ANSYS WORKBENCH热应力分析：钢杆与铜杆在温度变化下的轴力计算

本文主要探讨了如何利用ANSYS WORKBENCH软件进行基于杆件系统的热应力分析，特别是在一个假设的工程场景中，横梁ACB被简化为刚体，而杆件AD和BE分别由钢和铜制成，且具有不同的物理特性，如横截面积、长度、弹性模量和线胀系数。问题的背景源于《材料力学》中的"轴向拉伸压缩"章节，涉及温度升高时的热膨胀效应对杆件内力的影响。 理论分析部分强调了设定两个杆件的内力作为基本未知数，通过考虑温度变化导致的线性膨胀，计算出杆件的伸长量与内力之间的关系。利用变形协调条件，可以推导出杆件内部的轴力大小。这种方法是经典材料力学中的解决思路，不需要通过耦合系统，而是通过静态力学分析来求解。 在仿真分析方面，文章详细描述了ANSYS WORKBENCH的操作步骤： 1. 首先，创建项目并选择静力学分析系统，以便针对热应力问题进行独立的分析。 2. 设置材料属性：创建钢材和铜的材料模型，输入相应的弹性模量、泊松比和线胀系数。此外，为了模拟横梁ACB的刚体性质，还创建了一个弹性模量极高（2E18）的虚拟材料。 3. 建立几何模型：在笛卡尔坐标系中定义杆件的形状和位置，如AB、AD和BE的线体，并为AD和BE赋予矩形截面属性。 4. 属性设置：为每个杆件分配正确的材料属性。 5. 分割网格：选择合适的单元长度（5毫米），划分网格，确保网格的精细程度适合热应力分析。 6. 连接：在连接点使用转动副来模拟杆件间的约束。 7. 分析设置：指定参考温度和实际温度，设置热应力分析所需的边界条件。 8. 后处理：在完成分析后，从后处理结果中提取梁单元的内力，这是关键的输出，用于验证理论计算并与实验或设计需求进行对比。 通过以上步骤，用户可以利用ANSYS WORKBENCH这款强大的工程模拟工具，准确地模拟杆件在温度变化下的热应力分布，从而为设计和优化提供依据。这种分析方法在航空航天、汽车制造、建筑结构等领域有广泛应用。