ANSYS热结构耦合分析实例.docx

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ANSYS热结构耦合分析实例

ANSYS热-结构耦合分析实例

（1）

/PREP7

/TITLE,Part1:

heattransferanalysis

ET,1,SOLID70!

定义单元类型

!

-----------------------------------------------------------------

!

设置参数

!

单位制为：

力-N;长度-m;温度-；时间-s；

!

-----------------------------------------------------------------

W_col=0.2039!

柱截面宽度

H_col=0.2062!

柱截面高度

tf_col=0.0125!

柱翼缘厚度

tw_col=0.0083!

柱腹板厚度

B_col=（W_col-tw_col）/2!

柱翼缘伸出长度

D_col=H_col-2*tf_col!

柱腹板净高

W_beam=0.165!

梁截面宽度

H_beam=0.3038!

梁截面高度

tf_beam=0.0102!

梁翼缘厚度

tw_beam=0.0061!

梁腹板厚度

B_beam=（W_beam-tw_beam）/2!

梁翼缘伸出长度

D_beam=H_beam-2*tf_beam!

梁腹板净高

Dis_hor=5.5!

框架水平跨间距

Dis_ver=3.0!

框架竖向层高

pp=（W_col-W_beam）/2

!

------------------------------------------------------------------------

!

定义热分析材料特性,包括导热性，比热，密度等

!

------------------------------------------------------------------------

MPTEMP,,20,800,900,1000!

定义随温度变化的钢材的导热性

MPDATA,KXX,1,,53.334,27.36,27.36,27.36

MPTEMP!

清除当前温度场

MPTEMP,,20,100,180,260,380!

定义随温度变化的钢材的比热

MPDATA,C,1,,439.8,487.62,522.33,550.75,596.52

MPTEMP,,500,600,640,720,735

MPDATA,C,1,,666.5,759.92,798.67,1388,5000

MPTEMP,,750,830,900,1000

MPDATA,C,1,,1483,725,650,650

MP,DENS,1,7850!

定义钢材的密度

!

------------------------------------------------------------------------

!

建立分析模型

!

------------------------------------------------------------------------

!

生成第一根柱：

N,1,-H_col/2,,-W_col/2!

产生构成柱截面的节点

N,2,-H_col/2,,-W_col/2+pp

NGEN,4,1,2,,,,,（B_col-pp）/3

N,6,-H_col/2,,tw_col/2

NGEN,4,1,6,,,,,（B_col-pp）/3

N,10,-H_col/2,,W_col/2

NGEN,2,10,1,10,1,tf_col

NGEN,10,6,15,16,1,D_col/10

NGEN,2,60,11,20,1,D_col

NGEN,2,10,71,80,1,tf_col

NGEN,2,100,all,,,,（Dis_ver-H_beam/2）/60!

将已生成的节点沿y方向偏移（Dis_ver-H_beam/2）/60拷贝一层，节点号加100

!

从已产生的两层节点生成第一层单元

E,1,2,12,11,101,102,112,111!

定义翼缘上第一个单元

EGEN,9,1,1!

沿翼缘长度拷贝9个单元

E,15,16,22,21,115,116,122,121!

定义腹板上第一个单元，编号为10

EGEN,10,6,10!

拷贝单元10形成腹板

E,71,72,82,81,171,172,182,181!

定义另一翼缘上一个单元，编号20

EGEN,9,1,20!

拷贝单元20形成另一翼缘

!

将第一层单元沿y方向拷贝60层，ANSYS自动生成所有的节点。

节点编号每层加100。

EGEN,60,100,1,28,1,,,,,,0,（Dis_ver-H_beam/2）/60

!

将柱的模型继续向上延伸梁的截面高度，生成梁柱节点。

!

节点处单元尺寸尽量与梁的截面单元尺寸一致。

NSEL,S,NODE,,6001,6090,1!

将顶层节点向上偏移梁的翼缘厚度，

NGEN,2,100,ALL,,,,tf_beam!

并生成一层单元

EGEN,2,100,1653,1680,1

NSEL,ALL

!

NSEL,S,NODE,,6101,6190!

将顶层节点向上偏移梁的腹板净高度，

NGEN,11,100,ALL,,,,D_beam/10!

并生成10层单元

EGEN,11,100,1681,1708,1

NSEL,ALL

!

NSEL,S,NODE,,7101,7190!

将顶层节点向上偏移梁的翼缘厚度

NGEN,2,100,ALL,,,,tf_beam!

并生成一层单元

EGEN,2,100,1961,1988,1

NSEL,ALL

!

将实体模型的柱向上延伸H_beam的高度，避免梁单元和实体单元在梁柱节点处切换

NSEL,S,NODE,,7201,7290!

生成6层单元，每层高H_beam/6

NGEN,7,100,ALL,,,,H_beam/6

EGEN,7,100,1989,2016,1

NSEL,ALL

!

第一根实体模型柱完成。

!

共计：

节点79层，每层编号1-90，逐层加100，顶层编号7801-7890

!

单元78层，自动编号。

每层28个，共28*78=2184个

!

!

拷贝第一根柱生成第二根柱

NGEN,2,10000,ALL,,,Dis_hor!

拷贝所有的节点，节点号加10000

EGEN,2,10000,1,2184,1!

拷贝所有的单元

!

!

生成梁

!

梁被夹在两根柱之间，实际长度为Dis_hor-H_col

!

生成左侧形成一个梁截面的所有节点，梁的节点编号从20001开始

N,20001,H_col/2,Dis_ver-H_beam/2,-W_beam/2

NGEN,4,1,20001,,,,,B_beam/3

N,20005,H_col/2,Dis_ver-H_beam/2,tw_beam/2

NGEN,4,1,20005,,,,,B_beam/3

NGEN,2,10,20001,20008,1,,tf_beam

NGEN,10,6,20014,20015,1,,D_beam/10

NGEN,2,60,20011,20018,1,,D_beam

NGEN,2,10,20071,20078,1,,tf_beam

!

沿x方向偏移（Dis_hor-H_col）/100拷贝一层节点，节点编号加100

NGEN,2,100,20001,20090,,（Dis_hor-H_col）/100

!

生成梁的第一层截面单元

!

两根柱单元总数为4368，故梁的单元编号从4369开始。

E,20001,20002,20012,20011,20101,20102,20112,20111!

定义单元4369

EGEN,7,1,4369!

拷贝单元4369形成一个翼缘

E,20014,20015,20021,20020,20114,20115,20121,20120!

定义单元4376

EGEN,10,6,4376!

拷贝单元4376形成腹板

E,20071,20072,20082,20081,20171,20172,20182,20181!

定义单元4386

EGEN,7,1,4386!

拷贝单元4386形成另一翼缘

!

沿x方向拷贝100层生成整根梁，每层高度（Dis_hor-H_col）/100

EGEN,100,100,4369,4392,1,,,,,,（Dis_hor-H_col）/100

!

梁的实体模型完成

!

总计：

梁的节点为101层，每层编号1-88。

从20001开始，逐层加100

!

左端截面的节点为20001-20088；右端截面的节点为30001-30088

!

每层单元数为24个，总计24*100=2400个。

单元编号为4369-6768

!

----------------------------------------------------------------------

!

建立梁和柱连接处的耦合关系。

!

----------------------------------------------------------------------

CPINTF,all,0.002

FINISH

!

/SOLU

ANTYPE,TRANS!

定义分析类型

TUNIF,20!

定义初始温度

!

-----------------------------------------------------------------------

!

定义边界条件，并求解

!

-----------------------------------------------------------------------

!

选择梁的上翼缘上表面，定义为HTUP

NSEL,S,NODE,,20081,30081,100

NSEL,A,NODE,,20082,30082,100

NSEL,A,NODE,,20083,30083,100

NSEL,A,NODE,,20084,30084,100

NSEL,A,NODE,,20085,30085,100

NSEL,A,NODE,,20086,30086,100

NSEL,A,NODE,,20087,30087,100CM,HTUP,NODE!

定义以上所选节点为HTUP

NSEL,ALL

!

选择梁的下翼缘下表面，定义为HTDOWN

NSEL,S,NODE,,20001,30001,100

NSEL,A,NODE,,20002,30002,100

NSEL,A,NODE,,20003,30003,100

NSEL,A,NODE,,20004,30004,100

NSEL,A,NODE,,20005,30005,100

NSEL,A,NODE,,20006,30006,100

NSEL,A,NODE,,20007,30007,100

CM,HTDOWN,NODE!

定义以上所选节点为HTDOWN

NSEL,ALL

!

选择梁的左侧，定义为HTLEFT

NSEL,S,NODE,,20011,30011,100

NSEL,A,NODE,,20012,30012,100

NSEL,A,NODE,,20013,30013,100

NSEL,A,NODE,,20014,30014,100

NSEL,A,NODE,,20020,30020,100

NSEL,A,NODE,,20026,30026,100

NSEL,A,NODE,,20032,30032,100

NSEL,A,NODE,,20038,30038,100

NSEL,A,NODE,,20044,30044,100

NSEL,A,NODE,,20050,30050,100

NSEL,A,NODE,,20056,30056,100

NSEL,A,NODE,,20062,30062,100

NSEL,A,NODE,,20068,30068,100

NSEL,A,NODE,,20074,30074,100

NSEL,A,NODE,,20071,30071,100

NSEL,A,NODE,,20072,30072,100

NSEL,A,NODE,,20073,30073,100

CM,HTLEFT,NODE!

定义以上所选节点为HTLEFT

NSEL,ALL

!

选择梁的右侧，定义为HTRIGHT

NSEL,S,NODE,,20015,30015,100

NSEL,A,NODE,,20016,30016,100

NSEL,A,NODE,,20017,30017,100

NSEL,A,NODE,,20018,30018,100

NSEL,A,NODE,,20021,30021,100

NSEL,A,NODE,,20027,30027,100

NSEL,A,NODE,,20033,30033,100

NSEL,A,NODE,,20039,30039,100

NSEL,A,NODE,,20045,30045,100

NSEL,A,NODE,,20051,30051,100

NSEL,A,NODE,,20057,30057,100

NSEL,A,NODE,,20063,30063,100

NSEL,A,NODE,,20069,30069,100

NSEL,A,NODE,,20075,30075,100

NSEL,A,NODE,,20076,30076,100

NSEL,A,NODE,,20077,30077,100

NSEL,A,NODE,,20078,30078,100

CM,HTRIGHT,NODE!

定义以上所选节点为HTRIGHT

NSEL,ALL

!

施加热边界条件并求解

*DO,tm,60,180,60!

定义时间参数tm从60到600（秒）

Time,tm!

当前时间为tm

DELTIM,20!

定义初始时间步长

AUTOTS,ON!

打开自动步长控制

Temp=20+345*LOG10（8*tm/60+1!

计算环境空气温度

SF,HTUP,CONV,25,Temp!

对受热边界施加对流作用

SF,HTDOWN,CONV,25,Temp

SF,HTLEFT,CONV,25,Temp

SF,HTRIGHT,CONV,25,Temp

SF,HTUP,RDSF,0.7,1!

定义热辐射场

SF,HTDOWN,RDSF,0.7,2

SF,HTLEFT,RDSF,0.7,3

SF,HTRIGHT,RDSF,0.7,4

STEF,5.6696E-8!

定义Stefan-Boltzmann常数

TOFFST,273!

定义绝对温度偏差

SPCTEMP,1,Temp!

定义热辐射场的温度为火的温度

SPCTEMP,2,Temp

SPCTEMP,3,Temp

SPCTEMP,4,Temp

SOLVE

*ENDDO

FINISH

!

ANSYS热-结构耦合分析实例

（2）

结构分析

!

----------------------------------------------------------------------

!

/PREP7  

/TITLE,Part2:

structuralanalysis  

ET,1,SOLID45,1,1     !

对应于SOLID70的结构单元为SOLID45

ET,2,BEAM188       !

单元类型2为BEAM188

!

---------------------------------------------------------------

!

定义结构分析材料特性

!

---------------------------------------------------------------

fy=275E+6       !

常温下屈服应力

exx=2.1E+11       !

常温下杨氏模量

MPTEMP         !

清除旧的温度场

MPTEMP,,20,100,200,300,400   !

定义随温度变化的杨氏模量

MPDATA,EX,1,,exx,exx,0.9*exx,0.8*exx,0.7*exx  

MPTEMP,,500,600,700,800,900  

MPDATA,EX,1,,0.6*exx,0.31*exx,0.13*exx,0.09*exx,0.0675*exx  

MP,NUXY,1,0.3       !

定义泊松比

MP,ALPX,1,1.4E-5     !

定义热膨胀系数

!

定义随温度变化的应力-应变关系

TB,MISO,1,10,3       !

共10个温度，每个温度时的应力-应变由3个点描述

TBTEMP,20       !

20度时的应力-应变关系

TBPT,,fy/exx,fy  

TBPT,,0.02,fy  

TBPT,,0.15,fy  

TBTEMP,100       !

100度时的应力-应变关系

TBPT,,fy/exx,fy  

TBPT,,0.02,fy  

TBPT,,0.15,fy  

TBTEMP,200       !

200度时的应力-应变关系

TBPT,,0.807*fy/（0.9*exx）,0.807*fy  

TBPT,,0.02,fy  

TBPT,,0.15,fy  

TBTEMP,300       !

300度时的应力-应变关系

TBPT,,0.613*fy/（0.8*exx）,0.613*fy  

TBPT,,0.02,fy  

TBPT,,0.15,fy  

TBTEMP,400       !

400度时的应力-应变关系

TBPT,,0.420*fy/（0.7*exx）,0.420*fy  

TBPT,,0.02,fy  

TBPT,,0.15,fy  

TBTEMP,500       !

500度时的应力-应变关系

TBPT,,0.360*fy/（0.6*exx）,0.360*fy  

TBPT,,0.02,0.780*fy  

TBPT,,0.15,0.780*fy  

TBTEMP,600       !

600度时的应力-应变关系

TBPT,,0.180*fy/（0.310*exx）,0.180*fy  

TBPT,,0.02,0.470*fy  

TBPT,,0.15,0.470*fy  

TBTEMP,700       !

700度时的应力-应变关系

TBPT,,0.075*fy/（0.130*exx）,0.075*fy  

TBPT,,0.02,0.230*fy  

TBPT,,0.15,0.230*fy  

TBTEMP,800       !

800度时的应力-应变关系

TBPT,,0.050*fy/（0.090*exx）,0.050*fy  

TBPT,,0.02,0.110*fy  

TBPT,,0.15,0.110*fy  

TBTEMP,900       !

900度时的应力-应变关系

TBPT,,0.0375*fy/（0.0675*exx）,0.0375*fy  

TBPT,,0.02,0.060*fy  

TBPT,,0.15,0.060*fy  

!

-------------------------------------------------------------------

!

定义梁和柱的截面特性

!

-------------------------------------------------------------------

SECTYPE,1,beam,I,column         !

定义柱截面为截面类型1

SECDATA,W_col,W_col,H_col,tf_col,tf_col,tw_col    !

定义柱的截面尺寸

SECTYPE,2,beam,I,beam         !

定义梁截面为截面类型2

SECDATA,W_beam,W_beam,H_beam,tf_beam,tf_beam,tw_beam !

定义梁截面尺寸

!

-----------------------------------------------------------------

!

用梁单元建立框架的剩余部分的模型

!

----------------------------------------------------------------

K,1,,Dis_ver+H_beam*1.5     !

定义生成框架的关键点

K,2,,2*Dis_ver  

K,3,,3*Dis_ver  

K,4,Dis_hor,Dis_ver+H_beam*1.5  

K,5,Dis_hor,2*Dis_ver  

K,6,Dis_hor,3*Dis_ver  

K,7,Dis_hor+H_col/2,Dis_ver  

K,8,2*Dis_hor  

K,9,2*Dis_hor,Dis_ver  

K,10,2*Dis_hor,2*Dis_ver  

K,11,2*Dis_hor,3*Dis_ver  

K,12,3*Dis_hor  

K,13,3*Dis_hor,Dis_ver  

K,14,3*Dis_hor,2*Dis_ver  

K,15,3*Dis_hor,3*Dis_ver  

K,100,-3,3       !

定义用于确定梁的主轴方向的关键点

K,200,5,20  

!

生成线  

L,1,2         !

线1-10用来生成柱单元

L,2,3  

L,4,5  

L,5,6  

L,8,9  

L,9,10  

L,10,11  

L,12,13  

L,13,14  

L,14,15  

L,2,5         !

线11-18用来生成梁单元

L,3,6  

L,7,9  

L,5,10  

L,6,11  

L,9,13  

L,10,14  

L,14,15

!

定义线的属性

LSEL,S,LINE,,1,10,1     !

定义线1-10（柱）的属性

LATT,1,,2,,100,,1  

LSEL,ALL  

LSEL,S,LINE,,11,18,1     !

定义线11-18（梁）的属性

LATT,1,,2,,200,,2  

LSEL,ALL

!

划分单元  

LESIZE,ALL,0.3       !

定义单元尺寸

LMESH,ALL       !

划分单元

!

------------------------------------------------------------------

!

建立耦合与约束关系

!

------------------------------------------------------------------

CPINTF,ALL,0.002     !

自动耦合实体模型部分

!

实体模型和线模型之间有三个接口：

两个柱端的连接，以及底层中跨的梁左端连接到第二根实体柱的侧面

!

建立关键点1和第一根柱柱端的连接

N1=NODE（0,Dis_ver+H_beam*1.5,0）   !

找到对应于关键点1的节点号，标记为N1

num=0