熱-structure耦合分析的案例
流固耦合瞬態分析-LES（Fluent+Tansient structure）
摘要：單向流固耦合的穩態分析比較常見。如果考慮流體剛剛進入管道的瞬態過程，則需要進行瞬態分析，本文使用不常見的湍流模型LES，進行瞬態分析。本文的姐妹篇使用RANS湍流模型進行計算，結果表明，這兩種方法結果接近，相互驗證。
00 模型如下，彎管+流體
01 流體劃分網格
02 流場瞬態分析
03 結構網格劃分
04 導入流體瞬態壓力場
05 結構時程響應
06 結構某時刻應力場
流體剛剛進入：
流體已經進入：
07 應力場動畫效果可下載附件：
模型應力場時程-LES.mp4
流固耦合瞬態分析-RANS（Fluent+Tansient structure）
摘要：單向流固耦合的穩態分析比較常見。如果考慮流體剛剛進入管道的瞬態過程，則需要進行瞬態分析，本文使用最常見的湍流模型 RANS，進行瞬態分析。本文的姐妹篇使用LES湍流模型進行計算，結果表明，這兩種方法結果接近，相互驗證。
00 模型如下，彎管+流體
01 流體劃分網格
02 流場瞬態分析
03 結構網格劃分
04 導入流體瞬態壓力場
05 結構時程響應
06 結構某時刻應力場
流體剛剛進入：
流體已經進入：
07 應力場動畫效果可下載附件：
模型應力場時程-RANS.mp4
基于Samcef Amaryllis的尾噴管熱固耦合熱燒蝕結構耦合分析
需要對發動機尾噴管進行熱結構與熱燒蝕分析，對不同材料鋪層厚度優化設計，輸出不同燒蝕情況下溫度分布和應力分布。
首先確立噴管防熱層燒蝕仿真模型參數，邊界條件，然后獲得噴管燒蝕層厚度隨燒蝕時間的變化并進行熱應力分析，最后進行燒蝕層厚度優化設計。
具體見附件。
尾噴管熱固耦合熱燒蝕結構.pdf
WB12.0化工部件熱結構耦合分析（熱結構耦合，路徑線性化）
huagongbujian有限元應力分析及強度校核報告.doc
化工部件的熱結構耦合分析：
關鍵點：熱結構耦合，路徑線性化，六面體網格，漸變圓角
耦合場分析是WB的優勢功能之一，本報告利用WB做熱結構耦合，評價整體應力。由于報告中涉及隱私內容，故隱去一些關鍵數據和公式，望大家原諒。拋磚引玉，供大家交流學習經驗，共同進步！
直播預告 | MSC Nastran復合材料熱分析及熱機耦合分析
然而，其各向異性特性在高溫環境（如氣動加熱、發動機熱載荷、太空極端溫度循環）下帶來嚴峻挑戰：熱膨脹不協調、熱應力集中、層間失效風險陡增。
傳統分析方法難以精確模擬此類材料復雜的各向異性熱傳導和非線性熱力耦合行為，往往導致設計過度保守、試驗成本高昂且失效風險難以有效控制。因此，如何精準預測復合材料在熱載荷作用下的變形與應力分布，成為提升其可靠性的核心難題。
熱傳遞的4個類型
為應對這一挑戰，海克斯康工業軟件旗下的有限元結構分析軟件MSC Nastran在復合材料熱分析及熱-力耦合分析領域表現卓越。MSC Nastran憑借其在熱傳導模擬、熱-力耦合分析、性能失效評估等方面的強大能力，將有效突破復合材料熱力學分析的瓶頸，助力提升設計精度與產品可靠性。
本期直播講堂請到了海克斯康結構仿真軟件應用專家李坤鵬，在直播間中講師將重點講解MSC Nastran在復合材料熱分析及熱機耦合分析方面的各項功能，并以多個應用案例展示其在解決復合材料熱力學分析難題的創新之處。敬請關注！
直播報名
8月21日 14:00
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立即預定
直播內容聚焦
? 熱傳導模擬：精準預測復合材料結構內部溫度場分布
? 熱-力耦合分析：高效求解溫度梯度引發的熱應力與熱變形
? 性能與失效評估：識別熱環境下的潛在高風險區域
李坤鵬
海克斯康結構仿真軟件應用專家
精通結構有限元分析，有豐富的工程項目經驗，參與完成的重大項目包括：飛機適航強度分析、貨機改裝強度分析、復雜電機傳動產品失效分析與對標。
展開 管道的熱固耦合計算及管道熱應力分析!
圖19 中間平面設置圖
圖20 速度云圖
圖21 壓力云圖
圖22 溫度云圖
六、穩態熱分析
完成流體計算之后，單擊B4 進入穩態熱分析模塊，將流體區域抑制，并將固體區域生成網格，生成方法與之前類似。之后右鍵單擊Imported Load—Insert—Temperature 將流體計算的溫度場導入，在固體域溫度的接受面為固體的內表面，之前已經進行定義，直接選用即可，Cfd surface 選用計算的流固界面溫度。右鍵單擊Imported Load，單擊右鍵菜單的ImportedLoad 導入溫度。
右鍵單擊Steady-State Thermal 插入邊界條件，設置外壁面的對流換熱系數為10W/m2·℃，環境溫度為20℃。設置三個入口的端面溫度與入口流體溫度一致。在solution 中插入溫度和總的熱流量。單擊solve 進行求解。
圖23 流場溫度導入
圖24 穩態熱力學計算結果
七、變形及熱應力分析
雙擊C5 進入靜態結構計算模塊右鍵單擊Imported Load 打開右鍵菜單后單擊ImportedLoad 導入固體域的溫度。右鍵單擊Static Structural—Insert—Fixed Support 給三個入口端面施加固定約束。
展開 Samcef 熱燒蝕及熱固耦合分析
Samcef_熱燒蝕及熱固耦合分析.pdf
SimSolid熱分析及熱固耦合案例講解 衡祖仿真
⑦查看結果：位移&應力
SimSolid中可以通過設置溫度、熱通量、體積熱和對流4種邊界條件設定熱分析場景，并且可以設定每個接觸面的傳熱屬性。在熱分析結束后，通過將前一步結果的溫度場，作為熱載荷施加到線性靜力分析當中，可以進行熱固耦合分析，以得到熱應力及其位移結果。
電力變壓器的熱流耦合仿真和絕緣紙熱老化分析
如果變壓器繞組熱點溫升過高則可能發生局部過熱，影響變壓器的運行穩定性和服役壽命。絕緣紙作為油浸式電力變壓器的絕緣屏障，其老化產生的機械、絕緣等性能改變是一個不可逆過程，對其開展仿真研究對于變壓器運行維護具有重要的指導意義。
重慶大學的技術團隊經過多年積累，在高壓設備和絕緣技術方面積累了深厚的經驗。他們利用Simdroid對電力變壓器開展固體傳熱和流體的耦合仿真建模，模型采用二維近似簡化，在精確反映物理場景的前提下節省了計算資源，提高了計算效率和展示效果。本文展示的案例中在正常工況變壓器的結構基礎上增加了繞組間擋板，目的是研究擋板提高變壓器油橫向流動速度從而增強繞組散熱的效果，并在此基礎上開展熱老化評估。
在Simdroid中繪制的典型油浸式電力變壓器二維模型
借助Simdroid的多物理場耦合功能，重慶大學的研究人員可以在界面上輕松完成固體傳熱有限元方法和流體方程有限體積方法的聯合仿真計算，在電力變壓器模型中實現對含有復雜絕緣油通道、大量流固耦合邊界的網格自動優化和高效耦合迭代。在仿真獲得的流體結果中，用戶可以通過云圖或流線圖查看流體速度的整體分布和局部細節；在溫度結果中，可以查看變壓器內部整體溫度分布，從中了解熱點位置和發熱情況。
Simdroid中耦合仿真獲得的變壓器油流速分布云圖和流線圖
Simdroid耦合仿真得到流體和固體的穩態溫度分布
電力變壓器流熱耦合仿真的結果在工程實踐中有兩個主要用途：一是通過傳感器獲得變壓器油出口和變壓器外殼等位置的實際監測溫度，工程師可結合仿真在正常工況時實時掌握變壓器的運行情況，在非正常工況時做出預警或檢修等判斷；二是開展設備部件運行性能參數的分析，如絕緣油和絕緣紙老化性能等。
展開 基于Ansys WB耦合場瞬態模塊的熱-力耦合分析（案例：剎車盤）
基于Ansys WB耦合場瞬態模塊的熱-力耦合分析
1、引言
熱-力耦合分析根據其耦合的方式一般分為順序耦合和完全耦合；順序耦合是單向的，如已知溫度計算結構體的變形、應力、應變等；而完全耦合是雙向的，如剎車盤制動過程，盤片與摩擦片的摩擦生熱，熱又導致盤片變形，變形的盤片進一步影響盤片和摩擦片的接觸關系，又進一步的影響摩擦生熱，即力→熱→力→......熱力雙向耦合。
隨著Workbench軟件的更新，再2020以后的版本中加入了耦合場分析模塊，無論是順序耦合和完全耦合，均不需要插入命令流，大大簡化了分析流程。本文采用耦合場瞬態模塊進行完全熱-力耦合分析。
圖1 WB耦合場模塊
2、三維模型搭建與網格劃分
利用solidworks對剎車盤進行三維模型的搭建，摩擦片距剎車盤預定距離為1mm，如圖2所示，導入Hypermesh中進行幾何清理（將小孔、窄邊等進行優化）和網格劃分，如圖3所示，值得注意的是WB對.inp格式（Abaqus）的網格兼容性較好，因此Hypermesh導出網格類型為Abaqus的.inp文件。在這里不再過多的介紹前處理部分，主要針對耦合場的搭建與分析。
圖2剎車盤三維模型
圖3 剎車盤網格劃分
3、耦合場分析搭建
從外部導入.inp網格文件，搭建分析流程，如圖4所示。
圖4 分析流程搭建
3.1 材料定義
材料屬性的定義，參考論文[1]所給出的參數，如下表所示。
對于熱力耦合分析，比熱容、線膨脹系數、熱傳導系數是三個必要的熱力學參數。
展開 基于HyperWorks的瞬態熱-固耦合分析 ￥20
前言：HyperWorks具有強大的傳熱分析能力，其操作過程也并不復雜，只需要搞懂一些卡片的設置含義，按照既定的步驟進行操作，就可以實現熱傳遞分析了。本次仿真選擇彎管模型，通過對彎管的一端施加熱源，得到彎管的溫度場隨時間的變化云圖，又由于彎管內積攢的熱能無法在短時間內散出，故會產生熱應力及位移變化，通過仿真后處理可以得到彎管的熱應力分布情況以及隨著時間的變化，彎管內的熱傳遞情況。
一、傳熱分析基本概念
1、熱傳遞方式
熱傳遞共有三種傳遞方式，分別是熱傳導、熱對流和熱輻射。本次仿真中主要用到前兩種熱傳遞方法。
熱傳導是熱量從系統的一部分傳導到另一部分或由一個系統傳導到另一個系統的現象，通常發生在固體中；熱對流是液體或氣體中較熱部分和較冷部分之間通過循環流動使溫度趨于均勻的過程。
2、熱—固耦合分析
熱固耦合的基本思路是先進行熱傳導分析以獲取結構的溫度場，這個溫度場將作為結構分析的載荷的一部分，耦合分析將按照嚴格的順序進行，通常會先進行熱分析，熱分析影響后續的結構分析，而結構分析對熱分析則沒有影響。
3、常用的熱學材料參數
Thermal expansion coeffcient：熱膨脹系數[A]
Thermal conductivity：熱導率[K]
Heat transfer coefficient：熱傳遞系數[H]
Heat capacity at constant pressure：恒定壓力下的熱容量[CP]
二、有限元建模
本次仿真主要關注1、通過熱源加載進行瞬態熱傳遞過程2、自由對流散熱分析3、熱—固耦合時結構內應力及位移情況。通過本次仿真，你可以學到物體隨著時間的推移，由于外部熱輸入和自然冷卻作用下的溫度變化過程，以及結構受熱應力作用下自身的應力及位移變形情況。
展開 
鋁電解槽多物理場耦合分析之電-熱-結構耦合計算
為了節省計算時間，計算熱應力時采用半槽模型進行計算。
圖3 熱應力計算模型
（1）溫度分布邊界直接由電熱場計算結果導入。
（2）位移邊界為AB梁底部的支柱固定。
（3）所施加載荷為：
重力加速度9.8m/s2
槽內熔體的壓力：
上部結構壓力
圖 4 溫度分布由熱場計算結果導入
3 后處理結果和分析
電解槽的總位移以及X，Y，Z方向位移如圖5所示。其中X方向為煙道端到出鋁端，Y方向為進電端到出電端，Z方向為豎直方向。總位移最大值為29.8mm，位于陰極炭塊上表面。由于內襯的熱膨脹和陰極炭塊的鈉膨脹，電解槽有上拱的趨勢，中間的炭塊上拱最明顯。
圖5 電解槽位移計算結果
電解槽應力計算結果如圖6所示。最大應力為422Mpa，位于搖籃架拐角處，此處應力集中比較嚴重。
圖6 電解槽Mises應力
4 小結
本文建立了電解槽熱應力-鈉膨脹耦合計算模型，提出了利用傳熱和擴散的相似性來模擬鈉擴散的方法，并根據計算出的鈉濃度分布把鈉膨脹轉化為熱膨脹，模擬了電解槽的鈉膨脹應力和熱應力。模型中考慮了材料非線性、摩擦接觸非線性以及部分保溫內襯的受熱收縮效應，得出了與實際情況比較相近的結果。
展開 顯卡熱結構耦合分析
圖 7：熱固耦合流程
完成后返回Mechanical的操做界面，在Static Structural模塊中，選擇Imported Load (B6)下的Imported Body Temperature并進行更新，出現如下圖所示的溫度云圖。即在靜力學分析模塊中，將溫度載荷作為分析的初始條件進行靜力學分析。
圖 8：溫度輸入
對如下圖所示的金屬安裝片進行固定約束（Fixed Support）。
完成設定即可以進行熱結構分析，點擊計算求解。完成后可以輸出應力及位移云圖。
圖 9：應力云圖
圖 10：整體位移云圖
圖 11：熱應變云圖
展開 基于WORKBENCH的摩擦生熱的結構和熱耦合分析（原創，如轉載，請注明出處）
分析類型：摩擦生熱分析；制動盤熱分析。
分析平臺：AWB17
技術難點：結構和熱耦合分析
完成人：技術鄰ANSYS專家
業務咨詢網址：http://www.yqgqt.org.cn/content/other/402981
研究對象：制動盤（模型來自網友上傳）
注意點：熱接觸設置
另：由于參數可能設置不當，導致結果不合理，請無視！！！！
關鍵技術分析：
此問題屬于摩擦生熱，不能夠使用載荷傳遞法，而只能使用直接耦合法。這就是說，只能用一個耦合單元來計算摩擦生熱問題。
解決該問題的基本思路如下:
(1) 使用瞬態結構動力學分析系統
（2）在該系統中更改單元為solid226,它是一個耦合單元，可以完成多種耦合分析，這里使用其結構-熱分析功能。
（3）由于使用了瞬態動力學分析，結果中默認是沒有溫度可以直接從界面中得到的。需要自定義結果，提取溫度。
（4）此問題要多處使用插入命令的方式，從而可以在WORKBENCH中使用APDL的功能。
（5）瞬態結構動力學分析系統的工程數據中，無法得到熱分析的部分參數，所以需要先創建一個單獨的工程數據系統，然后把它與瞬態結構動力學分析的工程數據單元格相關聯。
可代做的業務范圍：
熱分析
熱結構耦合分析
展開 基于ANSYS WORKBENCH的結構熱耦合分析之摩擦生熱案例（附：源文件和視頻教程）
目前，ANSYS Workbench 中還不能直接完成所有的直接耦合場分析，但Workbench提供了添加命令流的方法，可以幫助用戶完成此類耦合分析項目，對于熟悉APDL語言的使用者而言，可以融合Workbench平臺和APDL的優勢完成數值分析。
本篇文章講解，如何在ANSYS WORBENCH環境通過插入命令流的方式來改變單元類型以完成結構熱耦合分析（以兩個2D矩形塊摩擦生熱為例來進行講解）
01
問題描述
在一個定塊上，有一個滑塊。在滑塊頂面上施加一垂直于表面指向定塊的10MPa的分布力系。現在滑塊在定塊表面上滑行3.75mm，欲求解因摩擦而產生的熱量，并計算滑塊和定塊內部的溫度分布和應力分布。
定塊的尺寸：寬5mm，高1.25mm，厚1mm
滑塊的尺寸：寬1.25mm，高1.5mm，厚1mm
02
問題分析
關鍵技術分析：
此問題屬于摩擦生熱，不能夠使用載荷傳遞法，而只能使用直接耦合法。這就是說，只能用一個耦合單元來計算摩擦生熱問題。
解決該問題的基本思路如下:
（1）使用瞬態結構動力學分析系統
（2）在該系統中更改單元為PLANE223，它是一個耦合單元，可以完成多種耦合分析，這里使用其結構-熱分析功能。
（3）定義兩個載荷步，第一步將動塊移動到指定位置，第二步保持最終位置，以獲得平衡解。
（4）在求解設置中，關閉結構分析的慣性部分，而只做靜力學結構分析，但是對于熱分析仍舊做瞬態熱分析。
（5）由于使用了瞬態動力學分析，結果中默認是沒有溫度可以直接從界面中得到的。需要自定義結果，提取溫度。
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