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1、第第20章章 热热-应力耦合分析应力耦合分析 引子：引子：考考虑虑两两块块焊焊在在一一起起的的板板，它它们们有有不不同同的的热热膨膨胀胀系系数数。如如果果复复合合材材料料棒棒的的右右半半部部分分的的热热膨膨胀胀系系数数大大于于左左半半部部分分，当当其其受受热热时时将将会会发发生生图图示示的的弯曲现象，因为右半部分伸长比左半部分多。弯曲现象，因为右半部分伸长比左半部分多。问题：问题：如如何何施施加加热载荷？热载荷？如如何何进进行行耦合分析？耦合分析？20.1 热应力的产生热应力的产生v当当一一个个结结构构被被加加热热或或冷冷却却时时，如如果果满满足足下下列列条条件件，则在结构中只会发生自由热膨胀
2、，不会有应力出现：则在结构中只会发生自由热膨胀，不会有应力出现：均匀均匀只约束刚体运动只约束刚体运动在在整整个个结结构构中中除除了了一一个个均均匀匀的的温温度度变变化化外外没没有有其其它载荷它载荷v然然而而，如如果果温温度度变变化化均均匀匀，但但有有其其它它的的约约束束，或或者者有不同的热膨胀系数，那么结构中将会产生热应力。有不同的热膨胀系数，那么结构中将会产生热应力。20.1 热应力的产生热应力的产生(续续)v结结构构受受热热或或变变冷冷时时，由由于于热热胀胀冷冷缩产生变形缩产生变形v若若变变形形受受到到某某些些限限制制如如位位移移受受到到约约束束或或施施加加相相反反的的力力则则在在结结构中
3、构中 产生产生热应力热应力v产产生生热热应应力力的的另另一一个个原原因因是是由由于于材材料料不不同同而而形形成成的的不不均均匀匀变变形形(如如, 不同的热膨胀系数不同的热膨胀系数)约约束束产产生生热热 应力应力材料不同产材料不同产生热应力生热应力20.2 求解热求解热-应力问题的方法应力问题的方法v在在ANSYS中解决热中解决热-应力问题的方法有两种：应力问题的方法有两种：20.2 求解热求解热-应力问题的方法应力问题的方法(续续)v间接耦合间接耦合+传传统统方方法法：使使用用两两种种单单元元类类型型，将将热热分分析析的的结果做为结构温度载荷结果做为结构温度载荷+当当运运行行很很多多热热瞬瞬态
4、态时时间间点点但但结结构构时时间间点点很很少少时效率较高时效率较高+可以很容易地用输入文件实现自动处理可以很容易地用输入文件实现自动处理v直接耦合直接耦合+新新方方法法：使使用用一一种种单单元元类类型型就就能能求求解解两两种种物物理问题理问题+热问题和结构现象之间可实现真正的耦合热问题和结构现象之间可实现真正的耦合-在某些分析中可能耗费过多的时间在某些分析中可能耗费过多的时间20.3 间接耦合间接耦合热分析热分析结构分析结构分析jobname.rthjobname.rst温度温度间接耦合涉及到两个分析：间接耦合涉及到两个分析：1.首首先先做做一一个个稳稳态态(或或瞬瞬态态)热热分分析析建立热单
5、元模型建立热单元模型施加热载荷施加热载荷求解并查看结果求解并查看结果2.然后做静力结构分析然后做静力结构分析把单元类型转换成结构单元把单元类型转换成结构单元定定义义包包括括热热膨膨胀胀系系数数在在内内的的结构材料属性结构材料属性施施加加包包括括从从热热分分析析得得到到的的温温度在内的结构载荷度在内的结构载荷求解并查看结果求解并查看结果20.4 间接耦合的分析过程间接耦合的分析过程采采用用间间接接耦耦合合法法进进行行热热应应力力耦耦合分析的全过程合分析的全过程1.进进行行瞬瞬态态或或稳稳态态的的热热分分析析以以得得到结点温度到结点温度2.查查看看结结果果，并并确确定定温温度度梯梯度度较较大的时间
6、点大的时间点(或载荷步或载荷步)Main Menu: General PostProc 在每个对话框中输入对应值在每个对话框中输入对应值20.4 间接耦合的分析过程间接耦合的分析过程(续续)3.删除热载荷，并将分析从热分析转换到结构分析删除热载荷，并将分析从热分析转换到结构分析Main Menu: Preferencesa.选择结构分析。选择结构分析。b.单击单击OK。注注意意：如如果果在在开开始始分分析析时时没没有有明明确确指指定定热热分分析析，则则不需要转换分析类型。不需要转换分析类型。20.4 间接耦合的分析过程间接耦合的分析过程(续续)4.将单元类型从热分析转换到结构分析将单元类型从热
7、分析转换到结构分析Main Menu: Preprocessor Element Type Switch Element Type 或用或用 ETCHG 命令命令a.选择选择“thermal to structure”b.单击单击OK注注意意：转转换换单单元元类类型型时时，将将把把所所有有的的单单元元选选项项重重新新设设置置回回它它们们原原来来的的缺缺省省设设置置。例例如如：若若用用户户在在热热分分析析中中使使用用的的是是2-D轴轴对对称称单单元元，则则需需要要在在转转换换后后重重新新指指定定轴轴对对称称选选项项。因因此此，一一定定要要确确保保设设置置正正确确的的单单元选项。元选项。20.4
8、间接耦合的分析过程间接耦合的分析过程(续续)5.验证单元选项设置验证单元选项设置Main Menu:PreprocessorElement Type Add/Edit/Deletea.选定单元类型，然后选择选定单元类型，然后选择Optionb.验证验证, 如果需要可以更改如果需要可以更改c.选择选择OK或使用或使用 ETLIST 和和 KEYOPT 命令命令20.4 间接耦合的分析过程间接耦合的分析过程(续续)6.定定义义结结构构的的材材料料特特性性(EX等等)，特特别别注注意意不不要要忘忘记记输输入热膨胀系数入热膨胀系数(ALPX)和其它建模细节和其它建模细节Main Menu: Prepr
9、ocessor Materail Props -Constant- Isotropica.单击单击OKb.输输入入结结构构的的材材料料特特性性值值，包包括括热热膨膨胀胀系系数数ALPX，然后单击然后单击OK注注意意：如如果果没没有有定定 义义 ALPX或或 将将该该项项设设置置为为0，则则不不能能计计算算热热应应变变。用用户户可可以以使使用用该该项项技技巧巧 “关关闭闭” 温度的影响温度的影响!20.4 间接耦合的分析过程间接耦合的分析过程(续续)7.指定静力分析类型和分析选项。指定静力分析类型和分析选项。a.选选择择分分析析类类型型（缺缺省省是是静静态态，该该步步仅仅在在热热分分析析类类型型
10、为为瞬态时使用）瞬态时使用）Main Menu: Solution -Analysis Type- New Analysis20.4 间接耦合的分析过程间接耦合的分析过程(续续)b.选择分析选项选择分析选项Main Menu: Solution Analysis Options20.4 间接耦合的分析过程间接耦合的分析过程(续续)8.施加结构载荷并包括温度作为加载的一部分施加结构载荷并包括温度作为加载的一部分Main Menu: Solution -Load- Apply -Structure- Temperature From Therm Analya.输输入入期期望望的的载载荷荷步步和和子
11、子步步号号(缺缺省省为为第第一一个个载载荷荷步和最后一个子步步和最后一个子步)b. 选择热分析的选择热分析的 结果文件，以结果文件，以rth为扩展名为扩展名c. 单击单击OK20.4 间接耦合的分析过程间接耦合的分析过程(续续)9.画图核定温度画图核定温度a. PlotCtrls Symbols.b. Choose None in Boundary Cond. Symbolc. Turn “body load symbol” to “structural temps”d. Choose Do not replot10.指定载荷步选项指定载荷步选项Main Menu: Solution在每个对话
12、框中输入对应值在每个对话框中输入对应值11.开始求解开始求解Main Menu: Solution20.5 直接耦合直接耦合v直直接接耦耦合合通通常常只只涉涉及及用用耦耦合合单单元元的的分析，该单元包括必要的自由度分析，该单元包括必要的自由度1.首首先先用用以以下下耦耦合合单单元元之之一一建建立立模模型并划分网格型并划分网格vPLANE13 (板实体单元板实体单元)vSOLID5 (六面体单元六面体单元)vSOLID98 (四四 面面 体体 单单 元元tetrahedron)2.在在模模型型上上施施加加结结构构载载荷荷、热热载载荷荷及约束及约束3.求求解解并并查查看看热热分分析析结结果果和和结
13、结构构分分析结果析结果合并的合并的热分析热分析结构分析结构分析jobname.rst20.6 间接耦合和直接耦合的比较间接耦合和直接耦合的比较v间接耦合间接耦合对对不不是是高高度度非非线线性性的的耦耦合合情情况况, 间间接接方方法法更更有有效效，更更灵灵活活，因因为为可可以以相相互互独独立地执行两种分析立地执行两种分析在在间间接接热热-应应力力分分析析中中，例例如如，在在非非线线性性瞬瞬态态热热分分析析之之后后可可以以紧紧接接着着进进行行线线性性静静力力分分析析。然然后后可可以以把把热热分分析析中中任任意意荷荷载载步步或或时时间间点点的的节节点点温温度度作作为为应应力力分析的载荷分析的载荷v直
14、接耦合直接耦合对对耦耦合合场场的的相相互互作作用用是是高高度度非非线线性性的的情情况况，直直接接方方法法优优先先，并并且且该该方方法法在在用用耦耦合合公公式式单单一一求求解时是最好的解时是最好的 直直接接耦耦合合的的例例子子包包括括压压电电分分析析, 有有流流体体流流动动的的共共轭轭传传热热问问题及电路电磁分析题及电路电磁分析20.7 耦合场分析方法的选择耦合场分析方法的选择直接方法直接方法v最最适适合合于于那那种种耦耦合合效效应应是是循循环环的的双双向向耦耦合合的情况的情况v真真正正的的“多多物物理理场场”分析分析v不能用于非线形不能用于非线形v非非常常好好但但耗耗费费时时间间较较长长(全自
15、由度设置全自由度设置)v例例子子:结结构构特特性性随随温温度而变的分析度而变的分析间接方法间接方法v最最适适合合于于那那种种单单向向耦耦合合的的情情况况,一一种种分分析析的的结结果果能能够够影影响响到到另另一一种种分分析析,反反之之不不能能v独立进行两种分析独立进行两种分析,较灵活较灵活v不能用于非线形不能用于非线形v非非常常好好但但耗耗费费时时间间较较长长(全全自由度设置自由度设置)v例例子子:结结构构特特性性随随温温度度而而变变的分析的分析v涡流的焦耳热涡流的焦耳热20.8 其它耦合场分析其它耦合场分析 定定义义耦耦合合场场分分析析：耦耦合合场场分分析析考考虑虑了了两两个个或或多多个个工工程学科间的相互耦合作用程学科间的相互耦合作用 Examples Applications Thermal-stress Pressure vessels Magnetic-thermal Induction heating Electromagnetic Transmission lines Piezoelectric Ultrasonic transducers Fluid-structural Airplane wing
