ANSYS热应力分析实例解析
Ansys 热分析实例(多芯片组件加散热器(热沉)的冷却分析)
三．MCM温度场稳态分析多芯片组件加散热器（热沉）的冷却分析图1(a) 、图1(b) 所示分别为大功率球栅阵列MCM的截面图和俯视图，五个芯片采用倒装焊方式置于有机基板上，为了增加模块的散热能力，在芯片背面上加一热扩展面。
表1所示为各材料的物理属性。
周围的环境温度设为250 o C，其中大芯片的功率为25W，热流密度为60×106W/m3；周围四个小芯片的功率为10W，热流密度为61.54×106W/m3；对流换热系数为10W/(m·K)。
MCM结构参数和材料属性模型组件材料尺寸(mm）导热系数(W/(m﹒k)）芯片硅8*8*0.65,5*5*0.65 82芯片凸点5Sn/98Pb 10*10*,6*6,Ø0.3,Height:0.2,Pitch:0.7536 基板聚酰亚胺40*40*1.5 0.2焊料球96.5Sn3.5Ag 26*26,Ø0.6, Height:0.4,Pitch:1.2750PCB FR4 100*100*1.5 8.37,8.37,0.32 热介质材料导热脂Thick:0.15 1粘接剂粘接剂Thick:0.15 1.1热扩展面铜40*40*1.5 390热沉铝Base:46.5*45.6*1.5,Pin number:16,Pinheight:8240分析从而导致器件性能变化和可靠性的下降。
热场分析和设计是MCM设计中一个重要的环节[3]。
MCM器件中的热应力来自两个方面，即来自MCM模块内部和MCM模块所处的外部环境所形成的热应力，这些热应力都会影响到器件的电性能、工作频率、机械强度和可靠性。
随着MCM集成度的提高和体积的缩小,尤其是对于集成了大功率芯片的MCM ,其内部具有多个热源，热源之间的热耦合作用较强，单位体积内的功耗很大，由此带来的芯片热失效和热退化现象突出。
有资料表明,器件的工作温度每升高10o C，其失效率增加1倍[4]。
ANSYS耦合场分析_热应力
例如: 如果结构网格包括在热模型中不存在的圆角 时，许多节点将落在热模型的外面。如果圆角足 够大而且热模型足够细致，圆角区域的载荷将不 能写出。
10-15
基本过程
在热-应力分析中，由温度求解得到的节点温度 将在结构分析中用作体载荷。 当在顺序求解使用手工方法时将热节点温度施加到结构单元上有两种选项。选择 的原则在于结构模型和热模型是否有相似的网格划分:
如果热和结构的单元有相同 的节点号码. . .
1
• 热模型自动转换为结构模型，使用 ETCHG 命令(见相应单元表格)。 • 温度可以直接从热分析结果文件读出 并使用LDREAD 命令施加到结构模型 上。
10-3
直接方法 - 例题
在第七章对流部分中，介绍了FLUID66和FLUID116热—流单元。该单元具有 热和压力自由度，因此是直接耦合场单元。
ANSYS有一些其他的耦合单元，具有结构，热，电，磁等自由度。绝大多数 的实际问题只涉及到少数几个物理场的耦合。这里提供了几个涉及到热现象 的直接耦合场分析。
• 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。
10-6
直接方法 - 加载, 求解, 后处理
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。
基于ANSYS的某活塞热应力分析
为热 膨胀 系数 ) 。
0 xy
=
0y
=
T, 而
= 0。 由于
ex , ey ,
物体 存 在 约束, 伴随 热 变 形 将 产 生 热 应 力 !Tx , !Ty , ∀Txy 。 这些 热 应 力又 引 起 该 处 发 生 弹性 应 变 则该点的总应变 exy 。
x y [ 3]
为
= = =
T
=
=
T ( 1 1 0) T + [
0] e]
则式( 1) 可变为[ ] = [ 确定。
物体内各点的位移量由[ ] 确定, 而热应力由[
由应力表达式 #= D [ ] 可得热应力矩阵表达式 [# T ] = [ D] [
e]
= [ D] ([ ] - [
0]
)
2
建立模型
严格按 照 活塞 图纸 尺寸 标 注, 在 SolidWorks2010
ex ey
+ +
0x 0y
( 1)
T
点击 M esh 按 钮, 选 中活 塞模 型进 行 自由 网格 划分, 共产生 6160 单元 10448 节点, 如图 1 所示。
xy
exy
+ 0
x y xy )
令[ ] = ( (
0 x 0y 0x y )
, [
e]
= (
e]
ex ey ex y )
T
,[
0]
PR XY 0. 3
( 4) 定义求解类型。 GU I: M ain Menu > Solution> Analysis T ype> New Analysis, 设定分析类型为 S teady- Stat e( 稳态) 。 ( 5) 施加载荷。 GU I: Main M enu> Solution> Define Loads> Apply > T hermal> Convent ion> On Areas, 分别对活塞上表面
ANSYS热应力分析经典例题
ANSYS热应力分析例题实例1——圆简内部热应力分折：有一无限长圆筒，其核截面结构如图13—1所示，简内壁温度为200℃，外壁温度为20℃，圆筒材料参数如表13．1所示，求圆筒内的温度场、应力场分布。
该问题属于轴对称问题。
由于圆筒无限长，忽略圆筒端部的热损失。
沿圆筒纵截面取宽度为10M的如图1 3—2所示的矩形截面作为几何模型。
在求解过程中采用间接求解法和直接求解法两种方法进行求解。
间接法是先选择热分析单元，对圆筒进行热分析，然后将热分析单元转化为相应的结构单元，对圆筒进行结构分析；直接法是采用热应力藕合单元，对圆筒进行热力藕合分析。
/filname,exercise1-jianjie/title,thermal stresses in a long/prep7 $Et,1,plane55Keyopt,1,3,1 $Mp,kxx,1,70Rectng,0.1,0.15,0,0.01 $Lsel,s,,,1,3,2Lesize, all,,,20 $Lsel,s,,,2,4,2Lesize,all,,,5 $Amesh,1 $Finish/solu $Antype,staticLsel,s,,,4 $Nsll,s,1 $d,all,temp,200lsel,s,,,2 $nsll,s,1 $d,all,temp,20allsel $outpr,basic,allsolve $finish/post1 $Set,last/plopts,info,onPlnsol,temp $Finish/prep7 $Etchg,ttsKeyopt,1,3,1 $Keyopt,1,6,1Mp,ex,1,220e9 $Mp,alpx,,1,3e-6 $Mp,prxy,1,0.28Lsel,s,,,4 $Nsll,s,1 $Cp,8,ux,allLsel,s,,,2 $Nsll,s,1 $Cp,9,ux,allAllsel $Finish/solu $Antype,staticD,all,uy,0 $Ldread,temp,,,,,,rthAllsel $Solve $Finish/post1/title,radial stress contoursPlnsol,s,x/title,axial stress contoursPlnsol,s,y/title,circular stress contoursPlnsol,s,z/title,equvialent stress contoursPlnsol,s,eqv $finish/filname,exercise1-zhijie/title,thermal stresses in a long/prep7 $Et,1,plane13Keyopt,1,1,4 $Keyopt,1,3,1Mp,ex,1,220e9 $Mp,alpx,,1,3e-6 $Mp,prxy,1,0.28MP,KXX,1,70Rectng,0.1,0.15,0,0.01 $Lsel,s,,,1,3,2Lesize, all,,,20 $Lsel,s,,,2,4,2Lesize,all,,,5 $Amesh,1Lsel,s,,,4 $Nsll,s,1 $Cp,8,ux,allLsel,s,,,2 $Nsll,s,1 $Cp,9,ux,allALLSEL $Finish/solu $Antype,staticLsel,s,,,4 $Nsll,s,1 $d,all,temp,200lsel,s,,,2 $nsll,s,1 $d,all,temp,20allsel $outpr,basic,allsolve $finish/post1 $Set,last/plopts,info,onPlnsol,temp/title,radial stress contoursPlnsol,s,x/title,axial stress contoursPlnsol,s,y/title,circular stress contoursPlnsol,s,z/title,equvialent stress contoursPlnsol,s,eqv $finish318页实例2——冷却栅管的热应力分析图中为一冷却栅管的轴对称结构示意图，其中管内为热流体，温度为200℃，压力为10Mp,对流系数为11 0W／(m2•℃)；管外为空气，温度为25℃，对流系数为30w／(mz．℃)。
8-2传热及温度应力分析ANSYS算例
(13) 定义材料参数 Main Menu → Preprocessor → Material Props → Material Models → Material Models Available: Structural（双击打开子菜单） → Linear（双击） → Elastic （双击）→ Isotropic（双击） → EX： 2.0e5 (弹性模量) ，PRXY：0.3 (泊松比)→ OK →转到Material Models Available: Thermal Expansion（双击） →Secant Coefficient （双击）→ Isotropic（双击） →ALPX：1.2E-5(平均线膨胀系数) → OK →关闭材料 定义菜单（点击菜单的右上角X）
(3) 设置计算类型 Main Menu: Preferences… → select Thermal, steady → OK
(4) 选择单元类型 Main Menu: Preprocessor → Element Type → Add/Edit/Delete → Add → Thermal Solid，
【ANSYS 应用实例 2.1】 焊接接头稳态传热过程的数值模拟
如图 2-1 所示，圆形的冷凝管通过法兰接头进行对接。接头的制作方法如下：先把法兰 移动到圆管接头位置，然后沿圆周焊接两道次，把法兰连接到圆管上。用螺栓把两个法兰接 头拉紧，法兰之间压上一块垫片。圆管内的液体温度为 0℃，蒸汽冷凝在圆管的外表面上， 蒸汽温度为 100℃。圆管内表面换热系数为 5000W/m2K，外表面换热系数为 20000 W/m2K。
UNIT2-2
TH-FEA(应用实例-UNIT2)
清华大学 曾攀
(6) 生成几何模型 Main Menu: Preprocessor → Modeling → Create → Keypoints → In Active CS → NPT
一个玻璃钢外壳ANSYS热应力分析的命令流
一个玻璃钢外壳ANSYS热应力分析的命令流/filname,test1 ！定义分析名称/title,this is a plane thermal analysis abort test1 ！定义标题/prep7 ！进入前处理et,1,plane55 ！设置单元类型mp,kxx,1,0.4 ！定义玻璃钢的导热系数k,1,0,0.021,0 ！创建关键点k,2,0.0793,0.021,0k,3,0.0793,0.027,0k,4,0.0553,0.027,0k,5,0.0553,0.0317,0k,6,0.0647,0.041,0k,7,0.0793,0.041,0k,8,0.0793,0.045,0k,9,0,0.045,0k,10,0,0,0k,11,0.1,0,0a,1,2,3,4,5,6,7,8,9, ！由关键点生成面aesize,1,0.002 ！设置网络划分数量amesh,all ！划分网络/solu ！进入求解器antype,static ！设置为稳态分析dl,8,1,temp,175,0 ！给编号为8的线上施加175度的栽荷lsel,s,loc,y,0,0.044 ！选择除8号线外其它的所有的线（通过坐标）dl,all,1,temp,30,0 ！施加30度的边界条件allsel,all ！选择所有outpr,basic,all ！控制输出文件类型solve ！求解finish/prep7etchg,tts ！转换单无，由热——结构mp,ex,1,2.1e10 ！定义弹性模量mp,prxy,1,0.3 ！定义泊松比mp,alpx,1,1.3e-5 ！定义玻璃钢的线膨胀系数/solu ！进入求解器antype,staticlsel,s,loc,x,0.02,0.079lsel,r,loc,y,0,0.044dl,all,,ux,0dl,all,,uy,0allsel,alldl,2,1,symmdl,7,1,symmdl,9,1,symmsfl,8,pres,140,0 tunif,30 ldread,temp,,,,,,rth solve finish。
基于ANSYS的平板塑件注塑模具热应力分析
扩展 ， 但是 随着交 变 载荷 的继 续 循 环 ， 裂 纹 尖 端 附近 会 形成 许多微 裂纹 ， 并 逐渐 与 主裂 纹 合并 ， 导 致 裂纹 继 续 扩展 ， 延伸 到模 具型腔 表面使模 具发生 失效 Ｊ 。 近 年来 ， 许 多学 者 对 注 塑 模 具 的应 力 集 中进行 研
ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍ ｏ ｌ ｄ ｄ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ ｊ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｗ ａ ｓ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ， ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍ ｏ ｌ ｄ ｗ ａ ｓ ｉ ｍ ｐ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ｗ ｈ ｅ ｎ
（ Ｋ ｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｅ ＆Ｍ （ Ｚ ｈ ｅ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ） ， Ｍｉ ｎ ｉ ｓ ｔ ｙ ｒ ｏ ｆ Ｅ ｄ ｕ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ＆ Ｚ ｈ ￣ ｉ ａ ｎ ｇ Ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｎ ｃ ｅ ， Ｈ ａ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ ３ １ ０ ０ １ ４ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
键 词： 注 塑模 具 ； 热 分析 ； 应 力分 析 ； 疲 劳破 坏
情况， 并在模 具温度最大 时刻进行稳 态静 力分析 ， 找 出应力集 中区域 ， 为模具 的疲劳设计提 供一定的依据。 中图分类号 ： Ｔ Ｑ ３ ２ ０ ． ６ ６ 文献标 志码 ： Ａ 文 章编 号 ： １ ０ ０ ５ － ２ ８ ９ ５ （ ２ ０ １ ４ ） ０ １ ００ － ０ １ － ０ ３
四个ANSYS热分析经典例子
实例1：某一潜水艇可以简化为一圆筒，它由三层组成，最外面一层为不锈钢，中间为玻纤隔热层，最里面为铝层，筒内为空气，筒外为海水，求内外壁面温度及温度分布。
几何参数：筒外径30 feet总壁厚2 inch不锈钢层壁厚0.75inch玻纤层壁厚 1 inch铝层壁厚0.25i nch筒长200 feet导热系数不锈钢8.27BTU/hr.ft. o F玻纤0.028 BTU/hr.ft. o F铝117.4 BTU/hr.ft. o F边界条件空气温度70 o F海水温度44.5 o F空气对流系数2.5 BTU/hr.ft 2.0F海水对流系数80 BTU/hr.ft 2.o F沿垂直于圆筒轴线作横截面，得到一圆环，取其中1度进行分析，如图示。
空气'玻璃纤维、1*:不锈钢:3/+M海水R15 feet/filename ，Steady1 /title ，Steady-state thermal analysis of submarine /units ，BFT Ro=15 !外径(ft)Rss=15-(0.75/12) ! 不锈钢层内径ft) Rins=15-(1.75/12) ! 玻璃纤维层内径(ft) Ral=15-(2/12) ! 铝层内径(ft) Tair=70 ! 潜水艇内空气温度Tsea=44.5 !海水温度Kss=8.27 ! 不锈钢的导热系数(BTU/hr.ft.oF) Kins=0.028 ! 玻璃纤维的导热系数(BTU/hr.ft.oF)Kal=117.4 ! 铝的导热系数(BTU/hr.ft.oF) Hair=2.5 ! 空气的对流系数(BTU/hr.ft2.oF) Hsea=80 ! 海水的对流系数(BTU/hr.ft2.oF) prep7et，1，plane55 !定义二维热单元mp，kxx ，1，Kss !设定不锈钢的导热系数mp，kxx ，2，Kins !设定玻璃纤维的导热系数mp，kxx ，3，Kal !设定铝的导热系数pcirc，Ro，Rss，-0.5，0.5 !创建几何模型pcirc ，Rss，Rins ，-0.5 ，0.5 pcirc ，Rins，Ral，-0.5 ，0.5 aglue，all numcmp，area lesize，1，，，16 !设定划分网格密度lesize，4，，，4 lesize，14，，，5 lesize，16，，，2 Mshape，2 ! 设定为映射网格划分mat，1 amesh，1 mat，2 amesh，2 mat，3 amesh，3 /SOLUSFL，11，CONV ，HAIR ，，TAIR ! 施加空气对流边界SFL，1，CONV ，HSEA ，，TSEA !施加海水对流边界SOLVE /POST1PLNSOL ！输出温度彩色云图finish实例2一圆筒形的罐有一接管，罐外径为 3英尺，壁厚为0.2英尺，接管外径为0.5英尺，壁厚为0.1英尺，罐与接管的轴线垂直且接管远离罐的端部。
ANSYS热应力分析实例
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1.25Btu/hr-in-oF，弹性模量为28E6lb/in2泊松比为0.3。
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0.25 Btu/hr-in2-oF。
求温度及应力分布。
7.3.2菜单操作过程7.3.2.1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。
7.3.2.2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>Ma terial Models”，点击Thermal，Conductivity，Isotropic，输入1.25。
7.3.2.3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：3、设定单元尺寸，并划分网格：“Main Menu>Preprocessor>Meshtool”，设定global size为0.125，选择AREA，Mapped，Mesh，点击Pick all。
7.3.2.4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“MainMenu>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。
热应力数值模拟分析实例详解
热应力数值模拟分析实例详解实例1——圆筒热应力分析1、问题描述有一短圆筒，其横截面结构如图7.24所示，筒内避温度为200℃，外壁温度为20℃，圆筒材料参数如表7.4所示，求圆筒内的温度场、应力场分布。
表7.4 材料性能参数弹性模量EGPa 泊松比ν线膨胀系数α℃-1导热系数KW/(m•℃)220 0.28 1.3e-6 70图8.24 圆筒横截面结果示意图2、三维建模应用Pro-E软件对固体计算域进行三维建模，实体如图7.25所示：图7.25 短圆筒三维实体图3、网格划分采用采用ANSYS有限元分析软件对计算域进行网格划分，得到如图7.26所示的六面体网格单元。
流场的网格单元数为5760，节点数为7392。
图7.26 短圆筒网格图4、模拟计算结果及分析采用ANSYS有限元分析软件稳态计算，设置短圆筒导热系数为70W/(m•℃)，弹性模量为220Gpa，泊松比为0.28ν，线膨胀系数为1.3e-6℃-1。
筒内壁加载温度载荷为200K，筒外壁加载温度载荷为20K。
求解时选取Thermal Energy传热模型。
求解方法采用高精度求解，计算收敛残差为10-4。
图7.27为圆筒内的温度场分布等值线图；图7.28为圆筒轴截面上的温度场分布等值线图；图7.29为圆筒轴截面上的径向应力场分布等值线图；图7.30为圆筒轴截面上的轴向应力场分布等值线图；图7.31为圆筒轴截面上的周向应力场分布等值线图；图7.32为圆筒轴截面上的等效应力场分布等值线图。
数据文件及结果文件在heat stress文件夹内。
图7.27 圆筒内的温度场分布等值线图图7.28 圆筒轴截面上的温度场分布等值线图图7.29 圆筒轴截面上的径向应力场分布等值线图图7.30 圆筒轴截面上的轴向应力场分布等值线图图7.31 圆筒轴截面上的周向应力场分布等值线图图7.32 圆筒轴截面上的等效应力场分布等值线图。
【ANSYS算例】8.4(1)及8.4(2) 升温条件下杆件支撑结构的热应力分析(GUI)及命令流
【ANSYS算例】8.4(1) 升温条件下杆件支撑结构的热应力分析(GUI)一个由两根铜杆以及一根钢杆组成的支撑结构，见图8-8(a)；三杆的横截面积都为A=0.1 in2，三杆的端头由一个刚性梁连接，整个支撑结构在装配后承受一个力载荷以及升温的作用，分析构件的受力状况。
模型中的各项参数如表8-5所示，为与文献结果进行比较，这里采用了英制单位。
(a)三杆支撑结构(b)计算模型图8-8 三杆支撑结构的受力以及计算模型表8-5 三杆结构的模型参数材料参数载荷铜的弹性模量：16×106 psiQ = 4000 lb 铜的热膨胀系数：92×10-7 in/in·°F钢的弹性模量：30×106 psiΔT = 10°F 钢的热膨胀系数：70×10-7 in/in·°F解答：计算模型如图8-8(b)所示。
采用2D的计算模型，使用杆单元2-D Spar (or Truss) Elements (LINK1)来进行建模，假设杆的长度为20in，杆的间距为10in，设定一个参考温度(700F)，三杆连接的刚性梁采用约束方程来进行等效。
建模的要点：⑴首先定义分析类型并选取单元，输入实常数；⑵建立对应几何模型，并赋予相应的单元类型所对应的编号值，采用耦合方程来进行刚性梁连接的等效⑶在后处理中，用命令<*GET >来提取其计算分析结果(频率)；⑷通过命令<*GET >来提取构件的应力值。
最后将计算结果与参考文献所给出的解析结果进行比较，见表8-6。
表8-6 ANSYS模型与文献的解析结果的比较构件的应力/ psi Reference 8.4(1)的结果ANSYS结果两种结果之比钢杆的应力19 695. 19 695. 1.000铜杆的应力10 152. 10 152. 1.000Reference 8.4(1):Timoshenko S. Strength of Material, Part I, Elementary Theory and Problems!3rd Edition! New York: D. Van Nostrand Co., Inc., 1955, 30给出的基于图形界面的交互式操作(step by step)过程如下。
ANSYS_热分析报告(两个实例)有限元热分析报告上机指导书
第四讲 热分析上机指导书CAD/CAM 实验室，USTC实验要求：1、通过对冷却栅管的热分析练习，熟悉用ANSYS 进展稳态热分析的根本过程，熟悉用直接耦合法、间接耦合法进展热应力分析的根本过程。
2、通过对铜块和铁块的水冷分析，熟悉用ANSYS 进展瞬态热分析的根本过程。
容1：冷却栅管问题问题描述：本实例确定一个冷却栅管〔图a 〕的温度场分布与位移和应力分布。
一个轴对称的冷却栅结构管为热流体，管外流体为空气。
冷却栅材料为不锈钢，特性如下：W/m ℃×109 MPa×10-5/℃边界条件：〔1〕管：压力：6.89 MPa流体温度：250 ℃对流系数249.23 W/m 2℃〔2〕管外：空气温度39℃对流系数：62.3 W/m 2℃假定冷却栅管无限长，根据冷却栅结构的对称性特点可以构造出的有限元模型如图b 。
其上下边界承受边界约束，管部承受均布压力。
练习1－1：冷却栅管的稳态热分析步骤：1. 定义工作文件名与工作标题1) 定义工作文件名：GUI: Utility Menu> File> Change Jobname ，在弹出的【ChangeJobname 】对话框中输入文件名Pipe_Thermal ，单击OK 按钮。
2) 定义工作标题：GUI: Utility Menu> File> Change Title ，在弹出的【Change Title 】对话框中2D Axisymmetrical Pipe Thermal Analysis ，单击OK 按钮。
3) 关闭坐标符号的显示：GUI: Utility Menu> PlotCtrls> Window Control> WindowOptions ，在弹出的【Window Options 】对话框的Location of triad 下拉列表框中选择No Shown 选项，单击OK 按钮。
ANSYS热应力分析实例
ANSYS热应力分析实例ANSYS是一款广泛应用于工程领域的有限元分析软件，可以对复杂的物理系统进行分析。
其中之一的热应力分析可以用于评估材料在温度变化下的变形和应力分布情况。
下面将给出一个ANSYS热应力分析实例进行详细说明。
实例场景描述：假设我们有一个高温容器，容器由一种特定材料制成，在加热的过程中，容器内的温度会达到1500°C，我们希望了解容器在这种高温下的变形和应力情况。
实例步骤：1.创建几何模型首先，我们需要在ANSYS中创建几何模型。
可以通过几何建模软件（如SolidWorks）创建一个容器的3D模型，然后将该模型导入ANSYS中。
确保在导入模型时尽量保留几何体的完整性。
2.定义材料属性在进行热应力分析之前，需要提前定义材料的热力学性质。
对于我们的实例中的容器材料，需要知道其热导率、热膨胀系数、Young弹性模量和泊松比等参数。
这些参数可通过材料手册或实验测试获得。
3.设置边界条件在ANSYS中，我们需要设置边界条件以模拟实际工作环境。
对于本实例，我们需要设置容器表面的边界条件为1500°C，同时设置容器底部为固定边界，以防止其在分析过程中移动。
4.进行热传导分析在进行热应力分析之前，需要进行热传导分析。
在这一步骤中，我们需要使用热传导方程计算材料内部的温度分布情况。
这些结果将作为后续热应力分析的输入。
5.进行热应力分析在得到热传导分析的温度分布结果后，我们可以开始进行热应力分析。
在这一步骤中，ANSYS会根据材料的热膨胀系数计算出由温度变化引起的应变，并进一步计算出引起的应力分布。
通过这些结果，我们可以了解容器在高温下产生的变形和应力情况。
6.结果分析与后处理最后，我们需要对热应力分析的结果进行分析和后处理。
ANSYS提供了丰富的后处理工具，可以对应力分布、应变分布、变形分布等进行可视化和统计分析。
我们可以通过这些工具来评估容器在高温下的耐受性和结构完整性。
总结：以上是一个ANSYS热应力分析的简单实例，通过分析容器在高温下的变形和应力情况，我们可以评估容器在实际工作环境中的性能。
ANSYS热应力分析实例
ANSYS热应力分析实例热应力是指由于温度变化引起的材料内部应力。
在工程设计中，热应力分析对于预测材料在实际使用条件下的性能至关重要。
ANSYS是一款领先的有限元分析软件，可以在工程设计和分析中进行热应力分析。
本文将介绍一个简单的热应力分析实例，以帮助读者了解如何使用ANSYS进行该类型的分析。
在这个实例中，我们将使用ANSYS来模拟一个由钢材制成的热板，在其表面施加热流。
我们将分析在不同的热流条件下，热板表面的温度分布及由此产生的热应力。
首先，我们需要在ANSYS中建立模型。
我们选择建立一个二维平面应力模型，模型尺寸为2mx1m。
我们为钢材定义材料属性，包括杨氏模量和泊松比。
接下来，我们为模型施加边界条件，固定模型的下边界，模拟一个定量的热流施加在模型的上边界。
然后，我们需要定义热流的边界条件。
我们选择在模型的上边界施加一个固定的热流密度，例如1000W/m^2、我们还需要定义热板的初始温度，通常可以选择室温或其他合适的温度。
接下来，我们进行热传导分析。
在ANSYS中，我们可以通过定义热传导方程和边界条件来模拟热流的传导行为。
我们将求解热传导方程，得到热板上每个点的温度分布。
一旦我们得到了热板的温度分布，我们可以通过热传导方程计算热应力。
热应力是由于温度变化引起的材料内部应力，可以通过考虑材料的热膨胀系数和热导率来计算。
在ANSYS中，我们可以使用热应力分析模块来计算模型中每个点的热应力。
最后，我们可以通过后处理功能来查看热板表面的温度分布和热应力分布。
我们可以将结果可视化为温度云图和热应力云图，以便更直观地理解热应力的分布情况。
我们还可以提取特定点的温度和热应力数值，以帮助评估热板在不同热流条件下的性能表现。
总的来说，热应力分析是工程设计中非常重要的一部分，能够帮助工程师预测材料的性能并优化设计。
ANSYS作为一款功能强大的有限元分析软件，可以帮助工程师进行精确的热应力分析，并提供丰富的可视化和后处理功能。
基于ANSYS的某刚性梁的热应力分析
Ｎ， ，１ 一１ ６ ，
图 １外 力 合 温 度 作 用 下 的 平 行 杆 刚 架模 型
ＦＩ工 Ｉ Ｅ，１ ４ ， １ ． 元 类 型 、 材 料 属 性 及 单 元 实 常 数 我 们 选 用 二 维 杆 单 元 ２单 ＬＮ ｔ 可 以 用 于 许 多 工 程 领 域 ， 以 将 其 看 作 是 桁 架 、 杆 或 者 弹 Ｉ Ｋ１ 它 ｎ 可 连 簧 等构 件 。二 维 单 元 是 带 有 两 个 节 点 ， 个 节点 有 ２个 沿 ｘ 和 Ｙ方 向 每
【 摘 要 】 本文用 Ａ ＹＳ软件对一平行杆件 与刚性梁连接 的热应 力问题进行 了有限元分析 ， 算了其 热应力 ， ＮＳ 计 并与理论解进行 了对比 ， 其 Ａ ＹＳ解与 理 论 解 完全 一 致 。从 而 论 证 了用 有 限 元进 行 结 构 分 析 的优 越 性 。 ＮＳ 【 关键词 】 ＹＳ 有 限元 ； ＡＮＳ ； 刚性梁 ； 热应力 １ 刚性 梁 热 应 力 的 理 论 解 和 有 限 元解 。 １１问 题 概 述 长 度 ｆ１ 的 两 根 铜 杆 和一 根 铁 杆 ＿ 平 行 地 铰 结 ． ＝ｍ ｌ １ ， 在 刚 性 壁 和 刚 性 梁 之 间 （ 图 １所 示 ） 它 们 的 横 截 面 都 等 于 Ａ＝ 如 ， ６ ｍ ， 和 铁 的 弹 性 模 量 分 别 等 于 丘＝ ０ Ｇ ａ和 Ｅ＝ １ＧＰ ， 膨 胀 ５ ｍ 刚 １０ Ｐ 。２ ０ ａ热 系数 分 别 等 于 吼＝ ．ｘ ℃和 ＝ ．ｘ Ｏ １ ｌ ６ １ ｌ ℃。刚 性壁 上 铰 节 点 之 间 的 ３ 距离 为 １ 试计算在 刚性梁 中部 的集中力为 Ｑ ４ Ｏ Ｏ ｍ， ＝ Ｏ Ｏ Ｎ作用下 ， 温度 升 高 Ｖ ＝ ０Ｃ 后 ， 杆 件 中 的应 力 。 Ｔ １ ｏ以 ３根 在 两 个 相 距 ／ｌ 的 刚 性 面 之 间 有 一 根 等 截 面 杆 ＿ 杆 件 材 料 的 弹 ＝ｍ ｌ １ ， 性 模 量 Ｅ ２ ０ Ｐ ， 在距 离 上端 ａ ０３ 和 ０６ 截 面 位 置 处 分 别 为受 ＝ １Ｇ ａ ＝． ｍ ．ｍ 到沿 杆 件 轴 向 的 两 个 集 中力 Ｆ＝ ０ ０ 。１０ Ｎ和 Ｆ＝ ０ Ｎ （ 图 １所 示 ）本 ２５０ 如 ， 文利 用 二 维 杆 单 元 ＵＮ 确 定 两 个 刚性 面 对 杆 件 的支 反 力 Ｒ 和 Ｒ 。 Ｋ１ 。 ２
Ansys 第36例 热应力分析(间接法)实例—液体管路doc资料
A n s y s第36例热应力分析(间接法)实例—液体管路第36例热应力分析（间接法）实例—液体管路本例介绍了利用间接法进行热应力计算的方法和步骤：首先进行热分析得到结构节点温度分布，然后把温度作为载荷施加到结构上并进行结构分析。
36.1概述利用间接法计算热应力，首先进行热分析，然后进行结构分析。
热分析可以是瞬态的，也可以是稳态的，需要将热分析求得的节点温度作为体载荷施加到结构上。
当热分析是瞬态的时，需要找到温度梯度最大的时间点，并将该时间点的结构温度场作为体载荷施加到结构上。
由于间接法可以使用所有热分析和结构分析的功能，所以对于大多数情况都推荐使用该方法。
间接法进行热应力计算的主要步骤如下。
36.1.1热分析瞬态热分析的过程在前例已经介绍过，下面介绍稳态热分析。
稳态热分析用于研究稳定的热载荷对结构的影响，有时还用于瞬态热分析时计算初始温度场。
稳态热分析主要步骤如下。
1．建模稳态热分析的建模过程与其他分析相似，包括定义单元类型、定义单元实常数、定义材料特性、建立几何模型和划分网格等。
但需注意的是：稳态热分析必须定义材料的导热系数。
2．施加载荷和求解(1)指定分析类型。
Main Menu→Solution→Analysis Type→New Analysis,选择 Static.(2)施加载荷。
可以施加的载荷有恒定的温度、热流率、对流、热流密度、生热率，Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Thermal.(3)设置载荷步选项。
普通选项包括时间（用于定义载荷步和子步）、每一载荷步的子步数，以及阶跃选项等, Main Menu→Solution→Load Step Opts→T ime/Frequenc→Time→Time Step.非线性选项包括：—迭代次数（默认25），Main Menu→Solution→Load Step Opts→Nonlinear→Equilibrium Iter;打开自动时间步长，Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequenc→Time→Time Step等.输出选项包括：控制打印的输出，Main Menu→Solution→Load Step Opts→Output Ctrls→Solu Printout;控制结果文件的输出，Main Menu→Solution→Load Step Opts→Output Ctrls→DB/Results File o(4)设置分析选项。
ANSYS热应力分析-实例
Workshop Supplement
练习4B 热应力分析 直接耦合场
带翅片的管
4B. 热应力分析 – 直接应力场
带翅片的管
说明 •
Workshop Supplement
在这个练习题中,我们将 用直接应力场的方法重做前面的题目。 这个轴对称的翅片将被用来分析以前施加的热和结构荷载。
4B. 热应力分析 – 直接应力场
Workshop Supplement
4A.热应力分析 –耦合场
带翅片的管
Workshop Supplement
4A.热应力分析 –耦合场
带翅片的管
14e. 画纵向(轴向)的应力图:
– – Main Menu > General Postproc > Plot Results > -Contour Plot- Nodal Solu ... • 拾取 “Stress” 和 “Y-direction SY”, 然后按 [OK] 或用命令: PLNSOL,S,Y
Utility Menu > Select > Everything 或用命令: CP,1,UY,ALL ALLSEL,ALL
4A. 热应力分析 –耦合场
带翅片的轴对称管
11. 将内部压力施加在线上:
– Main Menu > Preprocessor > Loads > -Loads- Apply > Pressure > On Lines + • – 拾取线 9和13, 然后按 [OK] • 将VALUE设为 1000, 然后按 [OK] 或用命令: SFL,9,PRES,1000 SFL,13,PRES,1000
–
9.
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23
双击“Thermal Expansion、Secant Coefficient、Isotropic”。
24
输入热膨胀系数为15e-6，参考温度20。
25
施加载荷
1.施加温度载荷。 Main Menu>Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Structural>Temperature>From Therm Analy
3
重点学习内容
1.间接法热应力分析步骤。 2.掌握平面应变的解决方案。 3.掌握对称结构分析方案。 4. 掌握稳态温度场计算方法。
4
更改文件名
更改文件名：Utility Menu> File> Change Jobname
5
选择单元
选择55号单元
Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete
6
设置材料属性
1.给定材料的导热系数40W/(m·℃) 。
Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material Models
7
建立实体模型（国际单位制）
1. 创建矩形A1：x1,y1(0,0)、x2,y2(0.01,0.07) MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>By Dimensions 2. 创建矩形A2：x1,y1(0,0.05)、x2,y2(0.08,0.07) 3.显示面的编号 Utility Menu>PlotCtrls>Numbering 4. 对面A1和A2进行overlap操作 Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans> Overlap>Areas
17
转换分析类型
1.退出后处理器。 Main Menu>Finish 2. 修改分析名称为thermal-stress Utility Menu>File> Main Menu>Preprocessor>Element Type>Switch Elem Type
注：S标志表示对称约束。
28
求解
Main Menu>Solution>Solve>Current LS
29
查看计算结果
Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu
30
31
保存
32
33
19
4.设置单元选项。 Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete 在弹出对话框中点击“Options”按钮。
20
4.设置Element behavior为平面应变。
21
5.设置热应力分析的材料属性。
22
给定弹性模量为2e11，泊松比为0.3。
26
2. 在L1上施加位移约束。 Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural> Displacement >On Lines
27
2. 在L6上施加对称约束。 Main Menu>Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>Symmetry B.C.>On Lines
8
9
划分网格
1. 打开Meshtool对话框 Main Menu> Preprocessor> Meshing> MeshTool 2. 设定网格尺寸为0.002，网格形状为四面体映射网格。 3.mesh
10
11
施加载荷
1. 进入Solution处理器。 Main Menu>Solution 2. 设定分析类型为“steady-state”。 Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis 3. 在外边界线上定义温度载荷60。 Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Thermal>Temperature>On Lines 4.在内边界线定义温度载荷0。 5. 图形窗口显示线。 Utility Menu>Plot>Lines
12
13
求解
Main Menu>Solution>Solve>Current LS
14
查看温度场分布
Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu
15
16
保存
稳态温度场计算完毕，下面修改分析文件名称，进行热应力计算。
1
问题描述
如图所示结构，外侧恒温60℃，内侧恒温0℃，该结构下端固定，其 材料均为铸铁，弹性模量2 ×105MPa，泊松比0.3，导热系数为40W /(m· ℃) ，热膨胀系数为15 ×10-6/℃，该结构的安装温度为20℃。
2
该结构在x-y平面内的尺寸如图所示，其在z方向的尺寸远大于x-y 平面内的尺寸。