ansys热-应力耦合分析

• ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐 射三种传递方式，热传导是指完全接触的 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交换，它遵循 傅里叶定律，即热量奖项温度低的方向流 动；热对流是指固体的表面与他周围的液 体之间，由于温差的存在所引起的热量交 换，分为自然对流和强制对流；热辐射是 指物体发射电磁能，并被其他物体吸收转 变为热得热量过程。
热-应力耦合分析
2011.10.28 尹训强
一、热分析过程与步骤
• 热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其 热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度等。 它是基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元 计算各节点的温度，并到处其他热物理参数。 • 通常热分析后进行结构应力分析，计算由于热膨 胀或收缩引起的热应力。 • ANSYS的热分析可用于分析稳态传热(即系统的 温度场不随时间变化)和瞬态传热(及系统的温度 场随时间明显变化)的问题。
• 瞬态传热过程是指在一个系统的加热或冷 却过程中，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的变化， 根据能量守恒，瞬态热平衡可以表达为：
2.稳态热分析
• 稳态热分析用于分析稳定的热何在对系统或部件 的影响，通过有限元分析可以确定由于稳定的热 荷载引起的温度、热梯度、热流率等参数。 • 热分析的三个步骤： • (1) 建模 • 进入前处理后，完成的工作有选择单元类型、 确定单元选项、设置实常数、输入材料的热性能 属性、创建集合模型、设置网关单元大小、生成 有限元分析的网格单元。
• LDREAD,TEMP,,,,,bak,RTH
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• 第一种方法适合知道所有的节点温度，将温度 作为体载荷加在各个节点上。 • 间接法是首先在ANSYS中进行热分析，再将得 到的节点温度作为体载荷施加在结构应力分析 中。 • 直接法是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的结果。
2.间接法的分析步骤
• 1) 建立几何模型 • 2) 定义热分析类型，包括传导、对流、辐射和表面效应单 元等，可以选择稳态或瞬态热分析，并完成热分析计算。 • 3) 重新回到前处理，进行单元转换即将热单元转换为结构 单元，并重新设置单元的属性、添加材料属性，设定结构 边界条件。 • 4) 从热分析结果文件中读入节点温度，并作为体载荷施加 到有限元模型上。 • 5) 设置参考温度（Reference Temp）：主要用于热应力 分析的参考基准，因为求热应力需要先求温度差，求温度 差就需要这个参考温度作为减数。 • 6) 求解运算，并进入后处理查看计算结果。
3.瞬态热分析
• 瞬态热分析用于计算一个系统随时间变化 的温度场及其他热参数，在工程中一般用 瞬态热分析计算温度场，并将之作为载荷 进行应力分析。 • 分析的步骤与稳态热分析基本一致，不同 的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 载荷分解成载荷-时间曲线的子步对于每个 载荷子步，必须定义载荷值和时间值。
二、热-应力耦合分析
• 耦合分析是指考虑两个或多个工程物理场 之间相互作用的分析，如热-应力分析，就 是考虑物体的热胀冷缩原理，通过计算得 到由于温度分布不均对结构产生的热应力。 其他耦合场分析的例子还有热-电和流体-结 构耦合分析等。
1.热-应力的计算方法
• ANSYS 中提供了三种分析法，即在结构分 析中直接定义节点温度,间接法和直接法。
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(2) 施加载荷并求解 在ANSYS热分析中，要施加的载荷有下列5种： 1) 恒定的温度 2) 热流率：可作为节点集中载荷，主要用于线单 元模型中。如果输入为正，则代表热流流入节点。 3) 对流：该边界条件作为面荷载施加于实体的外 表面或有表面效应的单元上，计算与流体的热交 换。 4) 热流密度：也是一种面载荷。 5) 生热率：是一种体荷载，可作用于单元上。 (3) 后处理并查看结果：结果文件为“.rth”
1.热分析的基本常识
• 热分析遵循热力学第一定律，即没有质量 的流入或流出：
• 对于热稳态分析，Q=△U=0，即流入系统 的热量等于流出的热量‘ • 对于瞬态热分析：q=dU/dt，即流入或流出 的热传递速率等于系统内能的变化。
• 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，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，其能 量平衡方程为：