ANSYS热分析有限元热分析上机指导书.docx
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ANSYS热分析有限元热分析上机指导书
第四讲热分析上机指导书
CAD/CAM实验室,USTC
实验要求:
1、通过对冷却栅管的热分析练习,熟悉用ANSYS进行稳态热分析的基本过程,熟悉用直接耦合法、间接耦合法进行热应力分析的基本过程。
2、通过对铜块和铁块的水冷分析,熟悉用ANSYS进行瞬态热分析的基本过程。
内容1:
冷却栅管问题
问题描述:
本实例确定一个冷却栅管(图a)的温度场分布及位移和应力分布。
一个轴对称的冷却栅结构管内为热流体,管外流体为空气。
冷却栅材料为不锈钢,特性如下:
导热系数:
W/m℃
弹性模量:
×109MPa
热膨胀系数:
×10-5/℃
泊松比:
边界条件:
(1)管内:
压力:
MPa
流体温度:
250℃
对流系数W/m2℃
(2)管外:
空气温度39℃
对流系数:
W/m2℃
假定冷却栅管无限长,根据冷却栅结构的对称性特点可以构造出的有限元模型如图b。
其上下边界承受边界约束,管内部承受均布压力。
练习1-1:
冷却栅管的稳态热分析
步骤:
1.定义工作文件名及工作标题
1)定义工作文件名:
GUI:
UtilityMenu>File>ChangeJobname,在弹出的【ChangeJobname】对话框中输入文件名Pipe_Thermal,单击OK按钮。
2)定义工作标题:
GUI:
UtilityMenu>File>ChangeTitle,在弹出的【ChangeTitle】对话框中2DAxisymmetricalPipeThermalAnalysis,单击OK按钮。
3)关闭坐标符号的显示:
GUI:
UtilityMenu>PlotCtrls>WindowControl>WindowOptions,在弹出的【WindowOptions】对话框的Locationoftriad下拉列表框中选择NoShown选项,单击OK按钮。
2.定义单元类型及材料属性
1)定义单元类型:
GUI:
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit>Delete命令,弹出【ElementTypes】对话框,单击Add按钮,弹出【LibraryType】对话框,选择ThermalSolidQuad8node77选项,单击OK按钮。
2)设置单元选项:
单击【ElementType】对话框的Options按钮,弹出【Plane77elementtypeoptions】对话框,在Elementbehavior下拉列框中选择Axisymmetrical选项,单击OK按钮,单击Close按钮。
3)设置材料属性:
GUI:
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels,弹出【DefineMaterialModelsBehavior】窗口,双击MaterialModelAvailable列表框中的Structural\Linear\Elastic\Isotropic选项,弹出【LinearIsotropicMaterialPropertiesforMaterialNumber1】对话框,在EX和PRXY文本框中分别输入和,单击OK按钮。
接着为材料1设置导热系数,点击Thermal\Conductivity\Isotropic,弹出【ConductivityforMaterialNumber1】对话框,在KXX文本框中填入,单击OK按钮,关闭材料属性定义对话框。
3.建立几何模型
1)创建矩形面:
GUI:
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>ByDimensions,弹出【CreateRectanglebyDimensions】对话框,在X-coordinates文本框中输入,,在Y-coordinates文本框中输入0,,单击Apply按钮。
接着在X-coordinates文本框中输入,,在Y-coordinates文本框中输入0,,单击OK按钮。
2)面相加操作:
GUI:
MainMenu>Preprocessor>Operate>Booleans>Add>Areas,弹出一个拾取框,单击PickAll按钮。
3)打开线编号控制:
GUI:
UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering,弹出【PlotNumberingControls】对话框,选择Linenumbers复选框,单击OK按钮。
4)线倒角:
GUI:
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>LineFillet,弹出一个拾取框,拾取编号为L11和L13的线,单击OK按钮,弹出【LineFillet】对话框,在RADFilletradius文本框中输入,单击OK按钮。
5)显示线:
GUI:
UtilityMenu>Plot>Lines。
6)生成面:
GUI:
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>ByLines,弹出一个拾取框,拾取编号为L2,L5和L4的线,单击OK按钮。
7)面相加操作:
GUI:
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Add>Areas,弹出一个拾取框,单击PickAll按钮。
4.生成有限元模型
1)显示工作平面:
GUI:
UtilityMenu>WorkPlane>DisplayWorkplane
2)打开关键点编号:
GUI:
UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering,弹出【PlotNumberingControls】对话框,选择Keypointnumbers复选框,清除Linenumbers复选框,单击OK按钮。
3)平移工作平面:
GUI:
UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPto>Keypoint,弹出一个拾取框,拾取编号为10的关键点,单击OK按钮。
4)旋转工作平面:
GUI:
UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPByIncrements,显示【OffsetWP】工具栏,在XY,YZ,ZXAngles文本框中输入0,0,90,单击Apply按钮。
5)面分解:
GUI:
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Divide 6)打开面的编号: GUI: UtilityMenu>WorkPlane>PlotCtrls>Numbering,弹出【PlotNumberingControls】对话框,选择Areanumber复选框,单击OK按钮。 7)平移工作平面: GUI: UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPto>Keypoint,弹出一个拾取框,拾取编号为5的关键点,单击OK按钮。 8)旋转工作平面: GUI: UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPByIncrements,显示【OffsetWP】工具栏,在XY,YZ,ZXAngles文本框中输入0,90,0,单击Apply按钮。 9)面分解: GUI: MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Divide 10)创建关键点: GUI: MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>OnLineW/Ratio,拾取编号为L3的线,单击OK按钮,弹出【CreateKPonLine】对话框,在Lineratio(0-1)文本框中输入,单击OKANNIU生成一个编号为12的关键点。 11)平移工作平面: GUI: UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPto>Keypoint,弹出一个拾取框,拾取编号为12的关键点,单击OK按钮。 12)旋转工作平面: GUI: UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPByIncrements,显示【OffsetWP】工具栏,在XY,YZ,ZXAngles文本框中输入0,-90,0,单击OK按钮。 13)面分解: GUI: MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Divide 14)关闭工作平面: GUI: UtilityMenu>WorkPlane>DisplayWorkingPlane 15)线相加操作: GUI: MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Add>Lines,弹出一个拾取框,拾取编号为L9和L14的线,单击OK按钮弹出【AddLines】对话框,单击Apply按钮,接着拾取编号为L9和L21的线,单击OK按钮弹出【AddLines】对话框,单击OK按钮。 16)设置单元尺寸: GUI: MainMenu>Preprocessor>Meshing>SizeCntrls>ManulSize>Global>Size,弹出【GlobalElementSize】对话框,在Elementedgelength文本框中输入,单击OK按钮。 17)划分映射网格: GUI: MainMenu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Areas>Mapped>3or4sided,弹出一个拾取框,拾取编号为A1,A3,A5,A6的面,单击OK按钮。 18)对A7划分网格: GUI: MainMenu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Areas>Mapped>Byconners,弹出一个拾取框,拾取编号为A7的面,单击OK,接着拾取编号为5,14,9,10的关键点,单击OK。 19)保存网格: ToolBar>Save_DB 5.施加载荷及求解 1)在线上施加对流载荷: GUI: MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Thermal>Convection>OnLines,弹出一个拾取框,拾取编号为L2,L6,L13,L11的线,单击OK按钮,弹出【ApplyCONVonLines】对话框,在Filmcoefficient文本框中输入,在Bulktemperature文本框中输入39,单击Apply按钮。 拾取编号为L9和L8的线,单击OK按钮,在Filmcoefficient文本框中输入,在Bulktemperature文本框中输入250,单击OK按钮。 2)列表显示边界条件: GUI: Utility>List>Loads>Surface>OnAllLoads,检查所有对流边界条件是否加载。 3)求解: GUI: MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS,弹出一个提示窗口和【SolveCurrentLoadStep】对话框,确认后关闭提示窗口,单击OK求解。 4)求解完成后,保存结果文件: GUI: UtilityMenu>File>Saveas,弹出【Saveas】对话框,在SaveDatabaseTo文本框中输入Thermal,单击OK。 6.后处理 1)绘制温度分布云图: GUI: Main>GeneralPostproc>PlotResults>Contour>Plot>NodalSolu,弹出【ContourNodalSolutionData】对话框,点击NodalSolution\DOFSolution\Temperature,UndisplacedShapekey下拉框中选择Deformedshapewithundeformedmodel。 2)绘制热流量分布云图: GUI: Main>GeneralPostproc>PlotResults>Contour>Plot>NodalSolu,弹出【ContourNodalSolutionData】对话框,点击Thermalflux\Thermalfluxvectorsum,单击OK。 3)绘制热梯度分布云图: GUI: Main>GeneralPostproc>PlotResults>Contour>Plot>NodalSolu,弹出【ContourNodalSolutionData】对话框,点击Thermalgradientvectorsum,单击OK按钮。 练习1-2: 间接法计算冷却栅管的热应力 这个练习是接着上一个的,如果ANSYS还没有关闭,则忽略下面的第1步,否则从第1步开始往下做。 步骤: 1、恢复数据库文件 GUI: UtilityMenu>File>Resumefrom,弹出【ResumeDatabase】对话框,在ResumeDatabasefrom列表框中选择选项,单击OK按钮。 2、改变工作标题和分析类型 1)改变工作标题: GUI: UtilityMenu>File>Changetitle,弹出【ChangeTitle】对话框,输入2DAxisymmetricalPipeThermal_StressAnalysis,单击OK按钮。 2)改变分析类型: GUI: MainMenu>Preferences,在弹出的【PreferenceforGUIFiltering】对话框中选择Structural,单击OK按钮。 3、转换单元类型及重新设置材料属性 1)删除对流边界: GUI: MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Delete>AllLoadData>AllSolidModLds,弹出【DeleteAllSolidModelLoads】对话框,单击OK按钮,则施加在实体上的所有载荷均被删除。 2)转换单元类型为结构单元: GUI: MainMenu>Preprocessor>ElementType>SwitchElemType,弹出【SwitchElemType】对话框。 在Changeelementtype下拉框中选择ThermaltoStruc,单击OK后会弹出一个警告,提示单元类型已经转变,单击Close按钮。 3)设置单元为轴对称: GUI: MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete,弹出【ElementType】对话框,单击Options按钮,弹出【PLANE82elemnttypeoptions】对话框,在ElementbehaviorK3下拉框中选择Axisymmetrical选项,单击OK按钮。 4)设置材料的线胀系数: GUI: MainMenu>Preprocessor>MaterialPros>MaterialModels,弹出【DefineMaterialModelBehavior】窗口,点击MaterialModelAvailable列表框中的Structural\Thermal\SecantCoefficienet\Isotropic,弹出【ThermalExpansionCoefforMaterialNumber1】对话框,在ALPX文本框中填入,单击OK按钮,关闭材料属性设置对话框。 4、施加结构分析载荷并求解 1)施加对称边界约束: GUI: MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>Symmetry.>OnLines,弹出一个拾取对话框。 拾取编号为L19,L7和L4的线,单击Apply。 接着拾取L12,L17,单击OK按钮。 2)显示线: GUI: UtilityMenu>Plot>Line 3)施加节点温度载荷: GUI: MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Temperature>FromThermAnaly,弹出【ApplyTEMPfromThermalAnalysis】对话框,在Nameofresultfile文本框中输入文件名,单击OK按钮。 4)在管的内壁施加面载荷: GUI: MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Pressure>OnLines,弹出一个拾取框,拾取编号为L9和L8的线,单击OK按钮,弹出【ApplyPRESonlines】对话框,在VALUELoadPRESvalue文本框中输入,单击OK按钮。 5)显示节点的温度体载荷: GUI: UtilityMenu>PlotCtrls>Symbols,弹出【Symbols】对话框。 在BodyLoadSymbols下拉框中选择Structuraltemps选项,单击OK按钮。 6)显示单元: GUI: UtilityMenu>Plot>Element 7)求解: 求解: GUI: MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS 8)求解完成后,保存结果文件: GUI: UtilityMenu>File>Saveas,弹出【Saveas】对话框,在SaveDatabaseTo文本框中输入,单击OK。 5、普通后处理 1)显示变形: GUI: MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShape,弹出【PlotDeformedShape】对话框,选择Def+undeformed单选框,单击OK按钮。 2)显示位移云图: GUI: MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>NodalSolu,弹出【ContourNodalSolutionData】对话框,点击NodalSolution\DOFSolution\Displamentvectorsum,接着在Undisplacedshapekey下拉框中选择Deformedshapewithundeformededge,单击OK按钮。 3)显示VonMises应力分布云图: GUI: MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>NodalSolu,弹出【ContourNodalSolutionData】对话框,点击NodalSolution\Stress\vonMisesstress,单击OK按钮。 6、扩展后处理(针对轴对称结构) 1)绕Y方向扩展1/4: GUI: UtilityMenu>PlotCtrls>Style>SymmetryExpansion>2DAxi-symmetric,弹出【2DAxi-symmetricExpansion】对话框,选择1/4expansion单选框和AlsoreflectaboutX-Zplane复选框,单击OK按钮。 2)转换视角: GUI: UtilityMenu>PlotCtrls>Pan,Zoom,Rotate,利用Pan-Zoom-Rotate工具调整视角。 3)显示轴向应力云图: GUI: MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>NodalSolu,弹出【ContourNodalSolutionData】对话框,点击NodalSolution\Stress\Y-Componentofstress,单击OK按钮。 4)显示环向应力分布: GUI: MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>NodalSolu,弹出【ContourNodalSolutionData】对话框,点击NodalSolution\Stress\Z-Componentofstress,单击OK按钮。 轴向应力分布 环向应力分布 提示: 冷却栅管的热应力分布也可以用直接耦合法求解。 回顾上课时的内容,直接耦合法的求解和间接法有何区别? 与间接耦合法分别求解不同,直接耦合法将结构分析的载荷和热分析的载荷同时加载求解。 大家可以试一试,看求解结果是否和间接耦合法一致。 注意: 单元类型必须是耦合单元,推荐CoupledFieldVectorQuad13。 其余过程大致和间接耦合法差不多。 内容2: 铜铁水冷问题 问题描述: 一个30公斤重、温度为70℃的铜块,以及一个20公斤重、温度为80℃的铁块,突然放入温度为20℃、盛满了300升水的、完全绝热的水箱中,如图所示。 过了一个小时,求铜块与铁块的最高温度(假设忽略水的流动)。 材料热物理性能如下: 热性能 单位制 铜 铁 水 导热系数 W/m℃ 383 70 密度 Kg/m3 8889 7833 996 比热 J/kg℃ 390 448 4185 练习2: 铜块和铁块的水冷瞬态热分析 步骤: 1.设置工作名称、工作目录和标题 1)如果上一个练习的文件没有关闭,在命令输入窗口输入: finish回车,再输入: /clear,nostart回车 2)设定工作名称: GUI: UtilityMenu: File>ChangeJobname,输入文件名Thermal_Transient;勾选Newloganderrorfiles单选框。 3)设定工作目录: GUI: UtilityMenu: File>Change>Directory 4)设置标题: GUI: UtilityMenu: File>ChangeTitle,输入ThermalTransientExercise; 2.建立几何模型 1)定义单元类型: GUI: MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete,选择单元ThermalSolidQuad8node77; 2)设置铜的材料属性: GUI: MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>Ma
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