1、.轉載 熱 結構耦合分析原文地址：熱-構造耦合分析 可樂雞翅熱-構造耦合問題是構造分析中通常遇到的一類耦合分析問題.由于構造溫度場的分布不均會引起構造的熱應力,或者構造部件在高溫環境中工作,材料受到溫度的影響會發生性能的改變,這些都是進展構造分析時需要考慮的因素.為此需要先進展相應的熱分析,然后在進展構造分析.熱分析用于計算一個系統或部件的溫度分布及其它熱物理參數,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中進展穩態,瞬態熱分析的根本過程,并講解如何完好的進展熱-構造耦合分析.21.1熱-構造耦合分析簡介熱-構造耦合分析是指求解溫度場對構造中應力,應變和位移等物理量

2、影響的分析類型.對于熱-構造耦合分析,在ANSYS中通常采用順序耦合分析方法,即先進展熱分析求得構造的溫度場,然后再進展構造分析.且將前面得到的溫度場作為體載荷加到構造中,求解構造的應力分布.為此,首先需要理解熱分析的根本知識,然后再學習耦合分析方法.21.1.1熱分析根本知識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點的溫度,并導出其它熱物理參數.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能的交換.熱對流是指固體的外表和與它

3、周圍接觸的流體之間,由于溫差的存在引起的熱量的交換.熱輻射指物體發射電磁能,并被其它物體吸收轉變為熱的熱量交換過程.假設系統的凈熱流率為0,即流入系統的熱量加上系統自身產生的熱量等于流出系統的熱量：q流入+q生成-q流出=0,那么系統處于熱穩態.在穩態熱分析中任一節點的溫度不隨時間變化.瞬態傳熱過程是指一個系統的加熱或冷卻過程.在這個過程中系統的溫度,熱流率,熱邊界條件以及系統內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,其中純粹用于熱分析的有14種,它們如表21.1所示.表21.1熱分析

4、單元列表單元類型名稱呼明線性LINK32 LINK33 LINK34 LINK31兩維二節點熱傳導單元三維二節點熱傳導單元二節點熱對流單元二節點熱輻射單元二維實體PLANE55 PLANE77 PLANE35 PLANE75 PLANE78四節點四邊形單元八節點四邊形單元三節點三角形單元四節點軸對稱單元八節點軸對稱單元三維實體SOLID87 SOLID70 SOLID90六節點四面體單元八節點六面體單元二十節點六面體單元殼SHELL57四節點四邊形殼單元點MASS71節點質量單元21.1.2耦合分析在ANSYS中可以進展的熱耦合分析有：熱-構造耦合,熱-流體耦合,熱-電耦合,熱-磁耦合,熱-電

5、-磁-構造耦合等,因為本書主要講解構造實例分析,所以著重講解熱-構造耦合分析.在ANSYS中通?？梢杂脙煞N方法來進展耦合分析,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展耦合.典型的例子就是熱-應力順利耦合分析,熱分析中得到節點溫度作為"體載荷"施加到隨后的構造分析中去.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陣或載荷向量矩陣或載荷向量的方式進展耦合.典型的例子是使用了SOLID45,PLANE1

6、3或SOLID98單元的壓電分析.進展順序耦合場分析可以使用間接法和物理環境法.對于間接法,使用不同的數據庫和結果文件,每個數據庫包含適宜的實體模型,單元,載荷等.可以把一個結果文件讀入到另一個數據庫中,但單元和節點數量編號在數據庫和結果文件中必須是一樣的.物理環境方法整個模型使用一個數據庫.數據庫中必須包含所有的物理分析所需的節點和單元.對于每個單元或實體模型圖元,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.但在每個物理環境中,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-構造耦合分析,通常采用間接法順序耦合分析,其

7、數據流程如圖21.1所示.圖21.1間接法順序耦合分析數據流程圖21.2穩態熱分析穩態傳熱用于分析穩定的熱載荷對系統或部件的影響.通常在進展瞬態熱分析以前,需要進展穩態熱分析來確定初始溫度分布.穩態熱分析可以通過有限元計算確定由于穩定的熱載荷引起的溫度,熱梯度,熱流率,熱流密度等參數.ANSYS穩態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建模穩態熱分析的模型和前面的構造分析模型建立過程根本一樣.不同的就是需要在菜單過慮對話框中將分析類型指定為熱分析,這樣才能使菜單項選擇項為熱分析選項,單元類型也為熱分析的單元類型,另外在材料定義時需要定義相應的熱性能參數

8、,下面為大概操作步驟.1.確定jobname,title,unit；2.進入PREP7前處理,定義單元類型,設定單元選項；3.定義單元實常數；4.定義材料熱性能參數,對于穩態傳熱,一般只需定義導熱系數,它可以是恒定的,也可以隨溫度變化；5.創立幾何模型并劃分網格,請參閱構造分析的建模步驟.21.2.2施加載荷計算熱分析跟前面講解的構造分析相比,區別在于指定的載荷為溫度邊條.通常可施加的溫度載荷有恒定的溫度,熱流率,對流,熱流密度和生熱率五種.另外在分析選項中也包含非線性選項,結果輸出選項等需要根據情況進展設置.1.定義分析類型1假設進展新的熱分析,那么使用下面命令或菜單途徑：COMMAND：A

9、NTYPE,STATIC,NEW GUI：Main menu|Solution|-Analysis Type-|New Analysis|Steady-state2假設繼續上一次分析,比方增加邊界條件等,那么需要進展重啟動功能：COMMAND：ANTYPE,STATIC,REST GUI：Main menu|Solution|Analysis Type-|Restart 2.施加載荷可以直接在實體模型或單元模型上施加五種載荷邊界條件.1恒定的溫度：通常作為自由度約束施加于溫度的邊界上.COMMAND：D GUI：Main Menu|Solution|-Loads-Apply|-Thermal-

10、Temperature2熱流率：熱流率作為節點集中載荷,主要用于線單元模型中通常線單元模型不能施加對流或熱流密度載荷,假設輸入的值為正,代表熱流流入節點,即單元獲取熱量.假設溫度與熱流率同時施加在一節點上,那么ANSYS讀取溫度值進展計算.注意：假設在實體單元的某一節點上施加熱流率,那么此節點周圍的單元要密一些,在兩種導熱系數差異很大的兩個單元的公共節點上施加熱流率時,尤其要注意.此外,盡可能使用熱生成或熱流密度邊界條件,這樣結果會更準確些.COMMAND：F GUI：Main Menu|Solution|-Loads-Apply|-Thermal-Heat Flow3對流：對流邊界條件作為面

11、載施加于實體的外外表,計算與流體的熱交換.它僅可施加于實體和殼模型上,對于線模型,可以通過對流線單元LINK34考慮對流.COMMAND：SF GUI：Main Menu|Solution|-Loads-Apply|-Thermal-Convection4熱流密度：熱流密度也是一種面載荷.當通過單位面積的熱流率或通過FLOTRAN CFD計算得到時,可以在模型相應的外外表施加熱流密度.假設輸入的值為正,代表熱流流入單元.熱流密度也僅適用于實體和殼單元.熱流密度與對流可以施加在同一外外表,但ANSYS僅讀取最后施加的面載荷進展計算.COMMAND：F GUI：Main Menu|Solution

12、|-Loads-Apply|-Thermal-Heat Flux5生熱率：生熱率作為體載施加于單元上,可以模擬化學反響生熱或電流生熱.它的單位是單位體積的熱流率.COMMAND：BF GUI：Main Menu|Solution|-Loads-Apply|-Thermal-Heat Generat 3.確定載荷步選項對于一個熱分析,可以確定普通選項,非線性選項以及輸出控制.熱分析的載荷不選項和構造靜力分析中的載荷步一樣,讀者可以參閱本書構造靜力分析部分的相關內容或根本分析過程中關于載荷步選項的內容.這里就不再詳細講解了.4.確定分析選項在這一步需要選擇求解器,并確定絕對零度.在進展熱輻射分析時

13、,要將目前的溫度值換算為絕對溫度.假設使用的溫度單位是攝氏度,此值應設定為273；如果使用的是華氏度,那么為460.Command：TOFFST GUI：Main Menu|Solution|Analysis Options 5.求解在完成了相應的熱分析選項設定之后,便可以對問題進展求解了.Command：SOLVE GUI：Main Menu|Solution|Current LS 21.2.3后處理ANSYS將熱分析的結果寫入*.rth文件中,它包含如下數據信息：1根本數據：節點溫度2導出數據：節點及單元的熱流密度節點及單元的熱梯度單元熱流率節點的反作用熱流率其它對于穩態熱分析,可以使用P

14、OST1進展后處理.關于后處理的完好描繪,可參閱本書第四章中關于利用通用后處理器進展結果觀察分析的講解.下面是幾個關鍵操作的命令和菜單途徑.1.進入POST1后,讀入載荷步和子步：COMMAND：SET GUI：Main Menu|General Postproc|-Read Results-By Load Step 2.在熱分析中可以通過如下三種方式查看結果：彩色云圖顯示COMMAND：PLNSOL,PLESOL,PLETAB等GUI：Main Menu|General Postproc|Plot Results|Nodal Solu,Element Solu,Elem Table矢量圖顯示

15、COMMAND：PLVECT GUI：Main Menu|General Postproc|Plot Results|Pre-defined or Userdefined列表顯示COMMNAD：PRNSOL,PRESOL,PRRSOL等GUI：Main Menu|General Postproc|List Results|Nodal Solu,Element Solu,Reaction Solu 21.3瞬態傳熱分析瞬態熱分析用于計算一個系統隨時間變化的溫度場及其它熱參數.在工程上一般用瞬態熱分析計算溫度場,并將之作為熱載荷進展應力分析.瞬態熱分析的根本步驟與穩態熱分析類似.主要的區別是瞬態熱

16、分析中的載荷是隨時間變化的.為了表達隨時間變化的載荷,首先必須將載荷時間曲線分為載荷步.載荷時間曲線中的每一個拐點為一個載荷步,如以以下圖所示.圖21.2瞬態熱分析載荷-時間曲線對于每一個載荷步,必須定義載荷值荷對應的時間值,同時必須指定載荷步的施加方式為漸變或階越.21.3.1建模一般瞬態熱分析中,定義材料性能時要定義導熱系數,密度及比熱,其余建模過程與穩態熱分析類似,這里就不再贅述.21.3.2加載求解和其它ANSYS中進展的分析一樣,瞬態熱分析進展加載求解時同樣需要完成如下的工作.包括定義分析類型,定義初始條件,施加載荷,指定載荷步選項,指定結果輸出選項以及最后進展求解.1.定義分析類型

17、指定分析類型為瞬態分析,通用可以進展新的分析或進展重啟動分析.2.獲得瞬態熱分析的初始條件1定義均勻溫度場假設模型的起始溫度是均勻的,可設定所有節點初始溫度Command：TUNIF GUI：Main Menu|Solution|-Loads-|Settings|Uniform Temp假設不在對話框中輸入數據,那么默認為參考溫度.參考溫度的值默認為零,但可通過如下方法設定參考溫度：Command：TREF GUI：Main Menu|Solution|-Loads-|Settings|Reference Temp注意：設定均勻的初始溫度,與如下的設定節點的溫度自由度其作用不同.Command

18、：D GUI：Main Menu|Solution|-Loads-|Apply|-Thermal-|Temperature|On Nodes初始均勻溫度僅對分析的第一個子步有效；而設定節點溫度將保持貫穿整個瞬態分析過程,除非通過以下方法刪除此約束：Command：DDELE GUI：Main Menu|Solution|-Loads-|Delete|-Thermal-Temperature|On Nodes2設定非均勻的初始溫度在瞬態熱分析中,用下面的命令或菜單途徑可以將節點溫度設定為不同的值.Command：IC GUI：Main Menu|Solution|Loads|Apply|-Ini

19、tial Condit'n|Define假設初始溫度場是不均勻的且又是未知的,就必須首先作穩態熱分析確定初始條件.設定載荷如的溫度,熱對流等將時間積分設置為OFF：Command：TIMINT,OFF GUI：Main Menu|Preprocessor|Loads|-Load Step Opts-Time/Frequenc|Time Integration設定一個只有一個子步的,時間很小的載荷步例如0.001：Command：TIME GUI：Main Menu|Preprocessor|Loads|-Load Step Opts-Time/Frequenc|Time and Sub

20、stps寫入載荷步文件：Command：LSWRITE GUI：Main Menu|Preprocessor|Loads|Write LS File或先求解：Command：SOLVE GUI：Main Menu|Solution|Solve|Current LS注意：在第二載荷步中,要刪去所有設定的溫度,除非這些節點的溫度在瞬態分析與穩態分析一樣.3.設定載荷步選項進展瞬態熱分析需要指定的載荷步選項和進展瞬態構造分析一樣,主要有普通選項,非線性選項和輸出控制選項.1普通選項時間：本選項設定每一載荷步完畢時的時間.Command：TIME GUI：Main Menu|Solution|-Loa

21、d Step Opts-Time/Frequenc|Time and Substps每個載荷步的載荷子步數,或時間增量.對于非線性分析,每個載荷步需要多個載荷子步.時間步長的大小關系到計算的精度.步長越小,計算精度越高,同時計算的時間越長.根據線性傳導熱傳遞,可以按如下公式估計初始時間步長：ITS=24其中為沿熱流方向熱梯度最大處的單元的長度,為導溫系數,它等于導熱系數除以密度與比熱的乘積=kc.Command：NSUBST or DELTIM GUI：Main Menu|Solution|-Load Step Opts-|Time/Frequenc|Time and Substps假設載荷值

22、在這個載荷步是恒定的,需要設為階越選項；假設載荷值隨時間線性變化,那么要設定為漸變選項.可以下面命令或菜單途徑來實現.Command：KBC GUI：Main Menu|Solution|-Load Step Opts-|Time/Frequenc|Time and Substps2非線性選項迭代次數：每個子步默認的次數為25,這對大多數非線性熱分析已經足夠.假設分析的問題不容易收斂,可以通過下面的命令來指定迭代次數.Command：NEQIT GUI：Main Menu|Solution|-Load step opts|Nonlinear|Equilibrium Iter自動時間步長：本選項

23、為ON時,在求解過程中將自動調整時間步長.Command：AUTOTS GUI：Main Menu|Solution|-Load Step Opts-|Time/Frequenc|Time and Substps時間積分效果：假設將此選項設定為OFF,將進展穩態熱分析.Command：TIM1INT GUI：Main Menu|Solution|-Load Step Opts-|Time/Frequenc|Time Integration GUI：Main Menu|Solution|-Load Step Opts-|Output Ctrls|DB/Results File 4.在定義完所有求

24、解分析選項后,進展結果求解.21.3.3結果后處理對于瞬態熱分析,ANSYS提供兩種后處理方式.通用后處理器POST1,可以對整個模型在某一載荷步時間點的結果進行后處理；Command：POST1 GUI：Main Menu|General Postproc.時間-歷程后處理器POST26,可以對模型中特定點在所有載荷步整個瞬態過程的結果進展后處理.Command：POST26 GUI：Main Menu|TimeHist Postproc 1.用POST1進展后處理進入POST1后,可以讀出某一時間點的結果.Command：SET GUI：Main Menu|General Postproc

25、|Read Results|By Time/Freq假設設定的時間點不在任何一個子步的時間點上,ANSYS會進展線性插值.此外,還可以讀出某一載荷步的結果.GUI：Main Menu|General Postproc|Read Results|By Load Step然后,就可以采用與穩態熱分析類似的方法,對結果進展彩色云圖顯示,矢量圖顯示,打印列表等后處理.2,用POST26進展后處理首先,要定義變量.Command：NSOL or ESOL or RFORCE GUI：Main Menu|TimeHist Postproc|Define Variables然后,就可以繪制這些變量隨時間變化

26、的曲線.Command：PLVAR GUI：Main Menu|TimeHist Postproc|Graph Variables或列表輸出Command：PRVAR GUI：Main Menu|TimeHist Postproc|List Variables 21.4熱-構造耦合分析前面講了熱-構造耦合分析是一種間接法順序耦合分析的典型例子.其主要分三步完成：1.進展熱分析,求得構造的的溫度場；2.將模型中的單元轉變為對應的構造分析單元,并將第一步求得的熱分析構造當作體載荷施加到節點上；3.定義其余構造分析需要的選項,并進展構造分析.前面已經介紹了如何單獨進展熱分析和構造分析,下面介紹如何轉