Ansys第36例热应力分析(间接法)实例—液体管路

第36例热应力分析（间接法）实例—液体管路本例介绍了利用间接法进行热应力计算的方法和步骤：首先进行热分析得到结构节点温度分布，然后把温度作为载荷施加到结构上并进行结构分析。36.1概述利用间接法计算热应力，首先进行热分析，然后进行结构分析。热分析可以是瞬态的，也可以是稳态的，需要将热分析求得的节点温度作为体载荷施加到结构上。当热分析是瞬态的时，需要找到温度梯度最大的时间点，并将该时间点的结构温度场作为体载荷施加到结构上。由于间接法可以使用所有热分析和结构分析的功能，所以对于大多数情况都推荐使用该方法。间接法进行热应力计算的主要步骤如下。36.1.1热分析瞬态热分析的过程在前例已经介绍过，下面介绍稳态热分析。稳态热分析用于研究稳定的热载荷对结构的影响，有时还用于瞬态热分析时计算初始温度场。稳态热分析主要步骤如下。1．建模稳态热分析的建模过程与其他分析相似，包括定义单元类型、定义单元实常数、定义材料特性、建立几何模型和划分网格等。但需注意的是：稳态热分析必须定义材料的导热系数。2．施加载荷和求解(1)指定分析类型。MainMenu→Solution→AnalysisType→NewAnalysis,选择Static.(2)施加载荷。可以施加的载荷有恒定的温度、热流率、对流、热流密度、生热率，MainMenu→Solution→DefineLoads→Apply→Thermal.(3)设置载荷步选项。普通选项包括时间（用于定义载荷步和子步）、每一载荷步的子步数，以及阶跃选项等,MainMenu→Solution→LoadStepOpts→Time/Frequenc→Time→TimeStep.非线性选项包括：—迭代次数（默认25），MainMenu→Solution→LoadStepOpts→Nonlinear→EquilibriumIter;打开自动时间步长，MainMenu→Solution→LoadStepOpts→Time/Frequenc→Time→TimeStep等.输出选项包括：控制打印的输出，MainMenu→Solution→LoadStepOpts→OutputCtrls→SoluPrintout;控制结果文件的输出，MainMenu→Solution→LoadStepOpts→OutputCtrls→DB/ResultsFileo(4)设置分析选项。牛顿—拉普森选项（仅对非线性分析有用）。选择求解器。确定绝对零度（在热辐射分析时使用）。(5)求解。3.查看结果稳态热分析使用POST1后处理器查看结果，对于热应力计算而言，查看结果不是必要的。36.1.2结构分析与一般的结构分析过程大致相同，不同的有以下几点。(1)转换单元。将热单元转换为相应的结构单元，并设置需要的单元选项，MainMenu→Preprocessor→ElementType→SwitchElemTypeo2)设置结构分析的材料属性，例如，热膨胀系数、弹性模量、泊松比等。设置前处理细节，例如，节点耦合等，MainMenu→Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels。(3)读入热分析得到的节点温度，MainMenu→Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Temperature→FromThermAnaly。(4)指定参考溫度，当计算热膨胀大小时，温度差等于节点温度减去参考温度，MainMenu→Solution→DefineLoads→Settings→ReferenceTempo36.2问题描述某液体管路内部通有液体，外部包裹有保温层，保温层与空气接触如图36-1所示。已知管路由铸铁制造，其导热系数为70W/(m.℃)，弹性模量为2xl011N/m2，泊松比为0.3，热膨胀系数为1.2x10-6/℃；保温层的导热系数为0.02W/(m．℃)，弹性模量为2x1010N／m2，泊松比为0.4，热膨胀系数为1.2x10-6/℃；管路内液体压力为0.3MPa，温度为70℃，对流换热系数为1W/(m2．℃)；空气温度为-40℃，对流换热系数为0.5W/(m2．℃)。图36-1液体管路试分析管路内热应力的情况。36.3分析步骤36.3.1改变任务名拾取菜单UtilityMenu→File→ChangeJobname，弹出如图36-2所示的对话框，在“[／FILNAM]”文本框中输入EXAMPLE36，单击“OK”按钮。图36-2改变任务名对话框36.3.2选择单元类型拾取菜单MainMenu→Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete,弹出“ElementTypes”对话框，单击其“Add…”按钮，弹出如图36-3所示的对话框，在左侧列表中选“ThermalSolid”，在右侧列表中选“8node77”，单击“OK”按钮，返回到“ElementTypes”对话框，选中“TypelPLANE77”，单击“Options”按钮，弹出如图36-4所示的对话框，选择“K3”下拉列表框为“Axisymmetric”，单击“OK”按钮，然后单击如图36-3所示对话框的“Close”按钮。图36-3单元类型库对话框图36-4单元选项对话框36.3.3定义材料模型拾取菜单MainMenu→Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels，弹出如图36-5所示的对话框，在右侧列表中依次拾取“Thermal”、“Conductivity”、“Isotropic”，弹出如图36-6所示的对话框，在“KXX”文本框中输入70（导热系数），单击“OK”按钮。单击如图36-5所示对话框的菜单项Material→NewModel，单击所弹出“DefineMaterialID”对话框中的OK”按钮，然后重复定义材料模型1时的各步骤，定义材料模型2的导热系数为0.02，最后关闭如图36-5所示的对话框。图36-5材料模型对话框图36-6材料特性对话框36.3.4创建矩形面，模拟金属管路和保温层拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Rectangle→ByDimension，弹出如图36-7所示的对话框，在“Ⅺ，X2“文本框中分别输入0.14，0.15，在“Y1，Y2”文本框中分别输入0，1，单击“Apply”按钮。再次弹出如图36-7所示的对话框，在“Xl，X2”文本框中分别输入0.15，0.2，在“Y1，Y2”文本框中分别输入0，1，单击“按钮。”OK”按钮。图36-7创建矩形对话框36.3.5黏结面拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Modeling→Operate→Booleans→Glue→Areas,弹出拾取窗口，单击“PickAll”按钮。36.3.6显示面号拾取菜单UtilityMenu→PlotCtrls→Numbering,在所弹出“PlotNumberingControls”对话框中，将AreaNumbers（面号）打开，单击“OK”按钮。36.3.7划分单元拾取菜单MainMenu→Preprocessor→Meshing→MeshTool，弹出如图36-8所示的对话框。选择“ElementAttributes”的下拉列表框为“Areas”，单击下拉列表框后面的“Set”按钮，弹出拾取窗口，选择面1，单击拾取窗口中的“OK”按钮，弹出“AreasAttributes”对话框，选择“MAT”下拉列表框为1，单击“Apply”按钮，再次弹出拾取窗口，选择面3，单击拾取窗口中的“OK”按钮，选择“AreasAttributes”对话框的“MAT”下拉列表框为2，单击“OK”按钮。图36-8单元工具对话框图36-9单元尺寸对话框单击“SizeControls”区域中“Global”后面的“Set”按钮，弹出如图36-9所示的对话框，，在“SIZE”文本框中输入0.01，单击“OK”按钮。在如图36-8所示对话框中的“Mesh”区域，选择单元形状为“Quad”（四边形），选择划分单元的方法为“Mapped”（映射），单击“Mesh”按钮，弹出拾取窗口，拾取面1和面3，单击“OK”按钮。36.3.8施加对流边界条件拾取菜单MainMenu→Solution→DefineLoads→Apply→Thermal→Convection→OnLines，弹出拾取窗口，拾取最左面一条直线（即x坐标最小的直线），单击“OK”按钮，弹出如图36-10所示的对话框，在“VAL1”文本框中输入1，在“VAL2I”文本框中输入70，单击“OK”按钮。再次执行命令，弹出拾取窗口，拾取最右面一条直线（即x坐标最大的直线），单击“OK”按钮，弹出如图36-10所示的对话框，在“VAL1”文本框中输入0.5，在“VAL2I”文本框中输入-40，单击”OK“按钮。图36-10施加对流边界条件对话框36.3.9求解拾取菜单MainMenu→Solution→Solve→CurrentLS，单击“SolveCurrentLoadStep对话框中的“OK”按钮，当出现“Solutionisdone!”提示时，求解结束。以下进行结构分析。36.3.10转换热单元为结构单元拾取菜单MainMenu→Preprocessor→ElementType→SwitchElemType,弹出如图36-11所示的对话框，选择“Changeelementtype”下拉列表框为“ThermaltoStruc”，单击”OK”按钮。图36-11转换单元类型对话框36.3.11设定单元轴对称选项拾取菜单MainMenu→Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete弹出“ElementTypes”对话框，单击其“Options”按钮，弹出如图36-12所示的对话框，选择“K3”下拉列表框为“Axisymmetric”，单击“OK”按钮，然后单击“ElementTypes”对话框的“Close”按钮。图36-12单元选项对话框36.3.12定义村料模型拾取菜单MainMenu→Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels，弹出如图36-5所示的对话框，在左侧列養冲选中“MaterialModelNumber1”，在右侧列表中依农拾取“Structural”、“Linear”、“Elastic”、“Isotropic”，弹出如图36-13所示的对话框，在“EX”文本框中输入2e11（弹性模量），在“PRXY”文本框中输入0.3（泊松比），单击“OK”按钮再在如图36_5所示对话框的右侧列表中依次拾取“Structural”、“ThermalExpansion”、“SecantCoefficient”、“Isotropic”，弹出如图36-14所示的对话框，在“ALPX”文本框中输入1.2e-5（线膨胀系数），然后单击“OK”按钮。图36-13材料特性对话框（一）图36-14材料特性对话框（二）选择如图36-5所示对话框左侧列表中的“MaterialModelNumber2”，用与MaterialModelNumber1同样的方法，定义弹性模量EX为2e10、泊松比PRXY为0.4、线膨胀系数ALPX为1.2e-6。最后关闭如图36-5所示的对话框。36.3.13施加约束拾取菜单MainMenu→Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→OnLines，弹出拾取窗口，拾取水平方向的所有直线（即长度较短的4条直线），单击“OK”按钮，弹出如图36-15所示的对话框，在列表中选择“UY”，单击“OK”按钮。图36-15施加约束对话框36.3.14施加压力载荷拾取菜单MainMenu→Solution-Define→Loads→Apply→Structural→Pressure→OnLin