第22章热－应力耦合分析实例温度的分布不均会导致部件内部产生热应力，在结构分析中常会遇到需要考虑温度场对应力分布影响的情况。
特别在进行各类燃机的部件，如航空发动机的涡轮盘、叶片等的强度计算分析时通常要考虑热问题。
各类输送管道由于内外温度不同也会产生热应力。
另外材料的性能和其温度是相关的，不同的温度下其性能通常不同，这也会造成部件应力分布的变化。
为此，本章通过实例来讲解如何用ANSYS6.1来进行这类问题的分析。
22.1 问题描述一无限长的截面形状和尺寸如图22.1所示的厚壁双层圆管，其内、外层温度分别为Ti和To，材料数据和边界条件如表22.1所示，利用ANSYS程序来求解圆管沿径向的温度分布情况，并求解圆管内沿径向和周向的应力情况。
图22.1 双层管道的截面图表22.1 材料性能参数表材料编号热导率(W/mm. o C)弹性模量(MPa) 泊松比热膨胀系数(－o C-1)1(钢),内层0.0234 2.05E5 0.3 10.3 2 (铝) ,外层0.152 0.63E50.33 20.7从上面描述的问题可以看出，本实例属于轴对称问题，可以采用轴对称方法来进行分析。
同时本问题为典型的热－应力耦合问题，可以采用间接法顺序耦合分析的一般步骤进行分析。
因为管道为无限长，故建立模型时轴向尺寸可以是任意大于零的值，且将其一边轴向约束，一边所有节点轴向自由度耦合。
下面我们将首先建立有限元模型，进行稳态热分析，并观察分析其沿径向的温度分布情况。
然后将模型中的热单元类型转换成对应的结构分析单元类型，重新定义材料的力学性能参数，并将热分析的结果以体载荷的形式施加到模型中，定义合理的边界条件，进行结构静力求解。
最后，观察并分析整个结构沿径向和周向的应力分布情况。
22.2 建立模型在ANSYS6.1中，首先通过完成如下工作来建立本算例的有限元模型，需要完成的工作有：指定分析标题，定义材料性能，定义单元类型，建立几何模型并划分有限元网格等。
本节中定义的单元类型和材料属性都是针对热分析的。
下面将详细讲解分析过程。
22.2.1指定分析标题并设置分析范畴首先，指定本实例的分析路径、数据库的名称、分析标题。
指定本实例的分析的标题为：“Thermal Stress in Concentric Cylinders-Indirect Method”，另外为了得到适合热分析的菜单选项，需要将分析范畴指定为热分析。
1．选取菜单路径Utility Menu | File | Change Jobname，将弹出Change Jobname (修改文件名)对话框，如图22.2所示。
在Enter new jobname (输入新文件名)文本框中输入文字“CH20”，为本分析实例的数据库文件名。
单击按钮，完成文件名的修改。
图22.2 修改文件名对话框2．选取菜单路径Utility Menu | File | Change Title，将弹出Change Title (修改标题)对话框，如图20.3所示。
在Enter new title (输入新标题)文本框中输入文字“Thermal Stress in Concentric Cylinders-Indirect Method”，为本分析实例的标题名。
单击按钮，完成对标题名的指定。
图22.3 修改标题对话框3．选取菜单路径Main Menu | Preference，将弹出Preference of GUI Filtering (菜单过滤参数选择)对话框，如图22.4所示。
单击对话框中的Thermal(热)复选框，选中Thermal选项，以便ANSYS6.1的主菜单设置为与热分析相对应的菜单选项。
单击按钮，完成分析范畴的指定图22.4 指定分析范畴22.2.2 定义单元类型根据本实例的结构特征，在热分析中选用8节点平面热单元PLANE77，并将其设置为轴对称单元类型。
下面为定义单元的具体操作过程。
1．选取菜单路径Main Menu | Preprocessor | Element Type | Add/Edit/Delete，将弹出Element Types (单元类型定义)对话框。
单击对话框中的按钮，将弹出Library of Element Types (单元类型库)对话框,如图22.5所示。
图22.5 定义单元类型PLANE772．在Library of Element Type (单元类型库)对话框左边的滚动框中单击“Thermal Solid”，选择热实体单元类型。
在右边的滚动框中单击“Quad 8node 77”选择8节点平面单元PLANE77。
然后单击按钮，关闭Library of Element Types (单元类型库)对话框。
Element Types (单元类型)对话框中将列出定义的单元类型，如图22.6所示。
图22.6 定义的单元类型3．设置单元PLANE77的轴对称选项。
单击图22.6所示对话框中的按钮，将弹出PLANE77 element type options (单元PLANE77的选项对话框)，如图22.7所示。
在对话框中，单击单元行为参数K3的下拉设置框中的“Axisymmetric”选项，将单元设置为轴对称单元，单击按钮，关闭对话框。
图22.7 将单元设置为轴对称单元4．单击单元类型对话框中(图22.6)中的按钮关闭对话框，完成单元类型的定义。
22.2.3 定义材料热学性能本实例中共有两种材料，管道内层的钢和外层的铝。
其性能参数在前面问题描述中已经给出。
因为这里建立的是稳态热分析的有限元模型，所以只需定义材料的热传导系数。
其它属性在进行结构应力分析时再定义，具体的操作如下：1．选取菜单路径Main Menu | Preprocessor | Material Props | Material Models，将弹出Define Material Model Behavior (材料模型定义)对话框，如图22.8所示。
图22.8 材料模型定义对话框2．在图22.8所示的对话框右边列表框中，依次双击Thermal | Conductivity | Isotropic，将弹出1号材料的热传导率KXX的定义对话框，如图22.9所示。
图22.9定义材料类型1的热传导率3．在图22.9中的KXX文本框中输入0.0234，指定1号材料的热传导系数为0.0234，单击按钮，关闭对话框。
在材料模型定义对话框中将会列出定义的1号材料，如图22.10所示。
图22.10 定义的材料列表4．单击图22.10所示对话框中的菜单：Material | New Model，将弹出Define Material ID(定义新材料编号)对话框，如图22.11所示。
保持对话框中的缺省设置，单击对话框中的按钮关闭对话框。
在图22.10所示的对话框中的左边列表框中将会出现新增加的材料。
图22.11定义新材料编号对话框5．重复步骤2～3，定义2号材料的热传导率为0.152W/mm.o C，单击图22.10所示对话框中的菜单Material | Exit，关闭对话框，完成对内外层管道的材料定义。
22.2.4 建立轴对称几何模型由于本实例符合轴对称条件，且他的轴向尺寸无限大，因此可以采用轴对称方法来进行分析。
建立模型时只需建立内、外管道的轴对称面即可。
具体的操作过程如下。
1．选取菜单路径Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create | Rectangle | By Dimensions，弹出Create Rectangle by Dimensions (通过尺寸来创建矩形)对话框，图22.12所示。
图22.12 创建矩形面2．在弹出的对话框中，输入矩形四条边的X、Y坐标：X1=5.5、X2=10.8、Y1=0、Y2=1.5，单击按钮，在图形窗口中将显示创建的第一个矩形。
由于单击的是按钮，故对话框会重新弹出。
3．在重新弹出的Create Rectangle by Dimensions (通过尺寸来创建矩形)对话框中，重复第2步的工作，输入四条边的坐标为：X1=10.8、X2=15.6、Y1=0、Y2=1.5，单击按钮，在图形窗口将显示创建的第二个矩形，图22.13为创建的两个矩形面。
图22.13 创建的内外管道的轴对称面4．选取菜单路径Main Menu | Preprocessor | Modeling | Operate | Booleans | Glue | Areas，将弹出Glue Area (粘合面)拾取对话框，单击对话框中的按钮，ANSYS程序将会把刚创建的两个面的相邻边粘合为一条，即让两个面有公共的边。
5．压缩模型元素的编号。
选取菜单路径Main Menu | Preprocessor | Numbering Ctrls | Compress Numbers，将弹出Compress Numbers (压缩序号)对话框，如图22.14所示。
在对话框中的下拉框中选择选项“All”，单击按钮对，所有元素的序号进行压缩，并关闭对话框。
图22.14 压缩模型元素编号6．显示线、面的序号。
选取菜单路径Utility Menu | PlotCtrls | Numbering，将弹出Plot Numbering Controls (序号显示控制)对话框，在对话框中单击LINE (线)和AREA (面)的复选框，将其设置为“On”，然后单击按钮关闭对话框。
选取菜单路径Utility Menu | Plot | Replot，ANSYS程序将对所建的模型进行重新显示，并显示线、面的序号，如图22.15所示。
图22.15 模型元素的序号22.2.5对截面进行有限元分网建立好管道的轴对称几何模型之后，就需要根据具体的几何形面和分析要求，对其进行网格划分。
尽量使划分的网格的粗细能够既满足分析的精度，又不至使模型太大，占用太多的计算机资源和求解时间。
由于本实例有两种不同的材料，所以进行不同面的网格划分时需要指定正确的材料属性。
具体过程如下。
1．设置面的材料属性。
选取菜单路径Main Menu | Preprocessor | Meshing | Mesh Attributes | Picked Areas，将弹出设置Area Attributes (面的属性)拾取对话框，在ANSYS图形显示窗口中单击标号为“A1”的面，然后单击拾取对话框中的按钮。
将会弹出设置Area Attributes (面的属性)对话框，如图22.16所示。
图22.16 设置面的属性2．在对话框中将Material number (材料属性序号)设置为“1”，将单元类型Element type number设置为“1 PLANE77”，然后单击对话框中的按钮，完成对面A1的属性设置。