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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。 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 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。 表7-1热单元及相应的结构单元 热单元 LINK32 LINK33 PLANE35 PLANE55 SHELL57 PLANE67 LINK68 结构单元 LINK1 LINK8 PLANE2 PLANE42 SHELL63 PLANE42 LINK8 . . .
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SOLID79 MASS71 PLANE75 PLANE77 PLANE78 PLANE87 PLANE90 SHELL157 SOLID45 MASS21 PLANE25 PLANE82 PLANE83 PLANE92 PLANE95 SHELL63 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大时的时间点或载荷步。节点温度是作为体载荷施加的，可通过Utility Menu>List>Load>Body Load>On all nodes列表输出。 设置参考温度，Main Menu>Solution>Load Setting>Reference Temp。 进行求解、后处理。 7.3间接法热应力分析实例 7.3.1 问题描述 图7-1冷却栅示意图 . . .
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热流体在代有冷却栅的管道里流动，如图为其轴对称截面图。管道及冷却栅的材料均为不锈钢，导热系数为1.25Btu/hr-in-oF，弹性模量为28E6lb/in2泊松比为0.3。管压力为1000 lb/in2，管流体温度为450 oF，对流系数为1 Btu/hr-in2-oF,外界流体温度为70 oF，对流系数为0.25 Btu/hr-in2-oF。求温度及应力分布。
7.3.2 菜单操作过程 7.3.2.1设置分析标题
1、选择“Utility Menu>File>Change Title”，输入Indirect thermal-stress Analysis of a cooling fin。
2、选择“Utility Menu>File>Change Filename”，输入PIPE_FIN。
7.3.2.2进入热分析，定义热单元和热材料属性
1、选择“Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete”，选择PLANE55，设定单元选项为轴对称。
2、设定导热系数：选择“Main Menu>Preprocessor>Material Porps>Material Models”，点击Thermal，Conductivity，Isotropic，输入1.25。
7.3.2.3创建模型
1、创建八个关键点，选择“Main Menu>Preprocessor>Creat>Keypoints>On Active CS”，关键点的坐标如下：
编号 X Y 1 2 3 5 6 12 0 0 0 4 12 0.25 5 6 0.25 6 7 8 6 5 5 1 1 0.25 2、组成三个面：选择“Main Menu>Preprocessor>Creat>Area>Arbitrary>Throuth Kps”，由1,2,5,8组成面1；由2,3,4,5组成面2；由8,5,6,7组成面3。 . . .
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3、设定单元尺寸，并划分网格：“Main Menu>Preprocessor>Meshtool”，设定global size为0.125，选择AREA，Mapped，Mesh，点击Pick all。
7.3.2.4施加荷载
1、选择“Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By location>X coordinates，From Full”，输入5，点击OK，选择管壁节点；
2、在管壁节点上施加对流边界条件：选择“Main
Menu>Solution>Apply>Convection>On nodes”，点击Pick，all，输入对流换热系数1，流体环境温度 450。
3、选择“Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By location>X coordinates，From Full”，
输入6,12，点击Apply；
4、选择“Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By location>Y coordinates，Reselect”，输入0.25,1，点击Apply；
5、选择“Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By location>Y coordinates，Also select”，输入12，点击OK；
6、在管外边界上施加对流边界条件：选择“Main
Menu>Solution>Apply>Convection>On nodes”，点击Pick，all，输入对流换热系数0.25，流体环境温度70。
7.3.2.5求解
1、选择“Utility Menu>Select>Select Everything”。 2、选择“Main Menu>Solution>Solve Current LS”。
7.3.2.6后处理
1、显示温度分布：选择“Main Menu>General Postproc>Plot Result>Nodal Solution>
Temperature”。
7.3.2.7重新进入前处理，改变单元，定义结构材料
1、选择“Main Menu>Preprocessor>Element Type>Switch Elem Type”,选择Thermal to Structure。
2、选择“Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete”，点击Option，将结构单元设置为轴对称。
3、选择“Main Menu>Preprocessor>Material Porps>Material Models”，输入材料的EX为28E6，PRXY为0.3，ALPX为0.9E-5。
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7.3.2.8定义对称边界条件
1、选择“Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By location>Y coordinates，From Full”，
输入0，点击Apply；
2、选择“Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By location>Y coordinates，Also select”，输入1，点击Apply；
3、选择“Main Menu>Solution>Apply>Displacement>Symmetry B.C. On Nodes”，点击Pick All，选择Y axis，点击OK；
7.3.2.8施加管壁压力
1、选择“Utility Menu>Select>Entities>Nodes>By location>X coordinates，From Full”，输入5，点击OK；
2、选择“Main Menu>Solution>Apply>Pressure>On nodes”，点击Pick All，输入1000。
7.3.2.9设置参考温度
1、选择“Utility Menu>Select>Select Everything”。
2、选择“Main Menu>Solution>-Loads-Setting>Reference Temp”输入70。
7.3.2.10读入热分析结果
1、选择“Main Menu>Solution>Apply>Temperature>From Thermal Analysis>”，选择PIPE_FIN.rth。
7.3.2.11求解
选择“Main Menu>Solution>Solve Current LS”。
7.3.2.12后处理
选择“Main Menu>General Postpro>Plot Result>Nodal Solution>Stress>Von Mises”。显示等效应力。
7.3.3 等效的命令流方法
/filename,pipe_fin
/TITLE,Thermal-Stress Analysis of a cooling fin /prep7!进入前处理 et,1,plane55!定义热单元
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ANSYS热应力分析实例
