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
(Define Material ID)对话框，如图20.11所示。保持对话框中的缺省设置，单击对话框中的
按钮关闭对话框。在图20.10所示的对话框中的左边列表框中将会出现新增加的材料。
图20.11定义新材料编号(Define Material ID)对话框
5．重复步骤2～3，定义2号材料的热传导率为0.152W/mm.o C，单击图20.10所示对话框中的菜单Material >Exit，关闭对话框，完成对内外层管道的材料定义。
20.2.4 建立轴对称几何模型
由于本实例符合轴对称条件，且其轴向尺寸无限大，因此我们将采用轴对称方法来进行分析。建立模型时只需建立内外管道的轴对称面即可。具体的操作过程如下。
1．选取路径Main Menu >Preprocessor >Modeling >Create >Rectangle >By Dimensions，弹出通过尺寸来创建矩形(Create Rectangle by Dimensions)对话框，图20.12所示。
图20.12 创建矩形面
2．在弹出的对话框中，输入矩形的四条边的X、Y坐标：X1=5.5、X2=10.8、Y1=0、Y2=1.5，单击按钮，在图形窗口将显示创建的第一个矩形。
3．在接着弹出的通过尺寸来创建矩形(Create Rectangle by Dimensions)对话框中，重复第2步的工作，输入四条边的坐标为：X1=10.8、X2=15.6、Y1=0、Y2=1.5，单击按钮，在图形窗口将显示创建的第二个矩形，图20.13为创建的两个矩形面。
图20.13 创建的内外管道的轴对称面
4．选取菜单路径Main Menu >Preprocessor >Modeling >Operate > Booleans >Glue >Areas，将弹出粘合面(Glue Area)拾取对话框，单击对话框中的按钮，ANSYS程序将会把刚创建的两个面的相邻边粘合为一条，即让两个面有公共的边。
5．压缩模型元素的编号。选取菜单路径Main Menu >Preprocessor >Numbering Ctrls >Compress Numbers，将弹出压缩序号(Compress Numbers)对话框，如图20.14所示。在对话框中的下拉框中选择“All”，单击按钮对所有元素的序号进行压缩，并关闭
对话框。
图20.14 压缩模型元素编号
6．显示线、面的序号。选取菜单路径Utility Menu >PlotCtrls >Numbering，将弹出序
号显示控制(Plot Numbering Controls)对话框，在对话框中单击线(LINE)和面(AREA)的选择
按框，将其设置为“On”，然后单击按钮关闭对话框。选取菜单路径Utility
Menu >Plot >Replot，ANSYS程序将对所建的模型进行重新显示，并显示线、面的序号，
如图20.15所示。
图20.15 模型元素的序号
20.2.5对截面进行有限元分网
建立好管道的轴对称几何模型之后，就需要根据具体的几何形面和分析要求，对其进行网格划分。尽量使划分的网格的粗细能够既满足分析的精度，又不至使模型太大，占用太多的计算机资源和求解时间。由于本实例有两种不同的材料，所以进行不同面的网格划分时需要指定正确的材料属性。具体过程如下。
1．设置面的材料属性。选取路径Main Menu >Preprocessor >Meshing >Mesh Attributes >Picked Areas，将弹出设置面的属性(Area Attributes)拾取对话框，在ANSYS图形显示窗口中单击标号为“A1”的面，然后单击拾取对话框中的按钮。将会弹出设
置面的属性(Area Attributes)对话框，如图20.16所示。
图20.16 设置面的属性
2．在对话框中将材料属性序号(Material number)设置为“1”，将单元类型Element type number设置为“1 PLANE77”，然后单击对话框中的按钮，完成对面A1的属性设置。
3．接着将重新弹出设置面的属性(Area Attributes)拾取对话框，在ANSYS图形显示窗口中单击标号为“A2”的面，然后单击拾取对话框中的按钮。将会弹出设置面的属性(Area Attributes)对话框，如图20.16所示。在对话框中将材料属性序号(Material number)设置为“2”，将单元类型Element type number设置为“1 PLANE77”，然后单击对话框中的按钮，完成对面A2的属性设置，并关闭对话框。
4．设置单元尺寸。选取菜单路径Main Menu >Preprocessor >Meshing >Size Cntrls >ManualSize >Global >Size，将弹出全局单元尺寸控制(Global Element Sizes)对话框，如图20.17所示。在对话框中的单元边长度(Element edge length)对话框中输入“0.8”，单击按钮，完成单元尺寸的设置，并关闭对话框。
图20.17 设置单元尺寸
5．单元划分。选取菜单路径Main Menu >Preprocessor >Meshing >Mesh >Areas >Free，将弹出划分面网格(Mesh Areas)拾取对话框，单击对话框中的，对所有建立的两个面按照设置的属性和尺寸进行网格划分。完成后的单元如图20.18所示。
图20.18 内外管道轴对称网格
至此，完成了创建内外管道轴对称有限元模型的所有工作，下面将根据其工作条件设置有限元边条并进行求解。
20.3 稳态热分析
在完成了有限元几何模型的建立后，便可以定义按照问题描述中给定的管道内外表面的温度定义温度边条，然后进行问题热分析了。
20.3.1 定义温度边条
根据问题描述知道，整个管道外表面温度为20℃，内表面的温度为180℃。对整个系统在分析过程中我们按照绝热情况处理，所以只定义温度边条，不考虑其它因素。具体的操作过程如下。
1．选定内表面节点。选取菜单路径Utility Menu >Select >Entities ，
将弹出实体选择对话框，如图20.19所示。在对话框中最上面下拉框
中选中“Nodes ”，接下来的下拉框中选中“By Locations ”，然后单
击“X coordinates ”单选按钮，并在下面的文本框中输入“5.5” ，单
击按钮。通过这些操作指定要选择的对象为X 坐标值为5.5的
所有节点。
2．选取菜单Main Menu >Solution >Define
Loads >Apply >Thermal >Temperature >On Nodes ，将弹出给节点施加
温度载荷(Apply TEMP on Nodes)拾取对话框，单击对话框中的
按钮。将弹出施加节点温度(Apply TEMP on Nodes)对话框，如图20.20
所示。
图20.20 定义管道内表面的温度 3．在对话框中的温度值(Load TEMP value)文本框中输入180，其余设置保持缺省，单
击按钮，关闭对话框。然后选取菜单路径Utility Menu >Select Everything ，选取所有元素。
4．重复步骤1～3，选取X 坐标值为15.6的所有节点，然后定义其温度值为20。即外表面的温度值为20℃。
图20.19 选择节点
20.3.2 进行稳态温度求解
前面完成了温度载荷的定义，下面进行稳态热分析的求解。
1．选择菜单Main Menu >Solution >Current LS，将弹出求解命令状态(/STATUS Command)输出窗口(见图20.21)和求解当前载荷步(Solve Current Load Step)对话框(见图20.22)。
2．检查求解命令状态输出窗口中列出的命令情况，如果符合分析要求，关闭图20.21所示对话框。单击求解当前载荷步对话框(图20.22)中的按钮，进行稳态热分析求解。如果有不符合要求的地方，则回到相应菜单对其进行修改。
图20.21 进行稳态热分析的求解选项和载荷步选项设置
图20.22 求解当前载荷步(Solve Current Load Step)对话框
3．根据求解问题所划分单元和节点的多少，ANSYS将会花一定的时间对问题进行求解。当求解完时，ANSYS将弹出求解提示(Solution is Done)对话框，单击按钮，结束稳态热分析。
20.3.3 观察稳态热分析结果
对于本实例求解的稳态分析结果我们可以采用ANSYS6.1提供的通用后处理器(POST1)
进行结果列表、云图显示等方法来进行观察。另外，根据本实例的特点我们可以利用ANSYS6.1一个非常强大的后处理功能——路径来观察结果。本实例将主要利用路径来进行结果观察。读者可以认真体会路径的用法，具体的操作过程如下。
1．云图显示结果。选取菜单路径Main Menu >General Postproc >Plot Results >Nodal Solu，将弹出彩色云图显示结果对话框，如图20.23所示。
图20.23 云图显示求解的温度分布
2．在对话框中单击云图显示项目(Item to be contoured)列表框左边列表的“DOF
solution”和右边的“Temperature TEMP”，其余设置保持缺省，单击对话框中的按
钮关闭对话框，在ANSYS6.1图形显示窗口中将显示温度场求解结果的云图显示，如图20.24所示。
图20.24 内外管道温度分布云图
3．定义沿径向的路径。选取菜单路径Main Menu >General Postproc >Path Operations >Define Path >By Location，将弹出根据位置定义路径(By Location)对话框，如图
20.25所示。
4．在对话框中的定义路径名(Define Path Name)文本框中输入路径名“radial”，其余
设置保持缺省，单击按钮关闭对话框。将弹出在全局直角坐标系中创建路径点(By
Location in Global Cartesian)对话框，如图20.26所示。
图20.26
5．在对话框中，指定路径点序号(Path point number)为1，指定路径X方向位置(X
Location in Global CS)为5.5，单击按钮，指定第一个路径点的位置。
6．重复步骤5的操作。在接着弹出的图20.26所示的对话框中，指定路径点序号(Path point number)为2，指定路径X方向位置(X Location in Global CS)为15.6，单击按
钮，指定第二个路径点的位置。然后单击按钮关闭对话框，完成路径点的定义。
7．在路径上进行温度插值。选择菜单路径Main Menu >General Postproc >Path Operations >Map onto Path，将弹出将结果映射到路径(Map Result Items onto Path )对话框，如图20.27所示。
图20.27 将温度映射到路径上
8．在图20.27所示的对话框中，输入用户定义项目标签为“temp”，单击映射项目(Item to be mapped)列表框左边列表的“DOF solution”和右边的“Temperature TEMP”。其余设
置保持缺省，然后单击按钮关闭对话框。
9．对路径进行存档，以便后面查看应力分析结果时用。选取菜单路径Main Menu >General Postproc >Path Operations >Archive Path > Store >Path in array，将弹出存档路径到一组参数(Archive Path in to Array Parameters)对话框，如图20.28所示。
图20.28 对路径点进行归档
10．单击对话框中的POIN-only points单选按钮，指定仅对路径点进行归档。单击
按钮，关闭对话框。将会弹出归档路径点到参数(Archive Path Points into Array)对话
框，如图20.29所示。
图20.29 指定路径点的归档参数名
11．在对话框中的文本框中输入“path”，然后单击按钮关闭对话框，完成路
径的归档。
12．绘制温度沿路径的变化曲线。选取菜单路径Main Menu >General Postproc >Path Operations Plot Path Item >On Graph，将弹出绘制路径项目图(Plot of Path Items on Graph)对话框，如图20.30所示。
图20.30 绘制温度沿路径的变化曲线
13．在对话框中单击要绘制路径项目列表框中的“TEMP”选项，使其高亮度显示，然后单击按钮关闭对话框，在ANSYS6.1图形显示窗口中将会绘制出温度沿路径变化的曲线，如图20.31所示。
图20.31 温度沿路径变化曲线
14．利用路径查看，管道沿径向的温度分布。选取菜单路径Main Menu >General Postproc >Path Operations Plot Path Item >On Geometry，将弹出绘制路径项目的几何图(Plot
of Path Items on Geometry)对话框，如图20.32所示。
图20.32 绘制温度的几何图
15．单击对话框中的显示路径项目列表框中的“TEMP”选项，使其高亮度显示。在比例系数(Scale factor offset)文本框中输入“30”，其余设置保持缺省，然后单击按钮关闭对话框，在ANSYS6.1图形显示窗口中将会显示，温度沿路径的几何图，如图20.33
所示。
图20.33 温度沿路径的几何图
至此，完成了全部的稳态热分析工作，并进行了相应的后处理。读者根据需要还可以进行其它的后处理工作，这里就不再赘述，下面将进行应力分析的操作。
20.4 结构应力分析
前面完成了稳态热分析，求解得到了内外层管道沿径向的温度分布，下面我们将进行结构应力分析。首先，对前面建立的热分析有限元模型进行转换，将单元转换成对应的结构分析单元；其次，定义两种材料的力学性能参数；接着，定义相应的结构边条，进行静力分析，得到热载荷作用下管道的应力分布；最后，对结果进行后处理，观察管道沿径向和周向的应力分布，其操作过程如下。
20.4.1 转换模型
对于进行热分析建立的有限元模型，由于其单元类型是热分析单元，无法进行结构应力求解。ANSYS提供了单元转换功能，可以将热单元转换成相应的结构单元，而无需重新建立模型。
20.4.1.1 转换单元类型
下面将热单PLANE77转换为和其对应的结构单元PLANE82，并将其设定为轴对称单
元，下面是具体的操作过程。
1．指定分析范畴为结构分析，对菜单选项进行过虑。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。单击对话框中的Sturctrual(结构)选择按钮，选中Structural选项。并关掉Thermal选项，使以便ANSYS6.1的主菜单设置为与结构分析相对应的菜单选项。单击按钮，完成分析范畴的指定
2．将热单元转换为结构单元。选取菜单路径Main Menu >Preprocessor >Element Type >Switch Elem Type，将弹出转换单元类型(Swith Elem Type)对话框，如图20.34所示。
图20.34 转换单元类型
3．单击对话框中的改变单元类型(Change element type)下拉框中的“Thermal to Struc”选项，指定将热单元转换为结构单元，单击按钮关闭对话框，ANSYS6.1程序将把模型中的热单元转换为对应的结构单元。同时弹出如图20.35所示的警告信息对话框。
图20.35 转换单元警告信息
4．单击警告信息对话框中的按钮，关闭对话框。
5．将单元设置为轴对称单元。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PLANE82的选项对话框(PLANE82 element type options)，如图
20.36所示。
图20.36 设置单元轴对称属性
6．在对话框中，单击单元行为参数K3的下拉设置框中的“Axisymmetric”选项，将
单元设置为轴对称单元，其余设置保持缺省，单击按钮，关闭对话框。在单击单元类型定义(Element Types)对话框中的按钮，将其关闭。
20.4.1.2 定义材料力学性能
在热分析时对管道的内外层分别定义了材料类型，并定义了材料的热传导系数。在结构分析中需要材料的力学性能参数，对于热－应力耦合分析，还需要定义材料的热膨胀系数。下面定义两种材料的力学性能参数和热膨胀系数，具体操作如下。
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20.37所示。
图20.37 定义材料结构性能
2．在对话框中，单击左边列表框中的材料1(Material Model Number1)使其高亮度显示，然后单击对话框右边的材料结构参数列表框中的菜单路径Structural > Linear >Elastic >Isotropic，将弹出定义材料1的弹性模量EX和泊松比PRXY对话框，在对话框中指定EX＝2.05E5，PRXY＝0.3，然后单击按钮关闭对话框。
3．在图20.37所示对话框的右边材料属性列表中单击菜单路径Structural >Thermal Expansion Coef >Isotropic，将弹出定义材料1的热膨胀系数(Thermal Expansion Coefficient for Material 1)对话框，如图20.38所示。
图20.38 定义材料1的热膨胀系数
4．在对话框中的参考温度(Reference temperature)文本框中输入20，指定膨胀系数的参考温度为20℃，接着指定热膨胀系数ALPX为10.3E-6，然后单击按钮关闭对话框，完成材料1的性能设置。
5．单击图20.37所示对话框左边列表框中的2号材料(Material Model Number 2)，使其高亮度显示。然后重复步骤2～4的操作过程，定义2号材料的力学性能参数，其中弹性模量EX为0.63E5，泊松比PRXY为0.33，热膨胀系数ALPX为20.7E-6(参考温度为20)。最后，关闭图20.37所示的对话框，完成材料性能的定义。
20.4.2 定义结构分析边条及温度载荷
由于本实例利用轴对称方法来求解无限长的圆管热应力问题，根据问题性质知道，内管的内表面各节点的变形是相同的，且节点沿轴向变形是相同的，为此需要定义相应的自由度耦合集，具体的操作如下。
1．选定内表面节点。选取菜单路径Utility Menu >Select >Entities，将弹出实体选择对话框(如图20.19所示)。在对话框中最上面下拉框中选中“Nodes”，接下来的下拉框中选中“By Locations”，然后单击“X coordinates”单选按钮，并在下面的文本框中输入“5.5”，单击按钮。通过这些操作指定要选择的对象为X坐标值为5.5的所有节点。
2．选取菜单路径Main Menu >Preprocessor >Coupling / Ceqn >Couple DOFs，将弹出定义节点自由度耦合集(Define Coupled DOFs)对话框，如图20.39所示。在对话框中指定耦合集的参考序号(Set reference number)为1，指定耦合自由度为“UY”，然后单击按钮关闭对话框，将内壁上所有节点的径向自由度耦合。
图20.39 定义节点自由度耦合集
3．重复步骤1～2，选择Y坐标值为1.5的所有节点，并定义自由度耦合集2为所有Y 坐标值为1.5的节点Y方向自由度(轴向)的耦合。
4．定义位移约束。重复步骤1的操作，选定Y坐标值为0的所有节点。然后选取菜单路径Main Menu >Solution >Define Loads >Apply >Structural >Displacement >On Nodes，将弹出施加节点位移约束拾取对话框，单击对话框中的按钮，将弹出如图20.40所示的对话框。
ANSYS Example07热-结构耦合分析算例 (ANSYS)
07 热－结构耦合分析算例(ANSYS) 在土木工程结构中，温度应力在很多情况下对结构的影响很大。很多时候需要先对结构进行热传导分析，得到结构内部的温度应力分布，再进行结构分析，得到由于温度产生的结构内力。ANSYS提供了很方便的热分析－结构分析切换工具，本节将以一个圆环的热应力分析为例，介绍ANSYS提供的相关功能。 (1)首先进行热分析，进入ANSYS主菜单Preprocessor->Element Type->Add/Edit/Delete， 选择添加单元为Quad 4 node 55 号热分析单元 (2)进入ANSYS主菜单Preprocessor->Material Props->Material Models，添加热传导速率 参数Thermal->Conductivity->Isotropic，设定热传导速率为0.07。添加力学属性Structural->Linear->Elastic->Isotropic，设定弹性模量为30e9，泊松比为0.2。添加热膨胀系数Structural->Thermal Expansion->Secant Coefficient->Isotropic，设定热膨胀系数为1e-5。 (1)开始建立模型。还是按照ANSYS标准的点、线、面、体建立模型。首先建立关键点。 在ANSYS主菜单Preprocessor->Modeling->Create->Keypoints->In Active CS，输入以下关键点信息 (2)下面开始建立弧线。在ANSYS主菜单Preprocessor-> Modeling-> Create-> Lines-> Arcs-> By End KPs&Rad，首先点选关键点2和3，然后点选中心点1，最后输入半径为5，生成第一个圆弧。接着点选关键点4和5，然后点选中心点，输入半径8。生成第二个圆弧 (3)在ANSYS主菜单Preprocessor->Modeling->Create->Lines->Straight Line，连接关键 点2，4和3，5。组成圆环轮廓 (4)在ANSYS主菜单Preprocessor->Modeling->Create->Arbitrary->By Lines，点选圆环周 边轮廓线，生成圆环面。 (5)下面划分网格，由于本模型只有一种单元一种材料，所以不必复杂的设置属性。进入
ABAQUS顺序热力耦合分析实例
ABAQUS顺序热力耦合分析实例此实例中需要确定一个冷却栅管的温度场分布。温度场的求解采用稳态热分析，在此之后还将进行热应力分析来求出冷却栅管在温度作用下产生的位移和应力分布。由于冷却栅管比较长，并且是轴对称结构，根据上述特点，可以简化有限元分析模型。此实例中使用国际单位制。 1、part中创建轴对称可变形壳体，大致尺寸为1，通过creat line创建一个封闭曲线（0.127,0） （0.304,0）（0.304,0.006）（0.152,0.006）（0.152,0.031）（0.127,0.031）（0.127,0） 使用creat Fillet功能对模型倒角处设置0.005的倒圆角。倒角后，模型并未改变，需要在模型树中，part下的Features右键，Regenerate，最终模型如下图所示。 2、在材料模块中定义密度7800，弹性模量1.93E11，泊松比0.3。所不同的是，热分析还需 要指定热传导系数以及比热。在Thermal里输入参数，热铲刀系数25.96，比热451。 3、创建截面属性以及装备部件，和普通的静力分析设置一样。 4、Step有所不同，分析类型仍为通用分析步，下面要更改为Heat Transfer。在Edit Step窗 口中，使用默认的瞬态分析（Transient），时长设置为3s。切换到Incrementatin进行相应的设置，如下图。
5、Load模块中，设置左边温度为100度，右边及上边温度为20度。Creat BC，类型选择 Other>Temperature。在纯粹的热传导分析方程中，没有位移项，因此不会发生刚体位移，这里也就不需要设置位移边界条件。 6、接下来划分网格，种子尺寸给0.005，单元类型需要在单元族中选择专门用来热分析的 Heat Transfer，查看下面确保使用的单元为DCAX4。使用结构化的全四边形网格划分方法。 7、到此，热分析的设置已经完成，可以提交计算，完成后，查看变量NT11即为节点温度。
第19章热-结构耦合分析
第19章热－结构耦合分析 热－结构耦合问题是结构分析中通常遇到的一类耦合分析问题。由于结构温度场的分布不均会引起结构的热应力，或者结构部件在高温环境中工作，材料受到温度的影响会发生性能的改变，这些都是进行结构分析时需要考虑的因素。为此需要先进行相应的热分析，然后在进行结构分析。热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量）等。本章主要介绍在ANSYS中进行稳态、瞬态热分析的基本过程，并讲解如何完整的进行热－结构耦合分析。 19.1 热－结构耦合分析简介 热－结构耦合分析是指求解温度场对结构中应力、应变和位移等物理量影响的分析类型。对于热－结构耦合分析，在ANSYS中通常采用顺序耦合分析方法，即先进行热分析求得结构中的温度场，然后再进行结构分析，且将前面得到的温度场作为体载荷加到结构中，求解结构的应力分布。为此，我们需要先了解热分析的基本知识，然后在学习耦合分析方法。 19.1.1 热分析基本知识 ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。 热传导可以定义为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的交换。热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量的交换。热辐射指物体发射电磁能，并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程。 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：q流入+q生成-q流出=0，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。 瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。
换热器热应力耦合有限元讲解
第一章 课题相关知识介绍 2.1散热片知识 散热片是一种给电器中的易发热电子元件散热的装置，多由铝合金，黄铜或青铜做成板状，片状，多片状等，如电脑中CPU 中央处理器要使用相当大的散热片，电视机中电源管，行管，功放器中的功放管都要使用散热片。一般散热片在使用中要在电子元件与散热片接触面涂上一层导热硅脂，使元器件发出的热量更有效的传导到散热片上，在经散热片散发到周围空气中去。 2.1.1散热片的材质比较 就散热片材质来说，每种材料其导热性能是不同的，按导热性能从高到低排列，分别是银，铜，铝，钢。不过如果用银来作散热片会太昂贵，故最好的方案为采用铜质。虽然铝便宜得多，但显然导热性就不如铜好（大约只有铜的50%左右）。 目前常用的散热片材质是铜和铝合金，二者各有其优缺点。铜的导热性好，但价格较贵，加工难度较高，重量过大（很多纯铜散热器都超过了CPU 对重量的限制），热容量较小，而且容易氧化。而纯铝太软，不能直接使用，都是使用的铝合金才能提供足够的硬度，铝合金的优点是价格低廉，重量轻，但导热性比铜就要差很多。有些散热器就各取所长，在铝合金散热器底座上嵌入一片铜板。 对于普通用户而言，用铝材散热片已经足以达到散热需求了。 北方冬季取暖的暖气片也叫散热片。 散热片在散热器的构成中占有重要的角色，除风扇的主动散热以外，评定一个散热器的好坏，很大程度上取决于散热片本身的吸热能力和热传导能力 2.1.2散热片结构的设计 1. 肋片的散热量 肋基导入的热量向肋端传递，经肋片传给流体，因此肋片得热平衡方程为： 肋基导入的热量Φ=Φ流体带走的热量λ 所以肋片向流体的传热量恒等于肋基截面上导入的热量，根据傅立叶定律得 每片等截面直肋散热量的计算式为： )(1)(0mH th m h m h mH th m A H H λ λθλ++ =Φ （2—1）
热结构耦合
第21章热－结构耦合分析 热－结构耦合问题是结构分析中通常遇到的一类耦合分析问题。由于结构温度场的分布不均会引起结构的热应力，或者结构部件在高温环境中工作，材料受到温度的影响会发生性能的改变，这些都是进行结构分析时需要考虑的因素。为此需要先进行相应的热分析，然后在进行结构分析。热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量）等。本章主要介绍在ANSYS中进行稳态、瞬态热分析的基本过程，并讲解如何完整的进行热－结构耦合分析。 21.1 热－结构耦合分析简介 热－结构耦合分析是指求解温度场对结构中应力、应变和位移等物理量影响的分析类型。对于热－结构耦合分析，在ANSYS中通常采用顺序耦合分析方法，即先进行热分析求得结构的温度场，然后再进行结构分析。且将前面得到的温度场作为体载荷加到结构中，求解结构的应力分布。为此，首先需要了解热分析的基本知识，然后再学习耦合分析方法。 21.1.1 热分析基本知识 ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。 热传导可以定义为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的交换。热对流是指固体的表面和与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量的交换。热辐射指物体发射电磁能，并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程。 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：q流入+q生成-q流出=0，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。 瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。
基于ABAQUS的热应力分析
1.1基于ABAQUS的热应力分析 1.1.1 温度场数据处理 (1)打开INP_Generator.exe，出现如下软件界面： 图1.数据处理软件 (2)点击“浏览”按钮，选择由FLUENT导出的inp文件所在路径，如下图 所示： 图2.路径选择 (3)点击“生成”按钮，则在inp文件所在路径下自动生成包含多个温度场的 ABAQUS输入文件ABAQUSinputfile.inp。 图3.生成包含连续温度场INP文件
1.1.2 复材工装模板热应力分析 (1)打开ABAQUS，导入inp文件后，打开Tools菜单下“Set - Manager”， 如下图所示。检查是否有名为“PID6”的set，若没有则创建一个名为 “PID*”的set，set为模板整体。（“*”为任意数字或字母） 图4.创建SET (2)打开Plug-ins菜单下“CAC Project - Composite Analyse”，弹出如下界面。 在Step1标签中输入用到的材料名称并选择工作路径；在Step2中定义铺 层信息，可通过右键删除或添加行；按照Step3和Step4的提示，使用 ABAQUS/CAE自身功能完成剩余分析工作。 (a)
(b) (c) 图5.定义材料及铺层 (3)进入Load模块，定义垂直于模板表面平面部分的局部坐标系。选择“Tools” 菜单下“Datum”，Type选择“CSYS”Method选择“3Points”，然后默认点击“Continue”按钮。依次在模板表面选择坐标原点、X轴上点和XY面上的点，生成局部坐标。 图6.定义模板局部坐标系 (4)点击“Create Boundary Condition”按钮，弹出边界条件定义对话框。
热结构耦合分析的例子
这是两个同心圆，我画的不是很圆，请大家见谅。外圆外边温度70o 内圆内边温度200 求圆筒的温度分布，径向盈利，主环向应力 /batch,list /show /title,thermal stress in concentic cylinders-indirect method /prep7 et,1,plane77,,,1 mp,kxx,1,2.2 mp,kxx,2,10.8 rectng,0.1875,0.4,0.05 rectng,0.4,0.6,0,0.05 aglue,all numcmp,area asel,s,area,,1 aatt,1,1,1 asel,s,area,,2 aatt,2,1,1 asel,all esize,0.05 amseh,all esize,0.05 amesh,all nsel,s,loc,x,0.1875 d,all,temp,200 nsel,s,loc,x,0.6 d,all,temp,70 nsel,all finish /solu solve finish /post1 path,radial,2 !设置路径名和定义路径的点数 ppath,l,,,0.1875 ！通过坐标来定义路径 ppath,2,,0.6 pdef,temp,temp ！温度映射到路径上 T0
paget,path,points,radial ！用数组的形式保存路径 plpath,temp finish /prep7 et,1,82,,,1 mp,ex,1,30e6 mp,alpx,1,0.65e-5 mp,nuxy,1,0.3 mp,ex,2,10.6e6 mp,aplx,2,1.35e-5 mp,nuxy,2,0.33 nsel,s,loc,y,0.05 cp,1,uy,all nsel,s,loc,x,0.1875 cp,2,ux,all nsel,s,loc,y,0 d,all,uy,0 nsel,all finish /solu tref,70 ldread,temp,,,,,,rth solve finish /post1 paput,path,points,radial pmap,,mat ！设置路径映射来处理材料的不连续 pdef,sx,s,x ！映射径向应力 pdef,sz,s,z ！映射环向应力 plpath,sx,sz ！显示应力结果 plpagm,sx,,node ！在几何模型上显示径向应力 finish 这儿是一个在热结构耦合分析的例子，大家有兴趣可以看看，我想同时问一下，cp 这个命令是什么意思啊
热力耦合分析单元简介
热力耦合分析单元简介！ SOLID5－三维耦合场实体 具有三维磁场、温度场、电场、压电场和结构场之间有限耦合的功能。本单元由8个节点定义，每个节点有6个自由度。在静态磁场分析中，可以使用标量势公式（对于简化的RSP，微分的DSP，通用的GSP）。在结构和压电分析中，具有大变形的应力钢化功能。与其相似的耦合场单元有PLANE13、SOLID62和SOLID98。 INFIN9－二维无限边界 用于模拟一个二维无界问题的开放边界。具有两个节点，每个节点上带有磁向量势或温度自由度。所依附的单元类型可以为PLANE13和PLANE53磁单元，或PLANE55和PLANE77和PLANE35热单元。使用磁自由度（ＡＺ）时，分析可以是线性的也可以是非线性的，静态的或动态的。使用热自由度时，只能进行线性稳态分析。 PLANE13－二维耦合场实体 具有二维磁场、温度场、电场和结构场之间有限耦合的功能。由4个节点定义，每个节点可达到4个自由度。具有非线性磁场功能，可用于模拟B－H曲线和永久磁铁去磁曲线。具有大变形和应力钢化功能。当用于纯结构分析时，具有大变形功能，相似的耦合场单元有SOLID5、SOLID98和SOLID62。 LINK31－辐射线单元 用于模拟空间两点间辐射热流率的单轴单元。每个节点有一个自由度。可用于二维（平面或轴对称）或三维的、稳态的或瞬态的热分析问题。 允许形状因子和面积分别乘以温度的经验公式是有效的。发射率可与温度相关。如果包含热辐射单元的模型还需要进行结构分析，辐射单元应当被一个等效的或（空）结构单元所代替。 LINK32－二维传导杆 用于两节点间热传导的单轴单元。该单元每个节点只有一个温度自由度。可用于二维（平面或轴对称）稳态或瞬态的热分析问题。 如果包含热传导杆单元的模型还需进行结构分析，该单元可被一个等效的结构单元所代替。 LINK33－三维传导杆 用于节点间热传导的单轴单元。该单元每个节点只有一个温度自由度。可用于稳态或瞬态的热分析问题。 如果包含热传导杆单元的模型还需进行结构分析，该单元可被一个等效的结构单元所代替。 LINK34－对流线单元 用于模拟节点间热对流的单轴单元。该单元每个节点只有一个温度自由度。热对流杆单元可用于二维（平面或轴对称）或三维、稳态或瞬态的热分析问题。 如果包含热对流单元的模型还需要进行结构分析，热对流单元可被一个等效（或空）的结构单元所代替。单元的对流换热系数可分为非线性，即对流换热系数是温度或时间的函数。
ANSYS热应力分析 精选实例x
ANSYS热应力分析实例 当一个结构加热或冷却时，会发生膨胀或收缩。如果结构各部分之间膨胀收缩程度不同，和结构的膨胀、收缩受到限制，就会产生热应力。 热应力分析的分类 ANSYS提供三种进行热应力分析的方法： 在结构应力分析中直接定义节点的温度。如果所以节点的温度已知，则可以通过命令直接定义节点温度。节点温度在应力分析中作为体载荷，而不是节点自由度间接法。首先进行热分析，然后将求得的节点温度作为体载荷施加在结构应力分析中。 直接法。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 力分析的结果。 如果节点温度已知，适合第一种方法。但节点温度一般是不知道的。对于大多数问题，推荐使用第二种方法一间接法。因为这种方法叮以使用所有热分析的功能和结构分析的功能。如果热分析是瞬态的，只需要找出温度梯度最大的时间点，并将此时间点的节点温度作为荷载施加到结构应力分析中去。如果热和结构的耦合是双向的，即热分析影响结构应力分析，同时结构变形又会影响热分析（如大变形、接触等），则可以使用第三种直接法一使用耦合单元。此外只有第三种方法可以考虑其他分析领域（电磁、流体等）对热和结构的影响。 间接法进行热应力分析的步骤 首先进行热分析。可以使用热分析的所有功能，包括传导、对流、辐射和表 面效应单元等，进行稳态或瞬态热分析。但要注意划分单元时要充分考虑结构分
析的要求。例如，在有可能有应力集中的地方的网格要密一些。如果进行瞬态分析，在后处理中要找出热梯度最大的时间点或载荷步。 重新进入前处理，将热单元转换为相应的结构单元，表7-1是热单元与结构
单元的对应表。可以使用菜单进行转换:
abaqus有限元建模例子
问题一:工字梁弯曲 1.1问题描述: 在<<材料力学实验>>中，弯曲实验測定了工字梁弯曲应变大小及其分布，以验证弯曲正应力公式。在这里，採用ABAQUS/CAE建立试验件的有限元模型，ABAQUS/Standard模块进行分析求解，得到应力、应变分布，对比其与理论公式计算值及实验測量值的差別。 弯曲实验的相关数据： 材料：铝合金E=70GPa泊松比0.3 实验装置结构简图如图所示： 结构尺寸测量值：H=50（+/-0.5mm） h=46(+/-0.5mm) B=40（+/-0.5mm） b=2(+/-0.02mm) a=300(+/-1mm) F1=30N Fmax=300N N ? F100 = 1.2ABAQUS有限元建模及分析 一对象: 工字型截面铝合金梁 梁的结构简图如图1所示，結构尺寸、载荷、約束根据1.1设定，L取1600mm，两端各伸出100mm。 二用ABAQUS/CAE建立实验件的有限元模型,效果图如下： 边界条件简化： 左侧固定铰支座简化为下表面左参考点处的约束U1=U2=U3=0
右侧活动铰支座简化为下表面右参考点处的约束U1=U2=UR3=0 几何模型
有限元模型 三ABAQUS有限元分析結果 ①应力云图（Z方向正应力分量）：施加载荷前 F=300N
②应变（Z方向分量）： 中间竖直平面的厚度方向应变分布图： F=100N F=200N
F=300N 由上图可以看出应变沿着厚度方向呈线性比例趋势变化，与实验测得的应变值变化趋势相同。中性轴处应变均接近零值，应变与距离中性轴位移基本为正比关系。 1.3分析结果: 中间竖直截面上下边缘轴向应力数值对比：*10^-6MPa 距中性轴距ABAQUS模拟实验测量值平均理论值 1/2H-96.182*70000-97*70000-6.9165=-70000*98.807 -1/2H95.789*7000092*70000 6.9165
热-结构耦合(单元转换)
ANSYS热－结构耦合分析实例 在土木工程结构中，温度应力在很多情况下对结构的影响很大。很多时候需要先对结构进行热传导分析，得到结构内部的温度应力分布，再进行结构分析，得到由于温度产生的结构内力。ANSYS提供了很方便的热分析－结构分析切换工具，本节将以一个圆环的热应力分析为例，介绍ANSYS提供的相关功能。 (1) 首先进行热分析，进入ANSYS主菜单Preprocessor->Element Type->Add/Edit/Delete，选择添加单元为Quad 4 node 55 号热分析单元 (2) 进入ANSYS主菜单Preprocessor->Material Props->Material Models，添加热传导速率参数Thermal->Conductivity->Isotropic，设定热传导速率为0.07。添加力学属性Structural->Linear->Elastic->Isotropic，设定弹性模量为30e9，泊松比为0.2。添加热膨胀系数Structural->Thermal Expansion->Secant Coefficient->Isotropic，设定热膨胀系数为1e-5。 (1) 开始建立模型。还是按照ANSYS标准的点、线、面、体建立模型。首先建立关键点。在ANSYS主菜单 Preprocessor->Modeling->Create->Keypoints->In Active CS，输入以下关键点信息 (2) 下面开始建立弧线。在ANSYS主菜单Preprocessor-> Modeling-> Create-> Lines-> Arcs-> By End KPs&Rad，首先点选关键点2和3，然后点选中心点1，最后输入半径为5，生成第一个圆弧。接着点选关键点4和5，然后点选中心点，输入半径8。生成第二个圆弧 (3) 在ANSYS主菜单Preprocessor->Modeling->Create->Lines->Straight Line，连接关键点2，4和3，5。组成圆环轮廓 (4) 在ANSYS主菜单Preprocessor->Modeling->Create->Arbitrary->By Lines，点选圆环周边轮廓线，生成圆环面。 (5) 下面划分网格，由于本模型只有一种单元一种材料，所以不必复杂的设置属性。进入ANSYS主菜单Preprocessor->Meshing->Size Cntrls-> ManualSize->Global->Size，在Global Element Size窗口中设置单元尺寸为0.5。在ANSYS主菜单Preprocessor->Meshing->Mesh->Areas，点选圆环进行网格划分 (6) 下面首先进入热分析，进入ANSYS主菜单Solution->Analysis Type->New Analysis，设置分析类型为稳态分析Steady-state
O形橡胶密封圈的热应力耦合分析
O形橡胶密封圈的热应力耦合分析 研究原油高温热采工具O 形橡胶密封圈在高温高压下的密封特性。借助于 大型有限元分析软件ANSYS，建立O 形橡胶密封圈及其边界的二维轴对称有限元模型，研究油压、装配间隙和摩擦因数对密封面最大接触应力、剪切应力和Von Mises 应力的影响，并采用热应力耦合分析方法，分析温度对O 形密封圈密封 性能的影响。结果表明：摩擦因数对应力影响不大，而油压和装配间隙对应力影响很大，过大的装配间隙会造成O 形橡胶密封圈最大接触应力下降和最大剪切 应力上升，造成密封失效；当温度升高时，密封圈最大剪切应力和接触应力相应减小，而最大Von Mises 应力明显减小，因此应使O 形密封圈在适当的温度下工作，以确保密封的可靠性。 随着国民经济的快速发展，陆地石油资源的不断减少，海上稠油开采将会成为热点之一。海上稠油开采通常采用高温热采作业模式，因此对开采工具的高温高压密封性能要求较高。当前原油开采一般都是在150 ℃以下进行，开采工具 的密封部件基本上都是采用简单高效、可靠性高的橡胶O 形圈，而橡胶O 形圈的耐用性、可靠性以及密封性能对温度比较敏感，同时对安装结构尺寸也有一定的要求。O 形密封圈简称O 形圈，是一种截面为圆形的橡胶密封圈，其成本低廉、安装和使用方便，被广泛应用于机械、汽车、动力及石油化工等领域。 对于常温下橡胶O 形圈的密封性能，目前研究报道较多，而对于高温(150 ℃以上) 下密封性能的研究，公开报道尚不多见。研究高温( 在橡胶材料可用最高温度范围内) 和高压( 稠油开采要求最高压强达到20 MPa) 下橡胶O 形圈的热应力耦合特性，对提升稠油高温热采工具密封性能有着至关重要的作用，可为密封部件的选择和结构优化提供理论依据和数据支撑。 利用ANSYS 有限元分析软件对O 形橡胶密封圈进行应力分析，并采用热应力耦合分析方法，分析温度对O 形密封圈密封性能的影响，得到温度与应力变 化的关系。 1、模型的建立 1. 1、几何模型的建立 O 形橡胶密封圈工作时依靠密封圈发生弹性变形，在密封接触面上产生接触应力，当接触应力大于密封介质的压力时，则不发生泄漏。如图1(a) 所示，当O 型密封圈装入密封槽后，其截面承受接触压缩应力而产生弹性变形，对接触面
abaqus热残余应力分析实例
利用Abaqus的Moldflow接口进行翘曲分析和残余应力分析 Abaqus关键特征和优势 1.力学性质、有限元网格以及残余应力数据都能从Moldflow很简便地传递到Abaqus 2.包含了成型工艺残余应力的Abaqus分析使得注塑模具产品的仿真更加精确 分析方法 对一个注塑模具产品的翘曲和应力分析的过程来说，一开始是利用Moldflow对注塑成型过程进行仿真。Moldflow的分析结果包括材料性质的描述以及固化零件中的残余应力分布。Abaqus的Moldflow接口此时用来将这些数据转换成Abaqus可以应用的格式。特别强调的是，接口产生的文件包含了塑料的网格信息、残余应力结果以及材料的性质。这些数据会在接下来的Abaqus分析中用来进行翘曲和残余应力影响的建模。椅子和手机外壳塑模的离散化模型如图1所示。对于这两个模型，Moldflow分析在模型厚度上分了21层并使用了壳体网格元素。翘曲的仿真运用Abaqus/Standard的静态分析功能分析完成。 图1：椅子和手机外壳模型的网格 结果和讨论 运用Abaqus/Standard进行翘曲分析后，椅子模型和手机外壳模型的变形如图2及图3所示。
图2：椅子模型的翘曲位移[米]分布云图 图3：手机外壳模型的翘曲位移[米]分布云图 由Abaqus/Standard翘曲分析所得到的椅子模型和手机外壳模型的Mises应力分布云图如图4及图5所示。很明显可以看出，由于翘曲引起了变形，原来零件中所储存的Mises 应力大小降低了。
图4：椅子模型的Mises应力[帕]分布分布—翘曲前[左]和翘曲后[后] 图5：手机外壳模型的Mises应力[帕]分布—翘曲前[左]和翘曲后[后] 结论 Abaqus为进行细致的结构分析提供了强大的能力。Moldflow为注塑模具产品提供了运算残余应力和材料性质的能力。Abaqus的Moldflow接口通过提供Moldflow分析结果向Abaqus分析过程传送的方法，使得更加精确、更加高效的设计过程得以实现。
热力耦合分析单元简介
共享：热力耦合分析单元简介！ 挑选了部分常用的，希望能方便大家的使用，其中自己翻译了一部分，不准确之处还望见谅，大家还可以继续补充哦！： SOLID5－三维耦合场实体 具有三维磁场、温度场、电场、压电场和结构场之间有限耦合的功能。本单元由8个节点定义，每个节点有6个自由度。在静态磁场分析中，可以使用标量势公式（对于简化的RSP，微分的DSP，通用的GSP）。在结构和压电分析中，具有大变形的应力钢化功能。与其相似的耦合场单元有PLANE13、SOLID62和SOLID98。 INFIN9－二维无限边界 用于模拟一个二维无界问题的开放边界。具有两个节点，每个节点上带有磁向量势或温度自由度。所依附的单元类型可以为PLANE13和PLANE53磁单元，或PLANE55和PLANE77和PLANE35热单元。使用磁自由度（ＡＺ）时，分析可以是线性的也可以是非线性的，静态的或动态的。使用热自由度时，只能进行线性稳态分析。 PLANE13－二维耦合场实体 具有二维磁场、温度场、电场和结构场之间有限耦合的功能。由4个节点定义，每个节点可达到 4个自由度。具有非线性磁场功能，可用于模拟B－H曲线和永久磁铁去磁曲线。具有大变形和应力钢化功能。当用于纯结构分析时，具有大变形功能，相似的耦合场单元有SOLID5、SOLID98和SOLID62。LINK31－辐射线单元 用于模拟空间两点间辐射热流率的单轴单元。每个节点有一个自由度。可用于二维（平面或轴对称）或三维的、稳态的或瞬态的热分析问题。 允许形状因子和面积分别乘以温度的经验公式是有效的。发射率可与温度相关。如果包含热辐射单元的模型还需要进行结构分析，辐射单元应当被一个等效的或（空）结构单元所代替。 LINK32－二维传导杆 用于两节点间热传导的单轴单元。该单元每个节点只有一个温度自由度。可用于二维（平面或轴对称）稳态或瞬态的热分析问题。 如果包含热传导杆单元的模型还需进行结构分析，该单元可被一个等效的结构单元所代替。 LINK33－三维传导杆 用于节点间热传导的单轴单元。该单元每个节点只有一个温度自由度。可用于稳态或瞬态的热分析问题。 如果包含热传导杆单元的模型还需进行结构分析，该单元可被一个等效的结构单元所代替。
热应力分析
ABAQUS可以求解以下类型的传热问题： 1.非耦合传热分析：温度场不受应力应变场或电场的影响。应用ABAQUS/Standard可以求 解导热问题、强制对流、边界辐射和空腔辐射问题，其分析类型可以是瞬态或稳态的，也可以是线性或非线性的。 2.顺序耦合热应力分析：应力应变场受温度场的影响，但温度场不受应力应变场的影响。 此类问题用ABAQUS/Standard求解的步骤为：先求解温度场，然后以其作为已知条件，进行热应力分析，得到应力应变场。分析传热问题和热应力分析可以使用不一样的网格，abaqus会自动进行差值处理（此类问题称为热应力分析）。 3.完全耦合热应力分析：温度场和应力应变场之间有着强烈的相互作用。 4.绝热分析：在此类分析中，力学变形会产生热，而且整个过程中时间极短，不发生热扩 散。 5.热电耦合分析：用来求解电流产生的温度场。 7.1热应力分析中的主要问题 设定线胀系数、模型的初始温度场，并可以修改分析步中的温度场。 7.2带孔平板的热应力分析 学习： 在LOAD功能模块中，使用预定义场（predefined field）来定义温度场。 在此模块中可以直接指定温度场或读入分析结果文件中的温度场，可以指定并精确读入某个分析步中某个增量步的温度场 7.3法兰盘感应淬火的残余应力模拟 学习： 使用热应力来模拟残余应力；在LOAD功能模块中，为模型的各个区域定义不同的温度场 表面感应淬火：常用的热处理工艺，使用感应器对工件表面进行局部加热，然后迅速冷却，在工件内部产生残余压应力。它可以提高工件的弯曲疲劳抗力和扭转疲劳抗力，工件表面的
马氏体具有良好的耐磨性。 Abaqus可以完整的模拟淬火的全过程，即通过分析工件和感应器之间以及工件与冷却液之间的热场过程来确定工件的温度场，从而得到相应的塑性应变场和冷却后的残余应变场。 比较简单的模拟方法：先设定整个模型的初始温度场，在分析过程中令淬硬层区域的温度升高至某个温度值，其余区域的温度保持不变。经过几次试算，找到合适的淬硬层温度值，使得法兰盘内圆角处的表面压应力与实验结果吻合。施加工作载荷，保持上述温度场不变，就可以模拟在残余应力作用下的应力场。 优点：通用性强，可以模拟不同工艺所产生的残余应力场 缺点：精确度不高 改进方法：参淬硬层的不同区域设定不同的温度值
热应力效应
激光加热热分析 本文使用ANSYS的参数化设计语言APDL建立热分析模型，模拟分析区域为圆形和方形的温度分布和应力/应变分布。采用直接耦合法同时计算温度场和应力场。单元类型选择SOLID226，设定自由度为结构和温度自由度。分析条件如下表一所示。 表一分析条件 一、圆柱形玻璃模型 采用ANSYS内部的建模工具建立几何模型，由于光斑内部热流较为集中，将几何模型分为内部加热区和外部扩散区两个部分，三维图形如图1。 图1 三维几何模型 采用高斯热源模拟激光对工件的加热情况，在光斑内热流密度随半径变化较大，需要细化加热区内的网格，提高求解精度。为控制网格数量以及网格质量，整体采用映射方式划分网格，高度方向上让网格大小线性变化，靠近热源处网格较小。划分后的有限元网格模型如图2所示。其中节点个数为44671个，单元个数为42240个。
图2 有限元网格模型 采用函数边界条件加载指数变化的热流密度边界条件，图3为ANSYS的函数定义窗口。定义好函数之后，图形显示其变化曲线，检查热流密度变化情况，图4为热流密度随中心距离变化曲线。 图3 函数定义窗口 图4 热流密度随中心距离变化曲线
在定义完函数之后，在圆柱形上表面施加热流密度载荷，打开热流密度载荷显示符号。图5为圆柱体上表面热流密度等值线云图。 图5 热流密度等值线分布云图 选取圆柱表面节点，施加固定温度载荷20℃，如图6所示 图6 施加温度载荷 完成上述设置之后，进入求解器，进行如下求解选项设置： ●设定分析类型为稳态； ●设定载荷步控制选项，打开自动时间步； ●选择PCG求解器； ●求解输出设置，保存每个载荷步最后子步的结果；
第七章 热应力分析
第七章 热应力分析 当一个结构加热或冷却时，会发生膨胀或收缩。如果结构各部分之间膨胀收缩程度不同，和结构的膨胀、收缩受到限制，就会产生热应力。 7.1热应力分析的分类 ANSYS提供三种进行热应力分析的方法： 在结构应力分析中直接定义节点的温度。如果所以节点的温度已知，则可以通过命令直接定义节点温度。节点温度在应力分析中作为体载荷，而不是节点自由度 间接法：首先进行热分析，然后将求得的节点温度作为体载荷施加在结构应力分析中。 直接法：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析的结果。 如果节点温度已知，适合第一种方法。但节点温度一般是不知道的。对于大多数问题，推荐使用第二种方法—间接法。因为这种方法可以使用所有热分析的功能和结构分析的功能。如果热分析是瞬态的，只需要找出温度梯度最大的时间点，并将此时间点的节点温度作为荷载施加到结构应力分析中去。如果热和结构的耦合是双向的，即热分析影响结构应力分析，同时结构变形又会影响热分析（如大变形、接触等），则可以使用第三种直接法—使用耦合单元。此外只有第三种方法可以考虑其他分析领域（电磁、流体等）对热和结构的影响。 7.2间接法进行热应力分析的步骤
热单元结构单元 LINK32 LINK1 LINK33 LINK8 PLANE35 PLANE2 PLANE55 PLANE42 SHELL57 SHELL63 PLANE67 PLANE42 LINK68 LINK8 SOLID79 SOLID45 MASS71 MASS21 PLANE75 PLANE25 PLANE77 PLANE82 PLANE78 PLANE83 PLANE87 PLANE92 PLANE90 PLANE95 SHELL157 SHELL63 表7-1热单元及相应的结构单元 首先进行热分析。可以使用热分析的所有功能，包括传导、对流、辐射和表面效应单元等，进行稳态或瞬态热分析。但要注意划分单元时要充分考虑结构分析的要求。例如，在有可能有应力集中的地方的网格要密一些。如果进行瞬态分析，在后处理中要找出热梯度最大的时间点或载荷步。 重新进入前处理，将热单元转换为相应的结构单元，表7-1是热单元与结构单元的对应表。可以使用菜单进行转换： Main Menu>Preprocessor>Element Type>Switch Element Type，选择Thermal to Structual。 但要注意设定相应的单元选项。例如热单元的轴对称不能自动转换到结构单元中，需要手工设置一下。在命令流中，可将原热单元的编号重新定义为结构单元，并设置相应的单元选项。 设置结构分析中的材料属性（包括热膨胀系数）以及前处理细节，如节点耦合、约束方程等。 读入热分析中的节点温度， GUI：Solution>Load Apply>Temperature>From Thermal Analysis。输入或选择热分析的结果文件名*.rth。如果热分析是瞬态的，则还需要输入热梯度最
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
ansys中的热分析
【转】热-结构耦合分析 知识掌握篇2009-05-31 14:09:19 阅读131 评论0 字号：大中小订阅 热-结构耦合问题是结构分析中通常遇到的一类耦合分析问题.由于结构温度场的分 布不均会引起结构的热应力,或者结构部件在高温环境中工作,材料受到温度的影响会发 生性能的改变,这些都是进行结构分析时需要考虑的因素.为此需要先进行相应的热分析, 然后在进行结构分析.热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数,如 热量的获取或损失,热梯度,热流密度(热通量)等.本章主要介绍在ANSYS中进行稳 态,瞬态热分析的基本过程,并讲解如何完整的进行热-结构耦合分析. 21.1 热-结构耦合分析简介 热-结构耦合分析是指求解温度场对结构中应力,应变和位移等物理量影响的 分析类型.对于热-结构耦合分析,在ANSYS中通常采用顺序耦合分析方法,即 先进行热分析求得结构的温度场,然后再进行结构分析.且将前面得到的温度场作 为体载荷加到结构中,求解结构的应力分布.为此,首先需要了解热分析的基本知 识,然后再学习耦合分析方法. 21.1.1 热分析基本知识 ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程,用有限元法计算各节点的温 度,并导出其它热物理参数.ANSYS热分析包括热传导,热对流及热辐射三种热传 递方式.此外,还可以分析相变,有内热源,接触热阻等问题. 热传导可以定义为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 而引起的内能的交换.热对流是指固体的表面和与它周围接触的流体之间,由于温差的存 在引起的热量的交换.热辐射指物体发射电磁能,并被其它物体吸收转变为热的热量交换 过程. 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:q流入+q生成-q流出=0,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. 瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程.在这个过程中系统的温度,热流率, 热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化. ANSYS热分析的边界条件或初始条件可分为七种:温度,热流率,热流密度, 对流,辐射,绝热,生热. 热分析涉及到的单元有大约40种,其中纯粹用于热分析的有14种,它们如表 21.1所示. 表21.1 热分析单元列表 单元类型名称说明 线性 LINK32 LINK33 LINK34 LINK31 两维二节点热传导单元 三维二节点热传导单元 二节点热对流单元