【應用】熱應力耦合場分析

2016-11-03 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

耦合場分析是分析不同工程學科(物理領域)的相互作用,我們常常把一個耦合場分析稱為一個多物理場分析。一般是在一個場的分析結果的基礎上,再加上另外一個場分析,這就叫做耦合。

熱應力耦合作為耦合場的一種,也是很多實際工程中需要考慮的問題。在產(chǎn)品設計中,一般按靜強度準則已滿足使用要求,但由于產(chǎn)品的熱膨脹系數(shù)不同,并且由很多零件裝配在一起使用時,如果各個零件的溫度變化較大,在一定溫升下各零件間因熱膨脹系數(shù)不同,而產(chǎn)生很大的熱應力。特別是對于處于復雜環(huán)境中的產(chǎn)品,內外表面因存在巨大的溫度差,而產(chǎn)生很大的熱應力,雖然該產(chǎn)品常溫下靜強度完全滿足使用需求,但常會因為熱應力而導致產(chǎn)品破壞。

因此對于工作在溫度變化比較大環(huán)境中的產(chǎn)品設計,往往需要對其進行溫度場和熱應力計算,以考慮溫度變化時結構強度是否滿足設計要求。

1 熱應力產(chǎn)生原因

·當結構加熱或冷卻時,會膨脹或收縮;

·若變形受到限制—如位移約束或反向壓力,則結構內會產(chǎn)生熱應力;

·另一種情況是結構變形不均勻,如由于不同的材料屬性(不同的熱膨脹系數(shù)等)。

2 熱應力分析方法

·直接耦合法:

直接使用具有溫度和位移自由度的耦合場單元,可同時得到熱分析和結構分析的結果。

·間接法(順序耦合):

首先進行單純的熱分析,然后將得到的熱分析結果作為體載荷施加在結構上,進行結構應力分析。

3 推薦使用方法

對于熱應力問題,熱分析的溫度結果導出給結構分析,但結構的應變一般不影響溫度分布。因此,沒有必要迭代兩個場之間的解。推薦熱應力分析采用間接法分析。

本分析方法適用于物理場之間單向的耦合關系。例如,熱分析的溫度場結果將顯著影響到結構應力分析結果,不考慮結構應力應變分析對溫度場的影響。本方法一般來說比直接耦合方法效率高,而且不需要特殊的單元類型。

下圖給出了直接耦合和順序耦合的區(qū)別:

4 具體分析流程

ANSYS熱應力分析在經(jīng)典界面(APDL)和Workbench界面(Mechanical)都可以使用,可同時滿足不同用戶的使用習慣和分析需求。ANSYS Workbench分析界面基于Windows操作風格,界面友好,易學易用,近幾年來得到越來越多用戶的青睞。并且對于熱應力分析,Workbench界面更容易實現(xiàn)整個分析流程。下面將具體介紹兩種界面的分析步驟。

ANSYS APDL界面分析

(1)直接耦合法

? 指定單元類型,單元類型的指定需要指定耦合場單元,例如Solid5、Plane13、Solid98、Plane223、Solid226和Solid227。這些單元要同時具有UX、UY、UZ和TEMP自由度。? 指定材料類型,除了結構的靜力分析材料屬性之外,還需設置熱分析的材料屬性以及熱膨脹系數(shù)。? 施加熱邊界和結構邊界。? 指定分析類型,支持靜力分析,完全法瞬態(tài)分析和完全法諧響應分析。? 所有設置完成后,進行求解及結果后處理。

(2)順序耦合法

當在順序求解使用手工方法時將熱節(jié)點溫度施加到結構單元上有兩種選項。選擇的原則在于結構模型和熱模型是否有相似的網(wǎng)格劃分: