ANSYS流体跟热分析第15节耦合场分析典型工程实例文档.docx
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第15章耦合场分析典型工程实例
本章重点通过实例讲解介绍ANSYS耦合分析在工程上的一些典型应用。
章要要点
&如何解决热-结构耦合问题
&耦合场分析典型工程实例
本章案例
&包含焊缝的金属板热膨胀分析
&现代办公楼层内空调布局对室内温度分布的影响研究
15.1工程实例一——包含焊缝的金属板热膨胀分析
该工程实例问题说明及分析如下:
某一平板由钢板和铁板焊接而成,焊接材料为铜,平板尺寸为1×1×0.2,横截面结构如图15-1所示。
平板的初始温度为800℃,将平板放置于空气中进行冷却,周围空气温度为30℃,对流系数为110W/(m2
℃)。
求10分钟后平板内部的温度场及应力场分布(材料参数见表15-1)。
图15-1平板横截面结构示意图
表15-1材料性能参数
温度℃
弹性模量Gpa
屈服强度Gpa
切变模量Gpa
导热系数W/(m·℃)
线膨胀系数℃-1
比热容J/(kg·℃)
密度kg/m3
泊松比
钢
30
206
1.4
20.6
66.6
1.06E-05
460
7800
0.3
200
192
1.33
19.8
400
175
1.15
18.3
600
153
0.92
15.6
800
125
0.68
11.2
铜
30
103
0.9
10.3
383
1.75E-05
390
8900
0.3
200
99
0.85
0.98
400
90
0.75
0.89
600
79
0.62
0.75
800
58
0.45
0.52
铁
30
118
1.04
1.18
46.5
5.87E-06
450
7000
0.3
200
93
0.91
0.86
400
93
0.91
0.86
600
75
0.76
0.69
800
52
0.56
0.51
该问题属于瞬态热应力问题,选择整体平板建立几何模型,选取SOLID5热-结构耦合单元进行求解。
——附带光盘“Ch15\实例15-1_start”
——附带光盘“Ch15\实例15-1_end”
——附带光盘“AVI\Ch15\15-1.avi”
1、定义工作文件名
选择UtilityMenu>File>ChangeJobname命令,弹出ChangeJobname对话框,在Enternewjobname后面的文本框中输入EXERCISE15-1,选中Newloganderrorfiles复选框为Yes,单击OK按钮。
2、定义工作标题
选择UtilityMenu>File>ChangeTitle命令,弹出如图15-33所示的ChangeTitle对话框,在Enternewtitle后面的文本框中输入thermalstressesinsectionsincludingweldingseam,单击OK按钮。
3、定义单元类型
1、选择MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete命令,弹出ElementTypes对话框。
单击Add按钮,在弹出的LibraryofElementTypes对话框中,在左面的列表栏中选择CoupledField、VectorQuad13选项,在Elementtypereferencenumber输入“1”。
如图15-2所示。
图15-2单元类型选择对话框
2、单击OK按钮,关闭LibraryofElementTypes对话框。
在ElementTypes对话框中点击Option按钮,出现PLANE13elementtypeoptions对话框。
在ElementdegreesoffreedomK1选项中选择UXUYTEMPAZ选项,如图13-3所示。
单击OK按钮,关闭PLANE55elementtypeoptions对话框。
点击Close按钮,关闭ElementType对话框。
图15-3单元分析选项对话框
4、定义材料性能参数
1、选择MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels,弹出DefineMaterialModelsBehavior对话框,默认材料编号1,点击对话框右侧的Thermal>Conductivity>Isotropic,在弹出的对话框的热导率KXX中输入导热系数66.6,单击OK按钮关闭该对话框。
点击对话框右侧的Structure>Thermal>Expansion>SecantCoefficient>Isotropic,在弹出的对话框中输入线膨胀系数1.06e-5,单击OK按钮关闭该对话框。
点击对话框右侧的Structure>Density选项,在弹出的对话框中输入密度7800,单击OK按钮关闭该对话框。
点击对话框右侧的Structure>Thermal>SpecificHeat选项,在弹出的对话框中输入比热460,单击OK按钮关闭该对话框。
点击对话框右侧的Structure>Linear>Elastic>Isotropic选项,在弹出的对话框中单击AddTemperature按钮4次,参照图15-4进行设置,单击OK按钮关闭该对话框。
点击对话框右侧的Structure>Nonlinear>Inelastic>RateIndependent>KinematicHardeningPlasticity>MisesPlasticity>Bilinear选项,在弹出的对话框中单击AddTemperature按钮4次,参照图15-5进行设置,单击OK按钮关闭该对话框。
图15-3输入钢的弹性模量和泊松比的对话框
图15-4输入钢的屈服强度和切变模量的对话框
2、在DefineMaterialModelsBehavior对话框中选择Material>NewModel命令,在DefineMaterialID文本框中输入2,单击OK按钮关闭该对话框。
点击对话框右侧的Thermal>Conductivity>Isotropic,在弹出的对话框的热导率KXX中输入导热系数383,单击OK按钮关闭该对话框。
点击对话框右侧的Structure>Thermal>Expansion>SecantCoefficient>Isotropic,在弹出的对话框中输入线膨胀系数1.75e-5,单击OK按钮关闭该对话框。
点击对话框右侧的Structure>Density选项,在弹出的对话框中输入密度8900,单击OK按钮关闭该对话框。
点击对话框右侧的Structure>Thermal>SpecificHeat选项,在弹出的对话框中输入比热390,单击OK按钮关闭该对话框。
点击对话框右侧的Structure>Linear>Elastic>Isotropic选项,在弹出的对话框中单击AddTemperature按钮4次,参照图15-5进行设置,单击OK按钮关闭该对话框。
点击对话框右侧的Structure>Nonlinear>Inelastic>RateIndependent>KinematicHardeningPlasticity>MisesPlasticity>Bilinear选项,在弹出的对话框中单击AddTemperature按钮4次,参照图15-6进行设置,单击OK按钮关闭该对话框。
图15-5输入铜的弹性模量和泊松比的对话框
图15-6输入铜的屈服强度和切变模量的对话框
3、在DefineMaterialModelsBehavior对话框中选择Material>NewModel命令,在DefineMaterialID文本框中输入3,单击OK按钮关闭该对话框。
点击对话框右侧的Thermal>Conductivity>Isotropic,在弹出的对话框的热导率KXX中输入导热系数46.5,单击OK按钮关闭该对话框。
点击对话框右侧的Structure>Thermal>Expansion>SecantCoefficient>Isotropic,在弹出的对话框中输入线膨胀系数5.87e-6,单击OK按钮关闭该对话框。
点击对话框右侧的Structure>Density选项,在弹出的对话框中输入密度7000,单击OK按钮关闭该对话框。
点击对话框右侧的Structure>Thermal>SpecificHeat选项,在弹出的对话框中输入比热450,单击OK按钮关闭该对话框。
点击对话框右侧的Structure>Linear>Elastic>Isotropic选项,在弹出的对话框中单击AddTemperature按钮4次,参照图15-7进行设置,单击OK按钮关闭该对话框。
点击对话框右侧的Structure>Nonlinear>Inelastic>RateIndependent>KinematicHardeningPlasticity>MisesPlasticity>Bilinear选项,在弹出的对话框中单击AddTemperature按钮4次,参照图15-8进行设置,单击OK按钮关闭该对话框。
图15-7输入铁的弹性模量和泊松比的对话框
图15-8输入铁的屈服强度和切变模量的对话框
5、创建几何模型
1、选择MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS命令,弹出CreateKeypointsinActiveCoordinatorSystem对话框,如图15-9所示,在NPTKeypointnumber文本框中输入1,在X,Y,ZLocationinactiveCS文本框中依次输入0、0、0;点击Apply按钮,在NPTKeypointnumber文本框中输入2,在X,Y,ZLocationinactiveCS文本框中依次输入0.5、0、0;点击Apply按钮,在NPTKeypointnumber文本框中输入3,在X,Y,ZLocationinactiveCS文本框中依次输入1、0、0;点击Apply按钮,在NPTKeypointnumber文本框中输入4,在X,Y,ZLocationinactiveCS文本框中依次输入0、0.2、0;点击Apply按钮,在NPTKeypointnumber文本框中输入5,在X,Y,ZLocationinactiveCS文本框中依次输入0.4、0.2、0;点击Apply按钮,在NPTKeypointnumber文本框中输入6,在X,Y,ZLocationinactiveCS文本框中依次输入0.6、0.2、0;点击Apply按钮,在NPTKeypointnumber文本框中输入7,在X,Y,ZLocationinactiveCS文本框中依次输入1、0.2、0;单击OK按钮关闭该对话框。
图15-9创建关键点对话框
2、选择MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>ThroughKPs命令,出现CreateAreathru菜单,在文本框中输入1,2,5,4,单击Apply按钮,在文本框中输入2,3,7,6,单击OK按钮关闭该对话框。
3、选择UtilityMenu>WorkPlane>ChangeActiveCSto>GlobalCylinder命令,将当前激活坐标系转变为柱坐标系。
4、选择MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines>InActiveCoord命令,出现LinesinActive菜单,在文本框中输入6,5,单击OK按钮关闭该菜单。
5、选择UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering,弹出PlotNumberingControls对话框,在LINELinenumbers和AREAAreanumbers后选择on,单击OK按钮关闭该菜单。
6、选择MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>ByLines命令,出现CreateAreasByL菜单,在文本框中输入2,8,9,单击OK按钮关闭该菜单。
7、选择UtilityMenu>Plot>Area命令,ANSYS显示窗口显示所生成的平面几何模型,如图15-10所示。
图15-10生成的平面几何模型结果显示
6、划分单元
1、选择MainMenu>Preprocessor>Meshing>SizeCntrls>ManualSize>Global>Size命令,出现GlobalElementSize对话框,在SIZEElementedgelength文本框中输入0.05,单击OK按钮关闭该对话框。
2、选择MainMenu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Areas>Mapped>3or4sided命令,出现MeshAreas菜单,在文本框中输入1,2,3,单击OK按钮关闭该对话框。
3、选择UtilityMenu>Plot>Element命令,ANSYS显示窗口显示网格划分的结果,如图15-11所示。
15-11图生成的平面几何模型结果显示
4、选择MainMenu>Preprocessor>Meshing>SizeCntrls>ManualSize>Global>Size命令,出现GlobalElementSize对话框,在NDIVNo.ofElementdivision文本框中输入10,单击OK按钮关闭该对话框。
5、选择MainMenu>Preprocessor>Meshing>SizeCntrls>ManualSize>Global>Size命令,出现GlobalElementSize对话框,在NDIVNo.ofElementdivision文本框中输入10,单击OK按钮关闭该对话框。
6、选择MainMenu>Preprocessor>Modeling>Extrude>ElemExtOpts命令,出现ElementExtrusionOptions对话框,在[TYPE]Elementtypenumber下拉列表框中选择2SOLID5,在[MAT]ChangedefaultMAT下拉列表框中选择1,如图15-12所示,单击OK按钮关闭该对话框。
7、选择MainMenu>Preprocessor>Modeling>Extrude>Areas>AlongNormal命令,出现ExtrudeAreaby菜单,在文本框中输入1,如图15-13所示,单击OK按钮,弹出ExtrudeAreaalongNormal对话框,在NAREAAreatobeextrude文本框中输入1,在DISTLengthofextrusion文本框中输入1,单击OK按钮关闭该对话框。
图15-12单元拖拉属性对话框图15-13沿法向拖拉面拾取菜单
8、选择MainMenu>Preprocessor>Modeling>Extrude>ElemExtOpts命令,出现ElementExtrusionOptions对话框,在[TYPE]Elementtypenumber下拉列表框中选择2SOLID5,在[MAT]ChangedefaultMAT下拉列表框中选择3,单击OK按钮关闭该对话框。
9、选择MainMenu>Preprocessor>Modeling>Extrude>Areas>AlongNormal命令,出现ExtrudeAreaby菜单,在文本框中输入2,单击OK按钮,弹出ExtrudeAreaalongNormal对话框,在NAREAAreatobeextrude文本框中输入2,在DISTLengthofextrusion文本框中输入1,单击OK按钮关闭该对话框。
10、选择MainMenu>Preprocessor>Modeling>Extrude>ElemExtOpts命令,出现ElementExtrusionOptions对话框,在[TYPE]Elementtypenumber下拉列表框中选择2SOLID5,在[MAT]ChangedefaultMAT下拉列表框中选择2,单击OK按钮关闭该对话框。
11、选择MainMenu>Preprocessor>Modeling>Extrude>Areas>AlongNormal命令,出现ExtrudeAreaby菜单,在文本框中输入3,单击OK按钮,弹出ExtrudeAreaalongNormal对话框,在NAREAAreatobeextrude文本框中输入3,在DISTLengthofextrusion文本框中输入-1,单击OK按钮关闭该对话框。
12、选择UtilityMenu>PlotCtrls>ViewSettings>ViewingDirection命令,出现ViewingDirection对话框,在XV,YV,ZVCoordsofviewpoint文本框中依次输入1、1、1,如图15-14所示,单击OK按钮关闭该对话框。
图15-14视图显示方向设置对话框
13、选择UtilityMenu>Plot>Element命令,ANSYS显示窗口显示面拖拉后的结果,如图15-15所示。
图15-15拖拉面生成体结果显示
14、选择MainMenu>Preprocessor>Meshing>Clear>Areas命令,出现ClearAreas菜单,在文本框中输入1,2,3,单击OK按钮关闭该对话框。
15、选择MainMenu>Preprocessor>NumberingCtrls>MergeItems命令,出现MergeCoincidentorEquivalentlyDefinedItems对话框,在LabelItemtobeMerge下拉列表框中选择All选项,如图15-16所示,单击OK按钮关闭该对话框。
图15-16合并实体对话框
16、选择MainMenu>Preprocessor>NumberingCtrls>CompressNumber命令,出现CompressNumber对话框,在LabelItemtobecompressed下拉列表框中选择All选项,单击OK按钮关闭该对话框。
17、选择UtilityMenu>Select>Everything命令。
18、选择UtilityMenu>File>Saveas命令,出现SaveDatebase对话框,在SaveDatebaseto文本框中输入exercise15-11.db,保存上述操作过程,单击OK按钮关闭该对话框。
7、加载求解
1、选择MainMenu>Solution>AnalysisType>NewAnalysis,出现NewAnalysis对话框。
选择分析类型为Transient,单击OK按钮,出现TransientAnalysis对话框,采用其默认设置,单击OK按钮关闭该对话框。
2、选择MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Time/Frequenc>TimeIntegration>AmplitudeDecay命令,出现TimeIntegrationControls对话框,参照图15-17对其进行设置,单击OK按钮关闭该对话框。
图15-17时间积分控制对话框
3、选择MainMenu>Solution>AnalysisType>Sol’nControl命令,出现SolutionControl对话框,选择Basic选项卡,参照图15-18对其进行设置;选择Transient选项卡,参照图15-19对其进行设置,单击OK按钮关闭该对话框。
图15-18求解控制基本选项设置对话框图15-19求解控制瞬态选项设置对话框
4、选择MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structure>Temperature>UniformTemp命令,出现UniformTemperature对话框,在[TUNIF]Uniformtemperature文本框中输入800,单击OK按钮关闭该对话框。
5、选择UtilityMenu>Select>Entities,出现SelectEntities对话框,在第一个下拉列表框中选择Areas选项,在第二个下拉列表框中选择ByNum/Pick,在第三个选项组中选中Unselect单选按钮,单击OK按钮,出现Unselectareas菜单,在文本框中输入6,13,单击OK按钮关闭该对话框。
6、选择UtilityMenu>Select>Entities,出现SelectEntities对话框,在第一个下拉列表框中选择Nodes选项,在第二个下拉列表框中选择Attachedto,在第三个选项组中选中Areas,all单选按钮,在第四个选项组中选中FromFull单选按钮,单击OK按钮关闭该对话框。
7、选择MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Thermal>Convection>Onnodes命令,出现ApplyCONVonnodes菜单,点击PickAll按钮,出现ApplyCONVonnodes对话框,在VALIFilmcoefficient文本框中输入110,在VAL2IBulktemperature文本框中输入30,如图15-20所示,单击OK按钮关闭该对话框。
图15-20求解控制基本选项设置对话框
8、选择UtilityMenu>file>Saveas命令,弹出SaveDtabase对话框,在SaveDtabaseto文本框中输入15-1_start.db,保存上述操作过程,单击OK按钮关闭该对话框。
9、选择UtilityMenu>Select>Everything,。
选择MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS,出现SolveCurrentLoadStep对话框,同时出现/STATCommand窗口,仔细阅读/STATCommand窗口中的内容,然后点击Close按钮,关闭/STATCommand窗口。
点击SolveCurrentLoadStep对话框中的OK按钮,ANSYS开始求解计算。
求解结束后,ANSYS显示窗口出现Note提示框,单击Close
10、选择UtilityMenu>file>Saveas命令,弹出SaveDtabase对话框,在SaveDtabaseto文本框中输入15-1_end.db,保存求解结果,单击OK按钮关闭该对话框。
8、后处理
1、选择MainMenu>GeneralPo
- 配套讲稿:
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