有限元热力耦合详细步骤

第22章热－应力耦合分析实例温度的分布不均会导致部件内部产生热应力，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的部件，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。各类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分布的变化。为此，本章通过实例来讲解如何用ANSYS6.1来进行这类问题的分析。22.1问题描述一无限长的截面形状和尺寸如图22.1所示的厚壁双层圆管，其内、外层温度分别为Ti和To，材料数据和边界条件如表22.1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22.1双层管道的截面图表22.1材料性能参数表材料编号热导率(W/mm.oC)弹性模量(MPa)泊松比热膨胀系数(－oC-1)1(钢),内层0.02342.05E50.310.32(铝),外层0.1520.63E50.3320.7从上面描述的问题可以看出，本实例属于轴对称问题，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，故建立模型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成对应的结构分析单元类型，重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。昀后，观察并分析整个结构沿径向和周向的应力分布情况。22.2建立模型在ANSYS6.1中，首先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。22.2.1指定分析标题并设置分析范畴首先，指定本实例的分析路径、数据库的名称、分析标题。指定本实例的分析的标题为：“ThermalStressinConcentricCylinders-IndirectMethod”，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UtilityMenu|File|ChangeJobname，将弹出ChangeJobname(修改文件名)对话框，如图22.2所示。在Enternewjobname(输入新文件名)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22.2修改文件名对话框2．选取菜单路径UtilityMenu|File|ChangeTitle，将弹出ChangeTitle(修改标题)对话框，如图20.3所示。在Enternewtitle(输入新标题)文本框中输入文字“ThermalStressinConcentricCylinders-IndirectMethod”，为本分析实例的标题名。单击按钮，完成对标题名的指定。图22.3修改标题对话框3．选取菜单路径MainMenu|Preference，将弹出PreferenceofGUIFiltering(菜单过滤参数选择)对话框，如图22.4所示。单击对话框中的Thermal(热)复选框，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22.4指定分析范畴22.2.2定义单元类型根据本实例的结构特征，在热分析中选用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MainMenu|Preprocessor|ElementType|Add/Edit/Delete，将弹出ElementTypes(单元类型定义)对话框。单击对话框中的按钮，将弹出LibraryofElementTypes(单元类型库)对话框,如图22.5所示。图22.5定义单元类型PLANE772．在LibraryofElementType(单元类型库)对话框左边的滚动框中单击“ThermalSolid”，选择热实体单元类型。在右边的滚动框中单击“Quad8node77”选择8节点平面单元PLANE77。然后单击按钮，关闭LibraryofElementTypes(单元类型库)对话框。ElementTypes(单元类型)对话框中将列出定义的单元类型，如图22.6所示。图22.6定义的单元类型3．设置单元PLANE77的轴对称选项。单击图22.6所示对话框中的按钮，将弹出PLANE77elementtypeoptions(单元PLANE77的选项对话框)，如图22.7所示。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，单击按钮，关闭对话框。图22.7将单元设置为轴对称单元4．单击单元类型对话框中(图22.6)中的按钮关闭对话框，完成单元类型的定义。22.2.3定义材料热学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再定义，具体的操作如下：1．选取菜单路径MainMenu|Preprocessor|MaterialProps|MaterialModels，将弹出DefineMaterialModelBehavior(材料模型定义)对话框，如图22.8所示。图22.8材料模型定义对话框2．在图22.8所示的对话框右边列表框中，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22.9所示。图22.9定义材料类型1的热传导率3．在图22.9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22.10所示。图22.10定义的材料列表4．单击图22.10所示对话框中的菜单：Material|NewModel，将弹出DefineMaterialID(定义新材料编号)对话框，如图22.11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22.10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22.11定义新材料编号对话框5．重复步骤2～3，定义2号材料的热传导率为0.152W/mm.oC，单击图22.10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。22.2.4建立轴对称几何模型由于本实例符合轴对称条件，且他的轴向尺寸无限大，因此可以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．选取菜单路径MainMenu|Preprocessor|Modeling|Create|Rectangle|ByDimensions，弹出CreateRectanglebyDimensions(通过尺寸来创建矩形)对话框，图22.12所示。图22.12创建矩形面2．在弹出的对话框中，输入矩形四条边的X、Y坐标：X1=5.5、X2=10.8、Y1=0、Y2=1.5，单击按钮，在图形窗口中将显示创建的第一个矩形。由于单击的是按钮，故对话框会重新弹出。3．在重新弹出的CreateRectanglebyDimensions(通过尺寸来创建矩形)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22.13为创建的两个矩形面。图22.13创建的内外管道的轴对称面4．选取菜单路径MainMenu|Preprocessor|Modeling|Operate|Booleans|Glue|Areas，将弹出GlueArea(粘合面)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MainMenu|Preprocessor|NumberingCtrls|CompressNumbers，将弹出CompressNumbers(压缩序号)对话框，如图22.14所示。在对话框中的下拉框中选择选项“All”，单击按钮对，所有元素的序号进行压缩，并关闭对话框。图22.14压缩模型元素编号6．显示线、面的序号。选取菜单路径UtilityMenu|PlotCtrls|Numbering，将弹出PlotNumberingControls(序号显示控制)对话框，在对话框中单击LINE(线)和AREA(面)的复选框，将其设置为“On”，然后单击按钮关闭对话框。选取菜单路径UtilityMenu|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22.15所示。图22.15模型元素的序号22.2.5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。选取菜单路径MainMenu|Preprocessor|Meshing|MeshAttributes|PickedAreas，将弹出设置AreaAttributes(面的属性)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AreaAttributes(面的属性)对话框，如图22.16所示。图22.16设置面的属性2．在对话框中将Materialnumber(材料属性序号)设置为“1”，将单元类型Elementtypenumber设置为“1PLANE77”，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AreaAttributes(面的属性)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AreaAttributes(面的属性)对话框，如图22.16所示。在对话框中将Materialnumber(材料属性序号)设置为“2”，将单元类型Elementtypenumber设置为“1PLANE77”，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MainMenu|Preprocessor|Meshing|SizeCntrls|ManualSize|Global|Size，将弹出GlobalElementSizes(全局单元尺寸控制)对话框，如图22.17所示。在对话框中的Elementedgelength(单元边长度)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22.17设置单元尺寸5．单元划分。选取菜单路径MainMenu|Preprocessor|Meshing|Mesh|Areas|Free，将弹出MeshAreas(划分面网格)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22.18所示。图22.18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界条件并进行求解。22.3稳态热分析在完成了有限元模型的建立后，便可以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，然后进行本实例的热分析了。22.3.1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