材料研究与计算机应用讲义-实践部分2011.pptVIP

材料研究与计算机应用---------上机实践部分 主讲人-黄远 天津大学材料科学与工程学院 E-mail：yi-huangyuan@tju.edu.cn 办公地点：第二十五教学楼C座802室 1、水下潜艇壳体材料由三层组成，最外一层为不锈钢，中间 为玻璃纤维构成的隔热层，最里层为铝，潜艇可以简化为一圆 筒，于是筒内为空气，筒外为海水，分别见图1、2，参数见 表1。求内外壁面温度及温度分布。 空气 海水 3、铝 2、玻璃纤维 1、不锈钢 铝 不锈钢 玻璃纤维 空气 海水 R15 feet 3/4’’ 1/4’’ 1’’ 1? 3 2 1 一、温度场的有限元求解 表1：潜艇壳体材料的各项参数 几何参数 热导率Btu/h?ft??F 边界条件 筒外径 30 ft 不锈钢 8.27 空气温度 70?F 总壁厚 2in 玻璃纤维 0.028 海水温度 44.5?F 不锈钢层壁厚 0.75 in 铝 117.4 空气对流传热系数 2.5Btu/h?ft2??F 玻纤层壁厚 1in 海水对流传热系数 80Btu/h?ft2?? F 铝层壁厚 0.25in 筒长 200ft 热流率heat flow, 热流密度heat flux, 生热速率heat generator,对流传热convection 2、为一个工业用烟囱的截面图，烟囱所用材料为混凝土，其热 导率?=1.4W/（m·K）。假设烟囱内表面的温度恒定为100℃， 外表面暴露在温度为30℃的大气中。外表面与空气之间的对流 传热系数k=20W/（m2·K）。 60cm 20cm 100℃ Tf=30℃ h=20W/(m2·K) 作业 用ANSYS有限元软件分析6061Al/SiC层合复合材料的温度场。其结构示意图及尺寸见下图。材料性能数据见表。初始和边界条件 为：对称面的温度分布为0?C，外表面为40?C。求其温度场分布。 SiC 6061Al 对称面 x y z 1/4模型 34 9.5 8.5 8.5 表：材料性能数据表 材料 类型 T （?C） E (GPa) ? ?y (MPa) ET (GPa) ? (10-6/?C) K (W/(m??C)) 6061Al 205 70 0.345 119 1.14 26.5 117.4 20 126 1.34 23 -20 139 1.40 22 -60 157 1.49 20.5 -112 169 1.62 18 -196 177 1.95 9.5 SiC All temp 442 0.19 elastic elasitc 3.3 33 Select Entities-Elements-by attributes-Materials num-1-Ok-Plot-Elements-Plot results-Contour plots-Nodes solutions -DOF 二、结构、力学有限元求解 1、新型纤维增强热塑性复合材料Gr/PEEK（石墨纤维增强聚醚醚酮复合材料）由于其比重低、高工作温度和优越的断裂韧性，在航空航天领域中具有重要的应用。下图是Gr/PEEK[0/45-45/90]2s复合材料层合板模型，该模型有8层，各层厚度为h=0.1275mm，总厚度为H=1.02mm，长度为2a=3.5mm，宽度为2b=3.5mm，且在y轴方向受外载荷?0=1?10-2。试对该层合板的层间应力和位移分布规律进行分析。 2a 2b H y x z ?0 ?0 z y x 热应力分析步骤 （1）在结构应力分析中直接定义节点的温度。如果所有节点温度已知，则直接定义温度，节点温度在应力分析中作为体载荷，而不是节点自由度。 （2）间接法。首先进行热分析，然后将求得的节点温度作为体载荷施加在结构应力分析中。 （3）直接法。使用具有温度和位移自由度的耦合单元，同时得到热分析和结构应力分析的结果。 三、热应力的有限元求解 1、管道及冷却栅的材料均为不锈钢，导热系数为1.25 Btu/h?in??F，弹性模量为28e6 1bf/in2，热膨胀系数为0.9e10-5 ?F-1，泊松比为0.3，管内压力为1000 1bf/in2，管内流体温度为450 ?F，对流系数为1 Btu/h?in??F，外界流体温度70 ?F，对流系数为0.25 Btu/h?in??F，求解温度及应力分布。 流体 空气 2 5 6 0.25 1 1 2 3 4 5 6 7 8 空气 空气 12 作业 设计、芯片制造、封装是集成电路3大支柱。试采用ANSYS有限元软件分析方形扁平电子封装器件QFP，在循环温度载荷作用下的热应力。其结构示意图如图所示，材料参数及特性见表。 芯片 FR-4板 引线铜 60Sn40Pb焊料 表：QFP组件材料参数 材料名