結構熱分析的案例
自主CAE | 基于PERA SIM Mechanical機床夾具熱結構耦合分析
0.摘要：本文基于安世亞太自主研發的PERA SIM Mechanical結構仿真軟件，對某機床夾具進行熱分析及熱結構耦合分析，獲得機床夾具的穩態溫度場以及熱變形和熱應力，用于指導和驗證夾具的設計方案。證明了國產仿真軟件PERA SIM Mechanical在熱結構耦合分析的適用性和可靠性。
關鍵詞：機床夾具；熱分析；熱結構耦合分析；PERA SIM Mechanical
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1.引言
夾具作為機械加工的重要工具，是保證加工精度和質量的重要因素，直接影響工件的加工質量。夾具用于固定工件，應防止在高溫下因為材料自身的熱脹冷縮而導致工件發生形變，工裝夾具設計應具有足夠的剛性和穩定性，能夠在高溫環境下承受壓力和變形。確保工裝夾具能夠保持穩定，不會發生變形或破損。在熱處理過程中，工件和工裝夾具都會發生熱脹冷縮，因此設計時需要充分考慮這一點。若設計未考慮熱穩定性，導致夾具在加工過程中因溫度變化而產生熱變形，將會影響加工精度。
夾具熱設計是指在設計夾具時考慮到熱傳導和熱膨脹等因素，以確保夾具在工作過程中能夠有效地傳導熱量并保持穩定的工作狀態。關鍵的設計因素包括選擇合適的材料、合理的結構設計、有效的散熱設計等。關鍵需利用熱-結構耦合分析功能，評估夾具在溫度載荷下的變形量，采取合適的夾具結構設計、增加松動補償間隙、使用可調節的夾緊裝置等方式，以適應熱脹冷縮帶來的變形和應力。
本文基于安世亞太自主研發的通用流體仿真軟件PERA SIM Mechanical，對某型機床夾具進行了熱結構耦合分析研究。
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PERA SIM的泵蓋熱結構耦合仿真分析
摘要：本文基于PERA SIM Mechanical通用結構仿真軟件建立了泵蓋熱結構耦合仿真的過程，從導入幾何模型開始，到劃分四面體網格、賦予模型不同的材料參數、施加邊界條件和載荷過程，以及分析求解設置，最終得到泵蓋熱變形與熱應力的分析結果，對泵蓋的結構強度設計提供指導建議。
關鍵詞：泵蓋；熱結構耦合；熱變形；熱應力
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1.引言
通過熱結構耦合仿真分析，可以深入理解泵蓋在高溫環境下由于熱膨脹和收縮而產生的熱應力。這些熱應力可能導致泵蓋結構變形、疲勞甚至失效。同時預測泵蓋結構熱變形，對于確保泵蓋與其他部件的配合精度和密封性能至關重要。此外，根據仿真分析的結果，可以對泵蓋的結構設計進行優化，例如增加筋板、改變壁厚或材料配置等，以提高其抗熱應力和抗變形能力。
本文基于PERA SIM Mechanical仿真分析軟件建立了泵蓋熱結構耦合仿真的過程，從導入幾何模型開始，到劃分四面體網格、賦予泵蓋材料參數、施加溫度和靜力載荷與邊界條件，以及設置熱結構耦合仿真分析參數，最終得到泵蓋熱變形與熱應力分析結果。分析得到的熱變形結果和熱應力結果，對泵蓋的結構優化設計、壽命評估、密封性能都具有一定的指導意義。
2.問題描述
本文研究對象為泵蓋，主要用于工程機械中需要密閉的箱體結構中，實現傳遞載荷、提供支撐以及保護箱體內部零部件的作用。在使用過程中，利用密封圈和螺栓進行密封和連接裝配。
3.計算結果分析
3.1 模型建立及簡化
泵蓋幾何模型文件格式為x_t，直接導入PERA SIM Mechanical中。
展開 印刷電路板的熱結構分析
材料參數
銅材料(金屬導線&通孔)
層壓板材料
樹脂材料
邊界&載荷條件
穩態熱分析中將熱載荷施加在模型中某個代表嵌入式銅走線單元上。
對流邊界條件（Convection boundary conditions）應用于印刷電路板的頂面和底面。
穩態熱分析后的下游結構分析中電路板兩端自由端固支，并取消熱對流邊界。
求解設置
這樣的一個印刷電路板的熱結構分析包含兩部分內容：
求解由熱邊界條件引起的熱分析
解決溫度負載引起的結構分析
1.熱分析求解設置（常規設置）
! Other solution settings
autots,onnsub,1,10,1
time,1.
outres,all,all
esel,s,type,,1859
cm,_elmisc,elem
esel,all
outres,misc,all,_elmisc
cnvtol,heat,,.001,,1.e-003 ! 熱流收斂控制
fini
2.結構分析求解設置
進行結構分析需要將熱分析中的熱單元重新定義回結構單元，使其具有結構自由，讀取熱分析后的溫度文件。
! Read in temperatures from thermal analysisldread,temp,,,,,,rth !讀取溫度分布文件并作為載荷。
nlgeom,on
cnvtol,u
cnvtol,heat,-1
nsub,5,100,5
resc,define,all,1
outres,all,all
esel,u,ename,,152
SOLVE
fini
全文結束，感謝閱讀。
完整命令流&模型文件后臺私信留言郵箱獲取！
展開 
ABAQUS 剎車盤熱結構耦合分析案例 ￥10
本案例適合哪些人學習：
1、學習型仿真工程師
2、理工科院校學生
3、與剎車盤熱結構耦合相關的工程師
你會得到什么：
1、掌握剎車盤三維模型的繪制
2、掌握剎車盤熱結構耦合分析相關的材料參數設置
3、理解剎車盤熱結構耦合的分析步的建立
4、學習剎車盤熱結構耦合的相互關系的設置
5、了解剎車盤熱結構耦合網格的劃分
6、學習剎車盤熱結構耦合的載荷施加
7、學習結果后處理的查看與對比
案例介紹：
所使用軟件為ABAQUS2018.
案例介紹了使用ABAQUS進行剎車盤熱結構耦合的分析。
本案例操提供了分析相關的分析文件。
?
展開 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！
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?，F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。
展開 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
連接固體熱結構耦合分析
連接固體熱結構耦合分析
1.1. 導入計算模型
啟動一個新的Workbench項目，并將單位設置為公制(Kg, m…)。 將Coupled Field Static分析拖放到項目頁面。右鍵單擊幾何任務并導入Couple-field文件從相應的輸入文件夾。
保存項目，雙擊Model格打開Mechanical。
1.2. 定義材料參數
結構鋼采用默認參數：
1.3. 網格劃分
使用表面過濾器選擇，創建兩個命名的選擇:' bot '和' top '到下面的表面，隱藏第一個物體并創建命名的選區' cbot '到下面的表面。顯示所有體，隱藏第二個體。在下面的表面創建命名為“ctop”的選區。
ANSYS會自動創建模型與模型之間的接觸關系為綁定，本案例接觸關系均為綁定。執行網格自動化分，點擊Mesh并右鍵選擇General Mesh，即可完成網格劃分，提高網格劃分質量也可以通過調整網格尺寸進行修改。
1.4. 邊界條件設置
選擇Coupled Field Static，并將兩個固定支持和范圍插入到命名的選擇：top和bot。
選擇Coupled Field Static并插入2個溫度：
1.5. 熱結構耦合處理
檢查分析設置，確認“大變形”設置為“開”。 求解模型并驗證結果:總變形，Von Mises應力，溫度場。
插入一個接觸工具并查看壓力結果。
拖放任何固定支持到“Solution”分支獲得“Force Reaction”。
在“Solution”分支中拖放兩個溫度邊界條件。
展開 workbench轉動摩擦生熱分析（借鑒技術鄰ansys專家帖）
分析類型：熱結構直接耦合分析
分析平臺：ansys workbench 17.0
分析人：技術鄰 一無所有就是打拼的理由
技術難點：接觸設置及轉動邊界條件設置
研究模型：思想來源于許京荊的《ANSYS13.0 WORKBNCH數值模擬技術》滑動摩擦生熱的熱-結構耦合分析，模型及尺寸自選。
注：網格為自動劃分較為粗糙，但不影響結果的正確性。
可代做業務：結構分析，熱分析，熱結構耦合分析等。
轉動視頻請查看如下附件：
轉動摩擦生熱.avi
展開 
電磁爐加熱水—電磁 熱 結構耦合分析
讀取熱結果
加熱碗的最大溫度的溫升曲線如圖10所示，600s時刻的溫度分布結果如圖11和圖12所示。
圖9 設置散熱系數
圖10 溫度隨時間變化曲線
、
圖11 碗底溫度
圖12 碗整體溫度
2.3 結構分析
加載結構模塊structural，鏈接磁場分析的網格部分，打開后讀取磁場分析相應的網格模型和材料設置，同樣需要抑制掉空氣部分。
設置好邊界條件之后讀取上一步的熱生成的溫度，根據相應的材料參數可以獲取碗的膨脹變形量和應力分布情況，如圖所示
讀取溫度分布載荷
ldread,temp
圖13 碗應力分布
圖14 碗變形分布
圖15 碗變形分布
Workbench作為一個分析平臺可以將多個獨立的物理場很好的耦合到一起，很好的解決多電磁場、熱、結構以及流體等物理場的耦合計算。
多物理場分析能夠更全面的展示一些設備的多個輸入因素導致的相互作用，電磁爐的耦合場分析可以應用于模擬淬火加熱零件、電機受力、雙金屬片彎曲等相關的電、熱和結構耦合的分析，能夠獲取相關的溫度、變形、線圈參數等需要的關鍵數據。
另外workbench的多物理場仿真能夠更好的共享模型和模型網格，通過讀取載荷能夠更好的匹配熱、力等載荷數據，使計算快速準確，使仿真能夠顯著的減少實驗次數，提高準確度，并縮短產品開發時間。
展開 葉片熱結構耦合分析
熱結構耦合處理
穩態熱使用默認的分析設置來求解。完成后返回項目操做界面，通過拖拽將Static Structural與Steady-State Thermal模塊進行關聯。
圖 12：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。
將葉片的上下端面均采用固定約束，靜態結構分析使用默認的分析設置來求解。上圖顯示了固體區域的溫度分布。正如預期的那樣，葉片在孔附近更冷。
下面兩幅圖分別顯示了流體和固體表面的溫度。流體溫度從入口到出口升高。固體表面溫度也有相似的變化趨勢。
圖 13：流體溫度
圖 14：固體溫度
下一個圖顯示了固體區域的馮米塞斯應力。最大應力發生在J孔內。
當執行類似類型的分析時，考慮以下提示和建議：
定義為熱流體模型的線體對象可用于計算流體與固體之間的熱流體傳熱。通過對渦輪葉片冷卻通道的對流換熱進行模擬，證明了該特性的易用性。
當在分析中包含有對流通道的固體區域時，在用線體對通道建模時，應該使用固體區域的低階單元。使用高階表面效應元件有時會導致不切實際的溫度分布。
展開 案例59-印刷電路板的熱結構分析
厚度為0.042 mm的涂抹加固的截面特性定義如下：
截面積為0.16053 mm2的離散加固的截面特性定義如下：
在選擇適當的基礎SOLID278和MESH200單元后，將創建加強構件（EREINF）并成形（/ESHAPE）：
對于下游結構分析，修改了SOLID278單元（EMODIF）以創建等價SOLID185單元。作為熱結合接觸對的一部分的CONTA174單元也被修改以說明結構解決方案。然后重新選擇增強單元REINF264和REINF265，以實現它們的結構自由度（EREINF）。
材料屬性
以下是22°C下銅、層壓材料和樹脂材料的熱性能和結構材料性能：
邊界條件和加載
穩態熱分析：邊界條件和加載
將內部發熱載荷應用于代表嵌入式銅跡線和通孔的選定MESH200單元組件：
在從MESH200和基礎構件交叉點創建加固（EREINF）后，應用于MESH200的邊界條件被轉移到涂抹加固構件（BFPORT）：
對流邊界條件應用于PCB的頂面和底面：
下游結構分析：邊界條件和加載
PCB的端部受到所有位移自由度的約束（以綠色表示）：
分析和求解控制
該求解包括穩態熱分析和下游結構分析。
在應用熱產生載荷和對流邊界條件后，穩態熱解是直接的。
隨后的結構解涉及從.rth文件（LDREAD）讀取溫度。
通過定義至少五個子步，可以實現大撓度。
位移收斂被啟用，熱流收斂被禁用（CNVTOL）。在求解結構分析之前，取消選擇之前為對流定義的SURF152單元。
結果和討論
在穩態熱分析之后，溫度結果是最重要的。
展開 《熱結構分析有限元程序設計》
【目錄】
第一章 引言
第二章 結構化程序設計概論
2.1 算法結構及數據結構
2.2 結構化程序設計技術與方法
習題
第三章 二維及軸對稱體熱彈性有限元分析程序設計
3.1 二維及軸對稱體熱彈性有限元件分析程序功能及特點
3.2 主程序EA2的功能
3.3 主程序EA2程序框圖
3.4 輸入數據
3.5 主程序EA2及部分輔助子程序源程序
習題
第四章 結構自動離散
4.1 單元及節點編號
4.2 用形狀函數插值自動生成節點坐標
4.3 單元及節點編號的顯示
4.4 面力,位移邊界條件及多連域問題的處理
4.5 軸對稱溫度場的自動生成
4.6 子程序AUTPL2介紹
4.7 有限元分析建模要點
4.8 算例
4.9 自動分網子程序AUTPL2源程序
習題
第五章 單元剛陣及其故障診斷
5.1 單元剛陣基本公式
5.2 單元剛陣的特性及故障診斷
5.3 單元剛陣子程序MATREL簡介
習題
第六章 波前法解總體剛度方程組
……
第七章 單元應力、應變計算
第八章 應務、應變修勻
第九章 二維及軸對稱穩礦態溫度場分析有限元法
參考文獻
展開 