文档介绍：第 22 章热-应力耦合分析实例
温度的分布不均会导致部件内部产生热应力,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的部件,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。各类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分
布的变化。为此,本章通过实例来讲解如何用 来进行这类问题的分析。
问题描述
一无限长的截面形状和尺寸如图 所示的厚壁双层圆管,其内、外层温度分别为 Ti
和 To,材料数据和边界条件如表 所示,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 双层管道的截面图
表 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
2 (铝) ,外层
从上面描述的问题可以看出,本实例属于轴对称问题,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,故建立模型时轴向尺寸可以是任意大于零的值,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成对应的结
构分析单元类型,重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。
建立模型
在 中,首先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。
指定分析标题并设置分析范畴
首先,指定本实例的分析路径、数据库的名称、分析标题。指定本实例的分析的标题
为:“Thermal Stress in Concentric Cylinders-Indirect Method”,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。
Utility Menu | File | Change Jobname,将弹出 Change Jobname (修改文
件名)对话框,如图 所示。在 Enter new jobname (输入新文件名)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 修改文件名对话框
Utility Menu | File | Change Title,将弹出 Change Title (修改标题)对话
框,如图 所示。在 Enter new title (输入新标题)文本框中输入文字“Thermal Stress in
Concentric Cylinders-Indirect Method”,为本分析实例的标题名。单击按钮,完成对
标题名的指定。
图 修改标题对话框
Main Menu | Preference,将弹出 Preference of GUI Filtering (菜单过滤
参数选择)对话框,如图 所示。单击对话框中的 Thermal(热)复选框,选中 Thermal 选
项,以便 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 指定分析范畴
定义单元类型
根据本实例的结构特征,在热分析中选用 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。
Main Menu | Preprocessor | Element Type | Add/Edit/Delete,将弹出
Element Types (单元类型定义)对话框。单击对话框中的按钮,将弹出 Library of
Element Types (单元类型库)对话框,如图 所示。
图 定义单元类型 PLANE77
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