【转】热-结构耦合分析 知识掌握篇2009-05-31 14:09:19 阅读131 评论0 字号：大中小订阅 热-结构耦合问题是结构分析中通常遇到的一类耦合分析问题.由于结构温度场的分 布不均会引起结构的热应力,或者结构部件在高温环境中工作,材料受到温度的影响会发生性能的改变,这些都是进行结构分析时需要考虑的因素.为此需要先进行相应的热分析, 然后在进行结构分析.热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数,如热量的获取或损失,热梯度,热流密度(热通量)等.本章主要介绍在ANSYS中进行稳态,瞬态热分析的基本过程,并讲解如何完整的进行热-结构耦合分析. 21.1 热-结构耦合分析简介 热-结构耦合分析是指求解温度场对结构中应力,应变和位移等物理量影响的 分析类型.对于热-结构耦合分析,在ANSYS中通常采用顺序耦合分析方法,即 先进行热分析求得结构的温度场,然后再进行结构分析.且将前面得到的温度场作 为体载荷加到结构中,求解结构的应力分布.为此,首先需要了解热分析的基本知 识,然后再学习耦合分析方法. 21.1.1 热分析基本知识 ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程,用有限元法计算各节点的温 度,并导出其它热物理参数.ANSYS热分析包括热传导,热对流及热辐射三种热传 递方式.此外,还可以分析相变,有内热源,接触热阻等问题. 热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换.热对流是指固体的表面和与它周围接触的流体之间,由于温差的存在引起的热量的交换.热辐射指物体发射电磁能,并被其它物体吸收转变为热的热量交换
本章向读者介绍非稳态热分析的基本知识， 主要包括非稳态热分析的应用、 非稳态热分析的基本步骤。 非稳态导热的基本概念 非稳态热分析的应用 非稳态热分析单元 分析的基本步骤 丄本章案例 钢球非稳态传热过程分析 不同材料金属块水中冷却的非稳态传热过程分析 高温铜导线冷却过程分析 7.1 非稳态热分析概述 物体的温度随时间而变化的导热过程称为非稳态导热。 根据物体温度随着时间的推移而变化的 特性可本章要点 非稳态热分析单兀、
以区分为两类非稳态导热：物体的温度随时间的推移逐渐趋于恒定的值以及物体的温度随时间而作周期性的变化。无论在自然界还是工程实际问题中，绝大多数传热过程都是非稳态的。许多工程实际问题需要确定物体内部的温度场随时间的变化，或确定其内部温度达到某一限定值所需要的时间。例如：在机器启动、停机及变动工况时，急剧的温度变化会使部件因热应力而破坏，因此需要确定物体内部的瞬时温度场；钢制工件的热处理是一个典型的非稳态导热过程，掌握工件中温度变化的速率是控制工件热处理质量的重要因素。再例如，金属在加热炉内加热时，需要确定它在加热炉内停留的时间，以保证达到规定的中心温度。可见，非稳态热分析是有相当大的应用价值的。 ANSYS 11.0 及其相关的下属产品均支持非稳态的热分析。非稳态热分析确定了温度以及其它随时间变化的热参数。 7.1.1 非稳态热分析特性 瞬态热分析用于计算一个系统的随时间变化的温度场及其它热参数。在工程上一般用瞬态热分析计算温度场，并将之作为热载荷进行应力分析。 瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似。主要的区别是瞬态热分析中的载荷是随时间变化的。为了表达随时间变化的载荷，首先必须将载荷 - 时间曲线分为载荷步。对于每一个载荷步，必须定义载荷值及时间值，同时必须选择载荷步为渐变或阶越。
第一章简介 一、热分析的目的 热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量〕等。 热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。 二、ANSYS的热分析 ?在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五种产品中包含热分析功能,其中 ANSYS/FLOTRAN不含相变热分析。 ?ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。 ?ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。 三、ANSYS 热分析分类 ?稳态传热：系统的温度场不随时间变化 ?瞬态传热：系统的温度场随时间明显变化 四、耦合分析 ?热－结构耦合 ?热－流体耦合 ?热－电耦合 ?热－磁耦合 ?热－电－磁－结构耦合等
第二章 基础知识 一、符号与单位 W/m 2-℃ 3 二、传热学经典理论回顾 热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律: ● 对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出〕 PE KE U W Q ?+?+?=- 式中: Q —— 热量; W —— 作功; ?U ——系统内能; ?KE ——系统动能； ?PE ——系统势能； ● 对于大多数工程传热问题：0＝＝PE KE ??； ● 通常考虑没有做功：0=W , 则：U Q ?=； ● 对于稳态热分析：0=?=U Q ，即流入系统的热量等于流出的热量； ● 对于瞬态热分析：dt dU q = ，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。 三、热传递的方式 1、热传导 热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。热传导遵循付里叶定律：dx dT k q -=''，式中''q 为热流
ABAQUS顺序热力耦合分析实例此实例中需要确定一个冷却栅管的温度场分布。温度场的求解采用稳态热分析，在此之后还将进行热应力分析来求出冷却栅管在温度作用下产生的位移和应力分布。由于冷却栅管比较长，并且是轴对称结构，根据上述特点，可以简化有限元分析模型。此实例中使用国际单位制。 1、part中创建轴对称可变形壳体，大致尺寸为1，通过creat line创建一个封闭曲线（0.127,0） （0.304,0）（0.304,0.006）（0.152,0.006）（0.152,0.031）（0.127,0.031）（0.127,0） 使用creat Fillet功能对模型倒角处设置0.005的倒圆角。倒角后，模型并未改变，需要在模型树中，part下的Features右键，Regenerate，最终模型如下图所示。 2、在材料模块中定义密度7800，弹性模量1.93E11，泊松比0.3。所不同的是，热分析还需 要指定热传导系数以及比热。在Thermal里输入参数，热铲刀系数25.96，比热451。 3、创建截面属性以及装备部件，和普通的静力分析设置一样。 4、Step有所不同，分析类型仍为通用分析步，下面要更改为Heat Transfer。在Edit Step窗 口中，使用默认的瞬态分析（Transient），时长设置为3s。切换到Incrementatin进行相应的设置，如下图。
5、Load模块中，设置左边温度为100度，右边及上边温度为20度。Creat BC，类型选择 Other>Temperature。在纯粹的热传导分析方程中，没有位移项，因此不会发生刚体位移，这里也就不需要设置位移边界条件。 6、接下来划分网格，种子尺寸给0.005，单元类型需要在单元族中选择专门用来热分析的 Heat Transfer，查看下面确保使用的单元为DCAX4。使用结构化的全四边形网格划分方法。 7、到此，热分析的设置已经完成，可以提交计算，完成后，查看变量NT11即为节点温度。
管道应力分析概述 CAESARII软件介绍 CAESARII管道应力分析软件是由美国COADE公司研发的压力管道应力分析专业软件。它既可以分析计算静态分析，也可进行动态分析。CAESARII向用户提供完备的国际上的通用管道设计规范，使用方便快捷。交互式数据输入图形输出，使用户可直观查看模型（单线、线框，实体图）强大的3D计算结果图形分析功能，丰富的约束类型，对边界条件提供最广泛的支撑类型选择、膨胀节库和法兰库，并且允许用户扩展自己的库。钢结构建模，并提供多种钢结构数据库.结构模型可以同管道模型合并,统一分析膨胀节可通过标准库选取自动建模、冷紧单元/弯头，三通应力强度因子（SIF）的计算、交互式的列表编辑输入格式用户控制和选择的程序运行方式,用户可定义各种工况。 一、管道应力分析的原则 管道应力分析应保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、管道支承或端点附加位移造成应力问题。 二、管道应力分析的主要内容 管道应力分析分为静力分析和动力分析。 静力分析包括： 1）压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算——防止塑性变形破坏； 2）管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算——防止疲劳破坏； 3）管道对设备作用力的计算——防止作用力太大，保证设备正常运行； 4）管道支吊架的受力计算——为支吊架设计提供依据； 5）管道上法兰的受力计算——防止法兰汇漏。 动力分析包括：
l）管道自振频率分析——防止管道系统共振； 2）管道强迫振动响应分析——控制管道振动及应力； 3）往复压缩机（泵）气（液）柱频率分析——防止气柱共振； 4）往复压缩机（泵）压力脉动分析——控制压力脉动值。 三、管道上可能承受的荷载 （1）重力荷载：包括管道自重、保温重、介质重和积雪重等； （2）压力荷载：压力载荷包括内压力和外压力； （3）位移荷载：位移载荷包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支承沉降等； （4）风荷载； （5）地震荷载； （6）瞬变流冲击荷载：如安全阀启跳或阀门的快速启闭时的压力冲击： （7）两相流脉动荷载； （8）压力脉动荷载：如往复压缩机往复运动所产生的压力脉动； （9）机械振动荷载：如回转设备的振动。 四、管道应力分析的目的 1）为了使管道和管件内的应力不超过许用应力值； 2）为了使与管系相连的设备的管口荷载在制造商或国际规范（如 NEMA SM-23、API-610、API-6 17等）规定的许用范围内； 3）为了使与管系相连的设备管口的局部应力在 ASME Vlll的允许范围内； 4）为了计算管系中支架和约束的设计荷载；
第33例瞬态热分析实例——水箱 本例介绍了利用ANSYS进行瞬态热分析的方法和步骤、瞬态热分析时材料模型所包含的内容，以及模型边界条件和初始温度的施加方法。 33.1概述 热分析是计算热应力的基础，热分析分为稳态热分析和瞬态热分析，稳态热分析将在后面两个例子中介绍，本例介绍瞬态热分析。 33.1.1 瞬态热分析的定义 瞬态热分析用于计算系统随时间变化的温度场和其他热参数。一般用瞬态热分析计算温度场，并找到温度梯度最大的时间点，将此时间点的温度场作为热载荷来进行应力计算。 33.1.2 嚼态热分析的步骤 瞬态热分析包括建模、施加载荷和求解、查看结果等几个步骤。 1．建模 瞬态热分析的建模过程与其他分析相似，包括定义单元类型、定义单元实常数、定义材料特性、建立几何模型和划分网格等。 注意：瞬态热分析必须定义材料的导热系数、密度和比热。 2.施加载荷和求解 (1)指定分析类型， Main Menu→Solution→Analysis Type→New Analysis,选择 Transient。 (2)获得瞬态热分析的初始条件。 定义均匀的初始温度场：Main Menu→Solution→Define Loads→Settings→Uniform Temp，初始温度仅对第一个子步有效，而用Main Menu →Solution→Define Loads→Apply→Thermal→Temperature命令施加的温
度在整个瞬态热分析过程中均不变，应注意二者的区别。 定义非均匀的初始温度场：如果非均匀的初始温度场是已知的，可以用Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Initial Condit'n→Define 即IC命令施加。非均匀的初始温度场一般是未知的，此时必须先进行行稳态分析确定该温度场。该稳态分析与一般的稳态分析相同。 注意：要设定载荷（如已知的温度、热对流等），将时间积分关闭，选择Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequenc→Time Integration→Amplitude Decay;设定只有一个子步，时间很短（如(0.01s)的载荷步， Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequenc→Time →Time Step。 (3)设置载荷步选项。 普通选项包括每一载荷步结束的时间、每一载荷步的子步数、阶跃选项等，选择Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequenc→Time-Time Step. 非线性选项包括：迭代次数（默认25），选择Main Menu→Solution→Load Step Opts→Nonlinear→Equilibrium Iter;打开自动时间步长，选择Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequenc→Time→Time Step：将时间积分打开，选择Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequenc→Time Integration→Amplitude Decay. 输出选项包括：控制打印的输出，选择Main Menu→Solution→Load Step Opts→Output Ctrls→Solu Printout; 结果文件的输出，选择Main Menu →Solution→Load Step Opts→Output Ctrls→DB/Results File.
例题：一根钢梁支撑着集中质量并承受一个动态载荷（如图1所示）。钢梁长为L，支撑着一个集中质量M。这根梁承受着一个上升时间为t1的值为F1 的动态载荷F（t）。梁的质量可以忽略，确定产生最大位移响应时的时间t max 和响应y max。 图1 钢梁支撑集中质量的几何模型 材料特性：弹性模量为2e5MPa，质量为M＝0.0215t，质量阻尼为8； 几何尺寸为：L＝450mm，I＝800.6mm4，h＝18mm； 载荷为：F1＝20N，t1＝0.075s GUI操作方式： 1．定义单元类型：Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete，出现一个对话框，单击“Add”，又出现一个对话框，在对话框左面的列表栏中选择“Structural Beam”，在右面的列表栏中选择“2D elastic 3”，单击“Apply”，在对话框左面的列表栏中选择“Structural Mass”，在右边选择“3D mass 21”，单击“OK”，在单击“Options”，弹出对话框，设置K3为“2-D W/O rot iner”，单击“OK”，再单击“Close”。 2．设置实常数：Main Menu>Preprocessor>Real Constants> Add/Edit/Delete，出现对话框，单击“Add”，又弹出对话框，选择“Type1 BEAM3”，单击“OK”，
又弹出对话框，输入AREA为1，IZZ＝800.6，HEIGHT＝18，单击“OK”，在单击“Add”，选择Type 2 MASS21，单击“OK”，设置MASS为0.0215，单击“OK”，再单击“Close”。 3．定义材料属性：Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Modls，出现对话框，在“Material Models Available”下面的对话框中，双击打开“Structural>Linear>Elastic>Isotropic”，又出现一个对话框，输入弹性模量EX＝2e5，泊松比PRXY＝0，单击“OK”，单击“Materal>Exit”。 4．建立模型： 1）创建节点：依次单击Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Nodes>In Active CS，在弹出对话框中，依次输入节点的编号1，节点坐标x＝0，y ＝0，然后单击“Apply”，输入节点编号2，节点坐标x＝450/2，y＝0，然后单击“Apply”，输入节点编号3，节点坐标x＝450，y＝0。单击“OK”。2）创建单元：依次单击Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements >Auto Numbered>Thru Nodes，弹出拾取框，拾取节点1和2，2和3，单击“OK”。 3）指定单元实常数：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements> Elem Attributes，弹出对话框，设置TYPE为2，REAL为2，单击“OK”。4）创建单元：依次单击Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements >Auto Numbered>Thru Nodes，弹出拾取框，拾取节点2，单击“OK”。5．定义分析类型：Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis，弹出对话框，选择Trasiernt，单击“OK”，又弹出对话框，选择Reduced，单击“OK”。6．设置分析选项：Main Menu>Solution>Analysis Type>Analysis Options，弹出对话框，单击“OK”。
ANSYS稳态热分析的基本过程 ANSYS热分析可分为三个步骤： ?前处理：建模、材料和网格 ?分析求解：施加载荷计算 ?后处理：查看结果 1、建模 ①、确定jobname、title、unit； ②、进入PREP7前处理，定义单元类型，设定单元选项； ③、定义单元实常数； ④、定义材料热性能参数，对于稳态传热，一般只需定义导热系数，它可 以是恒定的，也可以随温度变化； ⑤、创建几何模型并划分网格，请参阅《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。 2、施加载荷计算 ①、定义分析类型 ●如果进行新的热分析： Command: ANTYPE, STATIC, NEW GUI: Main menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis>Steady-state ●如果继续上一次分析，比如增加边界条件等： Command: ANTYPE, STATIC, REST GUI: Main menu>Solution>Analysis Type->Restart ②、施加载荷 可以直接在实体模型或单元模型上施加五种载荷(边界条件) ： a、恒定的温度 通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上。 Command Family: D GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Temperature b、热流率 热流率作为节点集中载荷，主要用于线单元模型中(通常线单元模型不能施加对流或热流密度载荷)，如果输入的值为正，代表热流流入节点，即单元获取热量。如果温度与热流率同时施加在一节点上则ANSYS读取温度值进行计算。 注意：如果在实体单元的某一节点上施加热流率，则此节点周围的单元要
第二日 练习主题：各种网格划分方法 输入实体模型尝试用映射、自由网格划分，并综合利用多种网格划分控制方法 一个瞬态分析的例子 练习目的：熟悉瞬态分析过程 练习过程：瞬态(FULL)完全法分析板-梁结构实例 如图1所示板-梁结构，板件上表面施加随时间变化的均布压力，计算在下列已知条件下结构的瞬态响应情况。 全部采用A3钢材料，特性： 杨氏模量=2e112 /m N 泊松比=0.3 密度=7.8e33/m Kg 板壳： 厚度=0.02m 四条腿（梁）的几何特性： 截面面积=2e-42m 惯性矩=2e-84m 宽度=0.01m 高度=0.02m 压力载荷与时间的关系曲线如图2所示。 图1 质量梁-板结构及载荷示意图 压力（N/m 2） 10000 5000 0 1 2 4 6 时间（s ） 图 2 板上压力-时间关系 分析过程 第1步：设置分析标题 1. 选取菜单途径Utility Menu>File>Change Title 。 2. 输入“ The Transient Analysis of the structure ”，然后单击OK 。 第2步：定义单元类型 单元类型1为SHELL63，单元类型2为BEAM4 第3步：定义单元实常数 实常数1为壳单元的实常数1，输入厚度为0.02（只需输入第一个值，即等78厚度壳）
实常数2为梁单元的实常数，输入AREA 为2e-4惯性矩IZZ=2e-8，IYY ＝2e-8宽度TKZ=0.01，高度TKY=0.02。 第5步：杨氏模量EX=2e112 /m N 泊松比NUXY=0.3 密度DENS=7.8e33/m Kg 第6步：建立有限元分析模型 1． 创建矩形，x1=0,x2=2,y1=0,y2=1 2． 将所有关键点沿Z 方向拷贝，输入DZ ＝－1 3． 连线。将关键点1，5；2，6；3，7；4，8分别连成直线。 4． 设置线的分割尺寸为0.1，首先给面划分网格；然后设置单元类型为2，实常数为2， 对线5到8划分网格。 第7步：瞬态动力分析 1. 选取菜单途径Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis ，弹出New Analysis 对话框。 2. 选择Transient ，然后单击OK ，在接下来的界面仍然单击OK 。 3. 选取菜单途径Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc> Damping ，弹出 Damping Specifications 窗口。 4. 在Mass matrix multiplier 处输入5。单击OK 。 5. 选取菜单途径Main Menu > Solution > -Loads-Apply > -Structural- Displacement>On Nodes 。弹出拾取（Pick ）窗口，在有限元模型上点取节点232、242、252和262，单击OK ，弹出Apply U,ROT on Nodes 对话框。 6. 在DOFS to be constrained 滚动框中，选种“All DOF ”(单击一次使其高亮度显示， 确保其它选项未被高亮度显示）。单击OK 。 7. 选取菜单途径Utility Menu>Select>Everything 。 8. 选取菜单途径Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Output Ctrls>DB/Results File ，弹 出Controls for Database and Results File Writing 窗口。 9. 在Item to be controlled 滚动窗中选择All items ，下面的File write frequency 中选择 Every substep 。单击OK 。 10. 选取菜单途径Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc> Time – Time Step ，弹出Time – Time Step Options 窗口。 11. 在Time at end of load step 处输入1；在Time step size 处输入0.2；在Stepped or ramped b.c 处单击ramped ；单击Automatic time stepping 为on ；在Minimum time step size 处输入0.05；在Maximum time step size 处输入0.5。单击OK 。 12. 选取菜单途径Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Structure-Pressure>On Areas 。弹 出Apply PRES on Areas 拾取窗口。 13. 单击Pick All ，弹出Apply PRES on Areas 对话框。 14. 在pressure value 处输入10000。单击OK 15. 选取菜单途径Main menu>Solution>Write LS File ，弹出Write Load Step File 对话框。 16. 在Load step file number n 处输入1，单击OK 。 17. 选取菜单途径Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc> Time – Time Step ，弹出Time – Time Step Options 窗口。 18. 在Time at end of load step 处输入2。单击单击OK 。
生活中的材料力学实例分析 一意义 材料力学主要研究杆件的应力、变形以及材料的宏观力学性能的学科。材料力学是固体力学的一个基础分支。它是研究结构构件和机械零件承载能力的基础学科。其基本任务是：将工程结构和机械中的简单构件简化为一维杆件，计算杆中的应力、变形并研究杆的稳定性，以保证结构能承受预定的载荷；选择适当的材料、截面形状和尺寸，以便设计出既安全又经济的结构构件和机械零件。 二对象 材料力学的研究通常包括两大部分：一部分是材料的力学性能(或称机械性能)的研究，材料的力学性能参量不仅可用于材料力学的计算，而且也是固体力学其他分支的计算中必不可少的依据；另一部分是对杆件进行力学分析。杆件按受力和变形可分为拉杆、压杆受弯曲(有时还应考虑剪切)的粱和受扭转的轴等几大类。杆中的内力有轴力、剪力、弯矩和扭矩。杆的变形可分为伸长、缩短、挠曲和扭转。在处理具体的杆件问题时，根据材料性质和变形情况的不同，可将问题分为线弹性问题、几何非线性问题、物理非线性问题三类。 材料力学不仅在复杂机械工程中有重要的作用，在生活中也很常见。比如随处可见的桥梁，桥是一种用来跨越障碍的大型构造物。确切的说是用来将交通路线 (如道路、铁路、水道等)或者
其他设施 (如管道、电缆等)跨越天然障碍 (如
河流、海峡、峡谷等)或人工障碍 (高速公路、铁路线)的构造物。桥的目的是允许人、车辆、火车或船舶穿过障碍。桥可以打横搭着谷河或者海峡两边，又或者起在地上升高，槛过下面的河或者路，让下面交通畅通无阻。 三分析
如果在安全的前提下，将原来的四个桥墩和三个拱形拉索变为三个桥墩和两个拱形拉索。不仅可以节约大量的材料，降低成本，而且有美观。 四总结 因此，材料力学是一门很有用的学科，能够处理各种各样复杂的问题。只要注意观察，生活中处处有材料力学的踪影。利用材料力学的知识对我们身边的事物进行分析并加以改进，对我们的生活和社会的发展能起到积极的促进作用。 （注：专业文档是经验性极强的领域，无法思考和涵盖全面，素材和资料部分来自网络，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）
第7 章非稳态热分析及实例详解 本章向读者介绍非稳态热分析的基本知识，主要包括非稳态热分析的应用、非稳态热分析单元、非稳态热分析的基本步骤。 本章要点 非稳态导热的基本概念 非稳态热分析的应用 非稳态热分析单元 分析的基本步骤 本章案例 钢球非稳态传热过程分析 不同材料金属块水中冷却的非稳态传热过程分析 高温铜导线冷却过程分析
7.1 非稳态热分析概述 物体的温度随时间而变化的导热过程称为非稳态导热。根据物体温度随着时间的推移而变化的特性可以区分为两类非稳态导热：物体的温度随时间的推移逐渐趋于恒定的值以及物体的温度随时间而作周期性的变化。无论在自然界还是工程实际问题中，绝大多数传热过程都是非稳态的。许多工程实际问题需要确定物体内部的温度场随时间的变化，或确定其内部温度达到某一限定值所需要的时间。例如：在机器启动、停机及变动工况时，急剧的温度变化会使部件因热应力而破坏，因此需要确定物体内部的瞬时温度场；钢制工件的热处理是一个典型的非稳态导热过程，掌握工件中温度变化的速率是控制工件热处理质量的重要因素。再例如，金属在加热炉内加热时，需要确定它在加热炉内停留的时间，以保证达到规定的中心温度。可见，非稳态热分析是有相当大的应用价值的。ANSYS 11.0及其相关的下属产品均支持非稳态的热分析。非稳态热分析确定了温度以及其它随时间变化的热参数。 7.1.1 非稳态热分析特性 瞬态热分析用于计算一个系统的随时间变化的温度场及其它热参数。在工程上一般用瞬态热分析计算温度场，并将之作为热载荷进行应力分析。 瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似。主要的区别是瞬态热分析中的载荷是随时间变化的。为了表达随时间变化的载荷，首先必须将载荷-时间曲线分为载荷步。对于每一个载荷步，必须定义载荷值及时间值，同时必须选择载荷步为渐变或阶越。 7.1.2 非稳态热分析的控制方程 热储存项的计入将稳态系统变为非稳态系统，计入热储存项的控制方程的矩阵形式如下： []{}[]{}{}C T K T Q += 其中，[]{} C T 为热储存项。 在非稳态分析时，载荷是和时间有关的函数，因此控制方程可表示如下： []{}[]{}(){}C T K T Q t += 若分析为分线性，则各参数除了和时间有关外，还和温度有关。非线性的控制方程可表示如下： (){}(){}(){},C T T K T T Q T t +=???????? 7.1.3 时间积分与时间步长 1、时间积分 从求解方法上来看，稳态分析和非稳态分析之间的差别就是时间积分。利用ANSYS 11.0分析问题时，只要在后续载荷步中将时间积分效果打开，稳态分析即转变为非稳态分析；同样，只要在后续载荷步中将时间积分关闭，非稳态分析也可转变为稳态分析。 2、时间步长 两次求解之间的时间称为时间步，一般来说，时间步越小，计算结果越精确。确定时间步长的方法有两种： （1）指定裕度较大的初始时间步长，然后使用自动时间步长增加时间步。
完全法 完全法采用完整的系统矩阵计算瞬态响应（没有矩阵缩减）。它是三种方法中功能最强的，允许包括各类非线性特性（塑性、大变形、大应变等）。 注─如果并不想包括任何非线性，应当考虑使用另外两种方法中的一种。这是因为完全法是三种方法中开销最大的一种。 完全法的优点是： ·容易使用，不必关心选择主自由度或振型。 ·允许各种类型的非线性特性。 ·采用完整矩阵，不涉及质量矩阵近似。 ·在一次分析就能得到所有的位移和应力。 ·允许施加所有类型的载荷：节点力、外加的（非零）位移（不建议采用）和单元载荷（压力和温度），还允许通过TABLE数组参数指定表边界条件。 ·允许在实体模型上施加的载荷。 完全法的主要缺点是它比其它方法开销大。 §3.4 完全法瞬态动力学分析 首先，讲述完全法瞬态动力学分析过程，然后分别介绍模态叠加法和缩减法与完全法不相同的计算步骤。完全法瞬态动力分析（在ANSYS/Multiphsics、ANSYS/Mechauioal及ANSYS/Structural中可用）由以下步骤组成： 1.建造模型 2.建立初始条件 3.设置求解控制 4.设置其他求解选项 5.施加载荷 6.存储当前载荷步的载荷设置 7.重复步骤3-6定义其他每个载荷步
8.备份数据库 9.开始瞬态分析 10.退出求解器 11.观察结果 § 型 在这一步中，首先要指定文件名和分析标题，然后用PREP7定义单元类型，单元实常数，材料性质及几何模型。这些工作在大多数分析中是相似的。<
1.1基于ABAQUS的热应力分析 1.1.1 温度场数据处理 (1)打开INP_Generator.exe，出现如下软件界面： 图1.数据处理软件 (2)点击“浏览”按钮，选择由FLUENT导出的inp文件所在路径，如下图 所示： 图2.路径选择 (3)点击“生成”按钮，则在inp文件所在路径下自动生成包含多个温度场的 ABAQUS输入文件ABAQUSinputfile.inp。 图3.生成包含连续温度场INP文件
1.1.2 复材工装模板热应力分析 (1)打开ABAQUS，导入inp文件后，打开Tools菜单下“Set - Manager”， 如下图所示。检查是否有名为“PID6”的set，若没有则创建一个名为 “PID*”的set，set为模板整体。（“*”为任意数字或字母） 图4.创建SET (2)打开Plug-ins菜单下“CAC Project - Composite Analyse”，弹出如下界面。 在Step1标签中输入用到的材料名称并选择工作路径；在Step2中定义铺 层信息，可通过右键删除或添加行；按照Step3和Step4的提示，使用 ABAQUS/CAE自身功能完成剩余分析工作。 (a)
(b) (c) 图5.定义材料及铺层 (3)进入Load模块，定义垂直于模板表面平面部分的局部坐标系。选择“Tools” 菜单下“Datum”，Type选择“CSYS”Method选择“3Points”，然后默认点击“Continue”按钮。依次在模板表面选择坐标原点、X轴上点和XY面上的点，生成局部坐标。 图6.定义模板局部坐标系 (4)点击“Create Boundary Condition”按钮，弹出边界条件定义对话框。
§3.1瞬态动力学分析的定义 瞬态动力学分析（亦称时间历程分析）是用于确定承受任意的随时间变化载荷结构的动力学响应的一种方法。可以用瞬态动力学分析确定结构在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随时间变化的位移、应变、应力及力。载荷和时间的相关性使得惯性力和阻尼作用比较重要。如果惯性力和阻尼作用不重要，就可以用静力学分析代替瞬态分析。 瞬态动力学的基本运动方程是： 其中： [M] =质量矩阵 [C] =阻尼矩阵 [K] =刚度矩阵 {}=节点加速度向量 {}=节点速度向量 {u} =节点位移向量 在任意给定的时间，这些方程可看作是一系列考虑了惯性力（[M]{}）和 阻尼力（[C]{}）的静力学平衡方程。ANSYS程序使用Newmark时间积分方法在离散的时间点上求解这些方程。两个连续时间点间的时间增量称为积分时间步长（integration time step）。 §3.2学习瞬态动力学的预备工作 瞬态动力学分析比静力学分析更复杂，因为按“工程”时间计算，瞬态动力学分析通常要占用更多的计算机资源和更多的人力。可以先做一些预备工作以理解问题的物理意义，从而节省大量资源。例如，可以做以下预备工作：
1.首先分析一个较简单模型。创建梁、质量体和弹簧组成的模型，以最小的代价深入的理解动力学认识，简单模型更有利于全面了解所有的动力学响应所需要的。 2.如果分析包括非线性特性，建议首先利用静力学分析掌握非线性特性对结构响应的影响规律。在某些场合，动力学分析中是没必要包括非线性特性的。 3.掌握结构动力学特性。通过做模态分析计算结构的固有频率和振型，了解这些模态被激活时结构的响应状态。同时，固有频率对计算正确的积分时间步长十分有用。 4.对于非线性问题，考虑将模型的线性部分子结构化以降低分析代价。<<高级技术分指南>>中将讲述子结构。 §3.3三种求解方法 瞬态动力学分析可采用三种方法：完全（Full）法、缩减（Reduced）法及模态叠加法。ANSYS/Professional产品中只允许用模态叠加法。在研究如何实现这些方法之前，让我们先探讨一下各种方法的优点和缺点。 §3.3.1完全法 完全法采用完整的系统矩阵计算瞬态响应（没有矩阵缩减）。它是三种方法中功能最强的，允许包括各类非线性特性（塑性、大变形、大应变等）。 注─如果并不想包括任何非线性，应当考虑使用另外两种方法中的一种。这是因为完全法是三种方法中开销最大的一种。 完全法的优点是： ·容易使用，不必关心选择主自由度或振型。 ·允许各种类型的非线性特性。 ·采用完整矩阵，不涉及质量矩阵近似。 ·在一次分析就能得到所有的位移和应力。 ·允许施加所有类型的载荷：节点力、外加的（非零）位移（不建议采用）和单元载荷（压力和温度），还允许通过TABLE数组参数指定表边界条件。 ·允许在实体模型上施加的载荷。 完全法的主要缺点是它比其它方法开销大。
预处理塔应力分析及疲劳分析报告 编制： 校对： 审核： 全国压力容器标准化技术委员会 一九九八年九月
一、载荷分析 1.用户数据 根据XX设计院所提供的设计图，计算基础数据如下： 预处理塔容器的结构参数见附图1： 2.计算条件 (1) 强度计算条件： 材料在计算温度下的常数： 材料在常温(20℃)下的常数： 注[1]：设计应力强度及弹性模量按JB4732-95
(2) 疲劳计算条件： 载荷与时间的关系示意如下： 时间
二、结构分析 根据预处理塔的结构特点，应进行上封头、下封头及筒体开 孔三部分的应力分析，分别建立力学模型如下： 1．上封头部分： （1）力学模型 根据上封头的结构特点和载荷特性，采用了轴对称的力学模型。 图1：预处理塔上封头力学模型 （2）边界条件 预处理塔上封头边界条件的位置和方向如图1所示。 位移边界条件：
与筒体相连且在Y=0处： Y=0 力边界条件： 壳体内压P=0.85MPa。 中心接管处的边界等效压力P=8.877MPa。 (3) 单元选择 采用ANSYS 5.4有限元分析软件提供的轴对称8节点等参元（82）进行网格划分（如图1）。 2. 下封头部分： （1）力学模型 根据下封头的结构特点和载荷特性，采用了轴对称的力学模型。
图2：预处理塔下封头力学模型 （2）边界条件 预处理塔下封头边界条件的位置和方向如图2所示。 位移边界条件： 裙座根部：?Y=0 力边界条件： 壳体内压P=0.85MPa。 中心接管处的边界等效压力P=8.93MPa, 托架处(壳内物料重)的边界等效压力P=1.54MPa, 筒体直边端处的边界等效压力P=2.72MPa, (3) 单元选择 采用ANSYS 5.4有限元分析软件提供的轴对称8节点等参元（82）进行网格划分（如图2）。 3.筒体开孔部分： (1)力学模型 根据筒体的结构特性和载荷特性，力学模型关于XOZ平面近似对称（无开孔部分为应力均匀区），关于YOZ平面对称，只需计算结构的四分之一。 (2) 边界条件 柱壳开孔边界条件的位置和方向如图3所示。 位移边界条件：轴对称约束；Z=0时，?Z=0 力边界条件：壳体内压P=0.85MPa；筒体端的边界等效应力为：52.91MPa, 筒体端的边界等效应力为：3.94 (3) 单元选择
1.Maxwell 2D: 金属块涡流损耗 （一）启动W o r k b e n c h并保存 1.在windows系统下执行“开始”→“所有程序”→ANSYS 15.0→Workbench 15.0命令， 启动ANSYS Workbench 15.0，进入主界面。 2.进入Workbench后，单击工具栏中的 按钮，将文件保存。 （二）建立电磁分析 1.双击Workbench平台左侧的Toolbox→Analysis Systems→Maxwell 2D此时在Project Schematic中出现电磁分析流程图。 2.双击表A中的A2，进入Maxwell软件界面。在Maxwell软件界面可以完成有限元分析 的流程操作。 3.选择菜单栏中Maxwell 2D→Solution Type命令，弹出Solution Type对话框 (1)Geometry Mode:Cylinder about Z (2)Magnetic:Transient (3)单击OK按钮 4.依次单击Modeler→Units选项，弹出Set Model Units对话框，将单位设置成mm，并单 击OK按钮。 （三）建立几何模型和设置材料 1.选择菜单栏中Draw→Rectangle 命令，创建长方形 在绝对坐标栏中输入：X=500，Y=0，Z=0，并按Enter键 在相对坐标栏中输入：dX=20，dY=0，dZ=500，并按Enter键 2.选中长方形，选择菜单栏中Edit→Duplicate along line命令 在绝对坐标栏中输入：X=0，Y=0，Z=0，并按Enter键 在相对坐标栏中输入：dX=50，dY=0，dZ=0，并按Enter键 弹出Duplicate along line对话框，在对话框中Total Number:3，然后单击OK按钮。 3.选中3个长方形右击，在快捷菜单中选择Assign Material命令，在材料库中选择 Aluminum，然后单击OK按钮。 （四）设置求解域 选择菜单栏中Draw→Region命令，在弹出的Region对话框中输入Value=500，并单击OK按钮。 （五）添加激励 1.选中Rectangle1右击，在快捷菜单中选择Assign Excitations→Coil命令，弹出Coil Excitations对话框，在对话框中填入以下内容： (1)Name：CoilTerminal1 (2)Number of Conductors：100 (3)单击OK按钮 2.选中Rectangle1右击，在快捷菜单中选择Assign Excitations→Add Winding命令，弹出 Winding对话框，在对话框中填入以下内容： (1)Name:Winding_A (2)Type:Current (3)Stranded:?Checked (4)Current:50*sin(2*PI*50*Time)