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一文搞懂Ansys Workbench热应力分析

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在变温条件下工作的结构,通常都存在热应力问题。在正常工况下存在稳态热应力,在启动或关闭过程中存在瞬态热应力。常见结构热应力问题主要分为两类:  

1) 工作环境温度变化产生热应力问题;

2) 结构传热产生温差形成热应力问题。  


热胀冷缩是物体的固有属性。当环境温度发生改变时,结构的连续性或边界条件由于热胀冷缩而产生热应力,主要有以下两方面原因:    
1) 约束限制:结构受到某些限制,如位移约束或相反压力,则在结构中产生热应力;    
2) 材料差异:材料属性不同而形成不均匀变形,如热膨胀系数不同,则产生热应力。    
                                     

由约束限制产生热应力                      由材料差异产生热应力

一般情况下,结构力学响应不会影响热物性、传热方式以及热边界条件,结构热应力问题可以解耦为热分析和结构分析,将热分析的温度分布作为结构分析的输入条件。  
 
 

结构热应力分析流程

Ansys Workbench热应力分析流程,如下图所示。首先,进行结构热分析,获取温度场分布。然后,将温度作为外载荷,导入到结构力学计算中,从而得到结构热应力热变形。    
   
ANSYS Workbench热应力分析流程    

对于简单结构:

分析步骤同结构力学分析,只是在添加约束和载荷时,需要增加热载荷,添加方法如下:点击Load,添加ThermalCondition,图形区选择几何单元,点击下方面板Geometry中的Apply,并在Magnitude输入温度。

 

Ansys Workbench简单结构热应力分析  

对于复杂结构:

首先进行结构热分析,得到结构温度场分布;然后进行结构力学分析,得到热应力。对于结构分析来说,温度载荷来自热分析,需要导入温度结果,方法如下:展开Imported Load,右击Imported Body Temperature,选择Imported Load。

ANSYS Workbench复杂结构热应力分析  

减小热变形三大 法宝:  

1) 温度控制。热变形是由温差引起的,因此可以通过热控设计,降低结构中的温度梯度,从而减小结构热变形。  
 

某型号光学相机热分析

2) 材料匹配。材料差异导致不均匀胀缩扩大结构热变形,相互接触结构尽量采用热膨胀系数一致且较低的材料。  

不同热沉封装器件的热应力  
3) 柔性支撑。连续结构受到约束时,热应力无法卸载导致热变形,因此采用柔性结构卸载热应力减小热变形。
 
 

位移放大柔性机构热变形

注意事项:

1)进行热应力分析时,必须输入材料的热膨胀系数。    
2)对于热分析而言,网格疏密对温度结果影响不大,但是求解热应力问题时,则需要有较好的网格质量。  
3)对于复杂结构热应力问题,温度变化导致结构几何形状发生改变,从而导致热物性、传热方式以及热边界条件发生变化,故应采用热-固耦合分析方法。  
4)对于结构瞬态热应力,首先进行瞬态热分析获得不同时间点的结构温度场,然后将这些温度导入到不同载荷步的结构力学计算中,获得瞬态热应力。  
来源:纵横CAE
Workbench非线性光学材料热设计控制ANSYS
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-11-03
最近编辑:1月前
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