第20章 热-应力耦合分析实例

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1、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

2、，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，

3、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

4、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UtilityMenu>File>ChangeJobname，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(ChangeJobn

5、ame)对话框2．选取菜单路径UtilityMenu>File>ChangeTitle，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MainMenu>Preference，将弹出菜单过滤参数选择(PreferenceofGUIFilteri

6、ng)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MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/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

7、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

8、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“A