热－结构耦合分析.pdfVIP

第 21 章 热－结构耦合分析 热－结构耦合问题是结构分析中通常遇到的一类耦合分析问题。由于结构温度场的分 布不均会引起结构的热应力，或者结构部件在高温环境中工作，材料受到温度的影响会发 生性能的改变，这些都是进行结构分析时需要考虑的因素。为此需要先进行相应的热分析， 然后在进行结构分析。热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如 热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量）等。本章主要介绍在 ANSYS 中进行稳 态、瞬态热分析的基本过程，并讲解如何完整的进行热－结构耦合分析。 21.1 热－结构耦合分析简介 热－结构耦合分析是指求解温度场对结构中应力、应变和位移等物理量影响的 分析类型。对于热－结构耦合分析，在 ANSYS 中通常采用顺序耦合分析方法，即 先进行热分析求得结构的温度场，然后再进行结构分析。且将前面得到的温度场作 为体载荷加到结构中，求解结构的应力分布。为此，首先需要了解热分析的基本知 识，然后再学习耦合分析方法。 21.1.1 热分析基本知识 ANSYS 热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温 度，并导出其它热物理参数。ANSYS 热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传 递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。 热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度 而引起的内能的交换。热对流是指固体的表面和与它周围接触的流体之间，由于温差的存 在引起的热量的交换。热辐射指物体发射电磁能，并被其它物体吸收转变为热的热量交换 过程。 如果系统的净热流率为 0，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统 的热量：q流入+q生成-q流出=0 ，则系统处于热稳态。在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变 化。 瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中系统的温度、热流率、 热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。 ANSYS 热分析的边界条件或初始条件可分为七种：温度、热流率、热流密度、 对流、辐射、绝热、生热。 热分析涉及到的单元有大约 40 种，其中纯粹用于热分析的有 14 种，它们如表 21.1 所示。 表 21.1 热分析单元列表 单元类型 名称 说明 LINK32 两维二节点热传导单元 LINK33 三维二节点热传导单元 线性 LINK34 二节点热对流单元 LINK31 二节点热辐射单元 PLANE55 四节点四边形单元 PLANE77 八节点四边形单元 二维实体 PLANE35 三节点三角形单元 PLANE75 四节点轴对称单元 PLANE78 八节点轴对称单元 SOLID87 六节点四面体单元 三维实体 SOLID70 八节点六面体单元 SOLID90 二十节点六面体单元 壳 SHELL57 四节点四边形壳单元 点 MASS71 节点质量单元 21.1.2 耦合分析 在 ANSYS