ANSYS Workbench 结构热固耦合计算
在ANSYS Workbench中使用稳态传热模块与结构静力学模块，对结构进行顺序热固耦合计算，得到结构的热变形与热应力分布。
结构模型如图1所示，在顺序热固耦合计算中，我们首先需要得到结构的温度场，在此基础上再使用结构模块，对模型进行结构力学计算。
在这个案例中，使用了External Data功能，将外部的节点温度数据导入作为结构温度分布数据，用于热固顺序耦合的计算。
图1 结构计算模型
我们首先需要得到模型的温度分布。
(1)启动ANSYS Workbench，加载Steady-State Thermal稳态传热模块。
(2)右键单击A3单元格，选择弹出菜单项Import Geometry→Browse...，弹出文件选择对话框，选择几何模型文件ex1-1\ex1-1.stp。（案例文件下载地址见文章底部）
(3)双击A4单元格进入稳态传热模块。
本案例模型使用默认材料，所以不需要对材料设置进行改动。
(4)单击模型树节点Mesh，在Details of Mesh中确定模型单元长度为5mm。
(5)右键单击模型树节点Mesh，单击弹出菜单项Generate Mesh生成模型网格，如图2所示。
图2 模型网格划分
(6)右键单击模型树节点Steady-State Thermal，添加Temperature温度边界，以及Convection对流换热边界。
(7)在Details of Temperature中，选择模型内部的3个表面作为热边界面，给3个表面定义温度为70℃，如图3所示。
(8)在Details of Convection中，选择模型外部9个表面，作为对流换热面，同时定义其对流换热系数为300 W/m2℃，如图4所示。
图3 温度边界
图4 对流换热边界
(9)在这里，可能会遇到单位制的问题，可以通过Home→Tools→Units来对单位制进行调整，如图5所示。
图5 单位制调整
(10)右键点击模型树节点Steady-State Thermal下的Solution，点击Solve进行计算。
(11)计算完成后进行结果的后处理，使用Solution→Insert→Thermal→Temperature，得到模型温度场，如图6所示。
图6 模型温度场
得到模型的温度场之后，就可以将其用于耦合计算了。
(1)在ANSYS Workbench中，加载一个Static Structural结构静力学模块，将其拖入到稳态传热模块的A6单元格内，如图7所示。
(2)加载完成后，如图8所示，温度场结果就可以导入到结构静力学模块了。
图7 加载静力学模块
图8 加载完成
(3)左键单击B5单元格，进入结构静力学模块。
(4)模型树节点中找到Static Structural→Imported Load→Imported Body Temperature。
(5)右键单击Imported Body Temperature，选择Import Load，即可将温度温度导入，如图9所示。
图9 导入模型的温度场
(6)右键点击模型树节点的Static Structural，通过Insert→Fixed Support建立固定约束。
(7)在Details of Fixed Support中，选择模型底面作为固定约束面，如图10所示。
图10 固定约束
(8)右键单击模型树节点Solution，选择Solve进行计算。
(9)计算完成后，使用Solution→Insert→Equivalent Stress，插入一个模型热应力结果，使用Solution→Insert→Total Deformation，插入一个模型热变形结果，右键Equivalent Stress与Total Deformation，选择Evaluate All Results，得到相应的结果云图，如图如图11、图12所示。
图11 热应力云图
图12 热变形云图
以上已经完成了一个结构的热固顺序耦合计算，模型的温度场是通过稳态温度计算模块计算得到的。那么其实还存在着一种应用场景，模型的温度场是由其他工程师，使用其它工具计算得到的，在这种场景中，我们可以将其它工具计算得到的节点温度数据导入ANSYS。
(1)在ANSYS Workbench中加载External Data与Static Structural，并进行连接，用于数据传递，如图13所示。
图13 加载External Data
(2)右键单击C2单元格，选择Edit，进入External Data。
(3)在Location→...中选择外部的节点温度数据表ex2-1-temp.xls，如图14所示。该数据表中包含了节点的编号、节点坐标、节点温度值。
图14 加载外部数据表
加载之后，可以在Preview of File中预览导入的数据，发现并没有完成数据分列，如图15所示。
图15 导入的数据
(4)在Properties of File中，将Start Import At Line设定为2，即从外部数据表的第2行进行读取。将Delimiter Type设定为Tab，对导入的数据进行分列，将length Unit设定为mm，导入的数据为毫米制，设定如图16所示。再次预览导入的数据，数据已完成分列，但是还缺少每列数据的数据类型，如图17所示。
(5)在Table of File中设定5列数据的类型，分别为节点号、X坐标、Y坐标、Z坐标、温度，如图18所示。
(6)最后在Preview of File中可以预览到我们导入的数据，如图19所示。
图16 Properties of File
图17 完成分列的数据
图18 Table of File
图19 Preview of File
(7)完成数据表的导入后，右键单击C2单元格，选择Update进行数据的更新。
(8)右键单击D3单元格，导入几何模型文件ex1-1.stp。
(9)左键双击D4单元格，进入结构静力学模块，如图20所示。
图20 完成数据更新
(10)右键单击Imported Load，通过Insert→Body Temperature，得到导入体温度功能。
(11)在Details of Imported Body Temperature中，选择整个模型Body，如图21所示。
图21 导入外部节点温度数据
(12)右键单击Imported Body Temperature，选择Import Load，即可导入外部节点温度数据，导入完成后模型的温度场如图22所示。
图22 外部节点温度数据导入完成
基于已经得到的温度场，就可以在当前的结构静力学模块中，细化网格，设定外载与约束，直接进行热固耦合计算了。
