第20章 热-应力耦合分析(ansys教程)

设置回它们原来的缺省设置。 例如： 设置回它们原来的缺省设置 。 例如 ： 若用户在热分 析中使用的是2-D轴对称单元，则需要在转换后重新 轴对称单元， 析中使用的是 轴对称单元 指定轴对称选项。 因此， 指定轴对称选项 。 因此 ， 一定要确保设置正确的单 元选项。 元选项。
注意： 转换单元类型时 ， 将把所有的单元选项重新 注意 ： 转换单元类型时，
20.1 热应力的产生
当一个结构被加热或冷却时， 如果满足下列条件， 当一个结构被加热或冷却时 ， 如果满足下列条件 ， 则在结构中只会发生自由热膨胀， 不会有应力出现： 则在结构中只会发生自由热膨胀 ， 不会有应力出现 ： 均匀 只约束刚体运动 在整个结构中除了一个均匀的温度变化外没有其 它载荷 然而， 如果温度变化均匀， 但有其它的约束， 然而 ， 如果温度变化均匀 ， 但有其它的约束 ， 或者 有不同的热膨胀系数， 那么结构中将会产生热应力。 有不同的热膨胀系数 ， 那么结构中将会产生热应力 。
20.5 直接耦合
分析， 分析，该单元包括必要的自由度 1.首先用以下耦合单元之一建立模 首先用以下耦合单元之一建立模 型并划分网格 PLANE13 (板实体单元 板实体单元) 板实体单元 SOLID5 (六面体单元 六面体单元) 六面体单元 SOLID98 ( 四 面 体 单 元 tetrahedron) 2.在模型上施加结构载荷、热载荷 在模型上施加结构载荷、 在模型上施加结构载荷 及约束 3.求解并查看热分析结果和结构分 求解并查看热分析结果和结构分 析结果
直接耦合通常只涉及用耦合单元的
热分析 合并的 结构分析
jobname.rst
20.6 间接耦合和直接耦合的比较
间接耦合 对不是高度非线性的耦合 情况, 间接方法更有效， 情况 间接方法更有效 ， 更灵活， 更灵活 ， 因为可以相互独 立地执行两种分析 在间接热-应力分析中， 例如， 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 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 直接耦合 对耦合场的相互作 用是高度非线性的 情况，直接方法优 先，并且该方法在 用耦合公式单一求 解时是最好的 直接耦合的例子包 括压电分析, 有流体 括压电分析 流动的共轭传热问 题及电路电磁分析
第20章 热-应力耦合分析 章 应力耦合分析
引子： 引子： 考虑两块焊在一起的板， 考虑两块焊在一起的板，它们有不同的热膨胀 系数。 系数。如果复合材料棒的右半部分的热膨胀系 数大于左半部分， 数大于左半部分，当其受热时将会发生图示的 弯曲现象，因为右半部分伸长比左半部分多。 弯曲现象，因为右半部分伸长比左半部分多。 问题： 问题： 如何施加 热载荷？ 热载荷？ 如何进行 耦合分析？ 耦合分析？
热分析
jobname.rth
温度
结构分析
jobname.rst
20.4 间接耦合的分析过程
采用间接耦合法进行热－ 应力 采用间接耦合法进行热 － 耦合分析的全过程
1.进行瞬态或稳态的热分析以得 进行瞬态或稳态的热分析以得 到结点温度 2.查看结果，并确定温度梯度较 查看结果， 查看结果 大的时间点(或载荷步 或载荷步) 大的时间点 或载荷步 Main Menu: General PostProc > 在每个对话框中输入对应值
20.4 间接耦合的分析过程 续) 间接耦合的分析过程(续
b.选择分析选项 选择分析选项 Main Menu: Solution > Analysis Options
20.4 间接耦合的分析过程 续) 间接耦合的分析过程(续
8.施加结构载荷并包括温度作为加载的一部分 施加结构载荷并包括温度作为加载的一部分 Main Menu: Solution > -Load- Apply > Structure- Temperature > From Therm Analy a.输入期望的载荷步和子步号 缺省为第一个载荷 输入期望的载荷步和子步号(缺省为第一个载荷 输入期望的载荷步和子步号 步和最后一个子步) 步和最后一个子步 b. 选择热分析的 结果文件，以rth为扩展名 结果文件， 为扩展名 c. 单击 单击OK
20.4 间接耦合的分析过程 续) 间接耦合的分析过程(续
7.指定静力分析类型和分析选项。 指定静力分析类型和分析选项。 指定静力分析类型和分析选项 a.选择分析类型（缺省是静态，该步仅在热分析类型为 选择分析类型（ 选择分析类型 缺省是静态， 瞬态时使用） 瞬态时使用） Main Menu: Solution > -Analysis Type- > New Analysis
20.3 间接耦合
间接耦合涉及到两个分析： 间接耦合涉及到两个分析： 1.首先做一个稳态 或瞬态 热分析 首先做一个稳态(或瞬态 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 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
20.7 耦合场分析方法的选择
直接方法 最适合于那种耦合效 应是循环的双向耦合 的情况 真正的“多物理场” 真正的 “ 多物理场 ” 分析 不能用于非线形 非常好但耗费时间较 全自由度设置) 长(全自由度设置 全自由度设置 例子:结构特性随温 度而变的分析 间接方法 最适合于那种单向耦合的 情况,一种分析的结果能够 情况 一种分析的结果能够 影响到另一种分析,反之不 影响到另一种分析 反之不 能 独立进行两种分析,较灵活 独立进行两种分析,较灵活 不能用于非线形 非常好但耗费时间较长(全 非常好但耗费时间较长 全 自由度设置) 自由度设置 例子:结构特性随温度而变 例子 结构特性随温度而变 的分析 涡流的焦耳热
或使用 ETLIST 和 KEYOPT 命令
20.4 间接耦合的分析过程 续) 间接耦合的分析过程(续
6.定义结构的材料特性 定义结构的材料特性(EX等 )， 特别注意不要忘记 定义结构的材料特性 等 ， 输入热膨胀系数(ALPX)和其它建模细节 输入热膨胀系数 和其它建模细节 Main Menu: Preprocessor > Materail Props > Constant- Isotropic a.单击 单击OK 单击 b.输入结构的材料特性值，包括热膨胀系数 输入结构的材料特性值， 输入结构的材料特性值 包括热膨胀系数ALPX， ， 然后单击OK 然后单击 注意 ： 如果没有 定 义 ALPX 或 将 该项设置为0， 该项设置为 ，则 不能计算热应变。 不能计算热应变 。 用户可以使用该 关闭” 项技巧 “关闭” 温度的影响! 温度的影响
20.4 间接耦合的分析过程 续) 间接耦合的分析过程(续
3.删除热载荷，并将分析从热分析转换到结构分析 删除热载荷， 删除热载荷 Main Menu: Preferences a.选择结构分析。 选择结构分析。 选择结构分析 b.单击 单击OK。 单击 。 注意：如果在开始分析时没有明确指定热分析， 注意：如果在开始分析时没有明确指定热分析，则 不需要转换分析类型。 不需要转换分析类型。
20.1 热应力的产生 续) 热wk.baidu.com力的产生(续
结构受热或变冷时， 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 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 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 如 不同的热膨胀系数) 约束产生 热 应力
材料不同产 生热应力
20.2 求解热 应力问题的方法 求解热-应力问题的方法
中解决热-应力问题的方法有两种 在ANSYS中解决热 应力问题的方法有两种： 中解决热 应力问题的方法有两种：
20.2 求解热 应力问题的方法(续) 求解热-应力问题的方法 续 应力问题的方法
间接耦合 + 传统方法 ： 使用两种单元类型 ， 将热分析的 传统方法：使用两种单元类型， 结果做为结构温度载荷 + 当运行很多热瞬态时间点但结构时间点很少 时效率较高 + 可以很容易地用输入文件实现自动处理 直接耦合 + 新方法 ： 使用一种单元类型就能求解两种物 新方法： 理问题 + 热问题和结构现象之间可实现真正的耦合 - 在某些分析中可能耗费过多的时间
20.4 间接耦合的分析过程 续) 间接耦合的分析过程(续
9.画图核定温度 画图核定温度 a. PlotCtrls> Symbols. b. Choose None in Boundary Cond. Symbol c. Turn “body load symbol” to “structural temps” d. Choose Do not replot 10.指定载荷步选项 指定载荷步选项 Main Menu: Solution 在每个对话框中输入对应值 11.开始求解 开始求解 Main Menu: Solution
20.4 间接耦合的分析过程 续) 间接耦合的分析过程(续
5.验证单元选项设置 验证单元选项设置
Main Menu:Preprocessor>Element Type> Add/Edit/Delete
a.选定单元类型，然后选择Option… 选定单元类型，然后选择 选定单元类型 b.验证 如果需要可以更改 验证, 验证 c.选择 选择OK 选择
20.8 其它耦合场分析
定义耦合场分析：耦合场分析考虑了两个或多个工 定义耦合场分析：
程学科间的相互耦合作用 Examples Thermal-stress Magnetic-thermal Electromagnetic Piezoelectric Fluid-structural Applications Pressure vessels Induction heating Transmission lines Ultrasonic transducers Airplane wing
20.4 间接耦合的分析过程 续) 间接耦合的分析过程(续
4.将单元类型从热分析转换到结构分析 将单元类型从热分析转换到结构分析 Main Menu: Preprocessor > Element Type > Switch Element Type 或用 ETCHG 命令 a.选择“thermal to structure” 选择“ 选择 b.单击 单击OK 单击