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对 ANSYS 中几个温度术语的探讨  

2011-12-02 08:23:49|  分类: 问与答 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  在 ANSYS 中进行热应力分析时,会遇到几个有关温度的术语,均匀温度 TUNIF、参考温度 TREF 等。以下,通过一些例子来探讨这些术语的具体用法。

    模型 1  100*100*100 的立方体,材料属性为:

        E = 200000

        μ= 0.3 

        α= 1.0e-5

    不定义材料的参考温度。

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  对整个体施加温度 50 (°C),求解得到:三个方向的伸长 (绝对值) 都是 0.05,例如 Ux

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  理论值为:

        Ux = αΔT L = 1e-5 * 50 * 100  = 0.05

  计算结果与理论值为一致。

  如果修改整个体的温度为 100°C,求解结果,三个方向的伸长 (绝对值) 0.1,也和理论值 1e-5 * 100 * 100  = 0.1 一致:

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  下面定义材料性能中的的参考温度和随温度变化的材料性能:

  首先定义参考温度为 0°C,热膨胀系数如下图:

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  这样做,热膨胀系数值将简化为:温度值 * 1e-7。当温度为 100°C 时,热膨胀系数应为:

       100 * 1e-7 = 1e-5         

  三个方向的理论位移应为 0.1,计算结果如下图,与理论值一致:

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  将材料性能的参考温度改为 50°C

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仍施加均匀温度 100 °C,求解得到三个方向的位移都是 0.05

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以下分析一下材料的参考温度是如何起作用的:

1.  如果热膨胀系数只与施加的温度载荷值有关,与参考温度无关,当温度为 100°C 时,热膨胀系数为:  1e-4 / 1000 * 100 = 1e-5  当计算热应变的温度取为温度载荷与材料参考温度之差时,结果与理论值一致:

               Ux = 1e-5 * (100 – 50) * 100 = 0.05

2. 如果假设热膨胀系数与施加的温度载荷和材料参考温度之差有关,当温度为 100°C 时,热膨胀系数为:

      1e-4 / (1000-50) * (100-50) = 0.5263e-5

  此时当计算应变的温度取为所施加的温度时,位移结果是:

  Ux = 0.5263e-5 * 100 * 100 = 0.05263

  如果将计算应变的温度取为所施加的温度和材料参考温度之差,位移结果是:

  Ux = 0.5263e-5 * (100-50) * 100 = 0.02632

  两个结果都与理论值 0.05 不一致。

  进一步验证这两种计算方法,再将材料属性的参考温度改为 80°C,求解后得到三个方向的位移都是 0.02:

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如果热膨胀系数只与施加的温度载荷值有关,与参考温度无关,当温度为 100°C 时,热膨胀系数为:

        1e-4 / 1000 * 100 = 1e-5

当计算热应变的温度取为施加的温度载荷与材料参考温度之差时,位移结果是:

 Ux = 1e-5 * (100 – 80) * 100 = 0.02

如果热膨胀系数与施加的温度和材料参考温度之差有关,当温度为 100°C 时,热膨胀系数为:

1e-4 / (1000-80) * (100-80) = 0.217e-5

此时当计算热应变的温度取为所施加的温度时,结果是:

 Ux = 0.217e-5 * 100 * 100 = 0.0217

 

从这两个例子来看,在求解时,材料属性是根据所施加的温度载荷值对随温度变化的属性值进行插值而得到的,与参考温度无关;而计算热应变的温度是用所施加的温度载荷值减去参考温度所得到。

 

进一步,设置热膨胀系数为:

温度 100°C 时为 1e-5;温度 1000°C 时为 1e-4。这样,热膨胀系数值仍可简化为:温度值 * 1e-7

 

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  首先设置参考温度为 0°C,则三个方向的位移理论值都是 0.1

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  计算结果与此一致。

  再将参考温度改为 50°C,按照上述第一种做法:热膨胀系数只与施加的温度载荷值有关,与参考温度无关;而热应变由施加的温度载荷与材料参考温度之差确定,则结果是:

   Ux =  100 * 1e-7 * (100 – 50) * 100 = 0.05

  即三个方向的理论位移应该是 0.05,计算结果与此一致:

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根据这些算例,可以看到,在 ANSYS 中,当材料性能随温度变化时,是采用输入的温度载荷值进行插值得到不同温度的材料性能;而在计算热应变时,则是采用温度载荷值与材料的参考温度之差。

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