2内蒙古包钢钢联股份有限公司炼铁厂 内蒙古包头市 014010）
摘要：热应力问题的求解，在当代工程技术领域中起到越来越重要的作用，如内燃机、蒸汽轮机、燃气轮机，以及核动力工程等主要设备部件的设计中，热应力是必须考虑的因素。随着计算机技术的高速发展和现代有限元理论的长足进步，使得应用有限元技术处理热应力问题变得直观且便捷。
关键词：热应力；Solidworks；有限元分析
引言：有限元法，也称有限单元法，是当今工程分析中获得最广泛的数值计算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。伴随着计算机科学技术的飞速发展，现在已经成为计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）的重要组成部分。它的基本思想是将表示结构或连续体的求解域离散为一组有限的子域，并且通过它们边界上的节点相互联结成一个组合体。ANSYS 软件是一个基于有限元法上的，融结构、流体、电场、磁场和声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，并能与多数CAD 软件接口，实现数据的共享与交换，如Pro/Engineer、NASTRAN、SolidWorks 等，是目前最常用现代有限元分析工具之一。文中利用SolidWorks 建立活塞模型，导入ANSYS 中进行有限元分析，旨在通过活塞热应力问题的分析，为活塞以后的优化设计打下良好基础。
1 热应力
热应力是指，温度改变时，物体由于外在约束以及内部各部分之间的相互约束，使其不能完全自由胀缩而产生的应力。求解热应力，既要确定温度场，又要确定位移、应变和应力场。与时间无关的温度场称定常温度场，它引起定常热应力；随时间变化的温度场叫非定常温度场，它引起非定常热应力。通常，热应力的求解步骤如下：（1）由热传导方程和边界条件（求非定常温度场还需初始条件）求出温度分布；（2）再由热弹性力学方程求出位移和应力。热应力是由于物体内同一点的温度发生变化而引起的应力。产生热应力应该具备两个条件：其一，物体内必须有温度变化（即前后两个瞬时同一点的温度之差（T=T2-T1）；其二，物体受热后不能自由伸张。若是可以自由伸张，即使由于热胀而变形，却不会产生热应力。但大多数物体都有外部约束，即使没有外部约束也会由于物体内部各点温度不同，变形不均而产生内部约束从而产生热应力。
2 SolidWorks 软件介绍
SolidWorks 是一套基于Window s 的CAD/CA E/CAM/PDM 桌面集成系统，是由美国Solid-Works 公司在总结和继承了大型机械CAD 软件的基础上，在Windows 环境下实现的第一个机械CAD 软件，随着SolidWorks 版本的不断提高、性能的不断增强以及功能的不断完善，SolidWorks 已经完全能满足现代企业机械设计的要求，并已广泛应用于机械设计和机械制造的各个行业，它主要包括机械零件设计、装配设计、动画和渲染、有限元高级分析技术和钣金制作等模块，功能强大，完全满足机械设计的需求。
3 SolidWorks软件的应用
3.1 机械零件设计
So lidWo rks 软件具有专门的机械零件设计模块，根据不同零件的特点，选择不同的零件设计方法，设计方便、简单易学。具体主要有标准工具栏、视图工具栏、草图工具栏、特征工具栏、焊接工具栏、模具工具栏、曲面工具栏、钣金工具栏和工程图工具栏等，各个工具栏中又包含各自相应的具体命令，设计者可自由选择相应的设计工具和命令，采用最合适的设计方法，直观、方便、高效、快捷地完成各种零件的设计，同时，由于SolidWorks 软件采用参数化设计思路，各工具栏命令之间具有相应的设计关联性，对零件的设计修改具有快捷、准确、可靠的特点，对零件的尺寸修改和相似零件的结构设计具有独到的技术优势。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在零件设计模块中所做的更改可以自动、快速、准确地反应到装配、工程图等相应关联模块中去，同样，在装配模型和工程图样中，由于零件所做的更改可以自动地反应到相应需要更改的零件上去，而无需再像二维CAD 图那样，更改零件后必须同时在装配图中作相应的改动，否则，将会出现遗忘和漏改等低级错误。所以应用So lidWorks软件，设计人员可以将精力主要集中在方案结构的设计上，为方案的设计和修改提供了极大地方便，有利于设计人员设计出结构先进、安全可靠的零件结构。SolidWorks 拥有专用于钣金零件设计的模块，便于设计人员进行钣金零件的折弯、展开、冲孔、切口和百叶窗等结构的设计，极大地方便了设计人员对钣金零件设计的需要。
3.2 SolidWorks有限元分析技术介绍
SolidWorks 软件不仅具有强大的三维造型功能，而且具有强大的有限元高级分析功能，其分析模块与SolidWorks 软件无缝集成。主要包括分析工具COSMOSXpress、工程用有限元分析模块COSMOSWorks、虚拟样机及运动仿真COSMOSMotion 以及流体流动和热分析模块COSMOSFloWorks 等。分析工具COSMOSXpress 是一个用于分析零件在受到外部载荷（力或压力）的情况下，零件的安全系数大小、零件的应力分布云图和零件的变形云图状况。安全系数反映了零件材料的力学属性，是零件在此外部载荷下的安全性能指标；零件的应力分布云图和零件的变形云图是零件在该载荷作用下内部应力及变形的分布状态，可以通过“播放”按钮，以动画的形式播放零件的应力和变形的分布情况，形象地再现零件应力和变形的动态分布以及运动情况，分析的结果可以用各种形式予以保存，便于设计者随时查看。工程用有限元分析模块COSMOSWorks 为设计工程师在SolidWorks 的环境下提供了比较完整的分析手段。凭借先进的快速有限元技术，工程师能非常迅速地实现对大规模的复杂设计进行分析和验证，并且获得修正和优化设计所需的必要信息。COSMOSWorks的基本模块可以对零件或装配体进行静力学分析、固有频率和模态分析、失稳分析和热应力分析、疲劳分析、非线性分析、间隙/接触分析和优化设计分析等。
静力学分析—研究零件在只受静力情况下零件的应力、应变分布。
固有频率和模态分析—确定零件或装配的造型与其固有频率的关系，在需要共振效果的场合，以获得最佳设计效果。
失稳分析—研究当压应力没有超出材料的屈服极限时，薄壁结构件（如细长管壁件）发生的失稳情况。
热应力分析—在存在温度梯度情况下，零件热应力分布情况，以研究热量在零件和装配中的传播。
疲劳分析—预测疲劳对产品生命周期的影响，确定可能发生疲劳破坏的区域。
非线性分析—用于分析橡胶类、塑料类零件或装配体的行为，还用于金属结构在达到屈服极限后的力学行为。也可用于考虑零件的大扭转和大变形的情况。
间隙/接触分析—在特定载荷下，2 个或更多运动零件相互作用，如：在传动链或其他机械系统中，在接触间隙未知的情况下，分析应力分布和载荷的传递情况。
优化设计分析—在保证零件满足其性能指标的前提下，自动定义最小体积的设计。
4 结语
随着SolidWorks 软件的不断完善与发展，它的优势必然被更多的机械设计者所发现，成为更多机械设计者首选的机械设计软件，成为未来机械设计软件的主流产品
参考文献：
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[3]倪栋，段进. ANSYS10. 0 基础教程与实例详解[M]. 北京：中国水利水电出版社，2004：3- 4.
论文作者:薄少军1,李晓华2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第28期
论文发表时间:2019/3/12
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