ANSYS热应力分析--精选实例.docx

ANSYS 热应力分析实例

当一个结构加热或冷却时，会发生膨胀或收缩。如果结构各部分之间膨胀收

缩程度不同，和结构的膨胀、收缩受到限制，就会产生热应力。

热应力分析的分类

ANSYS提供三种进行热应力分析的方法：

在结构应力分析中直接定义节点的温度。如果所以节点的温度已知，则可以

通过命令直接定义节点温度。节点温度在应力分析中作为体载荷，而不是节点自由度

间接法。首先进行热分析，然后将求得的节点温度作为体载荷施加在结构应

力分析中。

直接法。使用具有温度和位移自由度的耦合单元，同时得到热分析和结构应

力分析的结果。

如果节点温度已知，适合第一种方法。但节点温度一般是不知道的。对于大多数问题，推荐使用第二种方法—间接法。因为这种方法可以使用所有热分析的功能和结构分析的功能。如果热分析是瞬态的，只需要找出温度梯度最大的时间点，并将此时间点的节点温度作为荷载施加到结构应力分析中去。如果热和结构的耦合是双向的，即热分析影响结构应力分析，同时结构变形又会影响热分析（如大变形、接触等），则可以使用第三种直接法—使用耦合单元。此外只有第三种方法可以考虑其他分析领域（电磁、流体等）对热和结构的影响。

间接法进行热应力分析的步骤

首先进行热分析。可以使用热分析的所有功能，包括传导、对流、辐射和表

面效应单元等，进行稳态或瞬态热分析。但要注意划分单元时要充分考虑结构分

析的要求。例如，在有可能有应力集中的地方的网格要密一些。如果进行瞬态分析，在后处理中要找出热梯度最大的时间点或载荷步。

热单元结构单元

LINK32LINK1

LINK33LINK8

PLANE35PLANE2

PLANE55PLANE42

SHELL57SHELL63

PLANE67PLANE42

LINK68LINK8

SOLID79SOLID45

MASS71MASS21

PLANE75PLANE25

PLANE77PLANE82

PLANE78PLANE83

PLANE87PLANE92

PLANE90PLANE95

SHELL157SHELL63

重新进入前处理，将热单元转换为相应的结构单元，表7-1 是热单元与结构单元的对应表。可以使用菜单进行转换：

Main Menu>Preprocessor>Element Type>Switch Element Type，选择 Thermal to Structual。

但要注意设定相应的单元选项。例如热单元的轴对称不能自动转换到结构单

元中，需要手工设置一下。在命令流中，可将原热单元的编号重新定义为结构

单元，并设置相应的单元选项。

设置结构分析中的材料属性（包括热膨胀系数）以及前处理细节，如节点耦

合、约束方程等。

读入热分析中的节点温度，

GUI：Solution>Load Apply>Temperature>From Thermal Analysis。输入或选择热分析的结果文件名 *.rth 。如果热分析是瞬态的，则还需要输入热梯度最大时的

时间点或载荷步。节点温度是作为体载荷施加的，可通过Utility

Menu>List>Load>Body Load>On all nodes列表输出。

设置参考温度， Main Menu>Solution>Load Setting>Reference Temp。

进行求解、后处理。

间接法热应力分析实例

问题描述

热流体在代有冷却栅的管道里流动，如图为其轴对称截面图。管道及冷却栅

的材料均为不锈钢，导热系数为hr-in-oF，弹性模量为 28E6lb/in2 泊松比为。管内压力为 1000 lb/in2 ，管内流体温度为450 oF，对流系数为 1 Btu/hr-in2-oF, 外界流体温度为 70 oF，对流系数为Btu/hr-in2-oF。求温度及应力分布。

菜单操作过程

设置分析标题

1、选择“ Utility Menu>File>Change Title，输入 Indirect” thermal-stress Analysis of

a cooling fin。

2、选择“ Utility Menu>File>Change Filename，输入”PIPE_FIN。

进入热分析，定义热单元和热材料属性

1、选择“ Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete，选择”PLANE55，设定单元选项为轴对称。

2、设定导热系数：选择“ Main Menu>Preprocessor>Material Porps>Material Models ”，点击 Thermal，Conductivity， Isotropic，输入。

创建模型

1、创建八个关键点，选择“ Main Menu>Preprocessor>Creat>Keypoints>On Active CS，”关键点的坐标如下：

编号12345678

X5612126655

Y00011

2、组成三个面：选择“ Main Menu>Preprocessor>Creat>Area>Arbitrary>Throuth Kps”，由 1,2,5,8 组成面 1；由 2,3,4,5 组成面 2；由 8,5,6,7 组成面 3。

3、设定单元尺寸，并划分网格：“Main Menu>Preprocessor>Meshtool，设”定 global size为，选择 AREA，Mapped， Mesh，点击 Pick all。

施加荷载

1、选择“ Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By location>X coordinates，From Full ，”输入 5，点击 OK，选择管内壁节点；

2、在管内壁节点上施加对流边界条件：选择“ Main

Menu>Solution>Apply>Convection>On nodes，点”击 Pick，all，输入对流换热系数1，流体环境温度450。

3、选择“ Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By location>X coordinates，From Full ，”

输入 6,12，点击 Apply；

4、选择“ Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By location>Y coordinates，Reselect ，”输入 ,1，点击 Apply；

5、选择“ Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By location>Y coordinates，Also select ，”输入 12，点击 OK；

6、在管外边界上施加对流边界条件：选择“ Main

Menu>Solution>Apply>Convection>On nodes ，”点击 Pick，all，输入对流换热系数，

流体环境温度 70。

求解

1、选择“ Utility Menu>Select>Select Everything。”

2、选择“ Main Menu>Solution>Solve Current LS。”