Ansys耦合热分析教程
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下表列出了ANSYS中可以用作直接耦合 分析的单元类型。不是所有单元都有温度 自由度。
什么是耦合场分析? (续)
间接耦合分析是以特定的顺序求解单个物理场的模型。前一个分析的 结果作为后续分析的边界条件施加。有时也称之为序贯耦合分析。
本分析方法主要用于物理场之间单向的耦合关系。例如，一个场的响 应（如热）将显著影响到另一个物理场（如结构）的响应，反之不成 立。本方法一般来说比直接耦合方法效率高，而且不需要特殊的单元 类型。 本章中我们只讨论涉及热的耦合现象。请注意并非所有ANSYS产品都 支持所有耦合单元类型和分析选项。例如，ANSYS/Thermal产品只提 供热—电直接耦合。详细说明参见Coupled-Field Analysis Guide。
间接方法 - 例题
下面是有关热现象的一些可以使用间接耦合方 法进行分析的例子:
Airfoil
热-结构: 透平机叶片部件分析
Platform
叶片和盘中的温度会产生热膨胀应 变。这会显著影响应力状态。 由于应变较小，而且接触区域是平 面对平面的，因此温度解不用更新。
Root
Disk Sector
这种分析又叫做热应力分析。这合非常典型的分析类型将在后面有更加详细的描 述。
热网格
Using the default tolerance, these two nodes would not be assigned a load
结构网格边界
缺省的判断准则是看插值的结构节点到热单元边界的距离是否小于单元边长的0.5 倍。一个在5.4版没有写入手册的特性允许用户控制该公差数值：
热-应力分析
在本章的后面部分，我们考虑一种最常见的间接耦合分析；热-应
力分析。
热-应力分析是间接问题，因为热分析得到的温度对结构分析的应 变和应力有显著的影响，但结构的响应对热分析结果没有很大的 影响。 既然热-应力分析只涉及到两个场之间的连续作用，我们可以使用 手工方法 (MM)进行顺序耦合而不必使用相对复杂的物理环境方法 (PEM) 。这里是手工方法的几个优点和缺点:
进入求解器 . . .
读入载荷文件施加温度载荷:
流程细节 (续)
6a. 定义结构分析类型 (缺省为静态)
6a 6b
6b. 指定分析选项 (如求解器选项) 6c 6c. 指定载荷步选项 (如，输出控制)
流程细节 (续)
7a. 设置求解热膨胀时自由应变参考温度 (TREF):
7
流程细节 (续)
7b. 施加其它结构载 荷。 7b
Step 2:定义单元类型
Step 2:定义材料属性
钢 铜
弹性模量 2e11
泊松比 0.3
1e11
0.3
密度 比热
7800 460
8900 390
383
热传导率 66.6
热膨胀率 1.06e-5
1.75e-5
Step4：建立几何模型
Step4：建立几何模型
Step4：建立几何模型
Step4：建立几何模型
优点:
– – 在建立热和结构模型时有较少的限制。例如，属性号码和网格划分在热和结 构中可以不同。PEM需要所有的模型都是一致的。 MM 方法是简单而且适应性强的，ANSYS和用户都对它进行了多年的检验。 用户必须建立热和结构数据库和结果文件。这与单独模型的PEM方法对比， 需要占用较多的存储空间。 MM 如果再考虑其它场时会比较麻烦。
改变网格控制并划分结构模型。
流程细节 (续)
5b. 选择温度体载荷的所有节点并写入节点文件。 指定节点文件名
5b
流程细节 (续)
5c. 存储结构模型，将工作文件名改为热工作文件 名，读入热数据库. . .
进入通用后处理器 . . .
流程细节 (续)
读入需要的结果序列，并 . . .
进行体载荷插值:
3c. 删除所有热载荷
3d. 删除耦合序列和约束方程
3c
3d
流程细节 (续)
4. 定义结构材料特性，包括热膨胀系数 (ALPX)。
4
流程细节 (续)
下面两页 (步骤 5A 和 5B)假设热网格在结构中同样使用 (选项 1). 5A. 改变单元类型，从热到结构 (ETCHG 命令):
5A
检查实常数和单元选项是否正确。
间接方法
间接方法 用于求解间接耦合场问题。它需要连续进行两个单场的
分析(而不是同时)，第一种分析的结果作为第二种分析的载荷。如:
热
结构
热
结构
许多问题需要热到结构 的耦合(温度引 起的热膨胀) 但反之不可 结构到热 耦合是可以忽略的(小的应变 将不对初始的热分析结果产生影响)
在实用问题中，这种方法比直接耦合要方便一些，因为分析使用的 是单场单元，不用进行多次迭代计算。
8. 存储并求解
流程细节
下面是热-应力分析的每步细节。
1. 2.
建立热模型并进行瞬态或稳态热分析，得到节点 上的温度。 查看热结果并确定大温度梯度的时间点 (或载荷步 /子步)。
3a 1 2
3a. 将GUI过滤设置为“Structural” 和 “Thermal” 。
3b. 改变工作文件名。
3b
流程细节 (续)
1.建立，加载，求解 热模型
5b.写节点文件 (NWRITE) 并存储结 构文件
5c.读入热模型并进行 温度插值模型并读 入体载荷文件 (/INPUT)
9. 后处理
4.定义结构材料特性
6. 指定分析类型，分 析选项和载荷步选项
7. 指定参考温度并施 加其它结构载荷
开始 No (Option 2) 相同网格? Yes (Option 1) 5A. 将热模型转换为 结构模型 (ETCHG) 2.后处理确定要传到 结构的温度 5B. 读入热载荷 (LDREAD) 3. 设置 GUI过滤，改 变工作文件名并删除 热载荷， CEs, CPs 5a. 清除热网格并建立 结构网格
物理环境 (续)
同时，确认网格划分的密度在所有物理环境中都能得到可以接收的 结果。如：
这种划分方法在热分析中可以得到 满意的温度分布，但. . .
. . . 这样的网格密度在结构分析中
才能得到准确的结果。
物理环境方法允许载一个模型中定义最多9种物理环境。这种方法 当考虑多于两个场的相互作用时或不能在每个环境中使用不同的数 据库文件的情况下比较适用。要得到关于间接问题的物理环境方法， 可以参考《耦合场分析指南》的第二章。
9. 结果后处理:
8.
存储模型并求解 当前载荷步。
8 9
两物体相对转动过程中的摩擦生热
• 一铜滑块在固定的 钢环上滑动,它们的 材料拿数见表。钢 块和铜滑块的尺寸 及所受载荷如图所 示。钢块和铜滑块 间的摩擦因数为0.2, 滑块的角速度为 0,0.00333rad/s,计 算时间为10s,计算 钢块和铜滑块由于 摩擦产生的温度场, 以及钢块和铜滑块 的应力分布，初始 温度为20℃。分析 时,温度的单位采用 ℃,其他物理量亦采 用国际单位制的单 位。
节点文件名 写出的载荷文 件名
用于写多个载荷文件
使用体-体
使用 BFINT插值
有些情况下热网格和结构网格并不完全一致。这时，ANSYS对超过热模型的结构 模型节点进行体载荷插值。
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。
缺点:
– –
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。
第10章
耦合场分析 (以热—应力为重点)
什么是耦合场分析?
耦合场 分析考虑两个或两个以上的物理场之间的相互作用。这种分
析包括直接和间接耦合分析。
当进行直接耦合时, 多个物理场（如 热—电）的自由度同时进行计算。这 称为直接方法，适用于多个物理场各 自的响应互相依赖的情况。由于平衡 状态要满足多个准则才能取得，直接 耦合分析往往是非线性的。每个结点 上的自由度越多，矩阵方程就越大， 耗费的机时也越多。
施加表载荷
定义温度载荷
定义约束
施加约束的结果
施加位移载荷
选择铜块的节点
旋转节点坐标系
旋转节点坐标系
施加位移载荷
施加位移载荷
设置求解选项
设置求解选项
设置求解选项
设置求解选项
求解
基本过程 (续)
2
如果热和结构模型的网格有 不同 的节点号码 . . .
• 结构单元与热模型网格划分不同，为了得到更好的结构结果。 • 结构体载荷是从热分析中映射过来。这需要一个较复杂的过程，使用 BFINT 命令对热结果插值 (不能使用物理环境)。
下面对比一下使用相同或不同网格的区别。
热-应力分析流程图
BFINT, Fname1, Ext1, Dir1, Fname2, Ext2, Dir2, KPOS, Clab, KSHS 本命令没有GUI路径。因此，命令只能在输入窗口中手工输入。
, EXTOL
流程细节 (续)
5d. 退出通用后处理器，将工作文件名改为结构工作文件名， 读入结构数据库. . .
Step4：建立几何模型
Step 5： 划分网格
指定单元类型及材料属性
网格控制
网格控制
网格划分结果
定义接触对
定义接触对
定义接触对
Step 6：定义载荷
定义表
定义表
施加压力表载荷
施加表载荷
Main Menu->Solution->Apply->Structural->Pressure
流程细节 (续)
5B. 从热分析中施加温度体载荷(LDREAD 命令):
5B 确定结果的 时间和子步 确定温度结 果文件 9. 求解当前载荷步
流程细节 (续)
下面六页 (步骤 5a-5d) 假设热网格不在结构模型中使用 (选项2)。
5a. 清除热网格 . . .
删除热单元类型并定义结构单元 类型. . .
什么是耦合场分析? (续)
间接耦合分析是以特定的顺序求解单个物理场的模型。前一个分析的 结果作为后续分析的边界条件施加。有时也称之为序贯耦合分析。
本分析方法主要用于物理场之间单向的耦合关系。例如，一个场的响 应（如热）将显著影响到另一个物理场（如结构）的响应，反之不成 立。本方法一般来说比直接耦合方法效率高，而且不需要特殊的单元 类型。 本章中我们只讨论涉及热的耦合现象。请注意并非所有ANSYS产品都 支持所有耦合单元类型和分析选项。例如，ANSYS/Thermal产品只提 供热—电直接耦合。详细说明参见Coupled-Field Analysis Guide。
间接方法 - 例题
下面是有关热现象的一些可以使用间接耦合方 法进行分析的例子:
Airfoil
热-结构: 透平机叶片部件分析
Platform
叶片和盘中的温度会产生热膨胀应 变。这会显著影响应力状态。 由于应变较小，而且接触区域是平 面对平面的，因此温度解不用更新。
Root
Disk Sector
这种分析又叫做热应力分析。这合非常典型的分析类型将在后面有更加详细的描 述。
热网格
Using the default tolerance, these two nodes would not be assigned a load
结构网格边界
缺省的判断准则是看插值的结构节点到热单元边界的距离是否小于单元边长的0.5 倍。一个在5.4版没有写入手册的特性允许用户控制该公差数值：
热-应力分析
在本章的后面部分，我们考虑一种最常见的间接耦合分析；热-应
力分析。
热-应力分析是间接问题，因为热分析得到的温度对结构分析的应 变和应力有显著的影响，但结构的响应对热分析结果没有很大的 影响。 既然热-应力分析只涉及到两个场之间的连续作用，我们可以使用 手工方法 (MM)进行顺序耦合而不必使用相对复杂的物理环境方法 (PEM) 。这里是手工方法的几个优点和缺点:
进入求解器 . . .
读入载荷文件施加温度载荷:
流程细节 (续)
6a. 定义结构分析类型 (缺省为静态)
6a 6b
6b. 指定分析选项 (如求解器选项) 6c 6c. 指定载荷步选项 (如，输出控制)
流程细节 (续)
7a. 设置求解热膨胀时自由应变参考温度 (TREF):
7
流程细节 (续)
7b. 施加其它结构载 荷。 7b
Step 2:定义单元类型
Step 2:定义材料属性
钢 铜
弹性模量 2e11
泊松比 0.3
1e11
0.3
密度 比热
7800 460
8900 390
383
热传导率 66.6
热膨胀率 1.06e-5
1.75e-5
Step4：建立几何模型
Step4：建立几何模型
Step4：建立几何模型
Step4：建立几何模型
优点:
– – 在建立热和结构模型时有较少的限制。例如，属性号码和网格划分在热和结 构中可以不同。PEM需要所有的模型都是一致的。 MM 方法是简单而且适应性强的，ANSYS和用户都对它进行了多年的检验。 用户必须建立热和结构数据库和结果文件。这与单独模型的PEM方法对比， 需要占用较多的存储空间。 MM 如果再考虑其它场时会比较麻烦。
改变网格控制并划分结构模型。
流程细节 (续)
5b. 选择温度体载荷的所有节点并写入节点文件。 指定节点文件名
5b
流程细节 (续)
5c. 存储结构模型，将工作文件名改为热工作文件 名，读入热数据库. . .
进入通用后处理器 . . .
流程细节 (续)
读入需要的结果序列，并 . . .
进行体载荷插值:
3c. 删除所有热载荷
3d. 删除耦合序列和约束方程
3c
3d
流程细节 (续)
4. 定义结构材料特性，包括热膨胀系数 (ALPX)。
4
流程细节 (续)
下面两页 (步骤 5A 和 5B)假设热网格在结构中同样使用 (选项 1). 5A. 改变单元类型，从热到结构 (ETCHG 命令):
5A
检查实常数和单元选项是否正确。
间接方法
间接方法 用于求解间接耦合场问题。它需要连续进行两个单场的
分析(而不是同时)，第一种分析的结果作为第二种分析的载荷。如:
热
结构
热
结构
许多问题需要热到结构 的耦合(温度引 起的热膨胀) 但反之不可 结构到热 耦合是可以忽略的(小的应变 将不对初始的热分析结果产生影响)
在实用问题中，这种方法比直接耦合要方便一些，因为分析使用的 是单场单元，不用进行多次迭代计算。
8. 存储并求解
流程细节
下面是热-应力分析的每步细节。
1. 2.
建立热模型并进行瞬态或稳态热分析，得到节点 上的温度。 查看热结果并确定大温度梯度的时间点 (或载荷步 /子步)。
3a 1 2
3a. 将GUI过滤设置为“Structural” 和 “Thermal” 。
3b. 改变工作文件名。
3b
流程细节 (续)
1.建立，加载，求解 热模型
5b.写节点文件 (NWRITE) 并存储结 构文件
5c.读入热模型并进行 温度插值模型并读 入体载荷文件 (/INPUT)
9. 后处理
4.定义结构材料特性
6. 指定分析类型，分 析选项和载荷步选项
7. 指定参考温度并施 加其它结构载荷
开始 No (Option 2) 相同网格? Yes (Option 1) 5A. 将热模型转换为 结构模型 (ETCHG) 2.后处理确定要传到 结构的温度 5B. 读入热载荷 (LDREAD) 3. 设置 GUI过滤，改 变工作文件名并删除 热载荷， CEs, CPs 5a. 清除热网格并建立 结构网格
物理环境 (续)
同时，确认网格划分的密度在所有物理环境中都能得到可以接收的 结果。如：
这种划分方法在热分析中可以得到 满意的温度分布，但. . .
. . . 这样的网格密度在结构分析中
才能得到准确的结果。
物理环境方法允许载一个模型中定义最多9种物理环境。这种方法 当考虑多于两个场的相互作用时或不能在每个环境中使用不同的数 据库文件的情况下比较适用。要得到关于间接问题的物理环境方法， 可以参考《耦合场分析指南》的第二章。
9. 结果后处理:
8.
存储模型并求解 当前载荷步。
8 9
两物体相对转动过程中的摩擦生热
• 一铜滑块在固定的 钢环上滑动,它们的 材料拿数见表。钢 块和铜滑块的尺寸 及所受载荷如图所 示。钢块和铜滑块 间的摩擦因数为0.2, 滑块的角速度为 0,0.00333rad/s,计 算时间为10s,计算 钢块和铜滑块由于 摩擦产生的温度场, 以及钢块和铜滑块 的应力分布，初始 温度为20℃。分析 时,温度的单位采用 ℃,其他物理量亦采 用国际单位制的单 位。
节点文件名 写出的载荷文 件名
用于写多个载荷文件
使用体-体
使用 BFINT插值
有些情况下热网格和结构网格并不完全一致。这时，ANSYS对超过热模型的结构 模型节点进行体载荷插值。
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。
缺点:
– –
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。
第10章
耦合场分析 (以热—应力为重点)
什么是耦合场分析?
耦合场 分析考虑两个或两个以上的物理场之间的相互作用。这种分
析包括直接和间接耦合分析。
当进行直接耦合时, 多个物理场（如 热—电）的自由度同时进行计算。这 称为直接方法，适用于多个物理场各 自的响应互相依赖的情况。由于平衡 状态要满足多个准则才能取得，直接 耦合分析往往是非线性的。每个结点 上的自由度越多，矩阵方程就越大， 耗费的机时也越多。
施加表载荷
定义温度载荷
定义约束
施加约束的结果
施加位移载荷
选择铜块的节点
旋转节点坐标系
旋转节点坐标系
施加位移载荷
施加位移载荷
设置求解选项
设置求解选项
设置求解选项
设置求解选项
求解
基本过程 (续)
2
如果热和结构模型的网格有 不同 的节点号码 . . .
• 结构单元与热模型网格划分不同，为了得到更好的结构结果。 • 结构体载荷是从热分析中映射过来。这需要一个较复杂的过程，使用 BFINT 命令对热结果插值 (不能使用物理环境)。
下面对比一下使用相同或不同网格的区别。
热-应力分析流程图
BFINT, Fname1, Ext1, Dir1, Fname2, Ext2, Dir2, KPOS, Clab, KSHS 本命令没有GUI路径。因此，命令只能在输入窗口中手工输入。
, EXTOL
流程细节 (续)
5d. 退出通用后处理器，将工作文件名改为结构工作文件名， 读入结构数据库. . .
Step4：建立几何模型
Step 5： 划分网格
指定单元类型及材料属性
网格控制
网格控制
网格划分结果
定义接触对
定义接触对
定义接触对
Step 6：定义载荷
定义表
定义表
施加压力表载荷
施加表载荷
Main Menu->Solution->Apply->Structural->Pressure
流程细节 (续)
5B. 从热分析中施加温度体载荷(LDREAD 命令):
5B 确定结果的 时间和子步 确定温度结 果文件 9. 求解当前载荷步
流程细节 (续)
下面六页 (步骤 5a-5d) 假设热网格不在结构模型中使用 (选项2)。
5a. 清除热网格 . . .
删除热单元类型并定义结构单元 类型. . .