【應(yīng)用】熱應(yīng)力耦合場分析

2016-11-03 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

耦合場分析是分析不同工程學(xué)科(物理領(lǐng)域)的相互作用,我們常常把一個耦合場分析稱為一個多物理場分析。一般是在一個場的分析結(jié)果的基礎(chǔ)上,再加上另外一個場分析,這就叫做耦合。

熱應(yīng)力耦合作為耦合場的一種,也是很多實(shí)際工程中需要考慮的問題。在產(chǎn)品設(shè)計中,一般按靜強(qiáng)度準(zhǔn)則已滿足使用要求,但由于產(chǎn)品的熱膨脹系數(shù)不同,并且由很多零件裝配在一起使用時,如果各個零件的溫度變化較大,在一定溫升下各零件間因熱膨脹系數(shù)不同,而產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。特別是對于處于復(fù)雜環(huán)境中的產(chǎn)品,內(nèi)外表面因存在巨大的溫度差,而產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力,雖然該產(chǎn)品常溫下靜強(qiáng)度完全滿足使用需求,但常會因?yàn)闊釕?yīng)力而導(dǎo)致產(chǎn)品破壞。

因此對于工作在溫度變化比較大環(huán)境中的產(chǎn)品設(shè)計,往往需要對其進(jìn)行溫度場和熱應(yīng)力計算,以考慮溫度變化時結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足設(shè)計要求。

1 熱應(yīng)力產(chǎn)生原因

·當(dāng)結(jié)構(gòu)加熱或冷卻時,會膨脹或收縮;

·若變形受到限制—如位移約束或反向壓力,則結(jié)構(gòu)內(nèi)會產(chǎn)生熱應(yīng)力;

·另一種情況是結(jié)構(gòu)變形不均勻,如由于不同的材料屬性(不同的熱膨脹系數(shù)等)。

2 熱應(yīng)力分析方法

·直接耦合法:

直接使用具有溫度和位移自由度的耦合場單元,可同時得到熱分析和結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果。

·間接法(順序耦合):

首先進(jìn)行單純的熱分析,然后將得到的熱分析結(jié)果作為體載荷施加在結(jié)構(gòu)上,進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。

3 推薦使用方法

對于熱應(yīng)力問題,熱分析的溫度結(jié)果導(dǎo)出給結(jié)構(gòu)分析,但結(jié)構(gòu)的應(yīng)變一般不影響溫度分布。因此,沒有必要迭代兩個場之間的解。推薦熱應(yīng)力分析采用間接法分析。

本分析方法適用于物理場之間單向的耦合關(guān)系。例如,熱分析的溫度場結(jié)果將顯著影響到結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果,不考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析對溫度場的影響。本方法一般來說比直接耦合方法效率高,而且不需要特殊的單元類型。

下圖給出了直接耦合和順序耦合的區(qū)別:

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4 具體分析流程

ANSYS熱應(yīng)力分析在經(jīng)典界面(APDL)和Workbench界面(Mechanical)都可以使用,可同時滿足不同用戶的使用習(xí)慣和分析需求。ANSYS Workbench分析界面基于Windows操作風(fēng)格,界面友好,易學(xué)易用,近幾年來得到越來越多用戶的青睞。并且對于熱應(yīng)力分析,Workbench界面更容易實(shí)現(xiàn)整個分析流程。下面將具體介紹兩種界面的分析步驟。

ANSYS APDL界面分析

(1)直接耦合法

? 指定單元類型,單元類型的指定需要指定耦合場單元,例如Solid5、Plane13、Solid98、Plane223、Solid226和Solid227。這些單元要同時具有UX、UY、UZ和TEMP自由度。? 指定材料類型,除了結(jié)構(gòu)的靜力分析材料屬性之外,還需設(shè)置熱分析的材料屬性以及熱膨脹系數(shù)。? 施加熱邊界和結(jié)構(gòu)邊界。? 指定分析類型,支持靜力分析,完全法瞬態(tài)分析和完全法諧響應(yīng)分析。? 所有設(shè)置完成后,進(jìn)行求解及結(jié)果后處理。

(2)順序耦合法

當(dāng)在順序求解使用手工方法時將熱節(jié)點(diǎn)溫度施加到結(jié)構(gòu)單元上有兩種選項。選擇的原則在于結(jié)構(gòu)模型和熱模型是否有相似的網(wǎng)格劃分:

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ANSYS Mechanical界面分析

(1)直接耦合法

分析流程和ANSYS APDL直接法基本一致,除了Mechanical界面不支持耦合單元的GUI界面定義,只能通過插入命令流或者ACT拓展包來定義。

(2)順序耦合法

首先進(jìn)行熱分析,然后將熱分析的結(jié)果導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)分析中,分析思路和ANSYS APDL直接法一致,只是結(jié)果的導(dǎo)出導(dǎo)入不需要人為干涉,僅需要一根連線將溫度結(jié)果直接導(dǎo)出給結(jié)構(gòu)。Mechanical中的連線化分析比APDL中設(shè)置簡單,更容易使用,分析系統(tǒng)以如下圖所示:

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Imported Load結(jié)果導(dǎo)入項會在Mechanical界面中的分析樹中顯示,不管網(wǎng)格一致與否,軟件會自動選擇合適的插值方法,將熱分析結(jié)果插值到結(jié)構(gòu)模型中。并且插值后得到的溫度云圖可以在Mechanical圖形界面顯示,如下圖所示:

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軟件支持穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱應(yīng)力分析,可以將瞬態(tài)分析的溫度結(jié)果導(dǎo)出給瞬態(tài)或者穩(wěn)態(tài)的結(jié)構(gòu)分析,進(jìn)行瞬態(tài)或者穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力分析。用戶可以根據(jù)自己需求方便進(jìn)行分析系統(tǒng)的設(shè)置。

5 熱應(yīng)力分析小結(jié)

通過上述介紹,ANSYS的APDL以及Mechanical界面都支持結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力分析,并且ANSYS Mechanical界面更友好,分析流程簡單,容易上手,建議新用戶在進(jìn)行熱應(yīng)力分析時,首選ANSYS Mechanical并且選用順序耦合法進(jìn)行分析。

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