8-2传热及温度应力分析ANSYS算例.pdf )-资料库

TH-FEA(应用实例-UNIT2) 清华大学曾攀 UNIT 2 传热及温度应力分析 ANSYS 应用实例学习要点：【ANSYS 应用实例 2.1】焊接接头稳态传热过程的数值模拟【ANSYS 应用实例 2.2】桁架结构的温度及装配应力分析【ANSYS 应用实例 2.3】钢制圆柱冷却过程温度场的瞬态分析【ANSYS 应用实例 2.1】焊接接头稳态传热过程的数值模拟如图 2-1 所示，圆形的冷凝管通过法兰接头进行对接。接头的制作方法如下：先把法兰移动到圆管接头位置，然后沿圆周焊接两道次，把法兰连接到圆管上。用螺栓把两个法兰接头拉紧，法兰之间压上一块垫片。圆管内的液体温度为 0℃，蒸汽冷凝在圆管的外表面上，蒸汽温度为 100℃。圆管内表面换热系数为 5000W/m2K，外表面换热系数为 20000 W/m2K。圆管和法兰材料的导热系数为 20W/mK，弹性模量为 2 10× 5 MPa，泊松比为 0.3，线膨胀系数为 2.1 × 510 − /K。分析在圆管和法兰内的稳态温度分布及热应力分布。图 2-1 一个典型的焊接接头建模要点根据换热边界条件和接头几何结构，圆管接头内的传热是轴对称的。法兰接头的结合面是接头的对称面，只需要建立法兰接头的二分之一模型。圆管长度AB取 156mm，焊接接头的斜度为 45o，接头截面形状及其几何参数如图 2-2（a）所示。根据热量传递的对称性，截面上AH和BC边是绝热边界，边界AB、CDEFGH是对流换热边界。在 ANSYS 环境中，设置分析类型、单元类型，输入材料参数。温度场分析选择 8 节点 4 边形单元 PLANE77，热应力分析选择 8 节点 4 边形单元 PLANE82。建立几何模型时，长度单位取 mm，换热系数和导热系数的单元也要进行相应的换算。 UNIT2-1

TH-FEA(应用实例-UNIT2) 清华大学曾攀根据接头截面端点的坐标生成关键点，由关键点连接成直线段，由直线段构成截面，再划分单元网格。在 ANSYS 中，轴对称分析的对称轴是 y 轴。定义对流换热边界条件，先计算稳态场。再定义位移约束条件，稳态温度分布作为分布载荷定义到节点上，计算热应力分布。首先分析轴对称的稳态温度场，通过命令< ETCHT,TTS >将转换单元类型转化为结构分析。通过结果文件读取命令读入温度场计算结果，把稳态温度场作为载荷施加到单元上，再定义单元属性、材料参数和约束条件。在后处理中，以云纹图或等值线方式显示温度分布，通过命令< PLVECT >以矢量图方式显示热流分布。注意单位的换算和匹配。 (a) 几何参数 (b) 有限元网格图 2-2 焊接接头的几何参数及有限元网格解答：以下为基于 ANSYS 图形界面(GUI)的菜单操作流程；注意：符号“→”表示针对菜单中选项的鼠标点击操作。 1 基于图形界面的交互式操作(step by step) (1) 进入 ANSYS 程序 → ANSYS → ANSYS Product Launcher → File Management, Working Directory: D:\analysis (设定工作目录)(Browse)，Job Name: joint (设定工作文件) → Run (2)设置不显示日期和时间 Utility Menu: PlotCtrls →Window Controls →Window Options→DATE DATE/TIME display: NO DATE or TIME (3) 设置计算类型 Main Menu: Preferences… → select Thermal, steady → OK (4) 选择单元类型 Main Menu: Preprocessor → Element Type → Add/Edit/Delete → Add → Thermal Solid， Quad 8noda 77 → OK Option →K3: Axisymmetric → Close (5) 定义材料参数 Main Menu: Preprocessor → Material Props → Material Models → Material Models Available → Thermal（双击打开子菜单） → Conductivity（双击） → Isotropic（双击） → KXX：0.02 (导热系数) → OK → 关闭材料定义菜单（点击菜单的右上角X） UNIT2-2

TH-FEA(应用实例-UNIT2) 清华大学曾攀 (6) 生成几何模型 Main Menu: Preprocessor → Modeling → Create → Keypoints → In Active CS → NPT Keypoint number： 1 , X Y Z Location in active CS： (77,0,0) → Apply → 同样输入其余 7 个关键点坐标, 分别为 2(156，0，0), 3(156，39，0), 4(102，39，0), 5(102，48，0), 6(84，66，0), 7(84，156，0), 8(77，156， 0) → OK → Areas→ Arbitrary → Through KPs → Pick All →OK (7) 划分网格 Main Menu: Preprocessor → Meshing → Size Cntrls → ManualSize → Global → Size → Global Element Sizes → Size Element edge length：3.5 → OK Main Menu → Preprocessor → Meshing → Mesh → Areas → Free → pick all → OK (8) 对模型定义换热边界条件 Main Menu: Preprocessor → Loads → Define Loads → Apply → Thermal → Convection → On Lines →用鼠标点击选择线 2、线 3、线 4、线 5 和线 6, 即边界CDEFGH对应的线段 → OK→ Apply Conv on lines对话框弹出，VALI Film coefficient：0.02 ； VAL2I Bulk temperature：100 → OK → On Lines→ 用鼠标点击选择线 8，即线段AB →OK →Apply Conv on lines对话框弹出，VALI Film coefficient：0.05； VAL2I Bulk temperature： 0 OK (9) 分析计算 Main Menu: Solution → Solve → Current LS → （弹出一个对话框）OK → （求解完成后，弹出一个对话框）Solution is done! Close → （关闭信息文件右上角的 X）/ STATUS Command (10) 显示稳态温度分布 Main Menu: General Postproc → Plot Results → Contour Plot → Nodal Solu → DOF Solution →Nodal Temperature → OK (11)显示热流矢量分布 Main Menu → General Postproc → Plot Results → Vector Plot → Predefined → Flux & gradient, Thermal flux TF → OK (12) 转换单元类型 Main Menu: Preprocessor→ Element Type→ Switch Elem Type→ change element type: Thermal to Struc →OK Main Menu: Preprocessor → Element Type → Add/Edit/Delete → Type 1: PLANE183; Options → Element behavior K3: Axisymmetric; OK → Close (13) 定义材料参数 Main Menu → Preprocessor → Material Props → Material Models → Material Models Available: Structural（双击打开子菜单） → Linear（双击） → Elastic （双击）→ Isotropic（双击） → EX： 2.0e5 (弹性模量) ，PRXY：0.3 (泊松比)→ OK →转到Material Models Available: Thermal Expansion（双击） →Secant Coefficient （双击）→ Isotropic（双击） →ALPX：1.2E-5(平均线膨胀系数) → OK →关闭材料定义菜单（点击菜单的右上角X） (14)施加边界条件 Step1 位移约束 Main Menu：Preprocessor →Loads→ Define Loads→ Apply→ Structural→ Displacement →On Lines→ 用鼠标点击选择线 1，即线段BC → OK→ DOFs to be constrained：UY , Displacement value：0→OK Step2 施加节点温度 Main Menu：Preprocessor →Loads →Define Loads →Apply →Structural →Temperature →From Therm Analy → UNIT2-3

TH-FEA(应用实例-UNIT2) 清华大学曾攀 Name of results file，Browse...(单击)：→ joint.rth 文件→OK (15)分析计算 Main Menu：Solution → Solve → Current LS → （弹出一个对话框）OK → （求解完成后，弹出一个对话框）Solution is done! Close → （关闭信息文件右上角的 X）/ STATUS Command (16)显示应力分布 Main Menu → General Postproc → Plot Results → Contour Plot → Nodal Solu → Stress →von Mises stress→ OK (17) 退出系统 ANSYS Utility Menu: File → Exit… → Save Everything → OK 在接头截面上的稳态温度场分布、热流矢量和应力分布如图 2-3 所示。 (a) 稳态温度分布 (b) 热流矢量 (c) 等效应力分布图 2-3 焊接接头的计算结果 2 完整的命令流以下为命令流语句；注意：以“!”打头的文字为注释内容，其后的文字和符号不起运 ! 设定圆管的内半径行作用。 !%%%%%%%% [ANSYS 应用实例 2.1] %%%% begin %%%%%% /PREP7 !进入前处理 /TITLE, EX 2.1, STABLE HEAT TRANSF OF WELDING STRUCT., FEM IN ENGINEERING (ZENG P) !=====设置参数 R1=77 R2=84 R3=102 R4=156 H1=39 H2=9 H3=18 H4=156 !=====设置单元、材料，生成节点及单元 ET,1,PLANE77,,,1 MP,KXX,1,0.02 K,1,R1 K,2,R4 K,3,R4,H1 K,4,R3,H1 ! 设定法兰台阶的高度 ! 选择平面实体单元 77 ! 定义材料的导热系数 ! 创建关键点 B ! 创建关键点 C ! 创建关键点 D ! 创建关键点 E ! 设定圆管的外半径 ! 设定法兰台阶的半径 ! 设定法兰外半径 ! 设定法兰的高度 ! 设定焊缝的宽度 ! 设定圆管的长度 UNIT2-4

TH-FEA(应用实例-UNIT2) 清华大学曾攀 ! 定义外部换热边界条件 ! 选中与边界 AB 对应的线段 ! 定义圆管内部的换热边界条件 ! 选中全部实体 ! 退出前处理模块 ! 创建关键点 F ! 创建关键点 G ! 创建关键点 H ! 创建关键点 A ! 用关键点创建代表接头截面的几何平面 ! 定义单元尺寸 ! 在截面上划分单元网格 ! 选中与边界 CDEFGH 对应的线段 K,5,R3,H1+H2 K,6,R2,H1+H2+H3 K,7,R2,H4 K,8,R1,H4 A,1,2,3,4,5,6,7,8 ESIZE,3.5 AMESH,1 LSEL,S,,,2,6 !=====施加传热边界条件 SFL,ALL,CONV,0.02,,100 LSEL,S,,,8 SFL,ALL,CONV,0.05,,0 ALLSEL,ALL FINISH !=====进入求解模块，并进行传热稳态求解 ! 进入求解模块 /SOLU ! 设定计算类型为静态(稳态)分析 ANTYPE,STATIC ! 求解，完成稳态温度分解 SOLVE FINISH ! 退出求解模块 !=====进入一般的后处理模块，观看温度分布状况 /POST1 ! 进入后处理 PLNSOL, TEMP,, 0 ! 显示节点的温度分布云图 PLVECT,TF, , , ,VECT,ELEM,ON,0 ! 以矢量图方式显示热流分布 FINISH ! 退出 !=====再进入前处理，以进行热应力的分析 /PREP7 ETCHT,TTS KEYOPT,1,3,1 MP,EX,1,2.0E5 MP,ALPX,,1.2E-5 MP,NUXY,1,0.3 FINISH !=====进入求解模块，并进行热应力的求解 /SOLU ANTYPE,STATIC DL,1,1,UY,0 LDREAD,TEMP,,,,,,RTH SOLVE !=====进入一般的后处理模块 /POST1 ! 进入后处理 PLNSOL,S,EQV ! 显示等效应力分布云图 FINISH !%%%%%%%% [ANSYS 应用实例 2.1] %%%% END %%%%%% ! 设置求解轴对称问题的选项 ! 定义材料的弹性模量 ! 定义材料的泊松比 ! 进入求解模块 ! 设定计算类型为静态分析 ! 在线段 BC 上施加 Y 方向的位移约束 ! 读取稳态温度场的计算结果 ! 求解，计算应力分布 ! 定义材料的平均线膨胀系数 ! 退出前处理模块 ! 退出 UNIT2-5 ! 进入前处理模块 ! 把传热单元 PLANE77 转换成求解应力的单元 PLANE82

TH-FEA(应用实例-UNIT2) 清华大学曾攀【ANSYS 应用实例 2.2】桁架结构的温度及装配应力分析如图 2-4 所示为一个桁架结构，分析下列两种情形下的节点位移和单元应力： (a) 构件 1、3、7 和 8 的温度升高 50℃。 (b) 由于制造误差，构件 9 和 10 短了 0.63mm，而构件 6 长了 0.27mm，但必须进行强制装配。桁架所用材料的相关参数：弹性模量E = 200GPa ，线膨胀系数α= 1.25×10-5 (/℃)。每个构件的横截面积均为 100mm2。图 2-4 一个由 10 根构件组成的桁架结构【建模要点】需要选择可以施加温度载荷的杆单元。ANSYS 提供了二维杆单元 LINK1，温度可以作为体力施加到单元上。情形（a）是单纯的温度应力问题，情况（b）属于装配应力问题，也可以转化成温度应力问题。根据坐标建立节点，再由节点建立单元。在节点 5、6 上施加位移约束。对于情形（a），通过命令把参考温度设为 20℃，通过命令对单元 1、3、7 和８施加温度 70℃。对于情形（b），同样可以采用命令对单元 6、9 和 10 上施加适当的温度变化值，使得各自的温度收缩值等价于制造误差，即假定单元由温度变化引起的自由伸缩量，与单元长度的差异量相同，可由 T Δ = Δ L ( Lα ) ⋅ 计算等效温度变化。单元 6 长了 0.27mm，相当于把单元 6 的温度升高 24℃。单元 9 和 10 短了 0.63mm，相当于把单元 9 和 10 的温度降低 39.6℃。解答：以下为基于 ANSYS 图形界面(GUI)的菜单操作流程；注意：符号“→”表示针对菜单中选项的鼠标点击操作。 1 温度应力分析的交互式操作(step by step) (1) 进入 ANSYS 程序 → ANSYS → ANSYS Product Launcher → File Management, Working Directory: D:\analysis (设定工作目录)(Browse)，Job Name: joint (设定工作文件) → Run (2)设置不显示日期和时间 Utility Menu: PlotCtrls →Window Controls →Window Options→DATE DATE/TIME display:NO DATE or UNIT2-6

TH-FEA(应用实例-UNIT2) 清华大学曾攀 TIME → OK (3)设置参数 Utility Menu: Parameters →scalar Parameters→selection：a=900 →Accept →selection：T=70 →Accept→ CLOSE (4) 选择单元类型 Main Menu: Preprocessor → Element Type → Add/Edit/Delete → Add → Library of Types: Structural Link, 2D spar 1 → OK→ CLOSE (5) 定义实常数 Main Menu: Preprocessor → Real Constants → Add/Edit/Delete → Add → Choose element type : Type 1 Link1 → OK → Real Constant Set No：1 (第 1 号实常数), AREA ：100 (横截面积) → OK → Close (6) 定义材料参数 Main Menu: Preprocessor → Material Props → Material Models → Material Models Available： Structural（双击打开子菜单） → Linear（双击） → Elastic（双击） → Isotropic（双击） → EX：2E5 (弹模) →OK→ Thermal Expansion（双击） → Secant Coefficient（双击） → Isotropic（双击） → ALPX ： 1.25E-5 (线膨胀系数)→ OK → 关闭材料定义菜单（点击菜单的右上角X） (7) 生成几何模型 step1 生成第 1 号节点：(x=2*a, y=a, z=0) Main Menu: Preprocessor → Modeling → Create → Nodes → In Active CS → Node number ：1, XYZ Location in active CS：2*a，a，0 → OK step2 生成第 2 号节点：（x=2*a, y=0, z=0) Preprocessor → Modeling → Create → Nodes → In Active CS → Node number ：2, XYZ Location in active CS：2*a，0，0 → OK step3 节点复制： Preprocessor → Modeling → Copy→ Nodes → Copy→list of items：1，2→OK →ITIME：3；DX：-A；INC： 2 →OK (8) 直接由节点生成单元 step1 生成第一个单元 Preprocessor → Modeling → Create → Elements → Auto Numbered → Thru Nodes：在 List of Items框内：5,3 →OK step2 生成另外 9 个单元重复以上步骤 9 次，更改List of Items框内的输入，依次改为3,1；6,4；4,2；4,3；2,1；5,4；6,3；3,2；4,1 ,每次都要点击OK。 (9)设置分析类型 Preprocessor →Loads →Analysis Type →New Analysis → type of analysis →static→OK (10) 在节点上定义位移边界条件 step1 施加位移约束 Preprocessor → Loads → Define Loads → Apply → Structural → Displacement → On Nodes →List of Items s ：5,6 → OK → Lab2 , All DOF → OK step2 设定参考温度 Preprocessor → Loads → Define Loads → Settings → Reference Temp →TREF：20 → OK step3 设定各单元温度 Main Menu →Solution →Define Loads →Apply →Structural →Temperature →On Elements →List of UNIT2-7

TH-FEA(应用实例-UNIT2) 清华大学曾攀 Items ：1,3,7,8 →Apply as → Constent Value→VAL1：T →OK (11) 分析计算 Utility Menu →Select →Everything Main Menu → Solution → Solve → Current LS → （弹出一个对话框）OK → （求解完成后，弹出一个对话框）Solution is done! Close → （关闭信息文件右上角的 X）/ STATUS Command (12) 显示节点位移分量 step1 对于线单元(如杆、梁)按实体效果进行显示(以 2 倍实常数的比例) Utility Menu → PlotCtrls → Style → Size and Shape → ESHAPE, []ON, SCALE：2 → OK step2 显示 X 方向位移 Main Menu → General Postproc → Plot Results → Contour Plot → Nodal Solu → DOF Solution, X-Component of Displacement,Undisplaced shape kep:Deformed shape with undeformed model → OK step3 显示 Y 方向位移 Main Menu → General Postproc → Plot Results → Contour Plot → Nodal Solu → DOF Solution, Y-Component of Displacement 同 step2→ OK (13) 显示杆单元的轴向应力 Step1 定义线形单元的显示项 Main Menu →General Postproc →Element Table →Define Table→Add→Lab：FX-I →Item：By sequence num→SMISC→ ： SMISC,1 →OK→Add→Lab ： FX-J →Item ： By sequence num→SMISC→SMISC,1 →OK→Close Step2 显示轴向应力结果 Main Menu →General Postproc →Plot Results →Contour Plot →Line Elem Res→Lab I：FX-I →Lab J：FX-J →Fact：0.5→KUND：Deformed Shape→ OK 计算得到的桁架结构因温度变化产生的位移与轴力见图 2-5 及图 2-6。 (14) 退出系统 ANSYS Utility Menu: File → Exit… → Save Everything → OK 图 2-5 桁架结构因温度变化产生的位移图 2-6 桁架结构因温度变化产生的轴力 2 温度应力分析的完整命令流求解与情形(a)对应的桁架节点位移和单元应力、显示节点位移、杆单元轴向应力的命令流在下面列出。注意：以“!”打头的文字为注释内容，其后的文字和符号不起运行作用。 !%%%%%%%% [ANSYS 应用实例 2.2]a %%%% begin %%%%%% !------注：以下命令流中的符号$，表示可将多行命令流写成一行--------- /prep7 !进入前处理 /TITLE, EX 2.2a, Temp. Stress of Truss, FEM in Engineering (Zeng P) !=====设置参数 A=900 ! 设定桁架的跨度，单位为 mm。 UNIT2-8

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