第19章热-结构耦合分析

第19章热－结构耦合分析

热－结构耦合问题是结构分析中通常遇到的一类耦合分析问题。由于结构温度场的分布不均会引起结构的热应力，或者结构部件在高温环境中工作，材料受到温度的影响会发生性能的改变，这些都是进行结构分析时需要考虑的因素。为此需要先进行相应的热分析，然后在进行结构分析。热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量）等。本章主要介绍在ANSYS中进行稳态、瞬态热分析的基本过程，并讲解如何完整的进行热－结构耦合分析。

19.1 热－结构耦合分析简介

热－结构耦合分析是指求解温度场对结构中应力、应变和位移等物理量影响的分析类型。对于热－结构耦合分析，在ANSYS中通常采用顺序耦合分析方法，即先进行热分析求得结构中的温度场，然后再进行结构分析，且将前面得到的温度场作为体载荷加到结构中，求解结构的应力分布。为此，我们需要先了解热分析的基本知识，然后在学习耦合分析方法。

19.1.1 热分析基本知识

ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。

热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量的交换。热辐射指物体发射电磁能，并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程。

如果系统的净热流率为０，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量：q流入+q生成-q流出=0，则系统处于热稳态。在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变化。

瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。

ANSYS热分析的边界条件或初始条件可分为七种：温度、热流率、热流密度、对流、辐射、绝热、生热。

热分析涉及到的单元有大约40种，其中纯粹用于热分析的有14种，它们如表19.1所示。

19.1.2 耦合分析

在ANSYS中能够进行的热耦合分析有：热－结构耦合、热－流体耦合、热－电耦合、热－磁耦合、热－电－磁－结构耦合等，因为本书主要讲解结构实例分析，所以着重讲解热－结构耦合分析。

在ANSYS中通常可以用两种方法来进行耦合分析，一种是顺序耦合方法，另一种是直接耦合方法。

顺序耦合方法包括两个或多个按一定顺序排列的分析，每一种属于某一物理分析。通过将前一个分析的结果作为载荷施加到下一个分析中的方式进行耦合。典型的例子就是热－应力顺利耦合分析，热分析中得到节点温度作为“体载荷”施加到随后的结构分析中去。

直接耦合方法，只包含一个分析，它使用包含多场自由度的耦合单元。通过计算包含所需物理量的单元矩阵或载荷向量矩阵或载荷向量的方式进行耦合。典型的例子是使用聊SOLID45、PLANE13或SOLID98单元的压电分析。

进行顺序耦合场分析可以使用间接法和物理环境法。对于间接法，使用不同的数据库和结果文件，每个数据库包含合适的实体模型，单元，载荷等。可以把一个

结果文件读入到另一个数据库中，但单元和节点数量编号在数据库和结果文件中必须是相同的。物理环境方法整个模型使用一个数据库。数据库中必须包含所有的物理分析所需的节点和单元。对于每个单元或实体模型图元，必须定义一套属性编号，包括单元类型号，材料编号，实常数编号及单元坐标编号。所有这些编号在所有物理分析中是不变的。但在每个物理环境中，每个编号对应的实际的属性是不同的。

对于我们本书要讲解的热－结构耦合分析通常采用间接法顺序耦合分析,其数据流程如图19.1所示。

图19.1 间接法顺序耦合分析数据流程图

19.2 稳态热分析

稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响。通常在进行瞬态热分析以前，进行稳态热分析用于确定初始温度分布。稳态热分析可以通过有限元计算确定由于稳定的热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数。ANSYS稳态热分析可分为三个步骤：

?前处理：建模

?求解：施加载荷计算

?后处理：查看结果

19.2.1建模

稳态热分析的模型和前面的结构分析模型建立过程基本相同。不同的就是需要在菜单过虑对话框中将分析类型指定为热分析，这样才能使菜单选项为热分析选项，单元类型也为也分析的单元类型，另外在材料定义时需要定义相应的热性能参数，下面为大概操作步骤。

1．确定jobname、title、unit；

2．进入PREP7前处理，定义单元类型，设定单元选项；

3．定义单元实常数；

4．定义材料热性能参数，对于稳态传热，一般只需定义导热系数，它可以是恒定的，也可以随温度变化；

5．创建几何模型并划分网格，请参阅结构分析的建模步骤。

19.2.2施加载荷计算

热分析跟前面讲解的结构分析相比，指定的载荷为温度边条，通常可施加的温度载荷有恒定的温度、热流率、对流、热流密度和生热率五种。另外在分析选项中也包含非线性选项，结果输出选项等需要根据情况进行设置。

1．义分析类型

●如果进行新的热分析，则使用下面命令或菜单路径：

COMMAND：ANTYPE, STATIC, NEW

GUI: Main menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis>Steady-state

●如果继续上一次分析，比如增加边界条件等，则需要进行重启动功能：

COMMAND: ANTYPE, STATIC, REST

GUI: Main menu>Solution>Analysis Type->Restart

2．施加载荷

可以直接在实体模型或单元模型上施加五种载荷(边界条件) ：

(1) 恒定的温度：通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上。

COMMAND: D

GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Temperature

(2)热流率：热流率作为节点集中载荷，主要用于线单元模型中(通常线单元模型不能施加对流或热流密度载荷)，如果输入的值为正，代表热流流入节点，即单元获取热量。如果温度与热流率同时施加在一节点上则ANSYS读取温度值进行计算。

注意：如果在实体单元的某一节点上施加热流率，则此节点周围的单元要密一些，在两种导热系数差别很大的两个单元的公共节点上施加热流率时，尤其要注意。此外，尽可能使用热生成或热流密度边界条件，这样结果会更精确些。

COMMAND: F

GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Flow

(3) 对流：对流边界条件作为面载施加于实体的外表面，计算与流体的热交换，它仅可施加于实体和壳模型上，对于线模型，可以通过对流线单元LINK34考虑对流。

COMMAND: SF

GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Convection

(4) 热流密度：热流密度也是一种面载荷。当通过单位面积的热流率已知或通过FLOTRAN CFD计算得到时，可以在模型相应的外表面施加热流密度。如果输入的值为正，代表热流流入单元。热流密度也仅适用于实体和壳单元。热流密度与对流可以施加在同一外表面，但ANSYS仅读取最后施加的面载进行计算。

COMMAND: F

GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Flux

(5) 生热率：生热率作为体载施加于单元上，可以模拟化学反应生热或电流生热。它的单位是单位体积的热流率。

COMMAND: BF

GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Generat

3．确定载荷步选项

对于一个热分析，可以确定普通选项、非线性选项以及输出控制。热分析的载荷步选项和结构静力分析中的载荷步相同，读者可以参阅本书结构静力分析部分的相关内容或基本分析过程中关于载荷步选项的内容。这里就不再详细讲解了。

4．确定分析选项

在这一步需要选择求解器，并确定绝对零度。在进行热辐射分析时，要将目前的温度值换算为绝对温度。如果使用的温度单位是摄氏度，此值应设定为273；如果使用的是华氏度，则为460。

Command: TOFFST

GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options

6．求解

Command: SOLVE

GUI: Main Menu>Solution>Current LS

19.2.3后处理

ANSYS将热分析的结果写入*.rth文件中，它包含如下数据：

基本数据：

?节点温度

导出数据：

?节点及单元的热流密度

?节点及单元的热梯度

?单元热流率

?节点的反作用热流率

?其它

对于稳态热分析，可以使用POST1进行后处理，关于后处理的完整描述，可参阅本书第二章中关于利用通用后处理器进行结果观察分析的讲解。下面是几个关键操作的命令和菜单路径。

1．进入POST1后，读入载荷步和子步：

COMMAND: SET

GUI: Main Menu>General Postproc>-Read Results-By Load Step

2．可以通过如下三种方式查看结果：

?彩色云图显示

COMMAND: PLNSOL, PLESOL, PLETAB等

GUI: Main Menu>General Postproc>Plot Results>Nodal Solu, Element Solu, Elem Table

?矢量图显示

COMMAND: PLVECT

GUI: Main Menu>General Postproc>Plot Results>Pre-defined or Userdefined

?列表显示

COMMNAD: PRNSOL, PRESOL, PRRSOL等

GUI: Main Menu>General Postproc>List Results>Nodal Solu, Element Solu, Reaction Solu

19.3瞬态传热分析

瞬态热分析用于计算一个系统的随时间变化的温度场及其它热参数。在工程上一般用瞬态热分析计算温度场，并将之作为热载荷进行应力分析。

瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似。主要的区别是瞬态热分析中的载荷是随时间变化的。为了表达随时间变化的载荷，首先必须将载荷～时间曲线分为载荷步。载荷～时间曲线中的每一个拐点为一个载荷步，如下图所示。

图19.2 瞬态热分析载荷－时间曲线

对于每一个载荷步，必须定义载荷值及时间值，同时必须选择载荷步为渐变或阶越。

19.3.1建模

一般瞬态热分析中，定义材料性能时要定义导热系数、密度及比热，其余建模过程与稳态热分析类似，这里就不再赘述。

19.3.2加载求解

1．定义分析类型

指定分析类型为瞬态分析，通用可以进行新的分析或进行重启动分析。

2．获得瞬态热分析的初始条件

(1) 定义均匀温度场

如果已知模型的起始温度是均匀的，可设定所有节点初始温度

Command:TUNIF

GUI: Main Menu> Solution>-Loads->Settings>Uniform Temp

如果不在对话框中输入数据，则默认为参考温度，参考温度的值默认为零，但

可通过如下方法设定参考温度：

Command:TREF

GUI: Main Menu> Solution>-Loads->Settings>Reference Temp

注意：设定均匀的初始温度，与如下的设定节点的温度（自由度）不同

Command: D

GUI: Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Temperature>On Nodes

初始均匀温度仅对分析的第一个子步有效；而设定节点温度将保持贯穿整个瞬态分析过程，除非通过下列方法删除此约束：

Command:DDELE

GUI: Main Menu> Solution>-Loads->Delete>-Thermal-Temperature>On Nodes

(2) 设定非均匀的初始温度

在瞬态热分析中，节点温度可以设定为不同的值：

Command:IC

GUI: Main Menu> Solution>Loads>Apply>-Initial Condit'n>Define

如果初始温度场是不均匀的且又是未知的，就必须首先作稳态热分析确定初始

条件：

?设定载荷（如已知的温度、热对流等）

?将时间积分设置为OFF：

Command: TIMINT, OFF

GUI: Main Menu> Preprocessor>Loads>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time Integration ?设定一个只有一个子步的，时间很小的载荷步（例如0.001）：

Command: TIME

GUI: Main Menu> Preprocessor>Loads>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time and Substps

?写入载荷步文件：

Command:LSWRITE

GUI: Main Menu> Preprocessor>Loads>Write LS File

或先求解：

Command:SOLVE

GUI: Main Menu> Solution>Solve>Current LS

注意：在第二载荷步中，要删去所有设定的温度，除非这些节点的温度在瞬态分析与稳态分析相同。

3．设定载荷步选项

进行瞬态热分析需要指定的载荷步选项和进行瞬态结构分析相同，主要有普通选项、非线性选项和输出控制选项。

(1) 普通选项

●时间：本选项设定每一载荷步结束时的时间：

Command: TIME

GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time and Substps

●每个载荷步的载荷子步数，或时间增量

对于非线性分析，每个载荷步需要多个载荷子步。时间步长的大小关系到计算的精度。步长越小，计算精度越高，同时计算的时间越长。根据线性传导热传递，可以按如下公式估计初始时间步长：

24

ITS=δα

其中δ为沿热流方向热梯度最大处的单元的长度，α为导温系数，它等于导热

=k c)。

系数除以密度与比热的乘积（αρ

Command: NSUBST or DELTIM

GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time and Substps

如果载荷在这个载荷步是恒定的，需要设为阶越选项；如果载荷值随时间线性变化，则要设定为渐变选项：

Command: KBC

GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time and Substps

(2) 非线性选项

●迭代次数：每个子步默认的次数为25，这对大多数非线性热分析已经足够。

Command: NEQIT

GUI: Main Menu> Solution>-Load step opts>Nonlinear>Equilibrium Iter

●自动时间步长：本选项为ON时，在求解过程中将自动调整时间步长。

Command: AUTOTS

GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time and Substps

●时间积分效果：如果将此选项设定为OFF，将进行稳态热分析。

Command: TIMINT

GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time Integration

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts->Output Ctrls>DB/Results File

4．在定义完所有求解分析选项后，进行结果求解。

19.3.3 结果后处理

对于瞬态热分析，ANSYS提供两种后处理方式：

?通用后处理器POST1，可以对整个模型在某一载荷步（时间点）的结果进行后处理；

Command: POST1

GUI: Main Menu>General Postproc.

?时间－历程后处理器POST26，可以对模型中特定点在所有载荷步（整个瞬态过程）的结果进行后处理。

Command: POST26

GUI: Main Menu>TimeHist Postproc

1．用POST1进行后处理

?进入POST1后，可以读出某一时间点的结果：

Command: SET

GUI: Main Menu>General Postproc>Read Results>By Time/Freq

如果设定的时间点不在任何一个子步的时间点上，ANSYS会进行线性插值。

?此外还可以读出某一载荷步的结果：

GUI: Main Menu>General Postproc>Read Results>By Load Step

然后就可以采用与稳态热分析类似的方法，对结果进行彩色云图显示、矢量图显示、打印列表等后处理。

2、用POST26进行后处理

?首先要定义变量：

Command: NSOL or ESOL or RFORCE

GUI: Main Menu>TimeHist Postproc>Define Variables

?然后就可以绘制这些变量随时间变化的曲线：

Command: PLVAR

GUI: Main Menu>TimeHist Postproc>Graph Variables

或列表输出：

Command: PRVAR

GUI: Main Menu>TimeHist Postproc>List Variables

19.4 热－结构耦合分析

前面讲了热－结构耦合分析是一种间接法顺序耦合分析的典型例子，主要分三步完成，1.进行热分析，求得结构的的温度场，2.将模型中的单元转变为对应的结构分析单元，并将第一步求得的热分析结构当作体载荷施加到节点上，3.定义其余结构分析需要的选项，并进行结构分析。

前面已经介绍了如何单独进行热分析和结构分析，下面介绍如何转换模型并将第一步求解的结果施加到节点上。

1．完成必要的热分析，并进行相应的后处理，对结果进行查看分析。

2．重新进入前处理器，并指定新的分析范畴为结构分析。选择菜单路径Main Menu >Preference ，在弹出的对话框中选择“Strutural”选项，使所有菜单变为结构分析的选项。

3．进行单元转换。选择菜单路径Main Menu >Preprocessor >Element Type >Switch Elem Type，将弹出转换单元类型(Swithch Elem Type)对话框，如图19.2所示。

图19.3 转换单元类型(Swithch Elem Type)对话框

4．在对话框中的改变单元类型(Change element type)下拉框中选择“Thermal to Struc”，然后单击关闭对话框，ANSYS程序将会自动将模型中的热单元转换为对应的结构单元类型。

5．定义材料的性能参数，跟通常的结构分析不同的是，除了定义进行结构静力分析需要的材料弹性模量，密度，或强化准则的定义之外，在热－结构耦合分析的第二个分析中，还需要定义材料的热膨胀系数，而且材料性能应该随温度变化的。

6．将第一次分析得到的温度结果施加到结构分析模型上。选取菜单路径Main Menu >Solution >Define Loads >Apply >Structural >Temperature >From Therm Analy，将弹出从已进行的热分析结果中施加温度载荷(Apply TEMP from Themal Analysis)对话框，如图19.4所示。单击对话框中的按钮，选择前面热分析的结果文件*.rth，作为结构分析的热载荷加到节点上。

图19.4

7．定义其它结构分析的载荷步选项和求解分析选项，并进行结构分析求解。8．进行结果后处理，观察分析所求得的结果。

ANSYS Example07热-结构耦合分析算例 (ANSYS)

07 热－结构耦合分析算例(ANSYS) 在土木工程结构中，温度应力在很多情况下对结构的影响很大。很多时候需要先对结构进行热传导分析，得到结构内部的温度应力分布，再进行结构分析，得到由于温度产生的结构内力。ANSYS提供了很方便的热分析－结构分析切换工具，本节将以一个圆环的热应力分析为例，介绍ANSYS提供的相关功能。 (1)首先进行热分析，进入ANSYS主菜单Preprocessor->Element Type->Add/Edit/Delete， 选择添加单元为Quad 4 node 55 号热分析单元 (2)进入ANSYS主菜单Preprocessor->Material Props->Material Models，添加热传导速率 参数Thermal->Conductivity->Isotropic，设定热传导速率为0.07。添加力学属性Structural->Linear->Elastic->Isotropic，设定弹性模量为30e9，泊松比为0.2。添加热膨胀系数Structural->Thermal Expansion->Secant Coefficient->Isotropic，设定热膨胀系数为1e-5。 (1)开始建立模型。还是按照ANSYS标准的点、线、面、体建立模型。首先建立关键点。 在ANSYS主菜单Preprocessor->Modeling->Create->Keypoints->In Active CS，输入以下关键点信息 (2)下面开始建立弧线。在ANSYS主菜单Preprocessor-> Modeling-> Create-> Lines-> Arcs-> By End KPs&Rad，首先点选关键点2和3，然后点选中心点1，最后输入半径为5，生成第一个圆弧。接着点选关键点4和5，然后点选中心点，输入半径8。生成第二个圆弧 (3)在ANSYS主菜单Preprocessor->Modeling->Create->Lines->Straight Line，连接关键 点2，4和3，5。组成圆环轮廓 (4)在ANSYS主菜单Preprocessor->Modeling->Create->Arbitrary->By Lines，点选圆环周 边轮廓线，生成圆环面。 (5)下面划分网格，由于本模型只有一种单元一种材料，所以不必复杂的设置属性。进入

第19章热-结构耦合分析

第19章热－结构耦合分析 热－结构耦合问题是结构分析中通常遇到的一类耦合分析问题。由于结构温度场的分布不均会引起结构的热应力，或者结构部件在高温环境中工作，材料受到温度的影响会发生性能的改变，这些都是进行结构分析时需要考虑的因素。为此需要先进行相应的热分析，然后在进行结构分析。热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量）等。本章主要介绍在ANSYS中进行稳态、瞬态热分析的基本过程，并讲解如何完整的进行热－结构耦合分析。 19.1 热－结构耦合分析简介 热－结构耦合分析是指求解温度场对结构中应力、应变和位移等物理量影响的分析类型。对于热－结构耦合分析，在ANSYS中通常采用顺序耦合分析方法，即先进行热分析求得结构中的温度场，然后再进行结构分析，且将前面得到的温度场作为体载荷加到结构中，求解结构的应力分布。为此，我们需要先了解热分析的基本知识，然后在学习耦合分析方法。 19.1.1 热分析基本知识 ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。 热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量的交换。热辐射指物体发射电磁能，并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程。 如果系统的净热流率为０，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量：q流入+q生成-q流出=0，则系统处于热稳态。在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变化。 瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。

热-电直接耦合实例分析

热-电直接耦合实例分析 上海交通大学（单位）江丙云（姓名）分析目的： 电导产品的温升 分析类型： 热-电耦合 分析对象： 电子连接器产品 知识要点： 热传、电导材料 热-电场直接耦合 稳态和瞬态求解 1.1 热-电直接耦合稳态分析实例 本节以图1-1所示的电子产品的端子通电升温为例，采用稳态求解，详细讲解多物理场的热-电直接耦合。 1.1.1 问题描述 图1-1（a）所示为电子产品用于导通电流1A的两个端子：端子1（Terminal-1）和端子2（Terminal-2）；端子1&2材料为铍铜C7025-TM02，其热传导系数为0.19W/mm- ℃，电传导IACS%为45%，即电传导系数为26100/(ohm-mm)， 工程实际中，端子1的B处与端子2的C处受力接触，造成接触阻抗R C（Contact Resistance），而端子自身阻抗称为体阻抗R b（Body Resistance）；简化有限元模型，接触用Beam连接代替，接触阻抗通过赋予Beam对应的材料实现，稳态求解即可。

整个电路导通如图1-1（b）所示，电流从A点导进，经Beam连接，至D点流出。 （a）端子几何模型 （b）电路导通示意 图 1-1导通端子有限元模型 1.1.2 导入几何部件 ●创建、保存模型 打开Abaqus/CAE，创建Model Database: With Standard/Explicit Model，应用File→Save as命令保存模型为9.3_T-E.cae。 ●重命名模型 如图9-9所示，右击树目录的Model-1，重命名（Rename）Model-1为Model-1_T-E。 ●导入几何部件 应用File→Import: Part命令，或右击树目录Parts→Import，导入光盘中本节几何文件：T-E.igs，其余，如图9-10默认选项即可。

Maxwell与Fluent电磁热流耦合分析介绍

14.5耦合实例4——Maxwell和FLUENT电磁热流耦合 例， 14.5.1 析钢块在上述工况下的温度场分布情况、风的流线图及风的温度分布云图。 图14-164几何模型 14.5.2软件启动与保存 Step1：启动Workbench。如图14-165所示，在Windows XP下单击“开始”→“所有程序”→ANSYS14.0→Workbench 14.0命令，即可进入Workbench主界面。 图14-165 Workbench启动方法 Step2：保存工程文档。进入Workbench后，单击工具栏中的按钮，将文件保

存为“MagtoThemtoFluid”，单击Getting Started窗口右上角的（关闭）按钮将其关闭。 注意：本节算例需要用到ANSOFT Maxwell14.0软件，请读者进行安装； 由于ANSOFT Maxwell软件不支持保存路径中存在中文名，故在进行文档保存时，保存的路径不不能含有中文字符，否则会发生错误。 14.5.3导入几何数据文件 Step1：创建几何生成器。如图14-166所示，在Workbench左侧Toolbox（工具箱）的Analysis Systems中单击Maxwell 3D并按住左键不放将其拖到右侧的Project Schematic窗口中，此时即可创建一个如同EXCEL表格的项目A。 Step2：双击A2（Geometry）进入如图14-167所示的电磁分析环境，此时启动了Maxwell 3D软件。 图14-166项目A Step3：依次选择菜单Modeler→Import，在出现的Import File对话框中选择ThermaltoFluid.x_t几何文件，并单击打开按钮。 图14-167电磁分析环境 Step4：此时模型文件已经成功显示在Maxwell软件中，如图14-168所示，同时弹出Modal Analysis对话框，在对话框左侧的栏中显示的几何图形为Good表示数据读取无误，单击Close按钮。

热结构耦合

第21章热－结构耦合分析 热－结构耦合问题是结构分析中通常遇到的一类耦合分析问题。由于结构温度场的分布不均会引起结构的热应力，或者结构部件在高温环境中工作，材料受到温度的影响会发生性能的改变，这些都是进行结构分析时需要考虑的因素。为此需要先进行相应的热分析，然后在进行结构分析。热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量）等。本章主要介绍在ANSYS中进行稳态、瞬态热分析的基本过程，并讲解如何完整的进行热－结构耦合分析。 21.1 热－结构耦合分析简介 热－结构耦合分析是指求解温度场对结构中应力、应变和位移等物理量影响的分析类型。对于热－结构耦合分析，在ANSYS中通常采用顺序耦合分析方法，即先进行热分析求得结构的温度场，然后再进行结构分析。且将前面得到的温度场作为体载荷加到结构中，求解结构的应力分布。为此，首先需要了解热分析的基本知识，然后再学习耦合分析方法。 21.1.1 热分析基本知识 ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。 热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。热对流是指固体的表面和与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量的交换。热辐射指物体发射电磁能，并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程。 如果系统的净热流率为0，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量：q流入+q生成-q流出=0，则系统处于热稳态。在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变化。 瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。

[热弹耦合稳定性问题探究,稳定性,结构,问题]关于结构的刚

关于结构的刚-热弹耦合稳定性问题探究 1 引言 高超声速飞行器因为其特殊的应用价值而成为当前国际研究的热点, 而随着航天飞行器速度的提高, 气动加热现象趋于严重. 为了得到更准确的分析结果, 航天飞行器设计中越来越多的开始计入热-弹耦合效应的影响[1,2]. 国内外学者已经进行了有益的研究, 可供我们参考和借鉴. Krishma 和Bainum[3]改进了模拟暴露于太阳辐射下的自由梁和板的偏差的计算方法, 考虑了表面反射率和入射角的影响. Thornton 和Kim[4]对哈勃太空望远镜的太阳帆板进行了简化, 考虑了支撑杆弹性变形与热辐射强度的耦合, 研究了结构的热诱发振动现象, 得到了系统稳定性的判据. Johnston 和Thornton[5]在温度变化确定的情况下, 用有限单元法研究了热效应对航天器姿态动力学的影响. Johnston在建模过程考虑了刚体运动和弹性变形的耦合, 但是基于线弹性假设, 忽视了几何非线性效应. 为了考虑温度变化对刚- 柔耦合动力学性态的影响, Oguamanam 等人[6]对受热载荷且存在平面运动的柔性体进行了研究, 采用16 节点的等参拉格朗日插值的单元, 在温度变化规律为已知的情况下分别建立了中心刚体-曲梁系统和中心刚体-薄板系统的动力学模型, 考虑了几何非线性效应, 但未考虑温度和变形的耦合, 也没有对温度变化规律未知的情况做进一步研究. Cannarozzi 和Ubertini[7], Kidawa-Kukla[8],Hosseini-Tehrani 和Eslami[9], Mahi 等人[10]都在这一研究领域做了有益的工作. 由于我国航天工程发展的需求, 我国学者在这一领域也做出重要贡献. 刘锦阳和洪嘉振[11]同时考虑了几何非线性和热效应, 用假设模态法对各柔性梁进行离散, 从虚功原理出发, 建立了带集中质量的柔性梁系统的动力学方程, 研究了几何非线性和热效应的综合影响. 王捷和刘锦阳[12]以哈勃天文望远镜(HST)为研究对象, 基于柔性多体系统动力学理论,考虑了柔性附件弹性变形引起的热辐射边界条件的变化, 建立了中心刚体和太阳能毯柔性附件多体系统的刚-柔-热耦合的动力学方程. 用假设模态法进行离散, 对HST 双侧太阳翼的振动特性进行分析, 研究系统各特征参数对于柔性附件热颤振的影响. 潘科琪和刘锦阳[13]研究了在热冲击下任意形状(仅一个方向有曲率)复合材料壳的非线性刚-柔耦合动力学响应. 根据Mindlin 理论, 建立了任意形状的复合材料壳的非线性应变-位移关系. 借助于数学理论以及几何关系, 描述了壳上任意点的变曲率. 用虚功原理建立了动力学变分方程, 并采用等参单元对壳的连续动力学方程进行离散, 建立了中心刚体-复合材料壳的刚-柔耦合动力学方程, 分析了在热冲击作用下复合材料壳的线性、非线性的动力学特性, 以及曲率、材料特性对动力学响应的影响. 蒋卓良[14]研究了太阳帆板在热载荷作用下的固有频率和动态响应.史晓鸣和杨炳渊[15], 王宏宏等人[16], 李忠学和严宗达[17]也在这一研究领域做了有益的工作. 将航天动力学处理为刚-弹耦合动力学问题取得成功. 由于高超声速飞行器的飞行马赫数高, 气动加热效应大, 在飞行过程中承受着严酷的气动力载荷和气动热载荷, 因此, 本文将之处理为刚-热弹耦合动力学问题. 本文应用刚-热弹耦合动力学变分原理来研究结构的刚-热弹耦合稳定性问题.

热结构耦合分析的例子

这是两个同心圆，我画的不是很圆，请大家见谅。外圆外边温度70o 内圆内边温度200 求圆筒的温度分布，径向盈利，主环向应力 /batch,list /show /title,thermal stress in concentic cylinders-indirect method /prep7 et,1,plane77,,,1 mp,kxx,1,2.2 mp,kxx,2,10.8 rectng,0.1875,0.4,0.05 rectng,0.4,0.6,0,0.05 aglue,all numcmp,area asel,s,area,,1 aatt,1,1,1 asel,s,area,,2 aatt,2,1,1 asel,all esize,0.05 amseh,all esize,0.05 amesh,all nsel,s,loc,x,0.1875 d,all,temp,200 nsel,s,loc,x,0.6 d,all,temp,70 nsel,all finish /solu solve finish /post1 path,radial,2 !设置路径名和定义路径的点数 ppath,l,,,0.1875 ！通过坐标来定义路径 ppath,2,,0.6 pdef,temp,temp ！温度映射到路径上 T0

paget,path,points,radial ！用数组的形式保存路径 plpath,temp finish /prep7 et,1,82,,,1 mp,ex,1,30e6 mp,alpx,1,0.65e-5 mp,nuxy,1,0.3 mp,ex,2,10.6e6 mp,aplx,2,1.35e-5 mp,nuxy,2,0.33 nsel,s,loc,y,0.05 cp,1,uy,all nsel,s,loc,x,0.1875 cp,2,ux,all nsel,s,loc,y,0 d,all,uy,0 nsel,all finish /solu tref,70 ldread,temp,,,,,,rth solve finish /post1 paput,path,points,radial pmap,,mat ！设置路径映射来处理材料的不连续 pdef,sx,s,x ！映射径向应力 pdef,sz,s,z ！映射环向应力 plpath,sx,sz ！显示应力结果 plpagm,sx,,node ！在几何模型上显示径向应力 finish 这儿是一个在热结构耦合分析的例子，大家有兴趣可以看看，我想同时问一下，cp 这个命令是什么意思啊

热-结构耦合(单元转换)

ANSYS热－结构耦合分析实例 在土木工程结构中，温度应力在很多情况下对结构的影响很大。很多时候需要先对结构进行热传导分析，得到结构内部的温度应力分布，再进行结构分析，得到由于温度产生的结构内力。ANSYS提供了很方便的热分析－结构分析切换工具，本节将以一个圆环的热应力分析为例，介绍ANSYS提供的相关功能。 (1) 首先进行热分析，进入ANSYS主菜单Preprocessor->Element Type->Add/Edit/Delete，选择添加单元为Quad 4 node 55 号热分析单元 (2) 进入ANSYS主菜单Preprocessor->Material Props->Material Models，添加热传导速率参数Thermal->Conductivity->Isotropic，设定热传导速率为0.07。添加力学属性Structural->Linear->Elastic->Isotropic，设定弹性模量为30e9，泊松比为0.2。添加热膨胀系数Structural->Thermal Expansion->Secant Coefficient->Isotropic，设定热膨胀系数为1e-5。 (1) 开始建立模型。还是按照ANSYS标准的点、线、面、体建立模型。首先建立关键点。在ANSYS主菜单 Preprocessor->Modeling->Create->Keypoints->In Active CS，输入以下关键点信息 (2) 下面开始建立弧线。在ANSYS主菜单Preprocessor-> Modeling-> Create-> Lines-> Arcs-> By End KPs&Rad，首先点选关键点2和3，然后点选中心点1，最后输入半径为5，生成第一个圆弧。接着点选关键点4和5，然后点选中心点，输入半径8。生成第二个圆弧 (3) 在ANSYS主菜单Preprocessor->Modeling->Create->Lines->Straight Line，连接关键点2，4和3，5。组成圆环轮廓 (4) 在ANSYS主菜单Preprocessor->Modeling->Create->Arbitrary->By Lines，点选圆环周边轮廓线，生成圆环面。 (5) 下面划分网格，由于本模型只有一种单元一种材料，所以不必复杂的设置属性。进入ANSYS主菜单Preprocessor->Meshing->Size Cntrls-> ManualSize->Global->Size，在Global Element Size窗口中设置单元尺寸为0.5。在ANSYS主菜单Preprocessor->Meshing->Mesh->Areas，点选圆环进行网格划分 (6) 下面首先进入热分析，进入ANSYS主菜单Solution->Analysis Type->New Analysis，设置分析类型为稳态分析Steady-state

热力耦合分析单元简介

热力耦合分析单元简介！ SOLID5－三维耦合场实体 具有三维磁场、温度场、电场、压电场和结构场之间有限耦合的功能。本单元由8个节点定义，每个节点有6个自由度。在静态磁场分析中，可以使用标量势公式（对于简化的RSP，微分的DSP，通用的GSP）。在结构和压电分析中，具有大变形的应力钢化功能。与其相似的耦合场单元有PLANE13、SOLID62和SOLID98。 INFIN9－二维无限边界 用于模拟一个二维无界问题的开放边界。具有两个节点，每个节点上带有磁向量势或温度自由度。所依附的单元类型可以为PLANE13和PLANE53磁单元，或PLANE55和PLANE77和PLANE35热单元。使用磁自由度（ＡＺ）时，分析可以是线性的也可以是非线性的，静态的或动态的。使用热自由度时，只能进行线性稳态分析。 PLANE13－二维耦合场实体 具有二维磁场、温度场、电场和结构场之间有限耦合的功能。由4个节点定义，每个节点可达到4个自由度。具有非线性磁场功能，可用于模拟B－H曲线和永久磁铁去磁曲线。具有大变形和应力钢化功能。当用于纯结构分析时，具有大变形功能，相似的耦合场单元有SOLID5、SOLID98和SOLID62。 LINK31－辐射线单元 用于模拟空间两点间辐射热流率的单轴单元。每个节点有一个自由度。可用于二维（平面或轴对称）或三维的、稳态的或瞬态的热分析问题。 允许形状因子和面积分别乘以温度的经验公式是有效的。发射率可与温度相关。如果包含热辐射单元的模型还需要进行结构分析，辐射单元应当被一个等效的或（空）结构单元所代替。 LINK32－二维传导杆 用于两节点间热传导的单轴单元。该单元每个节点只有一个温度自由度。可用于二维（平面或轴对称）稳态或瞬态的热分析问题。 如果包含热传导杆单元的模型还需进行结构分析，该单元可被一个等效的结构单元所代替。 LINK33－三维传导杆 用于节点间热传导的单轴单元。该单元每个节点只有一个温度自由度。可用于稳态或瞬态的热分析问题。 如果包含热传导杆单元的模型还需进行结构分析，该单元可被一个等效的结构单元所代替。 LINK34－对流线单元 用于模拟节点间热对流的单轴单元。该单元每个节点只有一个温度自由度。热对流杆单元可用于二维（平面或轴对称）或三维、稳态或瞬态的热分析问题。 如果包含热对流单元的模型还需要进行结构分析，热对流单元可被一个等效（或空）的结构单元所代替。单元的对流换热系数可分为非线性，即对流换热系数是温度或时间的函数。

ANSYS电热耦合分析

一、Electric-Thermal Analysis ANSYS中电热耦合分析主要焦耳热效应（Joule heating）、塞贝克效应（Seebeck effect）、珀尔帖效应（Peltier effect）、珀尔帖效应(Thomson effect)。我们这里的分析主要是Joule heating分析，即通电产生热量，用于加热双层薄片。 1. ANSYS电-热耦合知识点 1.1、Element DOFs选项：UX, UY, UZ, and TEMP： 可用于Thermal-Electric Analysis 的单元类型如上表所示，其中LINK68, PLANE67, SOLID69, and SHELL157 是专用的thermal-electric elements，专用于Joule heating effects，SOLID5, SOLID98, PLANE223, SOLID226, and SOLID227 则需要选择DOFs选项为TEMP and VOLT。 For SOLID5 or SOLID98, set KEYOPT(1) to 1； For PLANE223, SOLID226, or SOLID227, set KEYOPT(1) to 110。 1.2、Material Properties设置： 对于Joule heating effects，需要设置材料参数： 电学参数：electric permittivity电阻率RSVX、RSVY、RSVZ 热学参数：thermal conductivity导热系数KXX, KYY, KZZ 若考虑瞬态热效应，需设置密度DENS、比热C或焓ENTH 1.3、Load载荷设置： 设置Applied Voltage or Current 设置对流、辐射、传热等边界条件

ANSYS热应力分析 精选实例x

ANSYS热应力分析实例 当一个结构加热或冷却时，会发生膨胀或收缩。如果结构各部分之间膨胀收缩程度不同，和结构的膨胀、收缩受到限制，就会产生热应力。 热应力分析的分类 ANSYS提供三种进行热应力分析的方法： 在结构应力分析中直接定义节点的温度。如果所以节点的温度已知，则可以通过命令直接定义节点温度。节点温度在应力分析中作为体载荷，而不是节点自由度间接法。首先进行热分析，然后将求得的节点温度作为体载荷施加在结构应力分析中。 直接法。使用具有温度和位移自由度的耦合单元，同时得到热分析和结构应 力分析的结果。 如果节点温度已知，适合第一种方法。但节点温度一般是不知道的。对于大多数问题，推荐使用第二种方法一间接法。因为这种方法叮以使用所有热分析的功能和结构分析的功能。如果热分析是瞬态的，只需要找出温度梯度最大的时间点，并将此时间点的节点温度作为荷载施加到结构应力分析中去。如果热和结构的耦合是双向的，即热分析影响结构应力分析，同时结构变形又会影响热分析（如大变形、接触等），则可以使用第三种直接法一使用耦合单元。此外只有第三种方法可以考虑其他分析领域（电磁、流体等）对热和结构的影响。 间接法进行热应力分析的步骤 首先进行热分析。可以使用热分析的所有功能，包括传导、对流、辐射和表 面效应单元等，进行稳态或瞬态热分析。但要注意划分单元时要充分考虑结构分

析的要求。例如，在有可能有应力集中的地方的网格要密一些。如果进行瞬态分析，在后处理中要找出热梯度最大的时间点或载荷步。 重新进入前处理，将热单元转换为相应的结构单元，表7-1是热单元与结构

单元的对应表。可以使用菜单进行转换:

第20章 热-应力耦合分析实例

第20章热－应力耦合分析实例 由于温度的分布不均在部件内部会产生热应力，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。还有一些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的变化。本章将通过实例来讲解如何用ANSYS6.1来进行这类问题的分析。 20.1 问题描述 一无限长的截面形状和尺寸如图20.1所示的厚壁双层圆管，其内外层温度分别为Ti 和To，材料数据和边条如表20.1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20.1 双层管道的截面图 从上面描述的问题可以看出，本实例属于轴对称问题，我们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，故建模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称对应的结构分析单元类型，从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。 20.2 建立模型 在ANSYS6.1中，首先我们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。 20.2.1指定分析标题并设置分析范畴 在这一步中我们将指定本实例的分析路径、数据库的名称、分析标题。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。 1．选取菜单路径Utility Menu >File >Change Jobname，将弹出修改文件名(Change Jobname)对话框，如图20.2所示。在输入新文件名(Enter new jobname)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20.2 修改文件名(Change Jobname)对话框 2．选取菜单路径Utility Menu >File >Change Title，将弹出修改标题(Change Title)对话框，如图20.3所示。在输入新标题(Enter new title)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20.3 修改标题(Change Title)对话框 3．选取菜单路径Main Menu >Preference，将弹出菜单过滤参数选择(Preference of GUI Filtering)对话框，如图20.4所示。单击对话框中的Themal(热)选择按钮，选中Thermal选项，以便ANSYS6.1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

热力耦合分析单元简介

共享：热力耦合分析单元简介！ 挑选了部分常用的，希望能方便大家的使用，其中自己翻译了一部分，不准确之处还望见谅，大家还可以继续补充哦！： SOLID5－三维耦合场实体    具有三维磁场、温度场、电场、压电场和结构场之间有限耦合的功能。本单元由8个节点定义，每个节点有6个自由度。在静态磁场分析中，可以使用标量势公式（对于简化的RSP，微分的DSP，通用的GSP）。在结构和压电分析中，具有大变形的应力钢化功能。与其相似的耦合场单元有PLANE13、SOLID62和SOLID98。 INFIN9－二维无限边界    用于模拟一个二维无界问题的开放边界。具有两个节点，每个节点上带有磁向量势或温度自由度。所依附的单元类型可以为PLANE13和PLANE53磁单元，或PLANE55和PLANE77和PLANE35热单元。使用磁自由度（ＡＺ）时，分析可以是线性的也可以是非线性的，静态的或动态的。使用热自由度时，只能进行线性稳态分析。 PLANE13－二维耦合场实体    具有二维磁场、温度场、电场和结构场之间有限耦合的功能。由4个节点定义，每个节点可达到 4个自由度。具有非线性磁场功能，可用于模拟B－H曲线和永久磁铁去磁曲线。具有大变形和应力钢化功能。当用于纯结构分析时，具有大变形功能，相似的耦合场单元有SOLID5、SOLID98和SOLID62。LINK31－辐射线单元   用于模拟空间两点间辐射热流率的单轴单元。每个节点有一个自由度。可用于二维（平面或轴对称）或三维的、稳态的或瞬态的热分析问题。   允许形状因子和面积分别乘以温度的经验公式是有效的。发射率可与温度相关。如果包含热辐射单元的模型还需要进行结构分析，辐射单元应当被一个等效的或（空）结构单元所代替。 LINK32－二维传导杆   用于两节点间热传导的单轴单元。该单元每个节点只有一个温度自由度。可用于二维（平面或轴对称）稳态或瞬态的热分析问题。   如果包含热传导杆单元的模型还需进行结构分析，该单元可被一个等效的结构单元所代替。 LINK33－三维传导杆   用于节点间热传导的单轴单元。该单元每个节点只有一个温度自由度。可用于稳态或瞬态的热分析问题。   如果包含热传导杆单元的模型还需进行结构分析，该单元可被一个等效的结构单元所代替。

热应力分析

ABAQUS可以求解以下类型的传热问题： 1.非耦合传热分析：温度场不受应力应变场或电场的影响。应用ABAQUS/Standard可以求 解导热问题、强制对流、边界辐射和空腔辐射问题，其分析类型可以是瞬态或稳态的，也可以是线性或非线性的。 2.顺序耦合热应力分析：应力应变场受温度场的影响，但温度场不受应力应变场的影响。 此类问题用ABAQUS/Standard求解的步骤为：先求解温度场，然后以其作为已知条件，进行热应力分析，得到应力应变场。分析传热问题和热应力分析可以使用不一样的网格，abaqus会自动进行差值处理（此类问题称为热应力分析）。 3.完全耦合热应力分析：温度场和应力应变场之间有着强烈的相互作用。 4.绝热分析：在此类分析中，力学变形会产生热，而且整个过程中时间极短，不发生热扩 散。 5.热电耦合分析：用来求解电流产生的温度场。 7.1热应力分析中的主要问题 设定线胀系数、模型的初始温度场，并可以修改分析步中的温度场。 7.2带孔平板的热应力分析 学习： 在LOAD功能模块中，使用预定义场（predefined field）来定义温度场。 在此模块中可以直接指定温度场或读入分析结果文件中的温度场，可以指定并精确读入某个分析步中某个增量步的温度场 7.3法兰盘感应淬火的残余应力模拟 学习： 使用热应力来模拟残余应力；在LOAD功能模块中，为模型的各个区域定义不同的温度场 表面感应淬火：常用的热处理工艺，使用感应器对工件表面进行局部加热，然后迅速冷却，在工件内部产生残余压应力。它可以提高工件的弯曲疲劳抗力和扭转疲劳抗力，工件表面的

马氏体具有良好的耐磨性。 Abaqus可以完整的模拟淬火的全过程，即通过分析工件和感应器之间以及工件与冷却液之间的热场过程来确定工件的温度场，从而得到相应的塑性应变场和冷却后的残余应变场。 比较简单的模拟方法：先设定整个模型的初始温度场，在分析过程中令淬硬层区域的温度升高至某个温度值，其余区域的温度保持不变。经过几次试算，找到合适的淬硬层温度值，使得法兰盘内圆角处的表面压应力与实验结果吻合。施加工作载荷，保持上述温度场不变，就可以模拟在残余应力作用下的应力场。 优点：通用性强，可以模拟不同工艺所产生的残余应力场 缺点：精确度不高 改进方法：参淬硬层的不同区域设定不同的温度值

O形橡胶密封圈的热应力耦合分析

O形橡胶密封圈的热应力耦合分析 研究原油高温热采工具O 形橡胶密封圈在高温高压下的密封特性。借助于 大型有限元分析软件ANSYS，建立O 形橡胶密封圈及其边界的二维轴对称有限元模型，研究油压、装配间隙和摩擦因数对密封面最大接触应力、剪切应力和Von Mises 应力的影响，并采用热应力耦合分析方法，分析温度对O 形密封圈密封 性能的影响。结果表明：摩擦因数对应力影响不大，而油压和装配间隙对应力影响很大，过大的装配间隙会造成O 形橡胶密封圈最大接触应力下降和最大剪切 应力上升，造成密封失效；当温度升高时，密封圈最大剪切应力和接触应力相应减小，而最大Von Mises 应力明显减小，因此应使O 形密封圈在适当的温度下工作，以确保密封的可靠性。 随着国民经济的快速发展，陆地石油资源的不断减少，海上稠油开采将会成为热点之一。海上稠油开采通常采用高温热采作业模式，因此对开采工具的高温高压密封性能要求较高。当前原油开采一般都是在150 ℃以下进行，开采工具 的密封部件基本上都是采用简单高效、可靠性高的橡胶O 形圈，而橡胶O 形圈的耐用性、可靠性以及密封性能对温度比较敏感，同时对安装结构尺寸也有一定的要求。O 形密封圈简称O 形圈，是一种截面为圆形的橡胶密封圈，其成本低廉、安装和使用方便，被广泛应用于机械、汽车、动力及石油化工等领域。 对于常温下橡胶O 形圈的密封性能，目前研究报道较多，而对于高温(150 ℃以上) 下密封性能的研究，公开报道尚不多见。研究高温( 在橡胶材料可用最高温度范围内) 和高压( 稠油开采要求最高压强达到20 MPa) 下橡胶O 形圈的热应力耦合特性，对提升稠油高温热采工具密封性能有着至关重要的作用，可为密封部件的选择和结构优化提供理论依据和数据支撑。 利用ANSYS 有限元分析软件对O 形橡胶密封圈进行应力分析，并采用热应力耦合分析方法，分析温度对O 形密封圈密封性能的影响，得到温度与应力变 化的关系。 1、模型的建立 1. 1、几何模型的建立 O 形橡胶密封圈工作时依靠密封圈发生弹性变形，在密封接触面上产生接触应力，当接触应力大于密封介质的压力时，则不发生泄漏。如图1(a) 所示，当O 型密封圈装入密封槽后，其截面承受接触压缩应力而产生弹性变形，对接触面

ansys中的热分析

【转】热-结构耦合分析 知识掌握篇2009-05-31 14:09:19 阅读131 评论0 字号：大中小订阅 热-结构耦合问题是结构分析中通常遇到的一类耦合分析问题.由于结构温度场的分 布不均会引起结构的热应力,或者结构部件在高温环境中工作,材料受到温度的影响会发 生性能的改变,这些都是进行结构分析时需要考虑的因素.为此需要先进行相应的热分析, 然后在进行结构分析.热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数,如 热量的获取或损失,热梯度,热流密度(热通量)等.本章主要介绍在ANSYS中进行稳 态,瞬态热分析的基本过程,并讲解如何完整的进行热-结构耦合分析. 21.1 热-结构耦合分析简介 热-结构耦合分析是指求解温度场对结构中应力,应变和位移等物理量影响的 分析类型.对于热-结构耦合分析,在ANSYS中通常采用顺序耦合分析方法,即 先进行热分析求得结构的温度场,然后再进行结构分析.且将前面得到的温度场作 为体载荷加到结构中,求解结构的应力分布.为此,首先需要了解热分析的基本知 识,然后再学习耦合分析方法. 21.1.1 热分析基本知识 ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程,用有限元法计算各节点的温 度,并导出其它热物理参数.ANSYS热分析包括热传导,热对流及热辐射三种热传 递方式.此外,还可以分析相变,有内热源,接触热阻等问题. 热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度 而引起的内能的交换.热对流是指固体的表面和与它周围接触的流体之间,由于温差的存 在引起的热量的交换.热辐射指物体发射电磁能,并被其它物体吸收转变为热的热量交换 过程. 如果系统的净热流率为0,即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统 的热量:q流入+q生成-q流出=0,则系统处于热稳态.在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变 化. 瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程.在这个过程中系统的温度,热流率, 热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化. ANSYS热分析的边界条件或初始条件可分为七种:温度,热流率,热流密度, 对流,辐射,绝热,生热. 热分析涉及到的单元有大约40种,其中纯粹用于热分析的有14种,它们如表 21.1所示. 表21.1 热分析单元列表 单元类型名称说明 线性 LINK32 LINK33 LINK34 LINK31 两维二节点热传导单元 三维二节点热传导单元 二节点热对流单元