Термо-прочностной анализ
Средства термо-прочностного анализа программы ANSYS позволяют использовать результаты решения задачи теплообмена для проведения прочностного анализа. Такая возможность удобна при определении влияния температурного поля на прочность конструкции. Пользователь может задать тепловую нагрузку отдельно или в совокупности с механическими нагрузками.
В программе ANSYS доступны два способа связывания теплового и прочностного анализов. Первый состоит в том, что эти два анализа делаются друг за другом. Сначала получают температурное поле в модели для заданных граничных условий теплообмена. Значения температур затем используются в виде нагрузок на стадиях препроцессорной подготовки и получения решения при последующем прочностном анализе.
Второй способ предусматривает проведение совместного термо-прочностного решения. В программе ANSYS это достигается использованием конечных элементов связанной задачи, которые имеют как тепловые, так и прочностные степени свободы. Из этих элементов создается расчетная модель и задаются тепловые и механические граничные условия. На каждой итерации выполняется решение тепловой и прочностной задач с использованием значений температур и перемещений, полученных на предыдущей итерации. Имеется возможность вводить в расчетную модель контактные элементы общего типа. Эти элементы допускают теплопередачу через поверхность контакта. Как только контактные поверхности смыкаются, становится возможным процесс теплообмена.
С помощью процедуры совместного решения возможно объединить такие сложные задачи теплообмена и расчета на прочность, как нестационарный тепловой и нелинейный динамический анализы. Например, такой подход можно использовать для анализа биметаллической полосы, которая при нагревании испытывает деформации как тепловой, так и механической природы. В этом случае из-за различия температурных коэффициентов расширения двух металлов возможно появление больших геометрических деформаций, что может сказаться на величине коэффициентов матрицы теплопроводности.
Лабораторная работа №8
НЕСТАЦИОНАРНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ
Цель работы: проанализировать воздействие двух точечных источников 1 и 2 тепла на пластину, приведенную на рисунке 33.
|
Тип анализа |
Нестационарный тепловой анализ конструкции |
|
Тип используемого конечного элемента |
Двумерный твердотельный (Solid) |
|
Тип граничных условий |
Конвекция, точечные нелинейные источники тепла |
|
Возможности |
Нелинейная конвекция и тепловой источник |
Порядок выполнения работы:
1. Определяем тип анализа:
MAIN MENU => PREFERENCES… => THERMAL => ОК.
2. Выбираем тип используемого элемента, задаём его толщину и определяемся со свойствами материала:
M.M. => PREPROCESSOR => ELEMENT TYPE => ADD/EDIT/DELETE => ADD… => THERMAL SOLID QUAD 4 NODE 55 => OK => CLOSE. Задаем материал: M.M. => PREPROCESSOR => MATERIAL PROPS => MATERIAL MODELS. Затем, следуя цифрам на рисунке 33, выполняем действия:
THERMAL => CONDUCTIVITY => ISOTROPIC. В окне CONDUCTIVITY FOR MATERIAL NUMBER 1 в поле KXX задаем 50.2. Двойным нажатием раскрываем SPECIFIC HEAT и присваиваем C значение 30.
3. Аналогично раскрываем DENSITY и в поле DENS задаем 2788.
3. Строим деталь, которая будем представлять собой пластину размером 0,3´0,15 метра:M.M. => PREPROCESSOR => -MODELING– CREATE=> –AREAS– RECTANGLE => BY DIMENSIONS… и задаем координаты X1, X2 и Y1, Y2 равные 0, 0.3 и 0, 0.15 соответственно. Нажимаем ОК.
4. Определяем точки на поверхности пластины, на которых будут находиться источники тепла: M.M. => PREPROCESSOR => –MODELING– CREATE => KEYPOINTS => HARD PT ON AREA => HARD PT BY COORD => выделяем поверхность на которой будет находится точка => OK=> указываем координаты 0.075, 0.5, 0=> HARD PT BY COORD => выделяем поверхность на которой будет находится точка => OK => указываем координаты 0.225, 0.1, 0.
5. Разбиваем конструкцию на конечные элементы:
А. Сначала задаем размер конечных элементов:
M.M. => PREPROCESSSOR => –MESHING– SIZE CNTRLS => –MANUAL SIZE– –GLOBAL– SIZE и переменной SIZE присваиваем значение 0.025, нажимаем ОК.
Б. Производим разбиение:
M.M. => PREPROCESSOR => –MESHING– MESH => –AREAS– FREE => PICK ALL.
6. Выбираем тип анализа:
SOLUTION => –ANALYSIS TYPE– NEW ANALYSIS… => TRANSIENT => OK => OK.
7. Задаем температуру окружающей среды и коэффициент теплопроводности:
M.M. => SOLUTION => –LOADS– APPLY => CONVECTION => ON AREAS=> присвоим: [SFA] APPLY FILM COEF ON AREAS=NEW TABLE и VAL2I BULK TEMPERATURE = 20 => OK=> NAME OF NEW TABLE = TEM => OK => I, J, K = 3, 1, 1 соответственно => OK. В соответствии с рисунком 34 заполняем поля таблицы 1 и потом: FILE => APPLY/QUIT. 
8. Задаем источники температуры в точках, в одной постоянный в другой нет:
M.M. => SOLUTION => –LOADS– APPLY => HEAT GENERAT => ON KEYPOINTS => выделяем точку №5 => OK=> BFK = NEW TABLE => OK=> NAME OF NEW TABLE = IT => I, J, K = 2, 1, 1 соответственно. В соответствии с рисунком 35 заполняем поля таблицы 1 и потом: FILE => APPLY/QUIT. Далее повторяем операцию: M.M. => SOLUTION => –LOADS– APPLY => HEAT GENERAT => ON KEYPOINTS => выделим точку №6 => OK => BFK = CONSTANT VALUE, VALUE = 10E6 => OK.
9. Определим начальную температуру пластины:
M.M. => SOLUTION=> –LOADS– APPLY => INITIAL CONDIT’N => DEFINE => PICK ALL => LAB = TEMP, VALUE = 20 => OK.
10. Задаем параметры расчета:M.M. => SOLUTION => –ANALYSIS TYPE– Sol’s Control => Закладка BASIC => Time at end of loadstep = 10; Number of substeps = 50; Закладка Transient => Ramped Loading => OK.
11. Расчет:
M.M. => SOLUTION => –SOLVE– CURRENT LS => OK.12. Просматриваем результаты расчета:
В районе переменного источника тепла выделяем узел и строим график температуры, выделенного узла, в зависимости от времени при помощи команд:
M.M. => TIMEHIST POSTPRO => DEFINE VARIABLES => ADD => NODAL DOF RESULT => ОК и
M.M. => TIMEHIST POSTPRO => GRAPH VARIABLES…. Выводим поле температур в момент времени, когда температура ранее выделенного узла максимальна при помощи команд:
M.M. => GENERAL POSTPROC => –READ RESULTS– BY TIME/FREQ… и M.M. => GENERAL POSTPROC => PLOT RESULTS => –CONTOUR PLOT– NODAL SOLU => DOF SOLUTION => OK.
Содержание отчета: краткие теоретические сведения, подробное описание всех шагов расчета с помощью ANSYS при решении нестационарной тепловой задачи, рисунки состояния детали после приложения нагрузок. Выводы.
Лабораторная работа №1
