第20章热-应力耦合分析(ansys教程)-PPT精选课件.ppt

1、第第20章章 热热-应力耦合分析应力耦合分析 引子：引子：考虑两块焊在一起的板，它们有不同的热膨胀考虑两块焊在一起的板，它们有不同的热膨胀系数。如果复合材料棒的右半部分的热膨胀系系数。如果复合材料棒的右半部分的热膨胀系数大于左半部分，当其受热时将会发生图示的数大于左半部分，当其受热时将会发生图示的弯曲现象，因为右半部分伸长比左半部分多。弯曲现象，因为右半部分伸长比左半部分多。问题：问题：如何施加如何施加热载荷？热载荷？如何进行如何进行耦合分析？耦合分析？20.1 热应力的产生热应力的产生v当一个结构被加热或冷却时，如果满足下列条件，当一个结构被加热或冷却时，如果满足下列条件，则在结构中只会发生

2、自由热膨胀，不会有应力出现：则在结构中只会发生自由热膨胀，不会有应力出现：均匀均匀只约束刚体运动只约束刚体运动在整个结构中除了一个均匀的温度变化外没有其在整个结构中除了一个均匀的温度变化外没有其它载荷它载荷v然而，如果温度变化均匀，但有其它的约束，或者然而，如果温度变化均匀，但有其它的约束，或者有不同的热膨胀系数，那么结构中将会产生热应力。有不同的热膨胀系数，那么结构中将会产生热应力。20.1 热应力的产生热应力的产生(续续)v结构受热或变冷时，由于热胀冷结构受热或变冷时，由于热胀冷缩产生变形缩产生变形v若变形受到某些限制若变形受到某些限制如位移受如位移受到约束或施加相反的力到约束或施加相反的

3、力则在结则在结构中构中 产生产生热应力热应力v产生热应力的另一个原因是由于产生热应力的另一个原因是由于材料不同而形成的材料不同而形成的不均匀变形不均匀变形(如如,不同的热膨胀系数不同的热膨胀系数)约束产生约束产生热热 应力应力材料不同产材料不同产生热应力生热应力20.2 求解热求解热-应力问题的方法应力问题的方法v在在ANSYS中解决热中解决热-应力问题的方法有两种：应力问题的方法有两种：20.2 求解热求解热-应力问题的方法应力问题的方法(续续)v间接耦合间接耦合+传统方法：使用两种单元类型，将热分析的传统方法：使用两种单元类型，将热分析的结果做为结构温度载荷结果做为结构温度载荷+当运行很多

4、热瞬态时间点但结构时间点很少当运行很多热瞬态时间点但结构时间点很少时效率较高时效率较高+可以很容易地用输入文件实现自动处理可以很容易地用输入文件实现自动处理v直接耦合直接耦合+新方法：使用一种单元类型就能求解两种物新方法：使用一种单元类型就能求解两种物理问题理问题+热问题和结构现象之间可实现真正的耦合热问题和结构现象之间可实现真正的耦合-在某些分析中可能耗费过多的时间在某些分析中可能耗费过多的时间20.3 间接耦合间接耦合热分析热分析结构分析结构分析jobname.rthjobname.rst温度温度间接耦合涉及到两个分析：间接耦合涉及到两个分析：1.首先做一个稳态首先做一个稳态(或瞬态或瞬态

5、)热分析热分析建立热单元模型建立热单元模型施加热载荷施加热载荷求解并查看结果求解并查看结果2.然后做静力结构分析然后做静力结构分析把单元类型转换成结构单元把单元类型转换成结构单元定义包括热膨胀系数在内的定义包括热膨胀系数在内的结构材料属性结构材料属性施加包括从热分析得到的温施加包括从热分析得到的温度在内的结构载荷度在内的结构载荷求解并查看结果求解并查看结果20.4 间接耦合的分析过程间接耦合的分析过程采用间接耦合法进行热应力采用间接耦合法进行热应力耦合分析的全过程耦合分析的全过程1.进行瞬态或稳态的热分析以得进行瞬态或稳态的热分析以得到结点温度到结点温度2.查看结果，并确定温度梯度较查看结果，

6、并确定温度梯度较大的时间点大的时间点(或载荷步或载荷步)Main Menu:General PostProc 在每个对话框中输入对应值在每个对话框中输入对应值20.4 间接耦合的分析过程间接耦合的分析过程(续续)3.删除热载荷，并将分析从热分析转换到结构分析删除热载荷，并将分析从热分析转换到结构分析Main Menu:Preferencesa.选择结构分析。选择结构分析。b.单击单击OK。注意：如果在开始分析时没有明确指定热分析，则注意：如果在开始分析时没有明确指定热分析，则不需要转换分析类型。不需要转换分析类型。20.4 间接耦合的分析过程间接耦合的分析过程(续续)4.将单元类型从热分析转换

7、到结构分析将单元类型从热分析转换到结构分析Main Menu:Preprocessor Element Type Switch Element Type 或用或用 ETCHG 命令命令a.选择选择“thermal to structure”b.单击单击OK注意：注意：转换单元类型时，将把所有的单元选项重新转换单元类型时，将把所有的单元选项重新设置回它们原来的缺省设置。例如：若用户在热分设置回它们原来的缺省设置。例如：若用户在热分析中使用的是析中使用的是2-D轴对称单元，则需要在转换后重新轴对称单元，则需要在转换后重新指定轴对称选项。因此，一定要确保设置正确的单指定轴对称选项。因此，一定要确保设

8、置正确的单元选项。元选项。20.4 间接耦合的分析过程间接耦合的分析过程(续续)5.验证单元选项设置验证单元选项设置Main Menu:PreprocessorElement Type Add/Edit/Deletea.选定单元类型，然后选择选定单元类型，然后选择Optionb.验证验证,如果需要可以更改如果需要可以更改c.选择选择OK或使用或使用 ETLIST 和和 KEYOPT 命令命令20.4 间接耦合的分析过程间接耦合的分析过程(续续)6.定义结构的材料特性定义结构的材料特性(EX等等)，特别注意不要忘记，特别注意不要忘记输入热膨胀系数输入热膨胀系数(ALPX)和其它建模细节和其它建模

9、细节Main Menu:Preprocessor Materail Props -Constant-Isotropica.单击单击OKb.输入结构的材料特性值，包括热膨胀系数输入结构的材料特性值，包括热膨胀系数ALPX，然后单击然后单击OK注意：注意：如果没有如果没有定义定义ALPX或将或将该项设置为该项设置为0，则，则不能计算热应变。不能计算热应变。用户可以使用该用户可以使用该项技巧项技巧“关闭关闭”温度的影响温度的影响!20.4 间接耦合的分析过程间接耦合的分析过程(续续)7.指定静力分析类型和分析选项。指定静力分析类型和分析选项。a.选择分析类型（缺省是静态，该步仅在热分析类型为选择分析

10、类型（缺省是静态，该步仅在热分析类型为瞬态时使用）瞬态时使用）Main Menu:Solution -Analysis Type-New Analysis20.4 间接耦合的分析过程间接耦合的分析过程(续续)b.选择分析选项选择分析选项Main Menu:Solution Analysis Options20.4 间接耦合的分析过程间接耦合的分析过程(续续)8.施加结构载荷并包括温度作为加载的一部分施加结构载荷并包括温度作为加载的一部分Main Menu:Solution -Load-Apply -Structure-Temperature From Therm Analya.输入期望的载荷步

11、和子步号输入期望的载荷步和子步号(缺省为第一个载荷缺省为第一个载荷步和最后一个子步步和最后一个子步)b.选择热分析的选择热分析的 结果文件，以结果文件，以rth为扩展名为扩展名c.单击单击OK20.4 间接耦合的分析过程间接耦合的分析过程(续续)9.画图核定温度画图核定温度a.PlotCtrls Symbols.b.Choose None in Boundary Cond.Symbolc.Turn“body load symbol”to“structural temps”d.Choose Do not replot10.指定载荷步选项指定载荷步选项Main Menu:Solution在每个对话

12、框中输入对应值在每个对话框中输入对应值11.开始求解开始求解Main Menu:Solution20.5 直接耦合直接耦合v直接耦合直接耦合通常只涉及用通常只涉及用耦合单元耦合单元的的分析，该单元包括必要的自由度分析，该单元包括必要的自由度1.首先用以下耦合单元之一建立模首先用以下耦合单元之一建立模型并划分网格型并划分网格vPLANE13(板实体单元板实体单元)vSOLID5(六面体单元六面体单元)vS O L I D 9 8 (四 面 体 单 元四 面 体 单 元tetrahedron)2.在模型上施加结构载荷、热载荷在模型上施加结构载荷、热载荷及约束及约束3.求解并查看热分析结果和结构分求

13、解并查看热分析结果和结构分析结果析结果合并的合并的热分析热分析结构分析结构分析jobname.rst20.6 间接耦合和直接耦合的比较间接耦合和直接耦合的比较v间接耦合间接耦合对不是高度非线性的耦合对不是高度非线性的耦合情况情况,间接方法更有效，间接方法更有效，更灵活，因为可以相互独更灵活，因为可以相互独立地执行两种分析立地执行两种分析在间接热在间接热-应力分析中，应力分析中，例如，在非线性瞬态热分例如，在非线性瞬态热分析之后可以紧接着进行线析之后可以紧接着进行线性静力分析。然后可以把性静力分析。然后可以把热分析中任意荷载步或时热分析中任意荷载步或时间点的节点温度作为应力间点的节点温度作为应力

14、分析的载荷分析的载荷v直接耦合直接耦合对耦合场的相互作对耦合场的相互作用是高度非线性的用是高度非线性的情况，直接方法优情况，直接方法优先，先，并且该方法在并且该方法在用耦合公式单一求用耦合公式单一求解时是最好的解时是最好的 直接耦合的例子包直接耦合的例子包括压电分析括压电分析,有流体有流体流动的共轭传热问流动的共轭传热问题及电路电磁分析题及电路电磁分析20.7 耦合场分析方法的选择耦合场分析方法的选择直接方法直接方法v最适合于那种耦合效最适合于那种耦合效应是循环的双向耦合应是循环的双向耦合的情况的情况v真正的真正的“多物理场多物理场”分析分析v不能用于非线形不能用于非线形v非常好但耗费时间较非

15、常好但耗费时间较长长(全自由度设置全自由度设置)v例子例子:结构特性随温结构特性随温度而变的分析度而变的分析间接方法间接方法v最适合于那种单向耦合的最适合于那种单向耦合的情况情况,一种分析的结果能够一种分析的结果能够影响到另一种分析影响到另一种分析,反之不反之不能能v独立进行两种分析独立进行两种分析,较灵活较灵活v不能用于非线形不能用于非线形v非常好但耗费时间较长非常好但耗费时间较长(全全自由度设置自由度设置)v例子例子:结构特性随温度而变结构特性随温度而变的分析的分析v涡流的焦耳热涡流的焦耳热20.8 其它耦合场分析其它耦合场分析 定义耦合场分析：定义耦合场分析：耦合场分析考虑了两个或多个工耦合场分析考虑了两个或多个工程学科间的相互耦合作用程学科间的相互耦合作用 Examples Applications Thermal-stress Pressure vessels Magnetic-thermal Induction heating Electromagnetic Transmission lines Piezoelectric Ultrasonic transducers Fluid-structural Airplane wing