40Cr圆柱热应力分析保姆级教程！零基础也能复现“红热变形”效果

Neil

20小时前浏览16

效果直击：400℃ 高温炙烤下🔥 → 圆柱表面应力狂飙 350MPa！教你一键输出应力云图+变形动画（附避坑秘籍）👇

🌟 教程目标

用 静力学+热模块耦合 分析40Cr圆柱在高温下的 热应力分布，输出 温度场+应力云图，预测材料变形风险！

💡 小白友好：从建模到后处理全程截图指引，APDL命令直接复制粘贴✅

🛠 ️ 详细步骤（跟着做不踩坑❗）

✅ Step 1：几何建模（Geometry）

创建圆柱

💡 贴士：若分析整体圆柱，跳过此步直接用3D模型

打开
DesignModeler
→ 绘制 半径50mm × 高度100mm 的圆柱体
❗ 关键操作：属性栏勾选2D Behavior → Axisymmetric
（轴对称分析！节省计算资源）

✅ Step 2：材料定义（40Cr参数必看❗）

新建材料40Cr
（在Engineering Data输入👇）：

    ✔ ️ 弹性模量：211 GPa  
✔️ 泊松比：0.28  
✔️ 密度：7850 kg/m³  
✔️ 导热系数：42 W/(m·K)  ← **热传导核心！**  
✔️ 比热容：460 J/(kg·K)  
✔️ 热膨胀系数：11.5e-6 /°C  ← **热应力关键！**

避坑

️ 热参数必须从材料库 手动添加！漏填→应力结果全错❌

✅ Step 3：网格划分（Mesh）

全局网格
尺寸 5mm → 类型
Quad Dominant
（六面体优先）
表面加密
右键 →
Face Meshing
→ 选择圆柱外表面（捕捉高温梯度！）
边界层
插入
Inflation
→ 层数 3层 → 厚度比 0.1（精确抓取表面应力）

✅ Step 4：热载荷设置（关键步骤‼ ️）

高温区域

在圆柱顶部画一个 半径10mm 的圆面 → 命名
Heat_Zone

施加热流

右键Static Structural→Insert→Thermal Condition→ 选择Heat_Zone
输入 热流密度 50,000 W/m²（模拟局部加热🔥）

环境散热

圆柱外表面 → 添加 对流换热 → 系数 15 W/(m²·K)，环境温度 25°C

✅ Step 5：约束与求解

底部固定
圆柱底面 →Fixed Support（限制轴向位移）

热应力耦合命令

（在Analysis Settings插入APDL👇）：

    /solu  
antype,static      ! 静力学分析  
tunif,25           ! 初始温度25°C  
trnopt,full        ! 完全瞬态算法

✅ Step 6：后处理技巧（温度&应力一键输出！）

温度场

右键Solution→Thermal→Temperature

热应力云图

添加Equivalent Stress→ 勾选Thermal Strain（自动计算热膨胀应力！）

变形动画

右键Solution→Insert→Deformation→ 选择 Total → 点击 播放按钮

📊 结果解读标准

正常现象	风险预警
顶部高温区红热（>300℃）	应力 > 屈服强度785MPa → 材料永久变形！
应力从顶部向底部递减渐变	局部应力突变 → 网格需加密或检查载荷

⚠ ️ 血泪避坑指南（亲测有效！）

1 ️⃣ 报错“温度未定义”：
→ 检查 Step 2 是否漏填导热系数/比热容！
2️⃣ 应力结果全为零：
→ 确认 热膨胀系数 已输入 → 并勾选后处理中的Thermal Strain

3 ️⃣ 高温区变形异常：
→ 加密网格！顶部加热区尺寸 ≤ 2mm

📸 作业提交模板

 🔥 我的峰值温度：___ ℃  
💢 最大热应力：___ MPa  
✨ 优化建议：______（例：增加冷却孔/改用隔热涂层）

来源：Ansys 实战训练

实战训练｜片弹簧接触分析

1. 项目初始化- 双击桌面ANSYS Workbench 2022图标启动软件- 在左侧Toolbox中选择"Static Structural"拖入Project Schematic- 右键项目A2(Geometry)→"New DesignModeler Geometry"2. 几何建模3. 材料属性设置（逐项确认）1. 双击A2(Engineering Data)2. 点击"Add Material"新建"Spring_Steel"3. 逐项输入： Young's Modulus: 2.1e11 Pa Poisson's Ratio: 0.3 Yield Strength: 3.5e8 Pa4. 返回Project界面，将材料分配给两个几何体4. 网格划分（参数化设置）1. 右键A3(Model)→Edit2. 插入Face Sizing：选择弹簧弯曲面+平板接触面 Element Size: 1mm Type: Hard3. 插入Body Sizing：选择所有几何体 Element Size: 3mm4. 网格方法： Method: Hex Dominant Free Face Mesh Type: All Quad5. 生成网格后检查：右键Mesh→Show→Element Quality 确认不良单元<5%5. 接触设置（逐项核对）1. 展开Connections→Contacts2. 右键插入Manual Contact Region3. 详细设置： Contact: 弹簧弯曲面（共4个面） Target: 平板上表面 Type: Frictional Friction Coefficient: 0.2 Behavior: Asymmetric Formulation: Augmented Lagrange Normal Stiffness: 0.5 Update Stiffness: Each Iteration Interface Treatment: Adjusted to Touch6. 边界条件（精确定位）1. Fixed Support：选择弹簧长侧端面（使用Box Select确保全选）确保Scope显示4个面2. Displacement载荷：选择平板底面 Z Component: -6mm 勾选"Define By: Components"3. 求解设置： Step Controls: Number of Steps=20 Solver Type: Program Controlled Large Deflection: On Weak Springs: Program Controlled7. 求解监控1. 点击Solve开始计算2. 实时观察： Solution Information→Force Convergence 正常应看到接触迭代过程（3-5次/子步）3. 若出现警告：右键Solution→Insert→Contact Tool→Stabilization8. 后处理（完整流程）1. 变形结果： Total Deformation→Evaluate All Results 右键→Contour→Smooth Contour2. 应力分析： Equivalent Stress→Show Max Point 右键→Chart→Create Animation3. 接触分析： Contact Tool→Pressure→Show as Contour Status→选择最后一子步右键→Export→CSV保存接触力数据9. 报告生成（自动模板）1. 右键Solution→Export Report2. 选择模板："Default"3. 包含内容：几何截图网格质量统计应力/应变云图接触压力动画收敛监控图4. 输出格式：PDF+HTML10. 验证检查清单 ✅ 几何间隙确认：1mm初始间距 ✅ 接触对检查：无遗漏接触面 ✅ 材料参数复核：E=210GPa ✅ 网格质量：雅可比>0.7 ✅ 载荷方向：Z轴负向 ✅ 大变形开关：已启用 ✅ 接触算法：Augmented Lagrange ✅ 结果合理性：最大应力<屈服强度常见问题即时解决方案： 🆘 不收敛→降低初始时间步长到0.01 🆘 穿透→增加Normal Stiffness到1.0 🆘 结果震荡→打开Auto Time Stepping来源：Ansys 实战训练