ANSYS Workbench结构热固耦合计算详解

在ANSYS Workbench中使用稳态传热模块与结构静力学模块，对结构进行顺序热固耦合计算，得到结构的热变形与热应力分布。

结构模型如图1所示，在顺序热固耦合计算中，我们首先需要得到结构的温度场，在此基础上再使用结构模块，对模型进行结构力学计算。

在这个案例中，还使用到了External Data功能，将外部的节点温度数据导入，作为结构温度分布数据，用于热固顺序耦合的计算。

   图1 结构计算模型
 

2 通过传热计算得到模型温度场

我们首先需要得到模型的温度分布。

（1）启动ANSYS Workbench，加载Steady-State Thermal稳态传热模块。

（2）右键单击A3单元格，选择弹出菜单项Import Geometry→Browse...，弹出文件选择对话框，选择几何模型文件ex1-1\ex1-1.stp。（如需案例文件，请关注微信公众号：CAE简单学）

（3）双击A4单元格进入稳态传热模块。

本案例模型使用默认材料，所以不需要对材料设置进行改动。

（4）单击模型树节点Mesh，在Details of Mesh中确定模型单元长度为5mm。

（5）右键单击模型树节点Mesh，单击弹出菜单项Generate Mesh生成模型网格，如图2所示。

   图2 模型网格划分
 

（6）右键单击模型树节点Steady-State Thermal，添加Temperature温度边界，以及Convection对流换热边界。

（7）在Details of Temperature中，选择模型内部的3个表面作为热边界面，同时给3个表面定义温度为70℃，如图3所示。

（8）在Details of Convection中，选择模型外部9个表面，作为对流换热面，同时定义其对流换热系数为300 W/m2℃，如图4所示。

   图3 温度边界
 

   图4 对流换热边界
 

（9）在这里，可能会遇到单位制的问题，可以通过Home→Tools→Units来对你的单位制进行调整，如图5所示。

   图5 单位制调整
 

（10）右键点击模型树节点Steady-State Thermal下的Solution，点击Solve进行计算。

（11）使用Solution→Insert→Thermal→Temperature，得到模型温度场，如图6所示。

   图6 模型温度场
 

3 顺序耦合计算

得到模型的温度场之后，就可以将其用于耦合计算了。

（1）在ANSYS Workbench中，加载一个Static Structural结构静力学模块，将其拖入到稳态传热模块的A6单元格内，如图7所示。

（2）加载完成后，如图8所示，温度场结果就可以导入到结构静力学模块了。

   图7 加载静力学模块
 

   图8 加载完成
 

（3）左键单击B5单元格，进入结构静力学模块。

（4）模型树节点中找到Static Structural→Imported Load→Imported Body Temperature。

（5）右键单击Imported Body Temperature，选择Import Load，即可将温度温度导入，如图9所示。

   图9 导入模型的温度场
 

（6）右键点击模型树节点的Static Structural，通过Insert→Fixed Support建立固定约束。

（7）在Details of Fixed Support中，选择模型底面作为固定约束面，如图10所示。

   图10 固定约束
 

（8）右键单击模型树节点Solution，选择Solve进行计算。

（9）计算完成后，使用Solution→Insert→Equivalent Stress，插入一个模型热应力结果，使用Solution→Insert→Total Deformation，插入一个模型热变形结果，右键Equivalent Stress与Total Deformation，选择Evaluate All Results，得到相应的结果云图，如图如图11、图12所示。

   图11热应力云图
 

   图12热变形云图
 

4 将外部节点数据导入作为温度边界

以上已经完成了一个结构的热固顺序耦合计算，模型的温度场是通过稳态温度计算模块计算得到的。那么其实还存在着一种应用场景，模型的温度场是由其他工程师，使用其它工具计算得到的，在这种场景中，我们可以将其它工具计算得到的节点温度数据导入ANSYS。

（1）在ANSYS Workbench中加载External Data与Static Structural，并进行连接，用于数据传递，如图13所示。

   图13 加载External Data
 

（2）右键单击C2单元格，选择Edit，进入External Data。

（3）在Location→...中选择外部的节点温度数据表ex2-1-temp.xls，如图14所示。该数据表中包含了节点的编号、节点坐标、节点温度值。

   图14 加载外部数据表
 

加载之后，可以在Preview of File中预览导入的数据，发现并没有完成数据分列，如图15所示。

   图15 导入的数据
 

（4）在Properties of File中，将Start Import At Line设定为2，即从外部数据表的第2行进行读取。将Delimiter Type设定为Tab，对导入的数据进行分列，将length Unit设定为mm，导入的数据为毫米制，设定如图16所示。再次预览导入的数据，数据已完成分列，但是还缺少每列数据的数据类型，如图17所示。

（5）在Table of File中设定5列数据的类型，分别为节点号、X坐标、Y坐标、Z坐标、温度，如图18所示。

（6）最后在Preview of File中可以预览到我们导入的数据，如图19所示。

   图16 Properties of File
 

   图17 完成分列的数据
 

   图18 Table of File
 

   图19 Preview of File
 

（7）完成数据表的导入后，右键单击C2单元格，选择Update进行数据的更新。

（8）右键单击D3单元格，导入几何模型文件ex1-1.stp。

（9）左键双击D4单元格，进入结构静力学模块，如图20所示。

   图20 完成数据更新
 

（10）右键单击Imported Load，通过Insert→Body Temperature，得到导入体温度功能。

（11）在Details of Imported Body Temperature中，选择整个模型Body，如图21所示。

   图21 导入外部节点温度数据
 

（12）右键单击Imported Body Temperature，选择Import Load，即可导入外部节点温度数据，导入完成后模型的温度场如图22所示。

   图22 外部节点温度数据导入完成
 

基于已经得到的温度场，就可以在当前的结构静力学模块中，细化网格，设定外载与约束，直接进行热固耦合计算了。

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