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1、第15章 耦合场分析典型工程实例本章重点通过实例讲解介绍ANSYS耦合分析在工程上的一些典型应用。章要要点& 如何解决热-结构耦合问题& 耦合场分析典型工程实例本章案例 & 包含焊缝的金属板热膨胀分析& 现代办公楼层内空调布局对室内温度分布的影响研究15.1工程实例一包含焊缝的金属板热膨胀分析该工程实例问题说明及分析如下：某一平板由钢板和铁板焊接而成，焊接材料为铜，平板尺寸为110.2，横截面结构如图15-1所示。平板的初始温度为800，将平板放置于空气中进行冷却，周围空气温度为30，对流系数为110W/（m2）。求10分钟后平板内部的温度场及应力场分布（材料参数见表15-1）。图15-1 平
2、板横截面结构示意图表15-1 材料性能参数温度弹性模量Gpa屈服强度Gpa切变模量Gpa导热系数W/(m)线膨胀系数-1比热容J/（kg）密度kg/m3泊松比钢302061.420.666.61.06E-0546078000.32001921.3319.84001751.1518.36001530.9215.68001250.6811.2铜301030.910.33831.75E-0539089000.3200990.850.98400900.750.89600790.620.75800580.450.52铁301181.041.1846.55.87E-0645070000.3200930.9
3、10.86400930.910.86600750.760.69800520.560.51该问题属于瞬态热应力问题，选择整体平板建立几何模型，选取SOLID5热-结构耦合单元进行求解。附带光盘“Ch15实例151_start” 附带光盘“Ch15实例151_end”附带光盘“AVICh15151.avi”1、定义工作文件名选择Utility MenuFileChange Jobname命令，弹出Change Jobname对话框，在Enter new jobname后面的文本框中输入EXERCISE15-1，选中New log and error files复选框为Yes，单击OK按钮。2、定义
4、工作标题选择Utility MenuFileChange Title命令，弹出如图15-6所示的Change Title对话框，在Enter new title后面的文本框中输入thermal stresses in sections including welding seam，单击OK按钮。3、定义单元类型1、选择Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete命令，弹出Element Types对话框。单击Add按钮，在弹出的Library of Element Types对话框中，在左面的列表栏中选择Coupled Field、Vecto
5、r Quad13选项，在Element type reference number输入“1”。如图15-2所示。图15-2 单元类型选择对话框2、单击OK按钮，关闭 Library of Element Types对话框。在Element Types对话框中点击Option按钮，出现PLANE13 element type options对话框。在Element degrees of freedom K1选项中选择UX UY TEMP AZ选项，如图13-3所示。单击OK按钮，关闭PLANE55 element type options对话框。点击Close按钮，关闭Element Type对
6、话框。图15-3 单元分析选项对话框4、定义材料性能参数1、选择Main MenuPreprocessorMaterial Props Material Models,弹出Define Material Models Behavior对话框，默认材料编号1，点击对话框右侧的ThermalConductivity Isotropic,在弹出的对话框的热导率KXX中输入导热系数66.6，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureThermalExpansionSecant Coefficient Isotropic，在弹出的对话框中输入线膨胀系数1.06e-5，单击OK按钮关闭该
7、对话框。点击对话框右侧的StructureDensity选项，在弹出的对话框中输入密度7800，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureThermalSpecific Heat选项，在弹出的对话框中输入比热460，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureLinearElasticIsotropic选项，在弹出的对话框中单击Add Temperature按钮4次，参照图15-4进行设置，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的Structure NonlinearInelasticRate IndependentKinematic Hardening P
8、lasticityMises PlasticityBilinear选项，在弹出的对话框中单击Add Temperature按钮4次，参照图15-5进行设置，单击OK按钮关闭该对话框。图15-3 输入钢的弹性模量和泊松比的对话框图15-4 输入钢的屈服强度和切变模量的对话框2、在Define Material Models Behavior对话框中选择MaterialNew Model命令，在Define Material ID文本框中输入2，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的ThermalConductivity Isotropic,在弹出的对话框的热导率KXX中输入导热系数383，单
9、击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureThermalExpansionSecant Coefficient Isotropic，在弹出的对话框中输入线膨胀系数1.75e-5，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureDensity选项，在弹出的对话框中输入密度8900，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureThermalSpecific Heat选项，在弹出的对话框中输入比热390，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureLinearElasticIsotropic选项，在弹出的对话框中单击Add Temperat
10、ure按钮4次，参照图15-5进行设置，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureNonlinearInelasticRate IndependentKinematic Hardening PlasticityMises PlasticityBilinear选项，在弹出的对话框中单击Add Temperature按钮4次，参照图15-6进行设置，单击OK按钮关闭该对话框。图15-5 输入铜的弹性模量和泊松比的对话框图15-6 输入铜的屈服强度和切变模量的对话框3、在Define Material Models Behavior对话框中选择MaterialNew Model命令
11、，在Define Material ID文本框中输入3，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的ThermalConductivity Isotropic,在弹出的对话框的热导率KXX中输入导热系数46.5，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureThermalExpansionSecant Coefficient Isotropic，在弹出的对话框中输入线膨胀系数5.87e-6，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureDensity选项，在弹出的对话框中输入密度7000，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureThermalSpe
12、cific Heat选项，在弹出的对话框中输入比热450，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureLinearElasticIsotropic选项，在弹出的对话框中单击Add Temperature按钮4次，参照图15-7进行设置，单击OK按钮关闭该对话框。点击对话框右侧的StructureNonlinearInelasticRate IndependentKinematic Hardening PlasticityMises PlasticityBilinear选项，在弹出的对话框中单击Add Temperature按钮4次，参照图15-8进行设置，单击OK按钮关闭该对话
13、框。图15-7 输入铁的弹性模量和泊松比的对话框图15-8 输入铁的屈服强度和切变模量的对话框5、创建几何模型1、选择Main MenuPreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CS命令，弹出Create Keypoints in Active Coordinator System对话框，如图15-9所示，在NPT Keypoint number文本框中输入1，在X，Y，Z Location in active CS文本框中依次输入0、0、0；点击Apply按钮，在NPT Keypoint number文本框中输入2，在X，Y，Z Locatio
14、n in active CS文本框中依次输入0.5、0、0；点击Apply按钮，在NPT Keypoint number文本框中输入3，在X，Y，Z Location in active CS文本框中依次输入1、0、0；点击Apply按钮，在NPT Keypoint number文本框中输入4，在X，Y，Z Location in active CS文本框中依次输入0、0.2、0；点击Apply按钮，在NPT Keypoint number文本框中输入5，在X，Y，Z Location in active CS文本框中依次输入0.4、0.2、0；点击Apply按钮，在NPT Keypoint
15、number文本框中输入6，在X，Y，Z Location in active CS文本框中依次输入0.6、0.2、0；点击Apply按钮，在NPT Keypoint number文本框中输入7，在X，Y，Z Location in active CS文本框中依次输入1、0.2、0；单击OK按钮关闭该对话框。图15-9 创建关键点对话框2、选择Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasArbitraryThrough KPs命令，出现Create Area thru菜单，在文本框中输入1，2，5，4，单击Apply按钮，在文本框中输入2，3，7，6，单击O
16、K按钮关闭该对话框。3、选择Utility MenuWorkPlaneChange Active CS toGlobal Cylinder命令，将当前激活坐标系转变为柱坐标系。4、选择Main MenuPreprocessorModelingCreateLinesLinesIn Active Coord命令，出现Lines in Active菜单，在文本框中输入6，5，单击OK按钮关闭该菜单。5、选择Utility MenuPlotCtrlsNumbering，弹出Plot Numbering Controls对话框，在LINE Line numbers和AREA Area numbers 后
17、选择on，单击OK按钮关闭该菜单。6、选择Main MenuPreprocessorModelingCreateAreas ArbitraryBy Lines命令，出现Create Areas By L菜单，在文本框中输入2，8，9，单击OK按钮关闭该菜单。7、选择Utility MenuPlotArea命令，ANSYS显示窗口显示所生成的平面几何模型，如图15-10所示。图15-10 生成的平面几何模型结果显示6、划分单元1、选择Main MenuPreprocessorMeshingSize CntrlsManualSizeGlobalSize命令,出现Global Element Siz
18、e 对话框，在SIZE Element edge length文本框中输入0.05，单击OK按钮关闭该对话框。2、选择Main MenuPreprocessorMeshingMeshAreasMapped3or4 sided命令，出现Mesh Areas菜单，在文本框中输入1，2，3，单击OK按钮关闭该对话框。3、选择Utility MenuPlot Element命令，ANSYS显示窗口显示网格划分的结果，如图15-11所示。15-11 图生成的平面几何模型结果显示4、选择Main MenuPreprocessorMeshingSize CntrlsManualSizeGlobalSize命
19、令,出现Global Element Size 对话框，在NDIV No.of Element division文本框中输入10，单击OK按钮关闭该对话框。5、选择Main MenuPreprocessorMeshingSize CntrlsManualSizeGlobalSize命令,出现Global Element Size 对话框，在NDIV No.of Element division文本框中输入10，单击OK按钮关闭该对话框。6、选择Main MenuPreprocessorModelingExtrudeElem Ext Opts命令，出现Element Extrusion Opti
20、ons对话框，在TYPE Element type number下拉列表框中选择2 SOLID5，在MAT Change default MAT下拉列表框中选择1，如图15-12所示，单击OK按钮关闭该对话框。7、选择Main MenuPreprocessorModelingExtrudeAreasAlong Normal命令，出现Extrude Area by菜单，在文本框中输入1，如图15-13所示，单击OK按钮，弹出Extrude Area along Normal对话框，在NAREA Area to be extrude文本框中输入1，在DIST Length of extrusion
21、文本框中输入1，单击OK按钮关闭该对话框。 图15-12 单元拖拉属性对话框 图15-13 沿法向拖拉面拾取菜单8、选择Main MenuPreprocessorModelingExtrudeElem Ext Opts命令，出现Element Extrusion Options对话框，在TYPE Element type number下拉列表框中选择2 SOLID5，在MAT Change default MAT下拉列表框中选择3，单击OK按钮关闭该对话框。9、选择Main MenuPreprocessorModelingExtrudeAreasAlong Normal命令，出现Extrude
22、 Area by菜单，在文本框中输入2，单击OK按钮，弹出Extrude Area along Normal对话框，在NAREA Area to be extrude文本框中输入2，在DIST Length of extrusion文本框中输入1，单击OK按钮关闭该对话框。10、选择Main MenuPreprocessorModelingExtrudeElem Ext Opts命令，出现Element Extrusion Options对话框，在TYPE Element type number下拉列表框中选择2 SOLID5，在MAT Change default MAT下拉列表框中选择2，
23、单击OK按钮关闭该对话框。11、选择Main MenuPreprocessorModelingExtrudeAreasAlong Normal命令，出现Extrude Area by菜单，在文本框中输入3，单击OK按钮，弹出Extrude Area along Normal对话框，在NAREA Area to be extrude文本框中输入3，在DIST Length of extrusion文本框中输入-1，单击OK按钮关闭该对话框。12、选择Utility MenuPlotCtrlsView SettingsViewing Direction命令，出现Viewing Direction对
24、话框，在XV，YV，ZV Coords of view point文本框中依次输入1、1、1，如图15-14所示，单击OK按钮关闭该对话框。图15-14 视图显示方向设置对话框13、选择Utility MenuPlot Element命令，ANSYS显示窗口显示面拖拉后的结果，如图15-15所示。图15-15 拖拉面生成体结果显示14、选择Main MenuPreprocessorMeshingClearAreas命令，出现Clear Areas菜单，在文本框中输入1，2，3，单击OK按钮关闭该对话框。15、选择Main MenuPreprocessorNumbering CtrlsMerge
25、 Items命令，出现Merge Coincident or Equivalently Defined Items对话框，在Label Item to be Merge下拉列表框中选择All选项，如图15-16所示，单击OK按钮关闭该对话框。图15-16 合并实体对话框16、选择Main MenuPreprocessorNumbering CtrlsCompress Number命令，出现Compress Number对话框，在Label Item to be compressed下拉列表框中选择All选项，单击OK按钮关闭该对话框。17、选择Utility MenuSelectEveryth
26、ing命令。18、选择Utility MenuFileSave as命令，出现Save Datebase对话框，在Save Datebase to文本框中输入exercise15-11.db，保存上述操作过程，单击OK按钮关闭该对话框。7、加载求解1、选择Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis，出现New Analysis对话框。选择分析类型为Transient，单击OK按钮，出现Transient Analysis对话框，采用其默认设置，单击OK按钮关闭该对话框。2、选择Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/Fr
27、equenc Time IntegrationAmplitude Decay命令，出现Time Integration Controls对话框，参照图15-17对其进行设置，单击OK按钮关闭该对话框。图15-17 时间积分控制对话框3、选择Main MenuSolutionAnalysis TypeSoln Control命令，出现Solution Control对话框，选择Basic选项卡，参照图15-18对其进行设置；选择Transient选项卡，参照图15-19对其进行设置，单击OK按钮关闭该对话框。图15-18 求解控制基本选项设置对话框 图15-19 求解控制瞬态选项设置对话框4、选
28、择Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructureTemperatureUniform Temp命令，出现Uniform Temperature对话框，在TUNIF Uniform temperature文本框中输入800，单击OK按钮关闭该对话框。5、选择Utility MenuSelectEntities,出现Select Entities对话框，在第一个下拉列表框中选择Areas选项，在第二个下拉列表框中选择 By Num/Pick，在第三个选项组中选中Unselect单选按钮，单击OK按钮，出现Unselect areas菜单，在文本框中输入6，1
29、3，单击OK按钮关闭该对话框。6、选择Utility MenuSelectEntities,出现Select Entities对话框，在第一个下拉列表框中选择Nodes选项，在第二个下拉列表框中选择 Attached to，在第三个选项组中选中Areas，all单选按钮，在第四个选项组中选中From Full单选按钮，单击OK按钮关闭该对话框。7、选择Main MenuSolutionDefine LoadsApply ThermalConvectionOn nodes命令，出现Apply CONV on nodes菜单，点击Pick All按钮，出现Apply CONV on nodes对话
30、框，在VALI Film coefficient文本框中输入110，在VAL2I Bulk temperature文本框中输入30，如图15-20所示，单击OK按钮关闭该对话框。图15-20 求解控制基本选项设置对话框8、选择Utility MenufileSave as命令,弹出Save Dtabase对话框,在Save Dtabase to文本框中输入151_start.db, 保存上述操作过程，单击OK按钮关闭该对话框。9、选择Utility MenuSelectEverything，。选择Main MenuSolutionSolveCurrent LS，出现Solve Current
31、Load Step对话框，同时出现/STAT Command窗口，仔细阅读/STAT Command窗口中的内容，然后点击Close按钮，关闭/STAT Command窗口。点击Solve Current Load Step对话框中的OK按钮，ANSYS开始求解计算。求解结束后，ANSYS显示窗口出现Note提示框，单击Close 10、选择Utility MenufileSave as命令,弹出Save Dtabase对话框,在Save Dtabase to文本框中输入151_end.db, 保存求解结果，单击OK按钮关闭该对话框。8、后处理1、选择Main MenuGeneral Post
32、procRead ResultsLast Set，读最后一个子步的分析结果，选择Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu，出现Contour Nodal Solution Date对话框。选择Contour SolutionDOF SolutionNodal Temperature，点击OK按钮，则ANSYS窗口显示出如图13-21温度场分布云图。15-21 温度场分布云图2、选择Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu，出现Contour
33、 Nodal Solution Date对话框。选择Contour SolutionDOF SolutionX-Component of displacement，点击OK按钮，则ANSYS窗口显示出如图13-22 X方向位移场分布云图。图13-22 X方向位移场分布云图3、选择Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu，出现Contour Nodal Solution Date对话框。选择Contour SolutionDOF SolutionY-Component of displacement，点击OK按钮，则A
34、NSYS窗口显示出如图13-23Y方向位移场分布云图。图13-23 Y方向位移场分布云图4、选择Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu，出现Contour Nodal Solution Date对话框。选择Contour SolutionDOF SolutionZ-Component of displacement，点击OK按钮，则ANSYS窗口显示出如图13-24Z方向位移场分布云图。图13-24 Z方向位移场分布云图5、选择Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour
35、 PlotNodal Solu，出现Contour Nodal Solution Date对话框。选择Contour SolutionStressX-Component of stress，单击OK按钮，则ANSYS窗口显示出如图13-25X向应力场分布云图。图13-25 X向应力场分布云图6、选择Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu，出现Contour Nodal Solution Date对话框。选择Contour SolutionStressX-Component of stress，单击OK按钮，则ANS
36、YS窗口显示出如图13-26Y向应力场分布云图。图13-26 Y向应力场分布云图7、选择Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu，出现Contour Nodal Solution Date对话框。选择Contour SolutionStressZ-Component of stress，单击OK按钮，则ANSYS窗口显示出如图13-27Z向应力场分布云图。图13-27 Z向应力场分布云图8、选择Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu，出现
37、Contour Nodal Solution Date对话框。在Contour Nodal Solution Date对话框中选择Contour SolutionStressvon Mises stress，单击OK按钮，则ANSYS窗口显示出如图13-28等效应力场分布云图。图13-28等效应力场分布云图15.2 工程实例二现代办公楼层内空调布局对室内温度分布的影响研究现代家庭中都安装了空调，通过它来控制室内的温度，在炎热的夏天都愿意在空调附近来祛暑，而不是远离它，这是因为距离空调不同距离处的温度是不一样的，而温度具体是如何分布的去不是很清楚，下面将通过ANSYS/FLOTRAN软件来模拟温
38、度场，从而了解空调周围的温度分布情况。一个办公楼层的布局如图15-1所示，从中可以看出各个房间的相对位置和空调的布局。加入考察房间2的温度分布情况，首先要通过ANSYS/FLOTRAN软件建立这个房间的几何形状，然后给出合理的边界条件，最后才可以来解决这个问题。图15-1 空调的室内安装的平面图图15-2 房间2的温度计算区域图15-2中给出了上述问题所在的几何区域，它包含了墙壁和空间。图15-3给出了计算区域的几何尺寸，单位为m。图15-3 简化后的模型的几何尺寸附带光盘“Ch15实例152_start” 附带光盘“Ch15实例152_end”附带光盘“AVICh15152.avi”1、设置
39、分析选项选择Main MenuPreference命令，弹出如图15-4所示的Preferences for GUI Filtering对话框，在Individual discipline(s) to show in the GUI栏中选中FLOTRAN CFD选项，单击OK按钮。图15-4设置分析选项对话框2、定义工作文件名选择Utility MenuFileChange Jobname命令，弹出如图15-5所示的Change Jobname对话框，在Enter new jobname后面的文本框中输入air-condition，选中New log and error files复选框为Ye
40、s，单击OK按钮。图15-5设置工作文件名对话框3、定义工作标题选择Utility MenuFileChange Title命令，弹出如图15-6所示的Change Title对话框，在Enter new title后面的文本框中输入 CFD analysis of air-condition，单击OK按钮。图15-6设置工作标题对话框4、定义单元类型选择Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete命令，弹出Element Types对话框。单击Add按钮，弹出如图15-7所示的Library of Element Types对话框，在左面的
41、列表栏中选择FLOTRAN CFD，在右面的列表栏中选择2D FLOTRAN 141，单击OK按钮，再单击Close按钮，完成单元类型的设置。图15-7设置单元类型对话框5、生成分析区域的几何面1、点击Main MenuPreprocessor-ModelingCreateKeypointsIn Active CS菜单命令，弹出如图15-8所示的Create Keypoints in Active Coordinate System对话框，在X，Y，Z Location in active CS输入栏中输入0，0.5，点击Apply按钮，又弹出图15-9所示的对话框，相同的操作输入点（0，2.
42、5）、（0.25，0）、（0.25，0.5）、（5，2.5）、（5、0），点击OK按钮。图15-8创建点对话框2、显示点编号：Utility MenuPlotCtrlsNumbering,弹出如图15-9所示的Plot Numbering Controls对话框，单击KP Keypoint numbers后面的单选按钮为ON，单击OK按钮。生成的六个点如图15-10所示。图15-9标出标号控制对话框图15-10点框图3、点击Main MenuPreprocessorModelingCreateLinesLinesStraight Line菜单命令，弹出Create Straight拾取框，点击
43、点1和2，生成一条直线，同样的操作，点击2和5，5和6，3和6，3和4，4和1，生成六条直线。生成的线框图如图15-11所示。图15-11生成的线框图4、点击Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasArbitraryBy Lines菜单命令，弹出Create Area by L拾取框，依次选取六条直线，点击OK按钮。6、设置单元尺寸点击Main MenuPreprocessorMeshingSize CntrlsManualSizeGlobalSize命令，弹出如图15-12所示的Global Element Sizes对话框，在SIZE Element
44、 edge length输入栏中输入0.05,点取OK按钮。图15-12 全局单元尺寸对话框7、划分有限元网格Main MenuPreprocessorMeshingMeshTool,在弹出MeshTool对话框中，采取自由网格划分，点击Mesh，选取整个几何模型，生成网格如图15-13所示。图15-13生成的有限元网格8、施加边界条件1、点击Main MenuPreprocessorLoadsDefine LoadsApplyFluid/CFDVelocityOn Lines菜单命令，弹出Apply V on Lines拾取框，选取进口L5，点击OK按钮。弹出如图15-14所示的Apply
45、VELO load on lines对话框，在VX Load value输入栏中输入0.1，在VY a Load value输入栏中输入0，点击OK按钮。图15-14施加速度载荷对话框2、Main MenuPreprocessorLoadsDefine LoadsApplyFluid/CFDPressure DOFOn Lines命令，会弹出拾取框。拾取出口压力边界L6，单击OK按钮，弹出如图15-15所示的Apply PRES on lines对话框，在PRES Pressure value中输入0，点击OK按钮。图15-15施加压力边界对话框3、点击Main MenuPreprocesso
46、rLoadsDefine LoadsApplyThermalTemperatureOn Lines命令，弹出Apply TEMP on Lines拾取框，选取L5，点击OK按钮，弹出如图15-16所示的Apply TEMP on Lines对话框，在Lab2 DOFs to be constrained选择框中选择TEMP，在VALUE Load TEMP value输入栏中输入295，点击Apply按钮，又弹出如图15-16所示的Apply TEMP on Lines对话框。重复相同的操作，对线L4、L2、L1、L3分别施加温度载荷313、308、298和298K，点击OK按钮。施加载荷后的模型如图15-17所示。图15-16 施加温度载荷对话框图15-17加载后的几何模型9、求解1、点击Main MenuSolutionFLOTRAN Set UpSolution Options命令，弹出如图15-18所示的FLOTRAN S
