ansys 熱 結構耦合分析

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1、第21章熱－結構耦合分析熱－結構耦合問題是結構分析中通常遇到的一類耦合分析問題。由于結構溫度場的分布不均會引起結構的熱應力，或者結構部件在高溫環(huán)境中工作，材料受到溫度的影響會發(fā)生性能的改變，這些都是進行結構分析時需要考慮的因素。為此需要先進行相應的熱分析，然后在進行結構分析。熱分析用于計算一個系統(tǒng)或部件的溫度分布及其它熱物理參數(shù)，如熱量的獲取或損失、熱梯度、熱流密度（熱通量）等。本章主要介紹在ANSYS中進行穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)熱分析的基本過程，并講解如何完整的進行熱－結構耦合分析。21.1熱－結構耦合分析簡介熱－結構耦合分析是指求解溫度場對結構中應力、應變和位移等物理量

2、影響的分析類型。對于熱－結構耦合分析，在ANSYS中通常采用順序耦合分析方法，即先進行熱分析求得結構的溫度場，然后再進行結構分析。且將前面得到的溫度場作為體載荷加到結構中，求解結構的應力分布。為此，首先需要了解熱分析的基本知識，然后再學習耦合分析方法。21.1.1熱分析基本知識ANSYS熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計算各節(jié)點的溫度，并導出其它熱物理參數(shù)。ANSYS熱分析包括熱傳導、熱對流及熱輻射三種熱傳遞方式。此外，還可以分析相變、有內(nèi)熱源、接觸熱阻等問題。熱傳導可以定義為完全接觸的兩個物體之間或一個物體的不同部分之間由于溫度梯度而引起的內(nèi)能的

3、交換。熱對流是指固體的表面和與它周圍接觸的流體之間，由于溫差的存在引起的熱量的交換。熱輻射指物體發(fā)射電磁能，并被其它物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過程。如果系統(tǒng)的凈熱流率為0，即流入系統(tǒng)的熱量加上系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱量等于流出系統(tǒng)的熱量：q流入+q生成-q流出=0，則系統(tǒng)處于熱穩(wěn)態(tài)。在穩(wěn)態(tài)熱分析中任一節(jié)點的溫度不隨時間變化。瞬態(tài)傳熱過程是指一個系統(tǒng)的加熱或冷卻過程。在這個過程中系統(tǒng)的溫度、熱流率、熱邊界條件以及系統(tǒng)內(nèi)能隨時間都有明顯變化。ANSYS熱分析的邊界條件或初始條件可分為七種：溫度、熱流率、熱流密度、對流、輻射、絕熱、生熱。熱分析涉及到的單元有大約40種，其中純

4、粹用于熱分析的有14種，它們?nèi)绫?1.1所示。表21.1熱分析單元列表單元類型名稱說明LINK32兩維二節(jié)點熱傳導單元LINK33三維二節(jié)點熱傳導單元線性LINK34二節(jié)點熱對流單元LINK31二節(jié)點熱輻射單元PLANE55四節(jié)點四邊形單元PLANE77八節(jié)點四邊形單元二維實體PLANE35三節(jié)點三角形單元PLANE75四節(jié)點軸對稱單元PLANE78八節(jié)點軸對稱單元SOLID87六節(jié)點四面體單元三維實體SOLID70八節(jié)點六面體單元SOLID90二十節(jié)點六面體單元殼SHELL57四節(jié)點四邊形殼單元點MASS71節(jié)點質(zhì)量單元21.1.2耦合分析在ANSYS中能夠進

5、行的熱耦合分析有：熱－結構耦合、熱－流體耦合、熱－電耦合、熱－磁耦合、熱－電－磁－結構耦合等，因為本書主要講解結構實例分析，所以著重講解熱－結構耦合分析。在ANSYS中通?？梢杂脙煞N方法來進行耦合分析，一種是順序耦合方法，另一種是直接耦合方法。順序耦合方法包括兩個或多個按一定順序排列的分析，每一種屬于某一物理分析。通過將前一個分析的結果作為載荷施加到下一個分析中的方式進行耦合。典型的例子就是熱－應力順利耦合分析，熱分析中得到節(jié)點溫度作為“體載荷”施加到隨后的結構分析中去。直接耦合方法，只包含一個分析，它使用包含多場自由度的耦合單元。通過計算包含所需物理量的單元矩

6、陣或載荷向量矩陣或載荷向量的方式進行耦合。典型的例子是使用了SOLID45、PLANE13或SOLID98單元的壓電分析。進行順序耦合場分析可以使用間接法和物理環(huán)境法。對于間接法，使用不同的數(shù)據(jù)庫和結果文件，每個數(shù)據(jù)庫包含合適的實體模型、單元、載荷等。可以把一個結果文件讀入到另一個數(shù)據(jù)庫中，但單元和節(jié)點數(shù)量編號在數(shù)據(jù)庫和結果文件中必須是相同的。物理環(huán)境方法整個模型使用一個數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫中必須包含所有的物理分析所需的節(jié)點和單元。對于每個單元或?qū)嶓w模型圖元，必須定義一套屬性編號，包括單元類型號，材料編號，實常數(shù)編號及單元坐標編號。所有這些編號在所有物理分析中是不變的

7、。但在每個物理環(huán)境中，每個編號對應的實際的屬性是不同的。對于本書要講解的熱－結構耦合分析，通常采用間接法順序耦合分析,其數(shù)據(jù)流程如圖21.1所示。圖21.1間接法順序耦合分析數(shù)據(jù)流程圖21.2穩(wěn)態(tài)熱分析穩(wěn)態(tài)傳熱用于分析穩(wěn)定的熱載荷對系統(tǒng)或部件的影響。通常在進行瞬態(tài)熱分析以前，需要進行穩(wěn)態(tài)熱分析來確定初始溫度分布。穩(wěn)態(tài)熱分析可以通過有限元計算確定由于穩(wěn)定的熱載荷引起的溫度、熱梯度、熱流率、熱流密度等參數(shù)。ANSYS穩(wěn)態(tài)熱分析可分為三個步驟：?前處理：建模?求解：施加載荷計算?后處理：查看結果21.2.1建模穩(wěn)態(tài)熱分析的模型和前面的結構分析模型建立過程基本相同。不同

8、的就是需要在菜單過慮對話