【应用】热应力耦合场分析

2016-11-03 by:CAE仿真在线来源:互联网

耦合场分析是分析不同工程学科(物理领域)的相互作用,我们常常把一个耦合场分析称为一个多物理场分析。一般是在一个场的分析结果的基础上,再加上另外一个场分析,这就叫做耦合。

热应力耦合作为耦合场的一种,也是很多实际工程中需要考虑的问题。在产品设计中,一般按静强度准则已满足使用要求,但由于产品的热膨胀系数不同,并且由很多零件装配在一起使用时,如果各个零件的温度变化较大,在一定温升下各零件间因热膨胀系数不同,而产生很大的热应力。特别是对于处于复杂环境中的产品,内外表面因存在巨大的温度差,而产生很大的热应力,虽然该产品常温下静强度完全满足使用需求,但常会因为热应力而导致产品破坏。

因此对于工作在温度变化比较大环境中的产品设计,往往需要对其进行温度场和热应力计算,以考虑温度变化时结构强度是否满足设计要求。

1 热应力产生原因

·当结构加热或冷却时,会膨胀或收缩;

·若变形受到限制—如位移约束或反向压力,则结构内会产生热应力;

·另一种情况是结构变形不均匀,如由于不同的材料属性(不同的热膨胀系数等)。

2 热应力分析方法

·直接耦合法:

直接使用具有温度和位移自由度的耦合场单元,可同时得到热分析和结构分析的结果。

·间接法(顺序耦合):

首先进行单纯的热分析,然后将得到的热分析结果作为体载荷施加在结构上,进行结构应力分析。

3 推荐使用方法

对于热应力问题,热分析的温度结果导出给结构分析,但结构的应变一般不影响温度分布。因此,没有必要迭代两个场之间的解。推荐热应力分析采用间接法分析。

本分析方法适用于物理场之间单向的耦合关系。例如,热分析的温度场结果将显著影响到结构应力分析结果,不考虑结构应力应变分析对温度场的影响。本方法一般来说比直接耦合方法效率高,而且不需要特殊的单元类型。

下图给出了直接耦合和顺序耦合的区别:

4 具体分析流程

ANSYS热应力分析在经典界面(APDL)和Workbench界面(Mechanical)都可以使用,可同时满足不同用户的使用习惯和分析需求。ANSYS Workbench分析界面基于Windows操作风格,界面友好,易学易用,近几年来得到越来越多用户的青睐。并且对于热应力分析,Workbench界面更容易实现整个分析流程。下面将具体介绍两种界面的分析步骤。

ANSYS APDL界面分析

(1)直接耦合法

• 指定单元类型,单元类型的指定需要指定耦合场单元,例如Solid5、Plane13、Solid98、Plane223、Solid226和Solid227。这些单元要同时具有UX、UY、UZ和TEMP自由度。• 指定材料类型,除了结构的静力分析材料属性之外,还需设置热分析的材料属性以及热膨胀系数。• 施加热边界和结构边界。• 指定分析类型,支持静力分析,完全法瞬态分析和完全法谐响应分析。• 所有设置完成后,进行求解及结果后处理。

(2)顺序耦合法

当在顺序求解使用手工方法时将热节点温度施加到结构单元上有两种选项。选择的原则在于结构模型和热模型是否有相似的网格划分: