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。

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, NEW
GUI: 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, 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。

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: 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热。

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
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: TOFFST
GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options
6．求解
Command: SOLVE
GUI: Main Menu>Solution>Current LS
19.2.3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: SET
GUI: Main Menu>General Postproc>-Read Results-By Load Step
2．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
19.3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。

图19.2 瞬态热分析载荷－时间曲线
对于每一个载荷步，必须定义载荷值及时间值，同时必须选择载荷步为渐变或阶越。

19.3.1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，其余建模过程与稳态热分析类似，这里就不再赘述。

19.3.2加载求解
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。

2．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，可设定所有节点初始温度
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，参考温度的值默认为零，但
可通过如下方法设定参考温度：
Command:TREF
GUI: Main Menu> Solution>-Loads->Settings>Reference Temp
注意：设定均匀的初始温度，与如下的设定节点的温度（自由度）不同
Command: D
GUI: Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Temperature>On Nodes
初始均匀温度仅对分析的第一个子步有效；而设定节点温度将保持贯穿整个瞬态分析过程，除非通过下列方法删除此约束：
Command:DDELE
GUI: Main Menu> Solution>-Loads->Delete>-Thermal-Temperature>On Nodes
(2) 设定非均匀的初始温度
在瞬态热分析中，节点温度可以设定为不同的值：
Command:IC
GUI: Main Menu> Solution>Loads>Apply>-Initial Condit'n>Define
如果初始温度场是不均匀的且又是未知的，就必须首先作稳态热分析确定初始
条件：
•设定载荷（如已知的温度、热对流等）
•将时间积分设置为OFF：
Command: TIMINT, OFF
GUI: Main Menu> Preprocessor>Loads>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time Integration •设定一个只有一个子步的，时间很小的载荷步（例如0.001）：
Command: TIME
GUI: Main Menu> Preprocessor>Loads>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time and Substps
•写入载荷步文件：
Command:LSWRITE
GUI: Main Menu> Preprocessor>Loads>Write LS File
或先求解：
Command:SOLVE
GUI: Main Menu> Solution>Solve>Current LS
注意：在第二载荷步中，要删去所有设定的温度，除非这些节点的温度在瞬态分析与稳态分析相同。

3．设定载荷步选项
进行瞬态热分析需要指定的载荷步选项和进行瞬态结构分析相同，主要有普通选项、非线性选项和输出控制选项。

(1) 普通选项
●时间：本选项设定每一载荷步结束时的时间：
Command: TIME
GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time and Substps
●每个载荷步的载荷子步数，或时间增量
对于非线性分析，每个载荷步需要多个载荷子步。

时间步长的大小关系到计算的精度。

步长越小，计算精度越高，同时计算的时间越长。

根据线性传导热传递，可以按如下公式估计初始时间步长：
24
ITS=δα
其中δ为沿热流方向热梯度最大处的单元的长度，α为导温系数，它等于导热
=k c)。

系数除以密度与比热的乘积（αρ
Command: NSUBST or DELTIM
GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time and Substps
如果载荷在这个载荷步是恒定的，需要设为阶越选项；如果载荷值随时间线性变化，则要设定为渐变选项：
Command: KBC
GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time and Substps
(2) 非线性选项
●迭代次数：每个子步默认的次数为25，这对大多数非线性热分析已经足够。

Command: NEQIT
GUI: Main Menu> Solution>-Load step opts>Nonlinear>Equilibrium Iter
●自动时间步长：本选项为ON时，在求解过程中将自动调整时间步长。

Command: AUTOTS
GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time and Substps
●时间积分效果：如果将此选项设定为OFF，将进行稳态热分析。

Command: TIMINT
GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time Integration
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts->Output Ctrls>DB/Results File
4．在定义完所有求解分析选项后，进行结果求解。

19.3.3 结果后处理
对于瞬态热分析，ANSYS提供两种后处理方式：
•通用后处理器POST1，可以对整个模型在某一载荷步（时间点）的结果进行后处理；
Command: POST1
GUI: Main Menu>General Postproc.
•时间－历程后处理器POST26，可以对模型中特定点在所有载荷步（整个瞬态过程）的结果进行后处理。

Command: POST26
GUI: Main Menu>TimeHist Postproc
1．用POST1进行后处理
•进入POST1后，可以读出某一时间点的结果：
Command: SET
GUI: Main Menu>General Postproc>Read Results>By Time/Freq
如果设定的时间点不在任何一个子步的时间点上，ANSYS会进行线性插值。

•此外还可以读出某一载荷步的结果：
GUI: Main Menu>General Postproc>Read Results>By Load Step
然后就可以采用与稳态热分析类似的方法，对结果进行彩色云图显示、矢量图显示、打印列表等后处理。

2、用POST26进行后处理
•首先要定义变量：
Command: NSOL or ESOL or RFORCE
GUI: Main Menu>TimeHist Postproc>Define Variables
•然后就可以绘制这些变量随时间变化的曲线：
Command: PLVAR
GUI: Main Menu>TimeHist Postproc>Graph Variables
或列表输出：
Command: PRVAR
GUI: Main Menu>TimeHist Postproc>List Variables
19.4 热－结构耦合分析
前面讲了热－结构耦合分析是一种间接法顺序耦合分析的典型例子，主要分三步完成，1.进行热分析，求得结构的的温度场，2.将模型中的单元转变为对应的结构分析单元，并将第一步求得的热分析结构当作体载荷施加到节点上，3.定义其余结构分析需要的选项，并进行结构分析。

前面已经介绍了如何单独进行热分析和结构分析，下面介绍如何转换模型并将第一步求解的结果施加到节点上。

1．完成必要的热分析，并进行相应的后处理，对结果进行查看分析。

2．重新进入前处理器，并指定新的分析范畴为结构分析。

选择菜单路径Main Menu >Preference ，在弹出的对话框中选择“Strutural”选项，使所有菜单变为结构分析的选项。

3．进行单元转换。

选择菜单路径Main Menu >Preprocessor >Element Type >Switch Elem Type，将弹出转换单元类型(Swithch Elem Type)对话框，如图19.2所示。

图19.3 转换单元类型(Swithch Elem Type)对话框
4．在对话框中的改变单元类型(Change element type)下拉框中选择“Thermal to Struc”，然后单击关闭对话框，ANSYS程序将会自动将模型中的热单元转换为对应的结构单元类型。

5．定义材料的性能参数，跟通常的结构分析不同的是，除了定义进行结构静力分析需要的材料弹性模量，密度，或强化准则的定义之外，在热－结构耦合分析的第二个分析中，还需要定义材料的热膨胀系数，而且材料性能应该随温度变化的。

6．将第一次分析得到的温度结果施加到结构分析模型上。

选取菜单路径Main Menu >Solution >Define Loads >Apply >Structural >Temperature >From Therm Analy，将弹出从已进行的热分析结果中施加温度载荷(Apply TEMP from Themal Analysis)对话框，如图19.4所示。

单击对话框中的按钮，选择前面热分析的结果文件*.rth，作为结构分析的热载荷加到节点上。