ANSYS流体与热分析第15章耦合场分析典型工程实例

第15章耦合场分析典型工程实例本章重点通过实例讲解介绍ANSYS耦合分析在工程上的一些典型应用。如何解决热-结构耦合问题耦合场分析典型工程实例包含焊缝的金属板热膨胀分析现代办公楼层内空调布局对室内温度分布的影响研究章章要要要要点点本本章章案案例例15.1工程实例一——包含焊缝的金属板热膨胀分析该工程实例问题说明及分析如下：某一平板由钢板和铁板焊接而成，焊接材料为铜，平板尺寸为1×1×0.2，横截面结构如图15-1所示。平板的初始温度为800℃，将平板放置于空气中进行冷却，周围空气温度为30℃，对流系数为110W/（m2℃）。求10分钟后平板内部的温度场及应力场分布（材料参数见表15-1）。图15-1平板横截面结构示意图表15-1材料性能参数温度℃弹性模量Gpa屈服强度Gpa切变模量Gpa导热系数W/(m·℃)线膨胀系数℃-1比热容J/（kg·℃）密度kg/m3泊松比钢302061.420.666.61.06E-0546078000.32001921.3319.84001751.1518.36001530.9215.68001250.6811.2铜301030.910.33831.75E-0539089000.3200990.850.98400900.750.89600790.620.75800580.450.52铁301181.041.1846.55.87E-0645070000.3200930.910.86400930.910.86600750.760.69800520.560.51该问题属于瞬态热应力问题，选择整体平板建立几何模型，选取SOLID5热-结构耦合单元进行求解。——附带光盘“Ch15\实例15－1_start”——附带光盘“Ch15\实例15－1_end”——附带光盘“AVI\Ch15\15－1.avi”1、定义工作文件名选择UtilityMenuFileChangeJobname命令，弹出ChangeJobname对话框，在Enternewjobname后面的文本框中输入EXERCISE15-1，选中Newloganderrorfiles复选框为Yes，单击OK按钮。2、定义工作标题选择UtilityMenuFileChangeTitle命令，弹出如图15-6所示的ChangeTitle对话框，在Enternewtitle后面的文本框中输入thermalstressesinsectionsincludingweldingseam，单击OK按钮。3、定义单元类型1、选择MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/Delete命令，弹出ElementTypes对话框。单击Add按钮，在弹出的LibraryofElementTypes对话框中，在左面的列表栏中选择CoupledField、VectorQuad13选项，在Elementtypereferencenumber输入“1”。如图15-2所示。图15-2单元类型选择对话框2、单击OK按钮，关闭LibraryofElementTypes对话框。在ElementTypes对话框中点击Option按钮，出现PLANE13elementtypeoptions对话框。在ElementdegreesoffreedomK1选项中选择UXUYTEMPAZ选项，如图13-3所示。单击OK按钮，关闭PLANE55elementtypeoptions对话框。点击Close按钮，关闭ElementType对话框。图15-3单元分析选项对话框4、定义材料性能参数1、选择MainMenuPreprocessorMaterialPropsMaterialModels,弹出DefineMaterialModelsBehavior对话框，默认材料编号1，点击对话框右侧的ThermalConductivityIsotropic,在弹出的对话框的热导率KXX中输入导热系数66.6，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureThermalExpansionSecantCoefficientIsotropic，在弹出的对话框中输入线膨胀系数1.06e-5，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureDensity选项，在弹出的对话框中输入密度7800，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureThermalSpecificHeat选项，在弹出的对话框中输入比热460，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureLinearElasticIsotropic选项，在弹出的对话框中单击AddTemperature按钮4次，参照图15-4进行设置，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureNonlinearInelasticRateIndependentKinematicHardeningPlasticityMisesPlasticityBilinear选项，在弹出的对话框中单击AddTemperature按钮4次，参照图15-5进行设置，单击OK按钮关闭该对话框。图15-3输入钢的弹性模量和泊松比的对话框图15-4输入钢的屈服强度和切变模量的对话框2、在DefineMaterialModelsBehavior对话框中选择MaterialNewModel命令，在DefineMaterialID文本框中输入2，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的ThermalConductivityIsotropic,在弹出的对话框的热导率KXX中输入导热系数383，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureThermalExpansionSecantCoefficientIsotropic，在弹出的对话框中输入线膨胀系数1.75e-5，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureDensity选项，在弹出的对话框中输入密度8900，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureThermalSpecificHeat选项，在弹出的对话框中输入比热390，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureLinearElasticIsotropic选项，在弹出的对话框中单击AddTemperature按钮4次，参照图15-5进行设置，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureNonlinearInelasticRateIndependentKinematicHardeningPlasticityMisesPlasticityBilinear选项，在弹出的对话框中单击AddTemperature按钮4次，参照图15-6进行设置，单击OK按钮关闭该对话框。图15-5输入铜的弹性模量和泊松比的对话框图15-6输入铜的屈服强度和切变模量的对话框3、在DefineMaterialModelsBehavior对话框中选择MaterialNewModel命令，在DefineMaterialID文本框中输入3，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的ThermalConductivityIsotropic,在弹出的对话框的热导率KXX中输入导热系数46.5，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureThermalExpansionSecantCoefficientIsotropic，在弹出的对话框中输入线膨胀系数5.87e-6，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureDensity选项，在弹出的对话框中输入密度7000，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureThermalSpecificHeat选项，在弹出的对话框中输入比热450，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureLinearElasticIsotropic选项，在弹出的对话框中单击AddTemperature按钮4次，参照图15-7进行设置，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureNonlinearInelasticRateIndependentKinematicHardeningPlasticityMisesPlasticityBilinear选项，在弹出的对话框中单击AddTemperature按钮4次，参照图15-8进行设置，单击OK按钮关闭该对话框。图15-7输入铁的弹性模量和泊松比的对话框图15-8输入铁的屈服强度和切变模量的对话框5、创建几何模型1、选择MainMenuPreprocessorModelingCreateKeypointsInActiveCS命令，弹出CreateKeypointsinActiveCoordinatorSystem对话框，如图15-9所示，在NPTKeypointnumber文本框中输入1，在X，Y，ZLocationinactiveCS文本框中依次输入0、0、0；点击Apply按钮，在NPTKeypointnumber文本框中输入2，在X，Y，ZLocationinactiveCS文本框中依次输入0.5、0、0；点击Apply按钮，在NPTKeypointnumber文本框中输入3，在X，Y，ZLocationinactiveCS文本框中依次输入1、0、0；点击Apply按钮，在NPTKeypointnumber文本框中输入4，在X，Y，ZLocationinactiveCS文本框中依次输入0、0.2、0；点击Apply按钮，在NPTKeypointnumber文本框中输入5，在X，Y，ZLocationinactiveCS文本框中依次输入0.4、0.2、0；点击Apply按钮，在NPTKeypointnumber文本框中输入6，在X，Y，ZLocationinactiveCS文本框中依次输入0.6、0.2、0；点击Apply按钮，在NPTKeypointnumber文本框中输入7，在X，Y，ZLocationinactiveCS文本框中依次输入1、0.2、0；单击OK按钮关闭该对话框。图15-9创建关键点对话框2、选择MainMenuPreprocessorModelingCreateAreasArbitraryThroughKPs命令，出现CreateAreathru菜单，在文本框中输入1，2，5，4，单击Apply按钮，在文本框中输入2，3，7，6，单击OK按钮关闭该对话框。3、选择UtilityMenuWorkPlaneChangeActiveCStoGlobalCylinder命令，将当前激活坐标系转变为柱坐标系。4、选择MainMenuPreprocessorModelingCreateLinesLinesInActiveCoord命令，出现LinesinActive菜单，在文本框中输入6，5，单击OK按钮关闭该菜单。5、选择UtilityMenuPlotCtrlsNumbering，弹出PlotNumberingControls对话框，在LINELinenumbers和AREAAreanumbers后选择on，单击OK按钮关闭该菜单。6、选择MainMenuPreprocessorModelingCreateAreasArbitraryByLines命令，出现CreateAreasByL菜单，在文本框中输入2，8，9，单击OK按钮关闭该菜单。7、选择UtilityMenuPlotArea命令，ANSYS显示窗口显示所生成的平面几何模型，如图15-10所示。图15-10生成的平面几何模型结果显示6、划分单元1、选择MainMenuPreprocessorMeshingSizeCntrlsManualSiz