-
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：×
10
9
MPa
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/m
2
℃
（
）
对称边界的约束位置
（
）
（
2
< br>）管外：空气温度
39
℃
对流系数：
W/m
2
℃
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：
定义工作文件名及工作标题
定义工作文件名：
GUI: Utility Menu>
File> Change
Jobname
，在弹出的【
Change Jobname<
/p>
】对话框
中输入文件名
Pipe_The
rmal
，单击
OK
按钮。
定义工作标题：
GUI:
Utility
Menu>
File>
Change
Title
，在弹出的【
Change
Title
】对话框中
2D
Axisymmetrical Pipe Thermal Analysis
，单击
OK
按钮。
关闭坐标符号的显示：
GUI: Utility Menu>
PlotCtrls> Window Control> Window Options
，在弹出的
【
Window Options
】
对话框的
Location of
triad
下拉列表框中选择
No Shown
选项，
单击
OK
按钮。
定义单元类型及材料属性
定义单元类型：
GUI:
Main
Menu>
Preprocessor>
Element
Type>
Add
/Edit>Delete
命令，弹出
【
Element Types
】
对话框，单击
Add
按钮，
弹出
【
Library Type
】
对话框，
选择
Thermal Solid Quad
8node 77
选项，单击
OK
按钮。
设置单元选项：
< br>单击
【
Element Type
】
对话框的
Options
按钮，<
/p>
弹出
【
Plane77 element
type options
】
对话框，在
Element behavior
下拉列框中选择
Axis
ymmetrical
选项，单击
OK
按钮，单击
Close
按
钮。
设置材料属性：
GUI:
Main
Menu>
Preprocessor>
Material
Props>
Material
Models
，弹出【
Define
Material
Models
B
ehavior
】
窗
口
，
双
击
Material
Model
Available
列<
/p>
表
框
中
的
StructuralLinearElasticIsotropic
选项，弹出【
Linear
Isotropic
Material
Properties
for
Material
Numb
er1
】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
< br>系数，点击
ThermalConductivityIsotropic
，弹出【
Conductivity for Material N
umber1
】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。
建立几何模型
创建矩形面：
GUI: Main Menu>
Preprocessor> Modeling> Create> Areas> Rectangle>
By Dimensions
，
弹出
【
Create Rectangle by Dimensions
】
对话框，
在
X-coordin
ates
文本框中输入，
，
在
Y-coordinates
文本框中输入
0<
/p>
，，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。
面相加操作：
GUI: Main Menu>
Preprocessor> Operate> Booleans> Add> Areas
，弹出一个拾取框，
单击
Pick
All
按钮。
打开线编号控制：
GUI: Utility Menu>
PlotCtrls> Numbering
，弹出【
Plot
Numbering Controls
】对话
框，选择
Line numbers
复选框，单击
OK
按钮。
线倒角：
GUI: Main Menu>
Preprocessor> Modeling> Create> Lines> Line Fillet
，弹出一个拾取框，
拾取编号为
L11
和
L13
的线，单击
< br>OK
按钮，弹出【
Line
Fillet
】对话框，在
RAD Fillet radiu
s
文本
框中输入，单击
OK
按钮。
显示线：
GUI: Utility Menu> Plot>
Lines
。
生成面：
GUI: Main Menu>
Preprocessor> Modeling> Create> Areas> Arbitrary>
By Lines
，弹出一个
拾取框，拾取编号为
L2
，
L5
和
L4
的线，单击
OK
按钮。
面相加操作：
GUI: Main
Menu> Preprocessor> Modeling> Add>
Areas
，弹出一个拾取框，单击
Pick
All
按钮。
生成有限元模型
显示工作平面：
GUI: Utility Menu>
WorkPlane> Display Workplane
打开关键点编号：
GUI: Utility Menu>
PlotCtrls> Numbering
，弹出【
Plot
Numbering Controls
】对话
框，选择
Keypoint
numbers
复选框，清除
Line numbers
复选框，单击
OK
按钮。
平移工作平面：
GUI: Utility Menu>
WorkPlane> Offset WP to> Keypoint
，弹出一个拾
取框，拾取编
号为
10
的关键点，单击
OK
按钮。
旋转工作平面：
GUI: Utility Menu>
WorkPlane> Offset WP By
Increments
，显示【
Offset
WP
】工具
栏，在
XY,YZ,ZX
Angles
文本框中输入
0,0,90
，单击
Apply
按钮。
面
分
解
：
GUI:
Main
Menu>
Preprocessor>
Modeling>
Operate>
Booleans>
Divide<
Area
by <
/p>
WorkPlane
，显示一个拾取框，单击
Pick All
按钮，将面在工作平面处分为两个面。
打开面的编号：
GUI:
Utility
Menu>
WorkPlane>
PlotCtrls>
Numbering
，弹出【
Plot
Numbering
Controls
】对话框，选择
Area number
复选框，单击
OK
按钮。
平移工作平面：
GUI: Utility Menu>
WorkPlane> Offset WP to> Keypoint
，弹出一个拾
取框，拾取编
号为
5
的关键点，单击<
/p>
OK
按钮。
旋转工作平面：
GUI: Utility Menu>
WorkPlane> Offset WP By
Increments
，显示【
Offset
WP
】工具
栏，在
XY,YZ,ZX
Angles
文本框中输入
0,90,0
，单击
Apply
按钮。
面分解：
GUI: Main Menu>
Preprocessor> Modeling> Operate> Booleans> Divide<
Area by WrkPlane
，
显示一个拾取框，拾取<
/p>
A3
，单击
OK
按钮，将
A3
在工作平面分为两个面。
创建关键点：
GUI: Main
Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Keypoints>
On Line W/Ratio
，
拾取
编号为
L3
的线，单击
OK
按钮，弹出【
Create KP on
Line
】对话框，在
Line ratio(0-1)
文本框中输
入，单击
OKANNIU
生成一个编号为
12
的关键点。
平移工作平面：
GUI: Utility Menu>
WorkPlane> Offset WP to> Keypoint
，弹出一个拾
取框，拾取编
号为
12
的关键点，单击
OK
按钮。
旋转工作平面：
GUI: Utility Menu>
WorkPlane> Offset WP By
Increments
，显示【
Offset
WP
】工具
栏，在
XY,YZ,ZX
Angles
文本框中输入
0,-90,0
，单击
OK
按钮。
面分解：
GUI: Main Menu>
Preprocessor> Modeling> Operate> Booleans> Divide<
Area by WrkPlane
，
显示一个拾取框，拾取<
/p>
A2
和
A4
，单
击
OK
按钮。
关闭工作平面：
GUI: Utility Menu>
WorkPlane> Display Working Plane
线相加操作：
GUI: Main Menu>
Preprocessor> Modeling> Operate> Booleans> Add> Li
nes
，弹出一
个拾取框，
拾取编号为
L9
和
L14
的线，
单击
OK
按钮弹出
【
Add Lines
】
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【
Add Lines
】对话框，单击
OK<
/p>
按钮。
设置单元尺寸：
GUI: Main Menu>
Preprocessor> Meshing> Size Cntrls> ManulSize>
Global>
Size
，弹
出【
Global
Element Size
】对话框，在
Element
edge length
文本框中输入，单击
OK
按钮。
划分映射网格：
GUI: Main Menu>
Preprocessor> Meshing> Mesh> Areas> Mapped> 3 or 4
sided
，弹
出一个拾取框，拾取编号为
A1
，
A3
，
A5
，
A6
的面，单击
OK
按钮。
对
A7
划分网格：
GU
I: Main Menu> Preprocessor> Meshing> Mesh> Areas>
Mapped> By conners
，
弹
< br>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
，<
/p>
10
的关键点，单击
OK
。
保存网格：
ToolBar>
Save_DB
施加载荷及求解
在线上施加对流载荷：
GUI: Main Menu>
Solution> Define Loads> Apply> Thermal>
Convection> On
Lines
，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【
< br>Apply CONV
on
Lines
】对话框，在
Film <
/p>
coefficient
文本框中输入，在
Bulk
temperature
文本框中输入
39
，单
击
Apply<
/p>
按钮。拾取编号为
L9
和
L8
的线，单击
OK
按钮，在
Film
coefficient
文
本框中输入，在
Bulk temperature
文本框中输
入
250
，单击
OK
< br>按钮。
列表显示边界条件：
GUI: Utility> List>
Loads> Surface> On All Loads
，检查所有对流边界条件
是否
加载。
求解：
GUI: Main Menu> Solution>
Solve> Current LS
，
弹出一个提示窗口和<
/p>
【
Solve Current Load Step
】
对话框，确认后关闭提示窗口，单击
OK
求解。
求解完成后，保存结果文件：
GUI
：
Utility Menu>
File> Save as
，弹出【
Save
as
】对话框，在
Save
Database
To
文本框中输入
Thermal
，单击
OK
。
后处理
绘制温度分布云图：
GUI: Main> General
Postproc> Plot Results> Contour> Plot> Nodal
Solu
，弹出
【
Contour
Nodal
Solution
Data
】对话框，点击
Nodal
SolutionDOF
SolutionTemperat
ure
，
Undisplaced Shape
key
下拉框中选择
Deformed shape with
undeformed model
。
绘制热流量分布云图：
GUI: Main> General
Postproc> Plot Results> Contour> Plot> Nodal Solu<
/p>
，
弹出
【
Con
tour Nodal Solution
Data
】对话框，点击
Thermal flux
Thermal flux vector sum
，单击
OK
。
绘制热梯度分布云图：
GUI: Main> General
Postproc> Plot Results> Contour> Plot> Nodal Solu<
/p>
，
弹出
【
Con
tour Nodal Solution
Data
】对话框，点击
Thermal gradient
vector sum
，单击
OK
按钮
。
练习
1
－
2
：间接法计算冷却栅管的热应力<
/p>
这个练习是接着上一个的，如果
ANS
YS
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：
恢复数据库文件
GUI:
Utility Menu> File> Resume from
，
弹出
【
Resume Database
】
对话框，
在
Resume
Database from
列表框中选择选项，单击
OK
按钮。
改变工作标题和分析类型
改变工作标题：
GUI:
Utility
Menu>
File>
Change
title
，弹出【
Change
Title
】对话框，输入
2D
Axisymmetrical Pipe Thermal_Stress Anal
ysis
，单击
OK
按钮。
改变分析类型：
GUI: Main
Menu>
Preferences
，在弹出的【
Preference
for GUI Filtering
】对话框中
选择
Structural
，单击
OK
按钮。
转换单元类型及重新设置材料属性
删除对流边界：
GUI:
Main
Menu>
Preprocessor>
Loads>
Define
Loads>
Delete>
All
Load
Data>
All
SolidMod
Lds
，弹出【
Delete All Solid
Model Loads
】对话框，单击
OK
< br>按钮，则施加在实体上的所
有载荷均被删除。
转换单元类型为结构单元：
GUI: Main Menu>
Preprocessor> Element Type> Switch Elem Type
，
弹出
【
Switch
Elem
Type
】对话框。在
Change
element
type
下拉框中选择
Thermal
to
Struc
，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。
设置单元为轴对称：
GUI: Main Menu>
Preprocessor> Element Type>Add/Edit/Delete
< br>，
弹出
【
Element
Type
】
对话框，
单击
Options
按钮，
弹出
【
PLANE82 elemnt type options
】
对话框，
在
El
ement behavior
K3
下拉框中选择
Axisymmetrical
选项，单击
OK<
/p>
按钮。
设置材料的线胀系数：
GUI:
Main
Menu>
Preprocessor>
Material
Pros>
Material
Mo
dels
，弹出
【
Define
Material
Model
Be
havior
】窗口，点击
Material
Model
Available
列表
框中的
Structural
Thermal Secant
Coefficienet
Isotropic
，弹出【
Thermal
Expansion Coef for Material Number 1
】对<
/p>
话框，在
ALPX
文本框中填入，单击<
/p>
OK
按钮，关闭材料属性设置对话框。
施加结构分析载荷并求解
施
加
对
称
边
界
约
束
：
< br>GUI:
Main
Menu>
Solution>
Define
Loads>
Apply>
Structural>
Displacement>Symmetry .>
On
Lines
，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
，
< br>L17
，单击
OK
按钮。
显示线：
GUI: Utility
Menu> Plot> Line
施加节点温度载荷：
GUI:
Main
Menu>
Solution>
Define
Loads>
Apply>
Structural>
Temperature>
From Therm
Analy
，弹出【
Apply TEMP from
Thermal Analysis
】对话框，在
Name
of result file
文本
框中输入文件名，单击
OK
按钮。
在管的内壁施加面载荷：
GUI: Main Menu>
Solution> Define Loads> Apply> Structural>
Pressure> On
Lines
，弹出一个拾取框，拾
取编号为
L9
和
L8
< br>的线，单击
OK
按钮，弹出【
A
pply PRES on
lines
】
对话框，在
VALUE
Load PRES value
文本框中输入，单击
OK
按钮。
显示节点的温度体载荷：
GUI: Utility
Menu> PlotCtrls> Symbols
，弹出【
Symbols
】对话框。在
Body
Load
Symbols
下拉框中选择
Structural temp
s
选项，单击
OK
按钮。
显示单元：
GUI: Utility
Menu> Plot> Element
求解：求解：
GUI: Main Menu>
Solution> Solve> Current LS
求解完成后，保存结果文件：
GUI
：
Utility Menu> File> Save
as
，弹出【
Save
as
】对话框，在
Save
Database To
文本框中输入，单击
< br>OK
。
普通后处理
显示变形：
GUI: Main Menu> General
Postproc> Plot Results> Deformed Shape
，
弹出
【
Plot Deformed
Shape
】对话框，选择
Def +
undeformed
单选框，单击
OK
按钮。
显示位移云图：
GUI: Main Menu>
General Postproc> Plot Results>Nodal
Solu
，弹出【
Contour Nodal
Solution
Data
】对话框，点击
Nodal
Solution
DOF
Solution
Displament
vector
sum
，接着在
Undisplaced shape
key
下拉框中选择
Deformed shape with
undeformed edge
，单击
OK
< br>按钮。
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