第22章热应力耦合分析实例

第2 2 章 热－应力耦合分析实例 温度的分布不均会导致部件内部产生热应力，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的部件，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。各类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分布的变化。为此，本章通过实例来讲解如何用 ANSYS6.1 来进行这类问题的分析。 22.1 问题描述 一无限长的截面形状和尺寸如图 22.1 所示的厚壁双层圆管，其内、外层温度分别为 Ti和 To ，材料数据和边界条件如表 22.1 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 22.1 双层管道的截面图 表 22.1 材料性能参数表 材料编号 热导率(W/mm. oC)弹性模量(MPa) 泊松比 热膨胀系数(－oC-1) 1(钢),内层 0.0234 2.05E5 0.3 10.3 2 (铝) ,外层 0.152 0.63E5 0.33 20.7 从上面描述的问题可以看出，本实例属于轴对称问题，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，故建立模型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成对应的结构分析单元类型，重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。 22.2 建立模型 在 ANSYS6.1 中，首先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。 22.2.1 指定分析标题并设置分析范畴 首先，指定本实例的分析路径、数据库的名称、分析标题。指定本实例的分析的标题为：“Thermal Stress in Concentric Cylinders-Indirect Method”，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 Change Jobname (修...