快速学会一项分析-线性耦合传热-结构分析OS-T: 1080
在有限元结构分析中考虑热效应是为了确保结构在温度变化下的性能和安全性，防止因热膨胀、热应力或热疲劳导致的结构失效，在本教程中对钢管进行了耦合传热/结构分析。
在开始之前，将本教程中使用的文件复 制到您的工作目录中。
http://majorv.help.altair.com/minorv/simulation/tutorials/hwsolvers/optistruct/OS-T-1080/pipe.zip" target="_blank">http://majorv.help.altair.com/minorv/simulation/tutorials/hwsolvers/optistruct/OS-T-1080/pipe.zip
如图1所示，管道一端固定在地面上，另一端施加热流密度。
首先定义一个线性稳态热传导解。然后通过TEMP引用结构解来执行耦合热/结构分析。该问题在HyperMesh中定义，并使用OptiStruct隐式求解器求解。在HyperView中对传热和结构结果进行后处理。
图1所示模型评估
一、启动HyperMesh并设置OptiStruct用户配置文件
1.启动HyperMesh，用户配置对话框打开。
2.选择OptiStruct，然后单击OK。这将加载用户配置文件。它包括适当的模板、宏菜单，并导入读取器，将HyperMesh的功能缩减到与生成OptiStruct模型相关的功能。
二、导入模型
1.点击File>Import>Solver Deck。
您的选项卡菜单中会添加一个Import选项卡。
2.对于文件类型，选择OptiStruct。
3.选择文件图标
，打开一个选择OptiStruct文件浏览器。
4.选择保存到工作目录的文件。
5.单击Open。
6.单击导入，然后单击关闭，以关闭导入选项卡。
三、设置模型
创建耦合热/结构材料和属性
在创建组件收集器之前创建材料和属性Collector。
1.在模型浏览器中，右键单击并选择Create>Material。
在实体编辑器中显示一个默认的MAT1材质。
2.对于名称，输入steel。
3.点击MAT4旁边的方框。
MAT4卡图像出现在材料信息区域的MAT1下方。MAT1卡定义了各向同性结构材料。MAT4卡适用于恒热材料。MAT4使用与MAT1相同的材质ID。
如果括号中的数量下面没有值，则将其关闭。
4.若要添加值，请单击括号内的数量。
在其下方会出现一个输入字段。
5.单击输入字段并输入值。
6.在实体编辑器中为材质steel输入以下值。
[E]杨氏模量2.1 x 1011Pa
[NU]泊松比0.3
[RHO]材料密度 7.9 × 103kg /m
[A]热膨胀系数 1 × 10-5/°C
[K]导热系数 73W / (m *°C)
一种新的热/结构耦合材料——钢被创造出来。
图2.材质实体编辑器
7.在模型浏览器中，右键单击并选择Create>Property，在实体编辑器中显示一个默认的PSHELL属性。
8.对于Name，输入solid。
9.对于材料，单击Unspecified >Material。
10.在选择材料对话框中，选择钢并单击OK。
图3.将材质steel分配给属性solid
11.对于Card Image，从下拉菜单中选择PSOLID，单击Yes确认。
实体钢管的属性被创建为3D PSOLID。材料信息与此属性相关联。
将材料和属性链接到现有结构，一旦定义了材料和属性，就需要将它们与结构链接起来。
1.在模型浏览器中，点击管道组件。
组件模板显示在实体编辑器中。
2.对于属性，单击 Unspecified > Property。
3.在选择属性对话框中，选择实体并单击OK。
图4.将属性实体分配给组件管道
四、对模型应用热载荷和边界条件
在RBE2单元上施加结构约束spc_struct，将管道固定在地面上。已经预先创建了两个空load collectors，spc_heat和heat_flux。在本节中，将热边界条件和热通量应用于模型，分别保存在spc_heat和heat_flux中。
1.点击位于页脚栏右上角的 Set Current Load Collector面板，如下图所示。
将出现一个load collector列表。
图5.设置Current Load Collector
2.选择spc_heat作为当前load collector。
3.在分析页面，点击约束。
4.转到创建子面板。
5.点击实体选择开关，从弹出菜单中选择节点。
6.点击nodes> by set。
7.选择预定义的实体集heat，单击select，固定端选中的节点应高亮显示。
8.取消dof1、dof2、dof3、dof4、dof5、dof6前面的复选框，在输入字段中输入0.0。
9.点击加载类型=，在弹出的列表中选择SPC。
10.单击create。这将这些热约束应用于所选节点集。
11.点击返回进入分析页面。
热流将应用于管道自由端表面。因此，必须首先创建用于定义传热边界的表面元素CHBDYE。
1.单击BCs > Create > Interfaces。
2.名称输入heat_surf。
3.对于Card Image，从下拉菜单中选择CONDUCTION 。
4.从调色板中选择合适的颜色。
5.对于辅助实体id，单击Elements。次要实体id面板现在显示在图形浏览器下面。
6.点击元素切换按钮，从弹出列表中选择面。
7.点击高亮显示的实体元素，在弹出选择菜单中by set 选择。
8.选择元素集实体元素，点击选择。
9.点击face nodes字段中的节点。
10.在应用热流密度的实体单元的一个面上选择四个节点，如图6所示。
图6.Surface Element上的节点
11.单击add。
这将按照相同的侧面约定在所有实体元素上添加CHBDYE表面元素，如图7所示。
图7.CHBDYE表面元件
12.点击返回返回到实体编辑器。
13.单击Close。
在这一步中，进入CHBDYE单元的均匀热通量用QBDY1条目定义。
1.将 current load collector设置为heat_flux。
2.在分析页中，单击flux进入flux面板。
3.转到创建子面板。
4.点击elems > by group.。
5.选择heat_surf，点击选择，surface elements被高亮显示。
6.点击load types=，选择QBDY1。
7.在value=字段中，输入1.0。
8.单击create。定义表面单元中的均匀热流密度。
9.单击返回可返回分析页面。
创建一个OptiStruct稳态导热loadstep ，它引用 load collector spc_heat中的热边界条件和load collector heat_flux中的热流密度。在load step中还要求梯度、通量和用于传热分析的温度输出。
1.在模型浏览器中，右键单击并选择Create>Load step。
默认加载步骤显示在实体编辑器中。
2.对于名称，输入heat_transfer。
3.单击实体编辑器中分析类型旁边的值字段中的下拉菜单，并选择Heat transfer (steady-state).。
4.对于SPC，单击Unspecified>Loadcol。
5.在Select Loadcol对话框中，选择spc_heat并单击OK。
图8.选择约束
6.对于LOAD，单击Unspecified > Loadcol。
7.在Unspecified > Loadcol对话框中，选择heat_flux并单击OK。
8.确认分析类型设置为HEAT。
9.选中OUTPUT旁边的复选框。
10.在子列表中激活FLUX和THERMAL选项。
11.在每个结果选择下，单击FORMAT旁边的空格，从下拉菜单中选择H3D格式。对于THERMAL，单击Table图标并从打开的表中的下拉菜单中选择
H3D。
12.点击OPTION下的按钮，选择ALL，如图9所示。
也可以在Analysis页面的Control Cards面板中请求Flux和Thermal输出。 
图9.设置传热负载步骤
为了执行coupled thermal/structural analysis，传热SUBCASE需要通过TEMP卡由结构SUBCASE引用。由于这在HyperMesh中不直接支持，因此创建了一个线性静态结构子案例，并使用SUBCASE_UNSUPPORTED或在模型导出后编辑.fem文件添加温度。
1.在模型浏览器中，右键单击并选择Create>Load step。
在实体编辑器中显示一个默认的Load step。
2.对于名称，输入structure_temp。
3.点击实体编辑器中Analysis type旁边Value字段的下拉菜单，选择Linear Static。
4.对于SPC，单击Unspecified >Load col。
5.在Select Load col对话框中，选择spc_struct并单击OK。
6.勾选SUBCASE_UNSUPPORTED旁边的复选框。
7.点击Data: Comments右侧的Table图标，在弹出式表格的第一行输入以下文本。
TEMP=1
注意:上面使用的TEMP ID可能与您的模型不同。确保为TEMP选择传热子机箱的ID。
8.单击Close。
五、提交作业
1.从Analysis页面，单击OptiStruct面板。
图10.访问OptiStruct面板
2.点击Save As。
3.在Save As对话框中，指定写入OptiStruct模型文件的位置，并为filename输入pipe_complete。
对于OptiStruct输入甲板，.fem是推荐的扩展名。
4.单击Save。
输入文件字段显示Save As对话框中指定的文件名和位置。
5.将导出选项开关设置为all。
6.设置运行选项切换为analysis。
7.将内存选项切换为memory default。
8.单击OptiStruct以启动OptiStruct作业。
如果作业成功，新的结果文件应该在pipe_complete. exe所在的目录中。Fem被写入。pipe_complete.out文件是查找错误消息的好地方，如果存在任何错误，这些消息可以帮助调试输入模型。
六、查看结果
用OptiStruct软件计算稳态热传导分析的梯度温度和通量轮廓结果以及结构分析的应力和位移结果。HyperView用于对结果进行后处理。
1.从OptiStruct面板中，单击HyperView。
启动HyperView并加载结果。将出现一个消息窗口，通知已成功加载到HyperView中的模型和结果文件。
2.如果出现消息窗口，单击Close关闭该消息窗口。
3.在结果工具栏上，单击打开Contour 面板。
4.在结果选项卡中选择Subcase 1 - heat transfer 作为current load case ，如下图所示。 
图11.HyperView中的results选项卡
5.在Contour 面板中，选择结果类型下面的第一个下拉菜单，然后选择Element Fluxes (V)。
6.单击Apply。应该可以看到表示热通量的轮廓图像。
7.选择结果类型下面的第一个下拉菜单，然后选择Grid Temperatures (s)。
8.单击Apply。
通量和温度结果如下图所示。 
图12.传热分析结果
1.在load case and Simulation Selection窗口中选择结构分析子case作为当前的load case。
2.选择Result type下面的第一个下拉菜单，选择Element stress [2D & 3D] (t)。
3.选择结果类型下面的第二个下拉菜单，选择vonMises。
4.单击Apply。
一个代表vonMises应力的轮廓图像应该是可见的。模型中的每个元素都被赋予一个图例颜色，表示该元素的von Mises应力值，这是由施加的载荷和边界条件产生的。
5.选择Result type下面的第一个下拉菜单，然后选择Displacement (v)。
6.选择结果类型下面的第二个下拉菜单，选择Mag。
7.单击Apply。
应力和位移轮廓都如下图所示。
图13.结构分析结果
