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双层管道的截面图表20.1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，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UtilityMenuFileChangeJobname，将弹出修改文件名(ChangeJobname)对话框，如图20.2所示。在输入新文件名(Enternewjobname)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(ChangeJobname)对话框2．选取菜单路径UtilityMenuFileChangeTitle，将弹出修改标题(ChangeTitle)对话框，如图20.3所示。在输入新标题(Enternewtitle)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20.3修改标题(ChangeTitle)对话框3．选取菜单路径MainMenuPreference，将弹出菜单过滤参数选择(PreferenceofGUIFiltering)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MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/Delete，将弹出单元类型定义(ElementTypes)对话框。单击对话框中的按钮，将弹出单元类型库(LibraryofElementTypes)对话框,如图20.5所示。图20.5定义单元类型PLANE772．在对话框单元类型库(LibraryofElementType)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，关闭单元类型库(LibraryofElementTypes)对话框。单元类型(ElementTypes)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(PLANE77elementtypeoptions)，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MainMenuPreprocessorMaterialPropsMaterialModels，将弹出材料模型定义(DefineMaterialModelBehavior)对话框，如图20.8所示。图20.8材料模型定义(DefineMaterialModelBehavior)对话框2．在依次双击ThermalConductivityIsotropic，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：MaterialNewModel，将弹出定义新材料编号(DefineMaterialID)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(DefineMaterialID)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20.10所示对话框中的菜单MaterialExit，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MainMenuPreprocessorModelingCreateRectangleByDimensions，弹出通过尺寸来创建矩形(CreateRectanglebyDimensions)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(CreateRectanglebyDimensions)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MainMenuPreprocessorModelingOperateBooleansGlueAreas，将弹出粘合面(GlueArea)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MainMenuPreprocessorNumberingCtrlsCompressNumbers，将弹出压缩序号(CompressNumbers)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UtilityMenuPlotCtrlsNumbering，将弹出序号显示控制(PlotNumberingControls)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UtilityMenuPlotReplot，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MainMenuPreprocessorMeshingMeshAttributesPickedAreas，将弹出设置面的属性(AreaAttributes)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(AreaAttributes)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(Materialnumber)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面的属性(AreaAttributes)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(AreaAttributes)对话框，如图20.16所示。在对话框中将材料属性序号(Materialnumber)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MainMenuPreprocessorMeshingSizeCntrlsManualSizeGlobalSize，将弹出全局单元尺寸控制(GlobalElementSizes)对话框，如图20.17所示。在对话框中的单元边长度(Elementedgelength)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MainMenuPreprocessorMeshingMeshAreasFree，将弹出划分面网格(MeshAreas)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