结构力学中的热应力分析：ANSYS实战指南

引言

现以ANSYS为例，结合前文介绍的理论和要点，讨论在ANSYS中如何实现结构力学中的热应力分析。

热应力问题分类

从场的观点看，热应力问题属于多物理场问题，即温度场和结构场。严格来说，现实当中的热应力问题都是耦合问题，即温度和变形互相影响；当分析一个场时，另外一个场的作用当做一种外载荷，即分析变形时，仅把温度当做和力同等地位的一种外载荷，通常称为弱耦合，反之称为强耦合。

从时间上看，热应力分析分为稳态分析和瞬态分析，前者只考虑热平衡态时结构的应力情况；而后者考虑的是结构应力随温度和时间的变化情况。

结构产生热应力的本质是因为“热胀冷缩”效应，热传递有三种方式：对流、传导和辐射，此三种方式最后都会引起温度的变化从而使结构产生应力。

分析过程

如果结构的温度场分布是通过热流密度等热交换计算出来的，那么首先应该进行热分析，计算出结构的温度场分布，然后再进行结构应力场分析；如果已经知道温度，比如考虑季节变换的温度差异产生的热应力，那么温度只是一个和力一样的外载荷。

典型命令

在ANSYS中，温度载荷被当做了体积载荷，在节点和单元上加温度载荷并不要求节点一定要具有温度自由度，这里的温度载荷只是和集中力一样的载荷而已。

TREF, TREF ——定义计算热应变的参考温度

BFUNIF, Lab, VALUE ——对所有节点定义体积力载荷

TUNIF, TEMP ——对所有节点定义标准温度值

BF, NODE, Lab, VAL1, VAL2, VAL3, VAL4 ——定义指定节点的温度载荷

BFE, ELEM, Lab, STLOC, VAL1, VAL2, VAL3, VAL4 ——定义单元的温度载荷，覆盖BF命令指定的温度载荷值

算例

本文用一个简单的例子讨论热应力在ANSYS中如何实现。如下图所示，杆子长L=1.0m，横截面积A=1.0E-4m2，弹性模量E=200Gpa，线膨胀系数α=1.0E-6(1/℃),温度参考温度为0℃，杆子均匀升温至50℃，两边固支，分析结构的热应变、热应力和约束反力等。

轴向热应变解析解为：

轴向热应力解析解为：

轴向约束反力解析解为：

ANSYS计算的轴向热应变：

ANSYS计算的轴向热应力：

ANSYS计算的轴向约束反力：

命令流如下：

注意：虽然例子十分简单，但是读者可以用此例子对典型命令中列出的命令去尝试不同的设置方式，看结果是否和解析解一致，加深对理论和软件的理解。

-完-

免责声明：本文系网络转载或改编，未找到原创作者，版权归原作者所有。如涉及版权，请联系删