瞬态热应力分析案例 - 陶瓷封接应力

问题描述：

波导窗在封接过程中由于金属件和陶瓷热膨胀差异﹑波导窗结构差异﹑焊接厚度﹑焊接降温速率等等，波导窗易发生开裂失效，这里用 ANSYS Workbench 分析陶瓷封接应力情况。

1. 基本假设及模型简化

忽略焊料，配合间隙，模型螺纹孔，倒角等。焊料熔化时的温度为零应力点，有限元模型简化如图，模型进行 part 设置。

图 1 有限元模型

2. 网格划分及材料参数设置

对窗模型进行适当切割，并进行六面体网格划分，特别注意设置金属件的塑形参数，金属件不同温度的热膨胀系数，陶瓷的不同温度的热膨胀系数等等。

图 2 网格划分

3. 瞬态分析 - 零应力温度设置 

实际焊接过程中，当焊料熔化时，结构处于零应力状态，设置环境温度为焊料熔化温度，如 960 度 ，ANSYS Workbench 设置操作如图 3 所示。如果环境温度设置不正确，初始应力就不是零，会造成计算错误，这一点要特别注意。

图 3 零应力温度设置

4. 瞬态分析 - 分析步设置

分析步共设置 11 步，每步子步最大步长为 4，打开自动时间步和大变形，具体设置如图 4 所示。根据实际需要增加第一步步长，增加应力突变步的步长，在快速升降温处增加步数等帮助计算收敛。

图 4 分析步设置

5. 结果分析

Ansys 与 Ansysworkbench 联合仿真，由于陶瓷是脆性材料，在 Ansys 中读取不同时间点窗片在柱坐标下三个方向的应力，第 7 步时窗片的应力最大。窗片在各个时间点径向和周向应力为压应力，轴向应力为拉应力，最大拉应力如图 5。

图 5 分析步设置