Workbench 瞬态分析高温铁球放入低温水中温度与受力
这是 ANSYS 工程实战 第 69 篇文章
问题描述：
ANSYS Workbench 分析：将直径 0.2m 温度为 500℃ 的钢球放入 0℃ 水中，钢球与水对流系数为 650W/(m2℃)，1min 后钢球温度及受力情况。
1. 瞬态温度分析：
1.1 材料参数：
图 1 钢球材料参数
图 2 钢球全模型
利用对称功能，将模型进行对称处理形成 1/8 模型，如图 3 ，主要为了固定约束设置及缩短计算时间：
图 3 1/8模型设置
1.3 创建柱坐标系：
模型赋予完材料属性后，建立柱坐标系，如图 4。
图 4 ANSYS Workbench 创建柱坐标系
1.4 对称约束设置：
对称面上设置对称约束，如图 5：
图 5 对称面上对称约束
1.5 划分网格：
网格大小设置为 2mm，进行自由网格划分，如图 6 ，网格形状和数量可以根据需要进行设置划分，可以参考 ANSYS Workbench 六面体网格划分。
图 6 网格设置
划分后的网格如图 7 。
图 7 划分后的网格
1.6 初始温度设置：
设置钢球的初始温度 500℃ 如图 8：
图 8 设置钢球初始温度
1.7 瞬态分析设置：
设置瞬态热分析的瞬态时间及时间步，具体设置如图 9：
图 9 瞬态分析时间步设置
1.8 边界对流系数设置：
边界对流系数大小根据对流系数公式和仿真分析重复迭代，取最终收敛的对流系数，这里对流系数只用来计算，如图 10。
图 10 对流系数设置
1.9 瞬态热分析结果：
图 11 中显示钢球的 1/8 模型在 1min 内的温度分布情况，可以看到球心温度（最大值）和球表面温度（最小值）各时间点的温度情况：
图 11 钢球瞬态热分析结果
2. 瞬态力学分析：
2.1 零应力设置：
高温钢球放入低温的水中的力学过程分析要设置零应力温度，如图 12 ，环境温度设置为 500℃：
图 12 零应力温度设置
2.2 瞬态分析设置：
瞬态分析步和子步设置与瞬态热分析的一致，如图 13：
图 13 瞬态时间设置
2.3 固定约束设置：
除了对称约束，还要设置固定约束，如图 14：
图 14 固定设置
2.4 瞬态温度导入：
导入瞬态热分析的温度载荷，如图 15，可以显示各个时间点的导入温度云图：
图 15 瞬态温度导入
2.5 瞬态力学仿真结果：
图 16 钢球各时间点对应的应力，开始时间点时应力为零，随着时间的增加钢球外边面和中心的应力随时间变化，实线显示的是变形前的尺寸结构，钢球随温度降低缩小。
图 16 钢球应力随温度变化
图 17 显示钢球 1/2 模型的应力分布：
图 17 钢球 1/2 模型应力云图
图 18 显示钢球 3/4 模型的应力分布：
图 18 钢球 3/4 模型应力云图
图 19 显示钢球 3/4 模型变形云图，实线是钢球变形前的形状：
图 19 钢球 3/4 模型变形云图
图 20 显示钢球 1/8 模型变形云图：
图 20 钢球 1/8 模型变形云图
图 21 显示钢球 1/2 模型变形云图：
图 21 钢球 1/2 模型变形云图
图 22 用柱坐标显示了钢球 X 方向位移（半径方向）的位移变化情况
图 22 钢球沿半径方向变形云图
备注说明：
图 23 显示全模型显示设置：
图 23 仿真结果全模型显示设置
特别说明：
方形金属块可以通过变形收缩确定零应力设置正确与否，欢迎对钢球放入水中的瞬态热力学分析过程的各关键点进行交流
