第19章热-结构耦合分析
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。
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。
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。
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。
薄板压力容器盖的热-结构耦合有限元分析
～
定温度下薄板承压结构的安全性 至关重要 ，
而工作状态下的安全性测试非常困难， 且极具危险 性．传统设计中往往 以牺牲其经济性来保证设备的 安全运行 ， 而有限元方法为模拟分析并校核其安全 性 提供 了全 面 的功 能 ， 使设 计 者 安 全并 较 准 确： 盹在
热应力有 限元分析过程可 采用顺序法和 直接 法［ １顺序法是将热分析求得的节点温度作为体载 ａ． 一
左 右 的蒙板 ， 纵横 各 ４ ， 蒙板 为 ２ｍｍ 厚 半径 为 块 下 １０ ４ 的球 冠型 薄板 ． 球冠 型蒙 板 与 侧 板之 间的 ｍｍ 密封 槽 和密 封 圈结构 对 计 算 影 响较 小 ， 略为 球 冠 忽
点的正确联结 ， 从而保证计算精度． 如本文压力容器 盖就应首先对上下蒙板划分网格， 其次是肋板和侧
有限元热分析用于计算压力容器盖的温度分
布．
在正常工作状态下 ， 系统卸压前 ， 压力容器基本
处于稳 态 ， Ｑ 八 生 一Ｑ 出＝ｏ 即 流 ＋Ｑ 成 藏 ，
也即Ｅ ］Ｔ 一｛ ｝ ｘ ｛ ｝ Ｑ
式 中 ］ 为传 导矩 阵 ， 含 导热 系 数 、 流 系数 及辐 包 对
２ 薄板压力容器盖的有限元分析
载荷 作用 下的 温度 场 、 力及 变形 ， 应 并进 行 了热一 结构 耦合 分析 ， 得到 并分析 了薄板 结 构的压 力容器 盖 在实际 ．￣ Ｔ的应 力场 ， ｒ － 校核 了其安 全性 ， 薄板 承压 结构 更深入 地分 析研 究提供 理论 参考． 为 关键词 ：薄板压 力容器 盖 Ｉ有限 元分析 ；热一 结构耦 合 中图分 类号 ： Ｈ１ ３ ． Ｔ ２＋４ 文献 标识 码 ： Ａ １２ 热应 力分析 ．
Ｖ １２ Ｎ ． ｏ ４ ｏ２ ．
19-热-结构耦合分析
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 。
Training Manual
Advanced Contact & Fasteners
Training Manual
Advanced Contact & Fasteners
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
Training Manual
Advanced Contact & Fasteners
Advanced Contact & Fasteners
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
Training Manual
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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
jobname.rth
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）。
dyna 热结构耦合
dyna 热结构耦合Dyna热结构耦合引言：Dyna是一种常用的动力学分析软件，广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域中的结构热耦合分析。
本文将介绍Dyna热结构耦合的基本原理、应用领域以及分析方法。
一、基本原理热结构耦合分析是指在结构分析的基础上，加入热传导方程，考虑热载荷对结构的影响。
Dyna通过求解结构的动力学方程和热传导方程来实现热结构耦合分析。
在求解过程中，Dyna采用有限元法进行离散，将结构和热传导方程分别离散为节点和单元，并通过求解节点温度和结构响应来得到热力耦合分析结果。
二、应用领域Dyna热结构耦合分析广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。
在航空航天领域，热结构耦合分析可用于预测航天器进入大气层时的热响应，以及航天器在高温环境下的结构稳定性。
在汽车领域，热结构耦合分析可用于评估发动机和排气系统的热响应，优化散热系统设计。
在船舶领域，热结构耦合分析可用于评估船舶的防火性能，提高船舶的安全性。
三、分析方法Dyna热结构耦合分析的主要步骤包括：前处理、求解和后处理。
在前处理阶段，需要建立结构模型和热传导模型，并定义边界条件和加载条件。
在求解阶段，Dyna将结构的动力学方程和热传导方程转化为矩阵方程，并通过迭代求解得到节点温度和结构响应。
在后处理阶段，可以通过可视化工具对结果进行展示和分析，以得到结构的温度分布和应力应变分布等信息。
四、案例分析以航天器进入大气层时的热响应为例，介绍Dyna热结构耦合分析的具体过程。
首先，需要建立航天器的结构模型和热传导模型，并定义边界条件和加载条件。
然后，通过Dyna求解结构的动力学方程和热传导方程，得到节点温度和结构响应。
最后，通过后处理工具对结果进行可视化分析，得到航天器在不同时间段的温度分布和应力应变分布，以评估其在大气层进入过程中的热响应。
结论：Dyna热结构耦合分析是一种在结构分析基础上考虑热载荷的分析方法，通过求解结构的动力学方程和热传导方程，得到结构的温度分布和应力应变分布等信息。
ANSYS Workbench 17·0有限元分析：第19章-多物理场耦合分析
第19章多物理场耦合分析本章首先对多物理场的概念进行简要介绍，并通过典型案例详细讲解了电磁热耦合的操作步骤。
★ 了解多物理场的基本概念及19.1多物理场耦合分析概述在自然界中存在4种场：位移场、电磁场、温度场、流场。
这4种场之间是互相联系的，现实世界不存在纯粹的单场问题，遇到的所有物理场问题都是多物理场耦合的，只是受到硬件或者软件的限制，人为地将它们分成单场现象，各自进行分析。
有时这种分离是可以接受的，但对于许多问题，这样计算将得到错误结果。
因此，在条件允许时，应该进行多物理场耦合分析。
多物理场耦合分析是考虑两个或两个以上工程学科（物理场）间相互作用的分析，例如流体与结构的耦合分析（流固耦合）、电磁与结构耦合分析、电磁与热耦合分析、热与结构耦合分析、电磁与流体耦合分析、流体与声学耦合分析、结构与声学耦合分析（振动声学）等。
以流固耦合为例，流体流动的压力作用到结构上，结构产生变形，而结构的变形又影响了流体的流道，因此流固耦合是流体与结构相互作用的结果。
耦合分析总体来说分为两种：单向耦合与双向耦合。
单向耦合：以流固耦合分析为例，如果结构在流道中受到流体压力产生的变形很小，忽略掉亦可满足工程计算的需要，则不需要将变形反馈给流体，这样的耦合称为单向耦合。
双向耦合：以流固耦合分析为例，如果结构在流道中受到的流体压力很大，或者即使压力很小也不能被忽略掉，则需要将结构变形反馈给流体，这样的耦合称为双向耦合。
ANSYS Workbench还可与ANSOFT Simplorer软件集成在一起实现场路耦合计算。
场路耦合计算适用于电机、电力电子装置及系统、交直流传动、电源、电力系统、汽车部件、汽车电子与系统、航空航天、船舶装置与控制系统、军事装备仿真等领域的分析。
第19章多物理场耦合分析在ANSYS Workbench中，多物理场耦合分析可以分析基本场之间的相互耦合，其应用场合包括以下几个方面。
1. 流固耦合汽车燃料喷射器、控制阀、风扇、水泵等。
第19章 热-结构耦合分析
第19章热－结构耦合分析热－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，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参数，如热量的获取或损失、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。
19.1 热－结构耦合分析简介热－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中的温度场，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，我们需要先了解热分析的基本知识，然后在学习耦合分析方法。
19.1.1 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度，并导出其它热物理参数。
ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。
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，并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程。
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的热量：q流入+q生成-q流出=0，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、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、对流、辐射、绝热、生热。
航空航天中的热结构耦合分析研究
航空航天中的热结构耦合分析研究航空航天是一项高科技产业，它涉及到的领域非常广泛，包括热力学、强度学、气动力学等等。
其中，热力学是一个非常重要的领域，因为在航空航天系统中，温度的变化对机体的性能、结构和材料产生的影响很大，需要进行热结构耦合分析，以保证机体的安全和稳定运行。
什么是热结构耦合在机体工作过程中，机体的温度和材料的热性质都是发生变化的，这就会对机体材料和结构的性能产生影响。
热结构耦合就是研究机体温度变化和材料性质变化对机体结构性能产生的影响的科学方法。
具体来说，热结构耦合需要考虑机体的热特性、机体的机械结构和机体的环境条件等因素。
热结构耦合的应用热结构耦合技术的应用非常广泛，特别是在航空航天工程中。
首先，热结构耦合技术可以用于模拟机体内部的热传输情况，以便更好地理解机体的热特性。
其次，热结构耦合技术可以用来预测机体在不同环境条件下的变形和应力，以帮助工程师更好地设计机体的材料和结构。
最后，热结构耦合技术可以用来模拟机体在极端情况下的应力、变形和破坏情况，以评估机体的安全性和性能。
热结构耦合的实现为了实现热结构耦合分析，需要建立一定的数学模型，在此基础上进行计算分析。
这个数学模型包括了热传输模型和机械结构模型。
热传输模型用于计算机体内部热量的传递和分布，机械结构模型用于计算机体的变形和应力。
这两个模型联合起来，就可以得到机体在不同工作条件下的热、力、变形等综合性能。
在实际应用中，热结构耦合分析可以采用各种计算方法，比如有限元法、有限差分法、边界元法等。
每种方法都有自己的优缺点和适用范围，需要根据具体情况来选择使用的方法。
热结构耦合在航空航天中的应用举例热结构耦合技术在航空航天领域的应用非常广泛。
下面举一个在卫星设计中的应用例子。
在卫星设计中，卫星的热控制是一个非常重要的工作。
卫星在不同轨道上运行时会受到来自空间环境的不同辐射热传输和传热，因此需要通过热控制系统来维持整个卫星内部环境的稳定。
基于ANSYS Workbench 的热压头热-结构耦合分析
０ 弓 Ｉ 言
芯 片焊接 技术 是微 电子 封 装 的关键 技 术 之 一 ， 热 压 头是 面阵 列芯 片焊 接设 备 的重 要 部 件 ， 其性 能 直 接 决 定芯 片的质 量 和成 品率 ， 因此 研 究 分 析 热 压 头对 提 高 面阵 列芯 片焊接 设备 性能 有着 重要 意义 。芯 片焊接 方 式主要 有熔 焊 、 热压焊 和 热声焊 等 ， 大多数 芯 片焊接 设 备一 般采用 热压 焊 和热声 焊 。 由于在焊接 过程 中需 要 对热 压头进 行加 热 ， 因此 温度 对 焊接 精 度 和质 量 的 影 响很 大 。 目前 ， 针 对 温 度 对 芯 片 封装 设 备 焊 接 可靠 性 的影 响研 究较 多 ， 但 大 多 集 中 于 温 度对 设 备 图像 采 集 的影 响 ， 如张丽娜 针 对 焊 接 过 程 中芯 片与 基 板 的对 准 精度 受温 度影 响Ｌ １ ］ ， 以热 超 声 倒 装键 合 机 为 实 验平 台， 对 焊接过 程 中因加 热 所 带 来 的 湍 流效 应 对 焊 接成 像 和 芯片与 基板 对准 精 度 的 影 响进 行 了研究 ， 且 在 文 献Ｆ － ２ ３中提 出了一种 解决 方法 。但 是 鲜少 有人 针 对 温 度 对 于焊接 设备 机械 本 身 的 影 响进 行 研 究 ， 本 文 主要 研 究温 度对 热 压头结 构 的影 响 ， 特 别 是 当结 构 受 热 不
１ ． ２ 网 格 化 有 限 元 模 型 的 建 立
在分 析之 前 ， 首 先 需 对 热 压头 三维 模 型进 行 网格
收稿 Ｉ １ 期 ：２ ０ １ ３ — ０ ９ — ３ ｏ ；修 刚 日 期 ：２ ０ １ ３ — １ ０ — ０ ５
作 者 简 介 ：Ｊ 吉 ｊ 启舟 （ １ ９ ７ ３ 一 ） ，男 ， ｌ ｔ 肃 庄 浪 人 ， 高级 【程 师 ，工 程 硕 ： Ｌ．现 主 要从 事 半 导体 后 封 装 设备 研 制 工作 。
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。
基于Workbench的行星齿轮组热-结构耦合分析
基于Workbench的行星齿轮组热-结构耦合分析杨淑贞;董彬【摘要】基于有限元分析、齿轮啮合、摩擦生热等理论，建立了行星齿轮组有限元模型，计算了某汽车齿轮减速箱齿轮热稳态分析的边界条件。
利用ANSYS Workbench软件对齿轮组进行整体热-结构耦合分析和单独结构分析，将得到的数据进行分析对比，得到啮合轮齿处应力和位移的变化，分析了温度场对相关变化的影响，为研究某汽车行星齿轮组的结构优化提供了更加准确的依据，对同类型零部件的热-结构耦合分析具有一定的指导意义。
【期刊名称】《制造业自动化》【年(卷),期】2015(000)012【总页数】3页(P75-76,96)【关键词】齿轮啮合;ANSYS Workbench;热-结构耦合【作者】杨淑贞;董彬【作者单位】黄河交通学院汽车工程学院，焦作 454950;黄河交通学院汽车工程学院，焦作 454950【正文语种】中文【中图分类】TH1220 引言行星齿轮组是汽车减速箱关键零部件之一，其传动性能直接影响着汽车减速箱的工作性能，由于汽车行驶过程中调速频繁，齿轮收到的扭矩强度大，因而行星齿轮组传动故障也是汽车多发故障之一。
现有研究多集中在对重载齿轮应力及位移的分析及验证结构的合理性，并未考虑到齿轮啮合摩擦过程中热因素的影响[1～3]。
在实际工况中齿轮啮合摩擦会产生大量的热，热变形和热应力会主导齿轮应力分布情况，在温度和应力影响下会造成齿轮胶合或点蚀失效。
查阅当前文献发现国内外的学者对热分析方法、温度场在啮合齿轮内部的分布以及对流换热、热传导等热边界条件的确定都进行了研究[4～6]。
热对齿轮传动过程中的应力有很大影响，但现有研究大多将应力和温度单独进行研究，研究结果实际并不能很好地模拟实际传动过程中应力变化以及确定最大应力位置。
在此基础上国内有部分学者进行了探索：梅益等人对重载减速箱进行了热-结构耦合的研究[7]，赵丽娟等人进行了采煤机截割部摇臂整体虚拟样机的温度结构耦合分析，为相应零件的结构设计和优化提供了更加准确的量化数据[8]。
热结构耦合分析与优化设计
热结构耦合分析与优化设计在工程设计领域中，热结构耦合分析与优化设计是一个十分重要的研究方向。
这个领域的核心思想是通过将热学和结构动力学两种物理现象进行结合，来模拟和优化对于温度和应力等因素的响应。
这样的方法不仅可以优化设计和改进材料性能，还可以降低设备故障和提高安全性。
热结构耦合分析是指将两个或多个物理耦合在一起以模拟物理现象的过程。
它是对系统整体进行全面考虑的一种方法，可以有效地模拟材料的热学特性，以及在受压缩、拉伸和挤压等机械破坏的情况下的变形和破坏。
通过这种方法，工程师可以更精确地预测材料的热性能和结构特性，并确定最佳材料类型和设计方案。
在优化设计过程中，热结构耦合分析的作用也非常举足轻重。
针对不同材料和应用环境，热结构耦合分析可以根据预期的性能指标进行优化设计。
给定约束和目标后，这种方法可以自动产生不同的方案供工程师选择。
优化设计过程的结果是，工程师可以获得更多的关于分析结果的数据和更准确的设计结果，从而支持决策的制定。
此外，热结构耦合分析在安全性、可靠性和成本方面的影响也可以通过优化设计来最小化。
在实践中，热结构耦合分析技术已经被广泛应用于各个行业，例如航空航天、汽车、海洋工程、建筑和国防等领域。
这种方法的应用可以帮助工程师解决一系列复杂的技术问题，例如热应力分析、气动热力学分析、噪声和振动控制、复合材料结构设计等。
热结构耦合分析与优化设计也是材料科学中重要的研究方向之一。
对于工程师来说，材料的热性能和结构特性是设计材料和材料应用的关键因素。
热结构耦合分析可以对材料进行深入的研究和测试，并通过优化设计来提高材料的性能。
这种方法的应用可以在实验室中对材料进行更全面和系统的测试，并减少实验成本和开发时间。
总的来说，热结构耦合分析与优化设计是工程设计中不可或缺的一部分。
它为工程师提供了一种更精确和全面的设计工具，可以在材料性能、设备可靠性、能源效率和经济效益等方面帮助工程师提高设计水平。
尽管这种方法需要依靠高度的计算和模拟能力，但是由于计算机技术的快速发展，越来越多的公司和研究机构开始关注和考虑热结构耦合分析与优化设计的应用。
ansys的直接耦合场分析(热结构耦合)
在直接耦合场分析的前处理中要记住以下方面:
•使用耦合场单元的自由度序列应该符合需要的耦合场要求。
模型中不需要耦合的部分应使用普通单元。
•仔细研究每种单元类型的单元选项，材料特性合实常数。
耦合场单元相对来说有更多的限制(如, PLANE13不允许热质量交换而PLANE55单元可以, SOLID5不允许塑性和蠕变而SOLID45可以)。
•不同场之间使用统一的单位制。
例如，在热-电分析中，如果电瓦单位使用瓦(焦耳/秒)，热单位就不能使用Btu/s。
•由于需要迭代计算，热耦合场单元不能使用子结构。
在直接方法的加载，求解，后处理中注意以下方面：
•如果对带有温度自由度的耦合场单元选择瞬态分析类型的话：
–瞬态温度效果可以在所有耦合场单元中使用。
–瞬态电效果(电容，电感)不能包括在热-电分析中(除非只是TEMP和VOLT自由度被激活)。
–带有磁向量势自由度的耦合场单元可以用来对瞬态磁场问题建模(如,SOLID62). 带有标量势自由度的单元只能模拟静态现象(SOLID5)。
•学习每种单元的自由度和允许的载荷。
耦合场单元允许的相同位置(节点,单元面等)施加多种类型的载荷(D, F, SF, BF) 。
•耦合场分析可以使高度非线性的。
考虑使用Predictor 和Line Search 功能改善收敛性。
•考虑使用Multi-Plots功能将不同场的结果同时输出到多个窗口中。
《热应力耦合分析》课件
多尺度热应力耦合分析的挑战
01
多尺度热应力耦合分析是当前研究的热点和难点，涉及从微观到宏观多个尺度 的耦合。
02
多尺度热应力耦合分析需要考虑不同尺度之间的相互作用和传递机制，建立有 效的多尺度模型和算法。
03
多尺度热应力耦合分析需要解决不同尺度之间的数据转换和匹配问题，以确保 模拟结果的准确性和可靠性。同时，多尺度热应力耦合分析还需要解决计算效 率和精度之间的平衡问题，以满足实际工程应用的需求。
界条件的问题。
PART 04
热应力耦合分析的案例研 究
案例一：汽车发动机的热应力耦合分析
总结词
汽车发动机的热应力耦合分析是热应力耦合 分析的重要应用之一，通过对汽车发动机的 热应力进行耦合分析，可以优化发动机的设 计，提高发动机的性能和可靠性。
详细描述
汽车发动机在工作过程中，由于高温和机械 应力的作用，会产生热应力和机械应力。通 过对这些应力的耦合分析，可以了解发动机 的工作状态和疲劳寿命，优化发动机的结构
材料非线性和非均匀性的考虑
材料非线性和非均匀性是热应力耦合分析中需 要考虑的重要因素，对模拟结果的准确性和可 靠性有重要影响。
随着材料科学的发展，新型材料不断涌现，其 非线性和非均匀性更加显著，对热应力耦合分 析提出了更高的要求。
考虑材料非线性和非均匀性需要深入研究材料 的微观结构和性能，建立更为精确的模型和算 法，以适应各种复杂材料的模拟需求。
PART 05
热应力耦合分析的未来发 展与挑战
高性能计算技术的发展
高性能计算技术为热应力耦合 分析提供了强大的计算能力， 可以模拟更大规模、更复杂的 系统。
随着计算技术的不断发展，热 应力耦合分析的精度和效率将 得到进一步提升。
高速列车齿轮箱箱体热-结构耦合分析
科学技术创新2021.12部位 Bear1 Bear2 Bear3 Bear4 Bear5 Fr （N ）12955 9122 8475 5478 0 Fa （N ）38043804表1各轴承受力大小近年来，我国高速铁路发展迅速，运营里程达世界之最。
齿轮箱是高速列车的关键部件，其可靠性将直接影响到列车的运行安全性[1-2]。
高铁齿轮箱体设计要求：（1）承担动力传递过程中作用在箱体上的载荷，要有较高的强度；（2）工作过程中箱体变形小、刚度大，并能实现齿轮与轴承的润滑要求。
箱体的结构特点：在箱体顶部、侧面及两端之外的表面均设有加强筋板，提高齿轮箱体垂向和侧向的刚度;在轴承座处同样设置了多条筋板，提高轴承座的刚度[3-4]。
高铁齿轮箱工作于高速重载环境中，负载、温度对箱体应力、变形影响复杂，现有文献很少从热-结构耦合角度对高铁齿轮箱进行研究。
本文运用Ansys 软件对箱体进行热-结构耦合分析，研究高速列车运行过程中箱体的应力应变情况，确定其薄弱环节，为箱体结构改进和优化提供支持。
1建立高速列车齿轮箱有限元分析模型在Solidworks 中对模型简化处理，去除圆角、倒角、锐角等非重要结构，导入Ansys 用meshing 模块进行四面体非结构化网格划分，网格扭曲度小于0.73。
考虑风速对温度场的影响，在Ansys 中用包围命令得到图1所示外部风场流域和内部油气混合物流域，网格模型见图2。
热分析时，结合传动零件热量传递路径情况，将齿轮啮合接触部分、轴承内外圈与滚动体接触部分切出2mm 的薄片用于摩擦功率的加载，如图3、图4所示。
2高速列车齿轮箱产热计算2.1轴承受力分析工况：正转，350km/h,输出转速2185r/min ，输出轴扭矩2841N ·m 稳态油温100℃，风速5m/s 。
齿轮箱体基本参数：从动轮直径d 1为543.80mm ，螺旋角β为20°，各轴承的分布如图5所示。
图5齿轮箱箱体轴承的分布圆周力：F t =2000Td1高速列车齿轮箱箱体热-结构耦合分析何锐（北方工业大学机械工程学院，北京100043）摘要：齿轮箱是高速列车运行的重要部分，对某型号齿轮箱，应用Ansys 建立有限元仿真模型，对其进行热-结构耦合分析。
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第19章热－结构耦合分析热－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，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参数，如热量的获取或损失、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。
19.1 热－结构耦合分析简介热－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中的温度场，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，我们需要先了解热分析的基本知识，然后在学习耦合分析方法。
19.1.1 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度，并导出其它热物理参数。
ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。
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，并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程。
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的热量：q流入+q生成-q流出=0，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、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、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19.1所示。
19.1.2 耦合分析在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，所以着重讲解热－结构耦合分析。
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。
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。
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。
通过计算包含所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。
典型的例子是使用聊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，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。
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。
数据库中必须包含所有的物理分析所需的节点和单元。
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。
所有这些编号在所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。
对于我们本书要讲解的热－结构耦合分析通常采用间接法顺序耦合分析,其数据流程如图19.1所示。
图19.1 间接法顺序耦合分析数据流程图19.2 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以前，进行稳态热分析用于确定初始温度分布。
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、热流密度等参数。
ANSYS稳态热分析可分为三个步骤：•前处理：建模•求解：施加载荷计算•后处理：查看结果19.2.1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。
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，单元类型也为也分析的单元类型，另外在材料定义时需要定义相应的热性能参数，下面为大概操作步骤。
1．确定jobname、title、unit；2．进入PREP7前处理，定义单元类型，设定单元选项；3．定义单元实常数；4．定义材料热性能参数，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；5．创建几何模型并划分网格，请参阅结构分析的建模步骤。
19.2.2施加载荷计算热分析跟前面讲解的结构分析相比，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。
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。
1．义分析类型●如果进行新的热分析，则使用下面命令或菜单路径：COMMAND：ANTYPE, STATIC, NEWGUI: Main menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis>Steady-state●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：COMMAND: ANTYPE, STATIC, RESTGUI: Main menu>Solution>Analysis Type->Restart2．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) ：(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。
COMMAND: DGUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Temperature(2)热流率：热流率作为节点集中载荷，主要用于线单元模型中(通常线单元模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则ANSYS读取温度值进行计算。
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，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。
COMMAND: FGUI：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，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: SFGUI：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。
热流密度与对流可以施加在同一外表面，但ANSYS仅读取最后施加的面载进行计算。
COMMAND: FGUI：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热。
它的单位是单位体积的热流率。
COMMAND: BFGUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Generat3．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。
热分析的载荷步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。
4．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，要将目前的温度值换算为绝对温度。
如果使用的温度单位是摄氏度，此值应设定为273；如果使用的是华氏度，则为460。
Command: TOFFSTGUI: Main Menu>Solution>Analysis Options6．求解Command: SOLVEGUI: Main Menu>Solution>Current LS19.2.3后处理ANSYS将热分析的结果写入*.rth文件中，它包含如下数据：基本数据：•节点温度导出数据：•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POST1进行后处理，关于后处理的完整描述，可参阅本书第二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。
1．进入POST1后，读入载荷步和子步：COMMAND: SETGUI: Main Menu>General Postproc>-Read Results-By Load Step2．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: PLVECTGUI: 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 Solu19.3瞬态传热分析瞬态热分析用于计算一个系统的随时间变化的温度场及其它热参数。
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。
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～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，如下图所示。