基于ansys的热结构耦合分析方法研究

基于ansys的热结构耦合分析方法研究

王刚

（岭南师范学院，广东湛江 524048）

摘要：ANSYS软件是一款比较著名的商业有限元分析软件，它是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析软件，它能与多数计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)软件接口，实现数据的共享和交换，是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，在机械工程、土木工程、水利水电、能源动力、石油化工、航空航天、汽车、日用家电等领域有着广泛应用。针对水杯传热、滑块滑动、汽车制动片制动的过程，运用基于ansys的热结构耦合方法进行分析，包括直接耦合与间接耦合，对比分析不同方法的结果并进行总结，得到一套基于ansys的标准化热结构耦合分析方法，为产品的热结构耦合分析提供重要参考。

关键词：有限元；热结构耦合；标准化

有限元分析的基本概念就是将复杂的物理对象进行离散化，再采用基于子域的试函数描述;通过对所有子域误差的加权集成处理来建立整体系统的分析方程，再充分利用计算机强大的数值处理能力，就可以对任意复杂的问题进行数值求解。若一个好的软件平台还能够提供较好的专用命令语言，则用户可以进行各种操作的组合，从而减少许多重复性工作，并可以充分体会具有驾驭有限元分析过程的能力，从中理解有限元方法的内涵。与所有有限元软件的分析过程相类似，ANSYS软件的标准分析过程包括:建立分析模型、施加边界条件与求解计算、结果分析3个步骤。

本文针对水杯传热、滑块滑动、汽车制动片制动的过程，运用基于ansys的热结构耦合方法进行分析，包括直接耦合与间接耦合，对比分析不同方法的结果并进行总结，得到一套基于ansys的标准化热结构耦合分析方法，为产品的热结构耦合分析提供重要参考。

1水杯的传热分析 

对水杯的传热过程进行分析，先对水杯进行稳态热分析，再对水杯进行结构分析，首先通过稳态热分析得到水杯在热载荷下的温度分布，然后将水杯稳态热分析的结果导入水杯的结构分析，得到水杯在热载荷作用下的温度分布。外载荷是100度的热源，材料参数包括密度2500kg/m3,杨氏模量5.5e10，泊松比0.26，热膨胀系数4.5e-6 1/℃，热传导率173w/m*℃，对流系数173w/m*℃，辐射率1.

将水杯的稳态热分析结果导入后续的结构分析，并在水杯底部加上位移约束。最终水杯在热载荷作用下的应力如图1，变形如图2。

图1                       图2

这种方法属于热结构的间接耦合

2滑块滑动的热结构耦合分析

对滑块的滑动过程进行热结构耦合分析，前文水杯的热结构耦合分析用的是间接耦合的方法，这里采用直接耦合的方法。

整体模型采用6面体网格，网格尺寸为2mm，整个加载过程分成两个载荷步，下面的长条底部固定，先在上面的方块顶部加压力，然后在后面推方块。材料参数包括密度7850kg/m3,杨氏模量2e11，泊松比0.3，热膨胀系数1.2e-5 1/℃，热传导率60.5w/m*℃，比热容434J/㎏*℃。方块与长条之间的摩擦系数为0.1。最终在滑动过程中的应力如图3，变形如图4，温度如图5。

图3                    图4                       图5

3汽车制动片的制动过程分析

对汽车制动片的制动过程进行热结构耦合分析，这里采用直接耦合的方法，采用命令流的方式。运用solid226单元进行单元的划分，释放温度自由度，命令流为ET,MATID,SOLID226,11。全部用六面体进行网格划分。材料参数包括密度7850kg/m3,杨氏模量2e11，泊松比0.3，热膨胀系数1.2e-5 1/℃，热传导率60.5w/m*℃，比热容434J/㎏*℃。摩擦片与制动片之间的摩擦系数为0.15。摩擦片与制动器之间存在转动副。载荷包括摩擦片向下的压力，垂直于摩擦片的上表面，摩擦片四周的位移约束，只释放压力方向的自由度，制动片的旋转速度。最终汽车的制动系统的应力如图6，变形如图7，温度如图8。

图6                       图7                      图8

也可以用ansys提供的热力耦合模块。整个模型全部用六面体进行网格划分。材料参数包括密度7850kg/m3,杨氏模量2e11，泊松比0.3，热膨胀系数1.2e-5 1/℃，热传导率60.5w/m*℃，比热容434J/㎏*℃。摩擦片与制动片之间的摩擦系数为0.15。摩擦片与制动器之间存在转动副。载荷包括摩擦片向下的压力，垂直于摩擦片的上表面，摩擦片四周的位移约束，只释放压力方向的自由度。最终汽车的制动系统的应力如图9，变形如图10，温度如图11。

图9                    图10                    图11

6 结束语

本文针对水杯传热、滑块滑动、汽车刹车系统制动的过程，运用基于ansys的热结构耦合方法进行分析，包括直接耦合与间接耦合，对比分析不同方法的结果并进行总结，得到一套基于ansys的标准化热结构耦合分析方法，相关工作有材料的赋予、网格的划分、边界条件的加载、调试计算等，为产品的热结构耦合分析提供重要参考。

参考文献：

[1]鲁义刚，胡明明，武文帅等， ANSYS Workbench2022实例详解[M].北京：机

械工业出版社，2022:50-55

[2] 陈赛.美、德智能制造战略与实践[J].上海信息化，2019(6): 78-80.

[3]徐静波.日本智能制造走向“互联工业”[J].纺织科学研究，2019(9): 16-17.

作者简介:王刚(1980-)，河北唐山人，博士，正高级工程师，研究方向：智能制造与仿真。