19-热-结构耦合分析
《2024年ANSYS有限元分析软件在热分析中的应用》范文
《ANSYS有限元分析软件在热分析中的应用》篇一一、引言随着科技的不断进步，ANSYS有限元分析软件在工程领域的应用越来越广泛。
其中，热分析作为工程领域的一个重要部分，ANSYS软件在其中发挥了重要作用。
本文将详细探讨ANSYS有限元分析软件在热分析中的应用，包括其基本原理、应用领域、优势及挑战等方面。
二、ANSYS有限元分析软件基本原理ANSYS是一款功能强大的有限元分析软件，广泛应用于结构、流体、电磁场和热分析等领域。
在热分析中，ANSYS利用有限元法将复杂的连续体离散化，将求解域划分为一系列的单元体，然后通过对每个单元进行分析，从而得出整个结构的热行为特性。
三、ANSYS在热分析中的应用1. 稳态热分析稳态热分析主要用于研究物体在恒定温度场下的热行为。
通过ANSYS软件，可以建立物体的三维模型，设置材料属性、边界条件等参数，然后进行稳态热分析。
分析结果可以用于产品设计、优化和性能评估等方面。
2. 瞬态热分析瞬态热分析主要用于研究物体在温度场随时间变化情况下的热行为。
例如，在汽车发动机、电子设备等领域的热管理中，需要了解设备在运行过程中的温度变化情况。
通过ANSYS软件进行瞬态热分析，可以得出设备在不同时间点的温度分布情况，为产品设计、优化和故障诊断提供依据。
四、ANSYS在热分析中的优势1. 高精度：ANSYS软件采用先进的有限元法，可以将求解域划分为足够小的单元体，从而得出较为精确的解。
2. 多物理场耦合分析：ANSYS可以用于多物理场耦合分析，包括热-结构耦合、热-流体耦合等，能够更全面地反映实际工程问题的复杂性。
3. 丰富的材料库：ANSYS拥有丰富的材料库，可以用于模拟各种材料的热性能。
4. 强大的后处理功能：ANSYS具有强大的后处理功能，可以方便地查看和分析计算结果，为工程设计提供有力支持。
五、挑战与展望尽管ANSYS在热分析中具有诸多优势，但仍面临一些挑战。
例如，在处理大规模复杂问题时，计算资源的消耗较大；对于某些特殊材料和复杂结构的建模和分析难度较高；此外，ANSYS软件的学系成本较高，需要专业知识和技能。
Solidworks的多物理场分析和耦合模拟技术
Solidworks的多物理场分析和耦合模拟技术SolidWorks是一款功能强大的三维计算机辅助设计（CAD）软件，广泛应用于工程设计和制造领域。
除了基本的几何建模功能外，它还提供了许多高级模拟工具，其中包括多物理场分析和耦合模拟技术。
这些功能使工程师能够更好地理解和优化他们的设计。
一、多物理场分析1. 动态和静态结构分析SolidWorks中的动态和静态结构分析功能允许工程师模拟实际工况下的应力分布和变形情况。
通过在设计初期进行这些分析，工程师可以预测和改进产品的强度和可靠性。
例如，可以模拟机械零件的弯曲、拉伸、压缩和扭转等受力情况，以评估设计的合理性，并做出相应的调整。
2. 热传导分析SolidWorks的热传导分析功能使工程师能够模拟和预测热量在固体或流体中的传导情况。
这对于设计需要耐高温或对温度敏感的产品非常重要，如电子设备或汽车发动机等。
通过优化材料选择、散热结构和通风系统等因素，工程师可以提高产品的性能和可靠性。
3. 流体流动分析SolidWorks提供了包括稳态和非稳态流体流动分析在内的多种流体分析工具。
这些功能可以用于模拟和优化管道、阀门和泵等液体和气体流动系统。
通过预测流体的速度、压力和湍流等参数，工程师可以优化系统设计，提高流体流动效率，减少压力损失，降低能源消耗。
二、耦合模拟技术1. 结构-热耦合分析结构-热耦合分析是SolidWorks中的一个重要功能，它允许工程师同时考虑材料的热性能和结构的机械性能。
例如，在设计一个需要承受高温环境的零件时，工程师可以利用这个功能来评估热膨胀和热应力对零件性能的影响。
通过结构-热耦合分析，工程师可以优化材料的选择、设计的几何形状和散热结构等因素，以确保设计的可靠性。
2. 结构-流体耦合分析结构-流体耦合分析是SolidWorks中另一个关键的功能，它结合了结构力学和流体动力学两个方面的分析。
这对于设计需要与流体相互作用的产品非常重要，如航空器的机翼、汽车的空气动力学外形和船舶的流体阻力等。
基于热-结构耦合的某液压动力转向器结构有限元分析
考虑热-结构耦合关系下空间结构动力响应随机性分析
ｐ ｒｍ ｅｅ ｓ Ｆ ｒａ ａｙ ｉ ｇ ｔ ｅ ｍａ ｉ ｒ ｔｏ ｕ ｏ ｔｍ ｐ ｒ ｔ ｒ ｆｅ ｅ ｃ ｎ ｉ ｒ ｓ ｅ ｔｏ ｏ ｖ ｎ ｅ ｔ ａ ａ ｔ ｒ ． ｏ ｎ ｌｚｎ ｈ ｒ ｌｖｂ ａｉｎ ｄ ｅ ｔ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｄｉ ｒ ｎ ｅ ｉ ｔ ｃ ｏ ｓ ｓ ｃｉｎ ｃ ｎ ｅ ｉ ｎ ｌ ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｆ ｓ ｙ， ｅ ｅ ａ ｕ ｅ
整个时间域 内的温度和动力响应均值与方差。最后以哈勃太空望远镜 为算 例考察 了热 一结构耦合对 其悬臂薄 壁圆管梁 的热颤振影响 以及参数 的随机性对响应分散性 的影响 ， 并利用 Ｍ ｎｅＣ ｒ 法验证了该方法的可行性。 ｏｔ ａｏ — ｌ 关键词 ：空 间结构 ； 一 热 结构耦合 ； 随机因子法 ； ｅ ｍ ｒ Ｎ ｗ ａｋ积分法 ； 数字特征
ｍｏ ｌｃ ｎ ｉ ｅ ｉ ｇ ｔ ｅ ｏ ｓｒ ｔ ｒ ｌｃ ｕ ｌｎ ｓ ｓ ｔｕ ｉ ｇ ｔ ｎ ｔ ｌ ｍｅ ｔｍｅｈ ｄ．Ｔｈ ｄｅ ｓ ｓ ｌ ｅ ｔ ｈ ｄｅ ｏ ｓｄ ｒｎ ｈ ｒ —ｔｕｃｕ ａ ｏ ｐ ｉ ｇ ｗａ ｅ ｐ ｕｓｎ ｈｅ ｆ ｉ ｅｅ ｎ ｔｏ ｍ ｉ ｅ ｅ ｍｏ ｌｗａ ｏｖ ｄ ｗｉｈ ｔ ｅ ａ ｐｒｘ ｍａ ｅ ｃ ｌｕ ａ ｉｎ ｍｅｈｏ ｈ ｏ ｇ ｌｅｎａｉ ｇ ｉ ｒ ｔ ｎ ｆ ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｅｄ ａ ｄ ｄ ｎ ｍｉ ｅ ｐ ｎ ｅ ｉ ｉ ｏ ｉ ｐ ｏ ｉ ｔ ａｃ ｌ ｔ ｔ ｄ ｔ ｒ ｕ ｈ ａ ｔｒ ｔｎ ｔ ａ ｉ ｓ ｏ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｆ ｌ ｎ ｙ ａ ｃ ｒ ｓ ｏ ｓ ｎ ｔｍｅ ｄ ｍａｎ． ｏ ｅ ｏ ｉ Ｔ ｅ ｅ ａｕ ｅｆｅｄ ｗａ ｏｖ ｄ ｂ ｓｎ ｈｅｍｅｈ ｄ ｏ ｉ ｉｆｒ ｎ ｅ ａ ｄ Ｎｅ ｏ —ｔｒ ｔ ｎ，ｗｈ ｌ ｈ ｎ ｍｉ ｅ ｐ ｎ ｅ ｈｅ ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｌ ｓｓ ｌ ｅ ｙ ｕ ｉ ｇ ｔ ｔ ｏ ｆｔｍｅ ｄ ｆｅ ｅ ｃ ｎ ｗｔｎ ｉ ａ ｉ ｉ ｅ ｏ ｉｅ ｔｅ ｄｙ ａ ｃ ｒ ｓ ｏ ｓ ｗａ ｂ ａｎ ｄ ｗｉｈ Ｎｅ ｓｏ ｔｉ ｅ ｔ ｗｍａ ｋ ｉ ｔ ｇ ａ ｔ ｏ ｒ ｎ ｅ ｒ ｍｅｈ ｄ．Ｓ ａ ｔｎ ｒ ｍ ｈ ｏ ｖｎ ｔｒ ｔｖ ｏ ｍｓｏ ａ ｈ ｒ ｓ ｏ ｓ ｌ ｔｒｉ ｇ ｆｏ ｔ ｅ ｓ ｌｉ ｇ ｉｅ ａｉ ｅ ｆｒ ｆｅ ｃ ｅ ｐ ｎ ｅ，ｔ ｅ ｃ ｍｐ ｔｔｏ ａ ｈ ｏ ｕ ａｉ ｎ ｌ ｅ ｐ ｅ ｓｏ ｓ ｆｒ ｔ ｍｅ ｃ ｈａ ａ ｔｒｓｉｓｏ ｈ ｅ ｘ ｒ ｓ ｉｎ ｈｅｎｕ ｒ ａ ｃ ｒ ｃｅ ｔｃ ｆｔ ｅ ｔｍｐｅａ ｕ ｅ ｆｅｄ ａ ｄ ｔ ｙ ａ ｃ ｒ ｓ ｎｓ ｒ ｅ ｉ ｅ ｏ ｉ ｌ ｉ ｒ ｔ ｒ ｌ ｎ ｈｅｄ ｎ ｍｉ ｅ ｐｏ ｅ ｗｅ ｅ ｄ ｒｖ ｄ，ｒ ｓ ｃｉ ｅｙ ｉ ｅ ｐｅ ｔ ｌ ｖ
厚壁圆筒热-结构耦合应力分析
厚壁圆筒热-结构耦合应力分析申彪; 廖振强; 李洪强; 董应超【期刊名称】《《弹箭与制导学报》》【年(卷),期】2019(039)003【总页数】4页(P49-52)【关键词】厚壁圆筒; 热-结构耦合; 边缘效应; 等效应力【作者】申彪; 廖振强; 李洪强; 董应超【作者单位】南通职业大学汽车与交通工程学院江苏南通 226007; 南京理工大学机械工程学院南京 210094【正文语种】中文【中图分类】TJ203.10 引言自动武器发射时，身管承受高频循环动态热脉冲和动态压力脉冲的共同作用，其内部温度场与应力场在极短的时间彼此耦合, 相互影响[1-2] 。
通常是将身管作为厚壁圆筒处理，传统的理论计算方法求解过程较为繁琐，且很难描述应力的边缘效应[3]。
一些学者分析了特定圆筒结构的热-结构耦合作用，但是没有对厚壁圆筒热应力的耦合效应进行较为全面的描述[4-9]。
文中采用多物理场有限元分析软件ANSYS，分析了厚壁的热-结构耦合效应，计算结果与解析计算结果进行了对比，并对厚壁圆筒应力场的边缘效应进行了分析，揭示了厚壁圆筒承受内部压力和温度载荷时的热-结构耦合机理。
1 热-结构耦合理论公式基于Lame公式，假设轴向长度无穷大，在内部压力Pw作用下厚壁圆筒三向主应力计算公式为[10]：(1)式中：σr为径向结构应力，σθ为环向结构应力，σφ为轴向结构应力，Ro为圆筒外半径，K为外径和内径的比值，r为任意半径。
在温度分布函数T(r)作用下厚壁圆筒温度应力计算公式为[10]：(2)式中：Ri为圆筒内半径，E为弹性模量，μ为泊松比，α为线膨胀系数。
σtr为径向热应力，σtθ为环向热应力，σtφ为轴向热应力。
根据应力叠加原理，耦合应力的计算公式为：(3)式中：σzr为径向耦合应力，σzθ为环向耦合应力，σzφ为轴向耦合应力。
根据Von-Mises的第四强度理论，厚壁圆筒等效耦合应力σe计算式为：(4)根据实际受力和温度载荷情况，联合式(1)～式(4)即可求解出热-结构耦合应力。
热-应力耦合结构灵敏度分析方法
热-应力耦合结构灵敏度分析方法
顾元宪;赵红兵;陈飚松;亢战
【期刊名称】《力学学报》
【年(卷),期】2001(033)005
【摘要】研究稳态/瞬态热传导灵敏度分析、以及热与机械荷载同时作用的热结构应力灵敏度分析问题.考虑了温度场随设计变量的变化及其对热应力的影响,提出温度场与结构热应力耦合问题的灵敏度计算方法.特别指出了热-应力耦合灵敏度分析中温度场导数的影响,说明了在热-应力耦合结构灵敏度分析中必须考虑耦合灵敏度.在应用软件系统JIFEX中实现了所提出的方法,数值算例验证了灵敏度算法的精度.【总页数】7页(P685-691)
【作者】顾元宪;赵红兵;陈飚松;亢战
【作者单位】大连理工大学工程力学系,;大连理工大学工程力学系,;大连理工大学工程力学系,;大连理工大学工程力学系,
【正文语种】中文
【中图分类】O3
【相关文献】
1.基于热固耦合预应力的发动机叶片模态分析方法 [J], 李春旺;王澈;李强;武晓亮;张忠平
2.热结构稳态响应的耦合灵敏度分析方法 [J], 顾元宪;刘涛;亢战;赵国忠
3.热结构瞬态响应的耦合灵敏度分析方法与优化设计 [J], 顾元宪;刘涛;亢战;赵国忠
4.热固耦合风力机齿轮传动结构的拓扑可靠性灵敏度分析 [J], 关新;王帅杰;赵琰;殷孝雎;王宇宁
5.齿轮啮合热弹耦合应力的可靠度灵敏度分析 [J], 岳立新
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热-结构耦合分析
热-结构耦合分析结构耦合分析知识掌握篇2009-05-31 14:09:19 阅读131 评论0 字号：大中小订阅热-结构耦合问题是结构分析中通常遇到的一类耦合分析问题由于结构温度场的分结构耦合问题是结构分析中通常遇到的一类耦合分析问题.由于结构温度场的分结构耦合问题是结构分析中通常遇到的一类耦合分析问题布不均会引起结构的热应力,或者结构部件在高温环境中工作,材料受到温度的影响会发或者结构部件在高温环境中工作布不均会引起结构的热应力或者结构部件在高温环境中工作材料受到温度的影响会发生性能的改变,这些都是进行结构分析时需要考虑的因素为此需要先进行相应的热分析, 这些都是进行结构分析时需要考虑的因素.为此需要先进行相应的热分析生性能的改变这些都是进行结构分析时需要考虑的因素为此需要先进行相应的热分析然后在进行结构分析.热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理,如然后在进行结构分析热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理如热量的获取或损失,热梯度热流密度(热通量热梯度,热流密度热通量)等本章主要介绍在热量的获取或损失热梯度热流密度热通量等.本章主要介绍在ANSYS 中进行稳瞬态热分析的基本过程,并讲解如何完整的进行热结构耦合分析. 态,瞬态热分析的基本过程并讲解如何完整的进行热结构耦合分析瞬态热分析的基本过程并讲解如何完整的进行热-结构耦合分析21.1 热-结构耦合分析简介结构耦合分析简介结构耦合分析是指求解温度场对结构中应力,应变和位移等物理量影响的热-结构耦合分析是指求解温度场对结构中应力应变和位移等物理量影响的结构耦合分析是指求解温度场对结构中应力分析类型.对于热结构耦合分析,在对于热-结构耦合分析中通常采用顺序耦合分析方法分析方法,即分析类型对于热结构耦合分析在ANSYS 中通常采用顺序耦合分析方法即先进行热分析求得结构的温度场,然后再进行结构分析然后再进行结构分析.且将前面得到的温度场作先进行热分析求得结构的温度场然后再进行结构分析且将前面得到的温度场作为体载荷加到结构中,求解结构的应力分布为此,首先需要了解热分析的基本知为体载荷加到结构中求解结构的应力分布.为此首先需要了解热分析的基本知求解结构的应力分布为此然后再学习耦合分析方法. 识,然后再学习耦合分析方法然后再学习耦合分析方法21.1.1 热分析基本知识ANSYS 热分析基于能量守恒原理的热平衡方程用有限元法计算各节点的温热分析基于能量守恒原理的热平衡方程,用有限元法计算各节点的温并导出其它热物理.ANSYS 热分析包括热传导热对流及热辐射三种热传热分析包括热传导,热对流及热辐射三种热传度,并导出其它热物理并导出其它热物理递方式.此外还可以分析相变,有内热源接触热阻等问题. 此外,还可以分析相变有内热源,接触热阻等问题递方式此外还可以分析相变有内热源接触热阻等问题热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换.热对流是指固体的表面和与它周围接触的流体之间热对流是指固体的表面和与它周围接触的流体之间,由于温差的存而引起的内能的交换热对流是指固体的表面和与它周围接触的流体之间由于温差的存在引起的热量的交换.热辐射指物体发射电磁能热辐射指物体发射电磁能,并被其它物体吸收转变为热的热量交换在引起的热量的交换热辐射指物体发射电磁能并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程. 过程如果系统的净热流率为0,即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量:q 流入+q 生成-q 流出=0,则系统处于热稳态则系统处于热稳态.在稳态热分析中任一节点的温度不随时的热量流入生成流出则系统处于热稳态在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变化. 瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程.在这个过程中系统的温度热流率, 在这个过程中系统的温度,热流率瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程在这个过程中系统的温度热流率热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化. 热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化ANSYS 热分析的边界条件或初始条件可分为七种温度热流率热流密度热分析的边界条件或初始条件可分为七种温度,热流率热流密度, 七种:温度热流率,热流密度对流,辐射绝热,生热辐射,绝热生热. 对流辐射绝热生热热分析涉及到的单元有大约40 种,其中纯粹用于热分析的有14 种,它们如表其中纯粹用于热分析的有它们如表21.1 示示. 表21.1 热分析单元列表单元类型名称说明线性LINK32 LINK33 LINK34 LINK31 两维二节点热传导单元三维二节点热传导单元二节点热对流单元二节点热辐射单元二维实体PLANE55 PLANE77 PLANE35 PLANE75 PLANE78 四节点四边形单元八节点四边形单元三节点三角形单元三节点三角形单元四节点轴对称单元八节点轴对称单元三维实体SOLID87 SOLID70 SOLID90 六节点四面体单元八节点六面体单元二十节点六面体单元壳SHELL57 四节点四边形壳单元点MASS71 节点质量单元21.1.2 耦合分析中能够进行的热耦合分析有:热结构耦合结构耦合,热流体耦合流体耦合,热电耦在ANSYS 中能够进行的热耦合分析有热-结构耦合热-流体耦合热-电耦磁耦合,热电磁结构耦合等因为本书主要讲解结构实例分析,结构耦合等,因为本书主要讲解结构实例分析合,热-磁耦合热-电-磁-结构耦合等因为本书主要讲解结构实例分析热磁耦合以着重讲解热-结构耦合分析结构耦合分析. 以着重讲解热结构耦合分析中通常可以用两种方法来进行耦合分析,一种是顺序耦合方法一种是顺序耦合方法,另在ANSYS 中通常可以用两种方法来进行耦合分析一种是顺序耦合方法另一种是直接耦合方法. 一种是直接耦合方法顺序耦合方法包括两个或多个按一定顺序排列的分析,每一种属于某一物理分顺序耦合方法包括两个或多个按一定顺序排列的分析每一种属于某一物理分通过将前一个分析的结果作为载荷施加到下一个分析中的方式进行耦合.典型析.通过将前一个分析的结果作为载荷施加到下一个分析中的方式进行耦合典型通过将前一个分析的结果作为载荷施加到下一个分析中的方式进行耦合的例子就是热-应力顺利耦合分析热分析中得到节点温度作为"体载荷应力顺利耦合分析,热分析中得到节点温度作为体载荷"施加到的例子就是热应力顺利耦合分析热分析中得到节点温度作为体载荷施加到随后的结构分析中去. 随后的结构分析中去直接耦合方法,只包含一个分析它使用包含多场自由度的耦合单元.通过计只包含一个分析,它使用包含多场自由度的耦合单元直接耦合方法只包含一个分析它使用包含多场自由度的耦合单元通过计算包含需物理量的单元矩阵或载荷向量矩阵或载荷向量的方式进行耦合.典型的算包含需物理量的单元矩阵或载荷向量矩阵或载荷向量的方式进行耦合典型的单元的压电分析. 例子是使用了SOLID45,PLANE13 或SOLID98 单元的压电分析进行顺序耦合场分析可以使用间接法和物理环境法.对于间接法对于间接法,使用不同的进行顺序耦合场分析可以使用间接法和物理环境法对于间接法使用不同的数据库和结果文件,每个数据库包含合适的实体模型单元,载荷等每个数据库包含合适的实体模型,单元载荷等.可以把一个数据库和结果文件每个数据库包含合适的实体模型单元载荷等可以把一个结果文件读入到另一个数据库中,但单元和节点数量编号在数据库和结果文件中必结果文件读入到另一个数据库中但单元和节点数量编号在数据库和结果文件中必须是相同的.物理环境方法整个模型使用一个数据库物理环境方法整个模型使用一个数据库.数据库中必须包含有的物须是相同的物理环境方法整个模型使用一个数据库数据库中必须包含有的物理分析需的节点和单元.对于每个单元或实体模型图元必须定义一套属性编号, 对于每个单元或实体模型图元,必须定义一套属性编号理分析需的节点和单元对于每个单元或实体模型图元必须定义一套属性编号包括单元类型号,材料编号实常数编号及单元坐标编号.有这些编号在有物材料编号,实常数编号及单元坐标编号包括单元类型号材料编号实常数编号及单元坐标编号有这些编号在有物理分析中是不变的.但在每个物理环境中每个编号对应的实际的属性是不同的但在每个物理环境中,每个编号对应的实际的属性是不同理分析中是不变的但在每个物理环境中每个编号对应的实际的属性是不同的. 对于本书要讲解的热-结构耦合分析通常采用间接法顺序耦合分析,其数据结构耦合分析,通常采用间接法顺序耦合分析对于本书要讲解的热结构耦合分析通常采用间接法顺序耦合分析其数据示. 流程如图21.1 示图21.1 间接法顺序耦合分析数据流程图21.2 稳态热分析稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响.通常在进行瞬态热分析稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响通常在进行瞬态热分析以前,需要进行稳态热分析来确定初始温度分布需要进行稳态热分析来确定初始温度分布.稳态热分析可以通过有限元计算以前需要进行稳态热分析来确定初始温度分布稳态热分析可以通过有限元计算确定由于稳定的热载荷引起的温度,热梯度热流率,热流密度等热梯度,热流率热流密度等.ANSYS 确定由于稳定的热载荷引起的温度热梯度热流率热流密度等稳态热分析可分为三个步骤: 稳态热分析可分为三个步骤前处理:建模前处理建模求解:施加载荷计算施加载荷计算后处理:查看结果后处理查看结果21.2.1 建模稳态热分析的模型和前面的结构分析模型建立过程基本相同的模型和前面的结构分析模型建立过程基本相同.不同的就是需要在菜单稳态热分析的模型和前面的结构分析模型建立过程基本相同不同的就是需要在菜单过虑对话框中将分析类型指定为热分析,这样才能使菜单选项为热分析选项这样才能使菜单选项为热分析选项,单元类型也过虑对话框中将分析类型指定为热分析这样才能使菜单选项为热分析选项单元类型也为热分析的单元类型,另外在材料定义时需要定义相应的热性能另外在材料定义时需要定义相应的热性能,下面为大概操作步为热分析的单元类型另外在材料定义时需要定义相应的热性能下面为大概操作步骤. 1.确定jobname,title,unit; 确定 2.进入PREP7 前处理定义单元类型设定单元选项前处理,定义单元类型设定单元选项; 定义单元类型,设定单元选项进入3.定义单元实常数定义单元实常数; 定义单元实常数 4.定义材料热性能对于稳态传热一般只需定义导热系数它可以是恒定的定义材料热性能,对于稳态传热一般只需定义导热系数,它可以是恒定的定义材料热性能对于稳态传热,一般只需定义导热系数它可以是恒定的, 也可以随温度变化; 也可以随温度变化 5.创建几何模型并划分网格请参阅结构分析的建模步骤创建几何模型并划分网格,请参阅结构分析的建模步骤. 创建几何模型并划分网格请参阅结构分析的建模步骤21.2.2 施加载荷计算热分析跟前面讲解的结构分析相比,区别在于指定的载荷为温度边条区别在于指定的载荷为温度边条.通常可施加的热分析跟前面讲解的结构分析相比区别在于指定的载荷为温度边条通常可施加的温度载荷有恒定的温度,热流率对流,热流密度和生热率五种热流率,对流热流密度和生热率五种.另外在分析选项中也包温度载荷有恒定的温度热流率对流热流密度和生热率五种另外在分析选项中也包含非线性选项,结果输出选项等需要根据情况进行设置结果输出选项等需要根据情况进行设置. 含非线性选项结果输出选项等需要根据情况进行设置 1.定义分析类型定义分析类型(1) 如果进行新的热分析则使用下面命令或菜单路径如果进行新的热分析,则使用下面命令或菜单路径则使用下面命令或菜单路径: COMMAND:ANTYPE, STA TIC, NEW GUI: Main menu | Solution | -Analysis Type- | New Analysis | Steady-state (2) 如果继续上一次分析比如增加边界条件等则需要进行重启动功能如果继续上一次分析,比如增加边界条件等则需要进行重启动功能: 比如增加边界条件等,则需要进行重启动功能COMMAND: ANTYPE, STATIC, REST GUI: Main menu | Solution | Analysis Type- | Restart 2.施加载荷施加载荷可以直接在实体模型或单元模型上施加五种载荷(边界条件边界条件) 可以直接在实体模型或单元模型上施加五种载荷边界条件. (1) 恒定的温度通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上恒定的温度: 通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上. COMMAND: D GUI:Main Menu | Solution | -Loads-Apply | -Thermal-Temperature (2)热流率热流率作为节点集中载荷主于线单元模型中通常线单元模热流率: 主于线单元模型中(通常线单元模热流率热流率作为节点集中载荷,主于线单元模型中型不能施加对流或热流密度载荷),如果输入的值为正代表热流流入节点,即单如果输入的值为正,代表热流流入节点型不能施加对流或热流密度载荷如果输入的值为正代表热流流入节点即单元获取热量.如果温度与热流率同时施加在一节点上如果温度与热流率同时施加在一节点上,则元获取热量如果温度与热流率同时施加在一节点上则ANSYS 读取温度值进行计算. 计算注意:如果在实体单元的某一节点上施加热流率则此节点周围的单元要密一些, 如果在实体单元的某一节点上施加热流率,则此节点周围的单元要密一些注意如果在实体单元的某一节点上施加热流率则此节点周围的单元要密一些在两种导热系数差别很大的两个单元的公共节点上施加热流率时,尤其要注意尤其要注意.此在两种导热系数差别很大的两个单元的公共节点上施加热流率时尤其要注意此尽可能使用热生成或热流密度边界条件,这样结果会更精确些外,尽可能使用热生成或热流密度边界条件这样结果会更精确些尽可能使用热生成或热流密度边界条件这样结果会更精确些. COMMAND: F GUI:Main Menu | Solution | -Loads-Apply | -Thermal-Heat Flow (3) 对流对流边界条件作为面载施加于实体的外表面计算与流体的热交换对流:对流边界条件作为面载施加于实体的外表面计算与流体的热交换. 对流边界条件作为面载施加于实体的外表面,计算与流体的热交换它仅可施加于实体和壳模型上,对于线模型对于线模型,可以通过对流线单元它仅可施加于实体和壳模型上对于线模型可以通过对流线单元LINK34 考虑对流. COMMAND: SF GUI:Main Menu | Solution | -Loads-Apply | -Thermal-Convection (4) 热流密度热流密度也是一种面载荷当通过单位面积的热流率已知或通热流密度:热流密度也是一种面载荷当通过单位面积的热流率已知或通热流密度也是一种面载荷.当通过单位面积的热计算得到时,可以在模型相应的外表面施加热流密度可以在模型相应的外表面施加热流密度.如果输入过FLOTRAN CFD 计算得到时可以在模型相应的外表面施加热流密度如果输入的值为正,代表热流流入单元热流密度也仅适用于实体和壳单元.热流密度与对代表热流流入单元.热流密度也仅适用于实体和壳单元的值为正代表热流流入单元热流密度也仅适用于实体和壳单元热流密度与对流可以施加在同一外表面,但仅读取最后施加的面载荷进行计算. 流可以施加在同一外表面但ANSYS 仅读取最后施加的面载荷进行计算COMMAND: F GUI:Main Menu | Solution | -Loads-Apply | -Thermal-Heat Flux (5) 生热率生热率作为体载施加于单元上可以模拟化学反应生热或电流生生热率:生热率作为体载施加于单元上生热率作为体载施加于单元上,可以模拟化学反应生热或电流生它的单位是单位体积的热流率. 热.它的单位是单位体积的热流率它的单位是单位体积的热流率COMMAND: BF GUI:Main Menu | Solution | -Loads-Apply | -Thermal-Heat Generat 3.确定载荷步选项确定载荷步选项对于一个热分析,可以确定普通选项非线性选项以及输出控制.热分析的载可以确定普通选项,非线性选项以及输出控制对于一个热分析可以确定普通选项非线性选项以及输出控制热分析的载荷不选项和结构静力分析中的载荷步相同,读者可以参阅本书结构静力分析部分的荷不选项和结构静力分析中的载荷步相同读者可以参阅本书结构静力分析部分的相关内容或基本分析过程中关于载荷步选项的内容.这里就不再详细讲解了这里就不再详细讲解了. 相关内容或基本分析过程中关于载荷步选项的内容这里就不再详细讲解了 4.确定分析选项确定分析选项在这一步需要选择求解器,并确定绝对零度在进行热辐射分析时,要将目前并确定绝对零度.在进行热辐射分析时在这一步需要选择求解器并确定绝对零度在进行热辐射分析时要将目前的温度值换算为绝对温度.如果使温度单位是摄氏度,此值应设定为如果使温度单位是摄氏度的温度值换算为绝对温度如果使温度单位是摄氏度此值应设定为273;如如果使是华氏度,则为果使是华氏度则为460. Command: TOFFST GUI: Main Menu | Solution | Analysis Options 5.求解求解在完成了相应的热分析选项设定之后,便可以对问题进行求解了便可以对问题进行求解了. 在完成了相应的热分析选项设定之后便可以对问题进行求解了Command: SOLVE GUI: Main Menu | Solution | Current LS 21.2.3 后处理ANSYS 将热分析的结果写入将热分析的结果写入*.rth 文件中它包含如下数据信息文件中,它包含如下数据信息它包含如下数据信息: (1) 基本数据基本数据: 节点温度(2) 导出数据导出数据: 节点及单元的热流密度节点及单元的热梯度单元热流率节点的反作用热流率其它对于稳态热分析,可以使用进行后处理.关于后处理的完整描述关于后处理的完整描述,可对于稳态热分析可以使用POST1 进行后处理关于后处理的完整描述可参阅本书第四章中关于利用通用后处理器进行结果观察分析的讲解.下面是几个关参阅本书第四章中关于利用通用后处理器进行结果观察分析的讲解下面是几个关键操作的命令和菜单路径. 键操作的命令和菜单路径 1.进入POST1 后,读入载荷步和子步读入载荷步和子步: 进入读入载荷步和子步COMMAND: SET GUI: Main Menu | General Postproc | -Read Results-By Load Step 2.在热分析中可以通过如下三种方式查看结果在热分析中可以通过如下三种方式查看结果在热分析中可以通过如下三种方式查看结果: 彩色云图显示COMMAND: PLNSOL, PLESOL, PLETAB 等GUI: Main Menu | General Postproc | Plot Results | Nodal Solu, Element Solu, Elem Table 矢量图显示COMMAND: PLVECT GUI: Main Menu | General Postproc | Plot Results | Pre-defined or Userdefined 列表显示COMMNAD: PRNSOL, PRESOL, PRRSOL 等GUI: Main Menu | General Postproc | List Results | Nodal Solu, Element Solu, Reaction Solu 21.3 瞬态传热分析瞬态热分析用于计算一个系统随时间变化的温度场及其它热.在工程上一瞬态热分析用于计算一个系统随时间变化的温度场及其它热在工程上一般用瞬态热分析计算温度场,并将之作为热载荷进行应力分析并将之作为热载荷进行应力分析. 般用瞬态热分析计算温度场并将之作为热载荷进行应力分析瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似.主要的区别是瞬态热分析中的载荷瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似主要的区别是瞬态热分析中的载荷是随时间变化的.为了表达随时间变化的载荷首先必须将载荷为了表达随时间变化的载荷,首先必须将载荷～是随时间变化的为了表达随时间变化的载荷首先必须将载荷～时间曲线分为载荷步.载荷时间曲线中的每一个拐点为一个载荷步,如下图示载荷～如下图示. 荷步载荷～时间曲线中的每一个拐点为一个载荷步如下图示瞬态热分析载荷-时间曲线图21.2 瞬态热分析载荷时间曲线对于每一个载荷步,必须定义载荷值荷对应的时间值必须定义载荷值荷对应的时间值,同时必须指定载荷步的对于每一个载荷步必须定义载荷值荷对应的时间值同时必须指定载荷步的施加方式为渐变或阶越. 施加方式为渐变或阶越21.3.1 建模一般瞬态热分析中,定义材料性能时要定义导热系数密度及比热,其余建模过程与定义材料性能时要定义导热系数,密度及比热一般瞬态热分析中定义材料性能时要定义导热系数密度及比热其余建模过程与稳态热分析类似,这里就不再赘述这里就不再赘述. 稳态热分析类似这里就不再赘述21.3.2 加载求解中进行的分析一样,瞬态热分析进行加载求解时同样需要完成如下的和其它ANSYS 中进行的分析一样瞬态热分析进行加载求解时同样需要完成如下的工作.包括定义分析类型定义初始条件,施加载荷指定载荷步选项包括定义分析类型,定义初始条件施加载荷,指定载荷步选项,指定结果输出选工作包括定义分析类型定义初始条件施加载荷指定载荷步选项指定结果输出选项以及最后进行求解. 项以及最后进行求解1. 定义分析类型指定分析类型为瞬态分析,通用可以进行新的分析或进行重启动分析通用可以进行新的分析或进行重启动分析. 指定分析类型为瞬态分析通用可以进行新的分析或进行重启动分析 2.获得瞬态热分析的初始条件获得瞬态热分析的初始条件(1) 定义均匀温度场如果已知模型的起始温度是均匀的,可设定有节点初始温度如果已知模型的起始温度是均匀的可设定有节点初始温度Command: TUNIF GUI: Main Menu | Solution | -Loads- | Settings | Uniform Temp 如果不在对话框中输入数据,则默认为参考温度。
高速磨削电主轴热-结构耦合有限元分析与仿真
高速磨削电主轴热-结构耦合有限元分析与仿真王鹏;李文斌【摘要】在高速磨削加工中,电主轴的热结构状态直接影响高速加工机床的加工尺寸精度和表面质量.这篇文章利用传统理论对高速磨削电主轴进行了热-结构耦合分析,分别计算热稳态下主轴各种边界条件,在理论研究的基础上结合有限元软件进行热-结构耦合仿真分析,得到电主轴热变形主要与电机损耗、轴承发热与冷却液系统有关的结论.这一结论充分说明引起电主轴变形的主要因素,为今后在试验中建立电主轴热补偿体系以及减少热变形提供了有力的理论支持.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2016(000)012【总页数】4页(P146-149)【关键词】高速磨削电主轴;热-结构耦合;有限元;热变形;热补偿体系【作者】王鹏;李文斌【作者单位】太原理工大学机械工程学院,山西太原030024;太原理工大学机械工程学院,山西太原030024【正文语种】中文【中图分类】TH16;TH161高速加工技术作为当代先进制造技术中的一个主要发展方向，以高速度、高精度为主要特征，是继数控加工技术之后，传统切削加工技术中的有一次革命性的飞跃。
为满足高速磨削加工的需求，高速磨削电主轴得到逐步应用并成为了高速磨削加工中的核心部件。
作为核心部件，电主轴的加工稳定性和加工精度日益受到加工制造业的关注[1]。
电主轴处在高速加工过程时，电机和轴承会产生大量热量，引起主轴的热变形，如果不能有效的控制主轴的发热变形，将严重影响高速磨削机床的加工精度和表面质量。
因此，磨削电主轴的热结构耦合分析，是保证机床加工精度和表面质量的重要理论基础[2]。
2.1 热源分析与计算电主轴主要构件及其结构，如图1所示。
高速磨削电主轴内部热源主要有两个，一个是无外壳主轴电动机的损耗发热，另一个是轴承的摩擦生热。
2.1.1 无外壳主轴电机热量计算高速磨削电主轴使用无外壳内置电机，其定子和转子热量主要是电机损耗产生的。
本次试验用高速磨削电主轴的最高转速为15000r/min，额定转速为4500r/min，额定功率11kW，功率损耗率为25%，损耗功率为2.75kW。
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4.工程实例：泵壳的热应力计算
泵壳的外表面的热边界为对流换热 条件，环境文件为22度，对流换热 系数系数为50. 结构分析的边界条件为完全固定约 束螺栓通孔。泵壳的材料为结构钢 。
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稳态热应力，第一步首先进行稳态热分析，获取结构的温 度场，然后将温度导入到结构分析中，将温度场做为结构计算 的体载荷来计算稳态热应力。
3.瞬态热应力
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由约束产生 热应力
在 ANSYS 中求解热-应力问题主要使用间接法 ：即首先进行结构的温度场分析，获取结构的 温度，然后将温度作为体载荷施加到结构计算 中，计算热应力。
由不同材料 产生热应力
1.热应力分析的基本理论
• 间接法的分析顺序
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1. 先作稳态（或瞬态）热分析。
• 导入模型。 • 施加热荷载。 • 求解并检查结果。 2. 然后作静力结构分析。 • 导入温度场 • 定义结构边界条件和载荷。
热分析
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温度
结构分析
• 求解并检查结果。
jobname.rst
2.稳态热应力
热-结构耦合分析
1.热应力分析的基本理论
• • • • 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）。
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瞬态热应力，首先进行瞬态热分析，获得不同时间点的结构 温度场，然后把这些温度场导入到不同载荷步的结构计算，获 得瞬态热应力。
4.工程实Байду номын сангаас：泵壳的热应力计算
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如图所示给出了泵壳的三维模型，泵壳的内表面的温度随时间的变化规律如下
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