Ansys workbench中瞬态热应力分析的两种方法

   

   

   

Ansys workbench中瞬态热应力分析的两种方法

   

   

    物体在温度发生改变时，会产生膨胀或收缩的现象。当物体温度改变时由于外在约束以及内部各部分之间的相互约束，使其不能完全自由胀缩而产生的应力，称之为热应力。

    物体的温度分布、热应力分布可采用有限元方法进行仿真分析。一切事物都是变化的，物体上的温度也一样，但在某些情况下，温度随时间变化相对较小，可以忽略时间对温度变化的影响，对此类问题进行有限元温度场分析，称为稳态温度场分析。当温度随时间的变化量不能忽略时，则需要在有限元温度场分析中考虑时间项的影响，进行瞬态温度场分析。对应于温度场分析，热应力分析也分为稳态热应力分析和瞬态热应力分析。

    本文介绍在Ansys workbench中进行瞬态热应力分析的两种方法，供大家参考。

    Ansys workbench中进行瞬态热应力分析，可采用顺序耦合分析和直接耦合分析两种方式进行。

    顺序耦合分析的思路是，先进行瞬态温度场分析，再将一系列时间下的温度场结果作为输入条件施加到结构上进行热应力分析。

顺序耦合分析流程

第一步：瞬态温度场分析

    瞬态温度场分析中的温度边界输入，总分析时间5s，内壁温度从22℃变化到100℃。

    瞬态温度场分析中的分析设置。总分析时长5s，按固定时间步长为0.1s进行分析。

 

   

第5s时刻温度分布云图

最大、最小温度值随时间变化曲线

第二步：瞬态结构应力分析

    将第一步瞬态温度场分析结果链接到瞬态结构应力分析模型上，在Imported Load中指定Source Time和Analysis Time。Source Time就是指定导入瞬态温度场分析结果中的哪一个时间步作为输入，Analysis Time是在瞬态结构应力分析中对应的的分析时间。

瞬态温度结果导入

 

   

   

 

 

第5s时刻热应力分布云图

最大、最小热应力值随时间变化曲线

    Ansys workbench中提供了温度场分析和结构应力分析直接耦合的功能，模块名称为Coupled Field Transient。

直接耦合模块

    在直接耦合模块中，温度边界和结构分析边界同时设置，同时进行分析。

    在初始物理场设置“Initial Physics Options”中设置初始温度。

初始温度设置

    在分析设置“Analysis Settings”中设置分析步。

分析步设置

    在物理区域“Physics Region”中指定开启结构分析“Structural”和热分析“Thermal”。

物理区域指定

    设置温度边界，内壁温度从从22℃变化到100℃。

随时间变化的温度边界

 

   

第5s时刻的温度分布云图

最大、最小温度值随时间变化曲线

 

   

   

 

 

第5s时刻的热应力分布云图

最大、最小热应力值随时间变化曲线

    以上两种方法均可以进行瞬态热应力分析，顺序耦合方法需要分别进行边界设置和分析，而直接耦合分析可以在同一界面下同时进行边界设置和分析。顺序耦合分析花费总时间为91s（温度场分析12s，热应力分析79s），直接耦合分析花费总时间为256s。

    从以上结果也可以看出，两种方法得到的热应力结果也略有差别，顺序耦合分析最大热应力为204.11MPa，直接耦合分析最大热应力为203.59MPa。