ansys 热 结构耦合分析

第21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。

21.1 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识，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，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21.1所示。

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

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

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，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21.1所示。

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

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。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。

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。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．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：

COMMAND：ANTYPE, STATIC, 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：

COMMAND: ANTYPE, STATIC, REST

GUI: Main menu | Solution | Analysis Type- | Restart

2．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: 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: 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。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。