,s,1D,all,temp,80 !施加温度载荷Lsel,s,line,,2Nsll,s,1D,all,temp,10 !施加温度载荷AllselD,1,uy,,,11 !施加位移约束Outpr,basic,allsolveFinish/post1Plnsol,temp !输出温度场Plnsol,s,x !输出应力场Plnsol,s,yPlnsol,s,zfinish。
abaqus热应力分析实例_200105
Abaqus热应力分析实例1 说明：本例通过简单的杆状零件，介绍abaqus热分析的基本步骤。
利用abaqus/CAE分析图1所示的杆状零件，四面加热条件下（随时间升温T=20+5t）的温度场，并以该温度为初始条件，分析零部件受力状况。
图1为杆状零件截面的图2传热分析2.1创建part进入part模块，点击创建部件，name输入bar，模型所在空间选择3维，类型选择可变性，shape选择Solid，Type选择Extrusion，Approximate size 输入200，设置如下图，点击Continue，进入二维截面创建，分别输入（25,25）、（-25,-25）两两点，完成草图绘制，Depth（长度）输入500，完成部件的创建，如下图所示。
2.2 创建材料和截面切换到property模块，Density输入7.74e-09，Conductivity（传热率）、Specific Heat （比热）与温度有关，输入如下：2.3点击，弹出Create Section对话框，name输入Section-1，Categeory选择Solid，type选择Homogeneous，点击continue，弹出Edit Section，选择刚创建的材料Steel。
2.4赋予属性点击，选择部件，中键确定，完成材料赋予。
2.5创建分析步创建一个Heat Transfer（热传递）分析步，点击Continue，basic工具栏设置，选择Transient(瞬态分析)，time period设置为100，切换到incrementation,设置如下图。
2.6 热传递与热辐射设置在杆四周面加载一个随时间变化的的温度T=20+5t，切换到interation模块，创建温度曲线，Tools》Amplitude》create，name输入Amp-1，Type选择Tabular，列表设置如下左图。
点击，分析步选择step-1，选择surface file condition，点击continue，film coefficient 设置为0.4，Sink temperature 为1，Sink amplitude 选择上述创建的温度曲线。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
November 3, 2003 Inventory #001969 W13-8
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 Main Menu > Solution > Solve > Current LS • • – 观察 “/STATUS Command”窗口并关闭 [OK] (or select: Utility Menu > File > Save as Jobname.db)
Workshop Supplement
Part 1 1 - Part INTRODUCTION TO TO ANSYS ANSYS 8.0 8.0 INTRODUCTION
• 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:
练习 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
说明 •
Workshop Supplement
Part 1 1 - Part INTRODUCTION TO TO ANSYS ANSYS 8.0 8.0 INTRODUCTION
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。
November 3, 2003 Inventory #001969 W13-12
Part 1 1 - Part INTRODUCTION TO TO ANSYS ANSYS 8.0 8.0 INTRODUCTION
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 :
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]
November 3, 2003 Inventory #001969 W13-7
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
–
November 3, 2003 Inventory #001969 W13-6
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”
Workshop Supplement
November 3, 2003 Inventory #001969 W13-10
Part 1 1 - Part INTRODUCTION TO TO ANSYS ANSYS 8.0 8.0 INTRODUCTION
13A.热应力分析 –顺序耦合
带散热片的轴对称管
Workshop Supplement
November 3, 2003 Inventory #001969 W13-13
Part 1 1 - Part INTRODUCTION TO TO ANSYS ANSYS 8.0 8.0 INTRODUCTION
13A.热应力分析 –顺序耦合
带散热片的轴对称管
Workshop Supplement
Part 1 1 - Part INTRODUCTION TO TO ANSYS ANSYS 8.0 8.0 INTRODUCTION
• [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:
– – Utility Menu > File > Resume from … • 选择 “pipe-th.db”, 然后按 [OK] 或用命令: RESUME,pipe-th,db
Workshop Supplement
Part 1 1 - Part INTRODUCTION TO TO ANSYS ANSYS 8.0 8.0 INTRODUCTION
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
–
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] 或用命令: DL,3, ,SYMM DL,5, ,SYMM DL,11, ,SYMM
在Y=1的节点处耦合自由度 UY 从练习12的热分析获取节点温度
施加内压力10,000 psi
在线上施加对称边界条件
November 3, 2003 Inventory #001969 W13-3
13A.热应力分析 –顺序耦合
带散热片的轴对称管
1. 2. 按教师指定的工作目录，用 “pipe-th-str” 作为作业名，进入 ANSYS 。 从练习12中恢复数据库文件 (或 pipe-th.db1):
November 3, 2003 Inventory #001969 W13-5
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]
Workshop Supplement
Part 1 1 - Part INTRODUCTION TO TO ANSYS ANSYS 8.0 8.0 INTRODUCTION
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
Workshop Supplement
Part 1 1 - Part INTRODUCTION TO TO ANSYS ANSYS 8.0 8.0 INTRODUCTION
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
November 3, 2003 Inventory #001969 W13-2
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
Workshop Supplement
Part 1 1 - Part INTRODUCTION TO TO ANSYS ANSYS 8.0 8.0 INTRODUCTION
– 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
– 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