第20章 热-应力耦合分析实例

第20章热－应力耦合分析实例

由于温度的分布不均在部件内部会产生热应力，在结构分析中常会遇到需要考虑温度场对应力分布影响的情况。特别在进行各类燃机部件，如航空发动机的涡轮盘、叶片等的强度计算分析时通常要考虑热问题。还有一些输送管道由于内外温度不同也会产生热应力。另外材料的性能和其温度是相关的，不同的温度下其性能通常不同，这也会造成部件应力的变化。本章将通过实例来讲解如何用ANSYS6.1来进行这类问题的分析。

20.1 问题描述

一无限长的截面形状和尺寸如图20.1所示的厚壁双层圆管，其内外层温度分别为Ti 和To，材料数据和边条如表20.1所示，利用ANSYS程序来求解圆管沿径向的温度分布情况，并求解圆管内沿径向和周向的应力情况。

图20.1 双层管道的截面图

从上面描述的问题可以看出，本实例属于轴对称问题，我们可以采用轴对称方法来进行分析。同时本问题为典型的热－应力耦合问题，可以采用间接法顺序耦合分析的一般步骤进行分析。因为管道为无限长，故建模时轴向尺寸可以是任意大于零的值，且将其一边

轴向约束，一边所有节点轴向自由度耦合。下面我们将首先建立有限元模型，进行稳态热分析，并观察分析其沿径向的温度分布情况。然后将模型中的热单元类型转换称对应的结构分析单元类型，从新定义材料的力学性能参数，并将热分析的结果以体载荷的形式施加到模型中，定义合理的边界条件，进行结构静力求解。最后，观察并分析整个结构沿径向和周向的应力分布情况。

20.2 建立模型

在ANSYS6.1中，首先我们通过完成如下工作来建立本算例的有限元模型，需要完成的工作有：指定分析标题，定义材料性能，定义单元类型，建立几何模型并划分有限元网格等。本节中定义的单元类型和材料属性都是针对热分析的。下面将详细讲解分析过程。

20.2.1指定分析标题并设置分析范畴

在这一步中我们将指定本实例的分析路径、数据库的名称、分析标题。另外为了得到适合热分析的菜单选项，需要将分析范畴指定为热分析。

1．选取菜单路径Utility Menu >File >Change Jobname，将弹出修改文件名(Change Jobname)对话框，如图20.2所示。在输入新文件名(Enter new jobname)文本框中输入文字“CH20”，为本分析实例的数据库文件名。单击按钮，完成文件名的修改。

图20.2 修改文件名(Change Jobname)对话框

2．选取菜单路径Utility Menu >File >Change Title，将弹出修改标题(Change Title)对话框，如图20.3所示。在输入新标题(Enter new title)文本框中输入文字“Thermal Stress in Concentric Cylinders-Indirect Method”，为本分析实例的标题名。单击按钮，完成对标题名的指定。

图20.3 修改标题(Change Title)对话框

3．选取菜单路径Main Menu >Preference，将弹出菜单过滤参数选择(Preference of GUI Filtering)对话框，如图20.4所示。单击对话框中的Themal(热)选择按钮，选中Thermal选项，以便ANSYS6.1的主菜单设置为与热分析相对应的菜单选项。单击按钮，完成

分析范畴的指定

图20.4 指定分析范畴

20.2.2 定义单元类型

本实例热分析中选用8节点平面热单元PLANE77，并将其设置为轴对称单元类型。下面为定义单元的具体操作过程。

1．选取菜单路径Main Menu >Preprocessor >Element Type >Add/Edit/Delete，将弹出单元类型定义(Element Types)对话框。单击对话框中的按钮，将弹出单元类型库(Library of Element Types)对话框,如图20.5所示。

图20.5 定义单元类型PLANE77

2．在对话框单元类型库(Library of Element Type)左边的滚动框中单击“Thermal Solid”，选择热实体单元类型。在右边的滚动框中单击“Quad 8node 77”选择8节点平面单元PLANE77。然后单击按钮，关闭单元类型库(Library of Element Types)对话框。单元类型(Element Types)对话框中将列出定义的单元类型，如图20.6所示。

图20.6 定义的单元类型

3．设置单元PLANE77的轴对称选项。单击图20.6所示对话框中的按钮，将弹

出单元PLANE77的选项对话框(PLANE77 element type options)，如图20.7所示。在对话框中，单击单元行为参数K3的下拉设置框“Axisymmetric”选项，将单元设置为轴对称单元，单击按钮，关闭对话框。

图20.7 将单元设置为轴对称单元

4．单击单元类型对话框中(图20.6)中的按钮关闭对话框，完成单元类型的定义。

20.2.3 定义材料性能

本实例中共有两种材料，管道内层的钢和外层的铝。其性能参数在前面问题描述中已经给出。因为这里建立的是稳态热分析的有限元模型，所以只需定义材料的热传导系数。其它属性在进行结构应力分析时在定义，具体的操作如下：

1．选取菜单路径Main Menu > Preprocessor > Material Props > Material Models，将弹出材料模型定义(Define Material Model Behavior)对话框，如图20.8所示。

图20.8 材料模型定义(Define Material Model Behavior)对话框

2．在依次双击Thermal >Conductivity >Isotropic，将弹出1号材料的热传导率KXX的定义对话框，如图20.9所示。

图20.9定义材料类型1的热传导率

3．在图20.9中的KXX文本框中输入0.0234，指定1号材料的热传导系数为0.0234，单击按钮，关闭对话框。在材料模型定义对话框中将会列出定义的1号材料，如图20.10所示。

图20.10 定义的材料列表

4．单击图20.10所示对话框中的菜单：Material >New Model，将弹出定义新材料编号