ANSYS非穩(wěn)態(tài)熱分析及實(shí)例詳解解析

1、第 7 章 非穩(wěn)態(tài)熱分析及實(shí)例詳解本章向讀者介紹非穩(wěn)態(tài)熱分析的基本知識(shí)，主要包括非穩(wěn)態(tài)熱分析的應(yīng)用、非穩(wěn)態(tài)熱分析單元、非穩(wěn)態(tài)熱分析的基本步驟。本章要點(diǎn)& 非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的基本概念& 非穩(wěn)態(tài)熱分析的應(yīng)用& 非穩(wěn)態(tài)熱分析單元& 分析的基本步驟本章案例 & 鋼球非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程分析& 不同材料金屬塊水中冷卻的非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程分析& 高溫銅導(dǎo)線冷卻過(guò)程分析7.1 非穩(wěn)態(tài)熱分析概述物體的溫度隨時(shí)間而變化的導(dǎo)熱過(guò)程稱為非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。根據(jù)物體溫度隨著時(shí)間的推移而變化的特性可以區(qū)分為兩類非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：物體的溫度隨時(shí)間的推移逐漸趨于恒定的值以及物體的溫度隨時(shí)間而作周期

2、性的變化。無(wú)論在自然界還是工程實(shí)際問(wèn)題中，絕大多數(shù)傳熱過(guò)程都是非穩(wěn)態(tài)的。許多工程實(shí)際問(wèn)題需要確定物體內(nèi)部的溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化，或確定其內(nèi)部溫度達(dá)到某一限定值所需要的時(shí)間。例如：在機(jī)器啟動(dòng)、停機(jī)及變動(dòng)工況時(shí)，急劇的溫度變化會(huì)使部件因熱應(yīng)力而破壞，因此需要確定物體內(nèi)部的瞬時(shí)溫度場(chǎng)；鋼制工件的熱處理是一個(gè)典型的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程，掌握工件中溫度變化的速率是控制工件熱處理質(zhì)量的重要因素。再例如，金屬在加熱爐內(nèi)加熱時(shí)，需要確定它在加熱爐內(nèi)停留的時(shí)間，以保證達(dá)到規(guī)定的中心溫度?？梢?jiàn)，非穩(wěn)態(tài)熱分析是有相當(dāng)大的應(yīng)用價(jià)值的。ANSYS 11.0及其相關(guān)的下屬產(chǎn)品均支持非穩(wěn)態(tài)的熱分析。非穩(wěn)態(tài)熱分析確定了溫度以及其它隨

3、時(shí)間變化的熱參數(shù)。7.1.1 非穩(wěn)態(tài)熱分析特性瞬態(tài)熱分析用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)的隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)及其它熱參數(shù)。在工程上一般用瞬態(tài)熱分析計(jì)算溫度場(chǎng)，并將之作為熱載荷進(jìn)行應(yīng)力分析。瞬態(tài)熱分析的基本步驟與穩(wěn)態(tài)熱分析類似。主要的區(qū)別是瞬態(tài)熱分析中的載荷是隨時(shí)間變化的。為了表達(dá)隨時(shí)間變化的載荷，首先必須將載荷-時(shí)間曲線分為載荷步。對(duì)于每一個(gè)載荷步，必須定義載荷值及時(shí)間值，同時(shí)必須選擇載荷步為漸變或階越。 非穩(wěn)態(tài)熱分析的控制方程熱儲(chǔ)存項(xiàng)的計(jì)入將穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)變?yōu)榉欠€(wěn)態(tài)系統(tǒng)，計(jì)入熱儲(chǔ)存項(xiàng)的控制方程的矩陣形式如下：其中，為熱儲(chǔ)存項(xiàng)。在非穩(wěn)態(tài)分析時(shí)，載荷是和時(shí)間有關(guān)的函數(shù)，因此控制方程可表示如下：若分析為分線性，則各參數(shù)

4、除了和時(shí)間有關(guān)外，還和溫度有關(guān)。非線性的控制方程可表示如下： 時(shí)間積分與時(shí)間步長(zhǎng)1、時(shí)間積分從求解方法上來(lái)看，穩(wěn)態(tài)分析和非穩(wěn)態(tài)分析之間的差別就是時(shí)間積分。利用ANSYS 11.0分析問(wèn)題時(shí)，只要在后續(xù)載荷步中將時(shí)間積分效果打開(kāi)，穩(wěn)態(tài)分析即轉(zhuǎn)變?yōu)榉欠€(wěn)態(tài)分析；同樣，只要在后續(xù)載荷步中將時(shí)間積分關(guān)閉，非穩(wěn)態(tài)分析也可轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)分析。2、時(shí)間步長(zhǎng)兩次求解之間的時(shí)間稱為時(shí)間步，一般來(lái)說(shuō)，時(shí)間步越小，計(jì)算結(jié)果越精確。確定時(shí)間步長(zhǎng)的方法有兩種：（1）指定裕度較大的初始時(shí)間步長(zhǎng)，然后使用自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)增加時(shí)間步。（2）大致估計(jì)初始時(shí)間步長(zhǎng)。在非穩(wěn)態(tài)熱分析中估計(jì)初始時(shí)間步長(zhǎng)，可以使用Biot數(shù)和Fourier數(shù)。B

5、iot數(shù)是不考慮尺寸的熱阻對(duì)流和傳導(dǎo)比例因子，其定義為：式中：名義單元寬度； 平均表面換熱系數(shù)； 平均導(dǎo)熱系數(shù)。Fourier數(shù)是不考慮尺寸的時(shí)間（），其定義為：式中：平均密度； 比熱容；如果，可將Fourier數(shù)設(shè)為常數(shù)并求解來(lái)預(yù)測(cè)時(shí)間步長(zhǎng)：式中：熱耗散。如果，時(shí)間步長(zhǎng)可應(yīng)用Fourier數(shù)和Biot數(shù)的乘積預(yù)測(cè)：求解得到：其中，時(shí)間步長(zhǎng)的預(yù)測(cè)精度隨單元寬度的取值、平均的方法、比例因子的變化而變化。 數(shù)值求解過(guò)程當(dāng)前溫度矢量假設(shè)為已知，可以是初始溫度或由前面的求解得到的。定義下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度矢量為：其中稱為歐拉參數(shù)，默認(rèn)為1，下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度為：由上面兩式可得：其中歐拉參數(shù)的數(shù)值在0.5

6、1之間。在這個(gè)范圍內(nèi)，時(shí)間積分算法是不明顯而且是不穩(wěn)定的。因此，ANSYS 11.0總是忽略時(shí)間積分步的幅值來(lái)計(jì)算。但是，這樣的計(jì)算結(jié)果并不總是準(zhǔn)確的。下面是選擇積分參數(shù)的一些建議：當(dāng)=0.5時(shí)，時(shí)間積分方法采用“Crank-Nicolson”技術(shù)。本設(shè)置對(duì)于絕大多數(shù)熱瞬態(tài)問(wèn)題都是精確有效的。當(dāng)=1時(shí)，時(shí)間積分方法采用“Backward Euler”技術(shù)。這是缺省的和最穩(wěn)定的設(shè)置，因?yàn)樗丝赡軒?lái)嚴(yán)重非線性或高階單元的非正常振動(dòng)。 本技術(shù)一般需要相對(duì)Crank-Nicolson較小的時(shí)間積分步得到精確的結(jié)果。7.2 非穩(wěn)態(tài)熱分析單元 非穩(wěn)態(tài)熱分析和穩(wěn)態(tài)熱分析使用的分析單元相同，具體請(qǐng)讀者參

7、見(jiàn)本書第6章。7.3 非穩(wěn)態(tài)熱分析基本步驟 非穩(wěn)態(tài)熱分析的基本步驟主要包括：建模、加載求解和后處理。下面分別對(duì)這三個(gè)基本步驟進(jìn)行具體的闡述。 建立有限元模型就這一步驟而言，并沒(méi)有穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)之分，可參照穩(wěn)態(tài)分析的建模方法進(jìn)行。因此，在這里不在贅述。 加載求解1、定義分析類型如果第一次進(jìn)行分析或重新進(jìn)行分析，操作步驟如下：Command: ANTYPE,TRANSIENT,NEWGUI：Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis>Transient如果接著上次的分析繼續(xù)進(jìn)行（例如增加其它載荷），操作步驟如下：Command:

8、 ANTYPE,TRANSIENT,RESTGUI：Main Menu>Solution>Analysis Type>Restart2、獲得非穩(wěn)態(tài)熱分析的初始條件（1）定義均勻溫度場(chǎng)如果已知模型的起始溫度是均勻的，可設(shè)定所有節(jié)點(diǎn)初始溫度，操作步驟如下：Command: TUNIFGUI: Main Menu>Solution>Loads>Settings>Uniform Temp如果不在對(duì)話框中輸入數(shù)據(jù)，則默認(rèn)為參考溫度，參考溫度的值默認(rèn)為零，但可通過(guò)如下方法設(shè)定參考溫度：Command: TREFGUI: Main Menu>Solution&

9、gt;Loads>Settings>Reference Temp注意：設(shè)定均勻的初始溫度，與如下的設(shè)定節(jié)點(diǎn)的溫度（自由度）不同，設(shè)定節(jié)點(diǎn)溫度的操作步驟如下：Command: DGUI: Main Menu>Solution>Loads>Apply>Thermal>Temperature>On Nodes初始均勻溫度僅對(duì)分析的第一個(gè)子步有效；而設(shè)定節(jié)點(diǎn)溫度將保持貫穿整個(gè)瞬態(tài)分析過(guò)程，除非通過(guò)下列方法刪除此約束：Command: DDELEGUI: Main Menu>Solution>Loads>Delete>Thermal

10、>Temperature>On Nodes（2）設(shè)定非均勻的初始溫度在瞬態(tài)熱分析中，節(jié)點(diǎn)溫度可以設(shè)定為不同的值，操作步驟如下：Command: CGUI: Main Menu>Solution>Loads>Apply>Initial Condit'n>Define如果初始溫度場(chǎng)是不均勻的且又是未知的，就必須首先作穩(wěn)態(tài)熱分析確定初始條件，步驟如下：·設(shè)定載荷（如已知的溫度、熱對(duì)流等）·將時(shí)間積分設(shè)置為OFF：Command: TIMINT, OFFGUI: Main Menu>Preprocessor>Loads&

11、gt;Load Step Opts>Time/Frequenc>Time Integration·設(shè)定一個(gè)只有一個(gè)子步的，時(shí)間很小的載荷步（例如0.001）：Command: TIMEGUI: Main Menu>Preprocessor>Loads>Load Step Opts>Time/Frequenc>Time and Substps·寫入載荷步文件：Command: LSWRITEGUI: Main Menu>Preprocessor>Loads>Write LS File或先求解：Command: SOL

12、VEGUI: Main Menu>Solution>Solve>Current LS3、設(shè)定載荷步選項(xiàng)（1）普通選項(xiàng)·設(shè)置時(shí)間和時(shí)間步步，操作如下：Command: TIMEGUI: Main Menu>Solution>Load Step Opts>Time/Frequenc>Time-Time Step·設(shè)置每個(gè)載荷步的載荷子步數(shù)，或時(shí)間增量Command: NSUBST or DELTIMGUI: Main Menu>Solution>Load Step Opts>Time/Frequenc>Time

13、and Substps（2）非線性選項(xiàng)·設(shè)置迭代次數(shù)：（每個(gè)子步默認(rèn)的次數(shù)為25，這對(duì)大多數(shù)非線性熱分析已經(jīng)足夠）Command: NEQITGUI: Main Menu>Solution>Load step opts>Nonlinear>Equilibrium Iter·自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)：（本選項(xiàng)為ON時(shí)，在求解過(guò)程中將自動(dòng)調(diào)整時(shí)間步長(zhǎng)）Command: AUTOTSGUI: Main Menu>Solution>Load Step Opts>Time/Frequenc>Time and Substps·時(shí)間積分效果：

14、（如果將此選項(xiàng)設(shè)定為OFF，將進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析）Command: TIMINTGUI: Main Menu>Solution>Load Step Opts>Time/Frequenc>Time Integration（3）輸出選項(xiàng)·控制打印輸出：（本選項(xiàng)可將任何結(jié)果數(shù)據(jù)輸出到*.out 文件中）Command: OUTPRGUI: Main Menu>Solution>Load Step Opts>Output Ctrls>Solu Printout·控制結(jié)果文件：（控制*.rth的內(nèi)容）Command: OUTRES GUI:

15、 Main Menu>Solution>Load Step Opts>Output Ctrls>DB/Results File（4）存盤求解 后處理ANSYS提供兩種后處理方式：·POST1，可以對(duì)整個(gè)模型在某一載荷步（時(shí)間點(diǎn)）的結(jié)果進(jìn)行后處理；Command: POST1GUI: Main Menu>General Postproc.·POST26，可以對(duì)模型中特定點(diǎn)在所有載荷步（整個(gè)瞬態(tài)過(guò)程）的結(jié)果進(jìn)行后處理。Command: POST26GUI: Main Menu>TimeHist Postproc1、用POST1進(jìn)行后處理

16、83;進(jìn)入POST1后，可以讀出某一時(shí)間點(diǎn)的結(jié)果：Command: SETGUI: Main Menu>General Postproc>Read Results>By Time/Freq如果設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)不在任何一個(gè)子步的時(shí)間點(diǎn)上，ANSYS會(huì)進(jìn)行線性插值。·此外還可以讀出某一載荷步的結(jié)果：GUI: Main Menu>General Postproc>Read Results>By Load Step然后就可以采用與穩(wěn)態(tài)熱分析類似的方法，對(duì)結(jié)果進(jìn)行彩色云圖顯示、矢量圖顯示、打印列表等后處理。2、用POST26進(jìn)行后處理·首先要定義變量：

17、Command: NSOL or ESOL or RFORCEGUI: Main Menu>TimeHist Postproc>Define Variables·然后就可以繪制這些變量隨時(shí)間變化的曲線：Command: PLVARGUI: Main Menu>TimeHist Postproc>Graph Variables或列表輸出：Command: PRVARGUI: Main Menu>TimeHist Postproc>List Variables此外，POST26還提供許多其它功能，如對(duì)變量進(jìn)行數(shù)學(xué)操作等，請(qǐng)參閱ANSYS Basic A

18、nalysis Procedures Guide實(shí)例71：鋼球非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程分析一個(gè)直徑為12cm，溫度為1000的鋼制小球突然被放入了盛滿了水的、完全絕熱的橫截面直徑和高度均為60cm的圓柱體水槽內(nèi)（鋼球放在水槽的正中央），水的溫度為18，材料參數(shù)表如表7.1所示。試求10分鐘后鋼球與水的溫度場(chǎng)分布。表7.1 物性參數(shù)表熱性能單位制鐵水導(dǎo)熱系數(shù)W/m700.60密度Kg/m378001000比熱J/kg4484200該問(wèn)題是典型的瞬態(tài)傳熱問(wèn)題，研究對(duì)象為鋼球和水。由于對(duì)稱性，在求解過(guò)程中取鋼球和水中心縱截面的1/4建立幾何模型，如圖7-1所示。本例選取PLANE55軸對(duì)稱單元進(jìn)行求解。圖7-

19、1 幾何模型附帶光盤“Ch7實(shí)例71_start” 附帶光盤“Ch7實(shí)例71_end”附帶光盤“AVICh771.avi”1、定義工作文件名選擇Utility Menu>File>Change Jobname，彈出Change Jobname對(duì)話框。在對(duì)話框中將工作名改為example7-1，單擊OK關(guān)閉該對(duì)話框。選擇Main Menu>Preferences，彈出Preferences for GUI Filtering對(duì)話框，選中Thermal復(fù)選框，然后單擊Ok按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。2、定義單元類型選擇Main Menu>Preprocessor>Element

20、 Type>Add/Edit/Delete，彈出Element Type對(duì)話框，單擊Add按鈕，彈出Library of Element Types對(duì)話框。在Library of Element Types對(duì)話框的兩個(gè)列表框中分別選擇Thermal Solid、Quad 4node 55選項(xiàng)，如圖7-2所示。單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。圖7-2 單元類型列表對(duì)話框單擊Element Type對(duì)話框中的Options按鈕，彈出PLANE55 element type options對(duì)話框，在Element behavior K3下拉列表框中選擇Axisymmetric選項(xiàng)，其余選項(xiàng)均采用默認(rèn)

21、設(shè)置，如圖7-3所示，單擊OK關(guān)閉該對(duì)話框。單擊Element Type對(duì)話框中的Close按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。圖7-3 PLANE55單元屬性設(shè)置對(duì)話框3、定義材料性能參數(shù)1、選擇Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Model，彈出Define Material Model Behavior對(duì)話框，如圖7-4所示。2、在Material Models Available列表中依次雙擊Thermal、Conductivity、Isotropic選項(xiàng)，彈出Conductivity for Material Number1對(duì)

22、話框，在文本框中輸入鋼的導(dǎo)熱系數(shù)70，如圖7-5所示，點(diǎn)擊OK關(guān)閉對(duì)話框。3、雙擊Define Material Model Behavior對(duì)話框上的Specific Heat按鈕，彈出Specific Heat for Material Number1對(duì)話框，在文本框中輸入鋼的比熱448，如圖7-6所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。4、雙擊Define Material Model Behavior對(duì)話框上的Density按鈕，彈出Density for Material Number1對(duì)話框，在文本框中輸入鋼的密度7800，如圖7-7所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。圖7-4 定義材料屬性對(duì)

23、話框 圖7-5 定義材料導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)話框圖7-6 定義材料比熱對(duì)話框 圖7-7 定義材料密度對(duì)話框5、定義水的材料屬性：在Define Material Model Behavior對(duì)話框中選擇Material>New Model，彈出Define Material ID對(duì)話框，在文本框中輸入材料參數(shù)號(hào)2，如圖7-8所示單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。圖7-8 定義材料編號(hào)對(duì)話框6、在Material Models Available列表中依次雙擊Thermal、Conductivity、Isotropic選項(xiàng)，彈出Conductivity for Material Number2對(duì)話框，在文本

24、框中輸入水的導(dǎo)熱系數(shù)0.6，點(diǎn)擊OK關(guān)閉對(duì)話框。7、雙擊Define Material Model Behavior對(duì)話框上的Specific Heat按鈕，彈出Specific Heat for Material Number2對(duì)話框，在文本框中輸入水的比熱4200，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。8、雙擊Define Material Model Behavior對(duì)話框上的Density按鈕，彈出Density for Material Number2對(duì)話框，在文本框中輸入水的密度1000，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。關(guān)閉Define Material Model Behavior對(duì)話框。4、創(chuàng)建

25、幾何模型1、選擇Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>By Dimensions，彈出Create Rectangle by Dimensions對(duì)話框，如圖7-9所示，在X1、X2文本框中分別輸入0、0.3，在Y1、Y2文本框中分別輸入0、0.3，然后單擊OK按鈕確認(rèn)設(shè)置。2、選擇Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>By Dimensions，彈出Circular Areas by

26、Dimensions對(duì)話框。參照?qǐng)D7-10對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，然后單擊OK確認(rèn)設(shè)置。圖7-9 創(chuàng)建矩形面對(duì)話框 圖7-10 創(chuàng)建圓面對(duì)話框3、選擇Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Overlap>Areas，彈出Overlap Areas對(duì)話框。單擊Pick All按鈕選取所有的面。4、選擇Main Menu>Preprocessor>Numbering Ctrls>Compress Numbers，彈出Compress Numbers對(duì)話框。在Label Item to be co

27、mpressed下拉列表框中選擇All選項(xiàng)，單擊OK按鈕確認(rèn)設(shè)置。5、選擇Utility Menu>PlotCtrls>Numbering，彈出Plot Numbering Controls對(duì)話框，選擇LINE選項(xiàng)，使其狀態(tài)從Off變?yōu)镺n，其余選項(xiàng)均采用默認(rèn)設(shè)置，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。完成上述操作后，生成的幾何模型如圖7-11所示。圖7-11 生成的幾何模型5、劃分有限元網(wǎng)格1、選擇Utility Menu>Plot>Lines。2、選擇Main Menu>Preprocessor>Meshing>Size Cntrls>ManualSiz

28、e>Lines>Picked Lines，彈出Element Size on菜單，在文本框中輸入4，5，單擊OK按鈕，彈出Element Size on Picked Lines對(duì)話框，在NDIV文本框中輸入劃分的網(wǎng)格單元個(gè)數(shù)30，在SPACE文本框中輸入0.1，如圖7-12所示，單擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。3、選擇Main Menu>Preprocessor>Meshing>Size Cntrls>ManualSize>Lines>Picked Lines，彈出Element Size on菜單，在文本框中輸入6，7，單擊OK按鈕，彈出Elemen

29、t Size on Picked Lines對(duì)話框，在NDIV文本框中輸入劃分的網(wǎng)格單元個(gè)數(shù)32，在SPACE文本框中輸入0.1，單擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。4、選擇Main Menu>Preprocessor>Meshing>Size Cntrls>ManualSize>Lines>Picked Lines，彈出Element Size on菜單，在文本框中輸入3，單擊OK按鈕，彈出Element Size on Picked Lines對(duì)話框，在NDIV文本框中輸入劃分的網(wǎng)格單元個(gè)數(shù)30，單擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。選擇Utility Menu>Selec

30、t>Everything。圖7-12 設(shè)置單元個(gè)數(shù)對(duì)話框5、選擇Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Volumes>Mapped>Concatenate>Lines，彈出Concatenate Lines菜單，在文本框中輸入2，1，單擊OK按鈕關(guān)閉該菜單。6、選擇Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh Attributes>Default Attribs，彈出Meshing Attributes對(duì)話框，在MAT下拉列表中選擇1，如圖7-13所示，單擊OK按

31、鈕關(guān)閉該對(duì)話框。圖7-13 網(wǎng)格劃分屬性設(shè)置對(duì)話框7、選擇Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh Tool，彈出Mesh Tool菜單，在Shape選項(xiàng)組中選中Quad和Mapped單選按鈕，單擊Mesh按鈕，彈出Mesh Areas菜單，在文本框中輸入1，單擊OK關(guān)閉該對(duì)話框。鋼球部分網(wǎng)格如圖7-14所示。選擇Utility Menu>Select>Everything。8、選擇Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh Attributes>Default Attribs，彈出

32、Meshing Attributes對(duì)話框，在MAT下拉列表中選擇2，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。9、選擇Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh Tool，彈出Mesh Tool菜單，單擊Mesh按鈕，彈出Mesh Areas菜單，在文本框中輸入2，單擊OK關(guān)閉該對(duì)話框。10、選擇Utility Menu>Plot>Element，整體網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖7-15所示。圖7-14 鋼球模型網(wǎng)格劃分 圖7-15 整體網(wǎng)格劃分6、加載求解1、選擇Main Menu>Solution>Analysis Type>New Ana

33、lysis，彈出New Analysis對(duì)話框。選擇分析類型為Transient，如圖7-16所示，單擊OK按鈕，彈出Transient Analysis對(duì)話框，在TRNOPT選項(xiàng)組中選中Full單選按鈕，如圖7-16所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。選擇Utility Menu>Select>Everything。圖7-16 定義求解類型對(duì)話框 圖7-17 非穩(wěn)態(tài)分析選項(xiàng)設(shè)置對(duì)話框2、選擇Main Menu>Solution>Load Step Opts>Time/Frequenc>Time-Time Step，彈出Time and Time Step Op

34、tions對(duì)話框，參照?qǐng)D7-18進(jìn)行設(shè)置，然后單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。圖7-18 時(shí)間和時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置對(duì)話框3、選擇Main Menu>Solution>Load Step Opts>Time/Frequenc>Time Integration>Amplitude Decay，彈出Time Integration Controls對(duì)話框，參照?qǐng)D7-19進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完畢后單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。圖7-19 時(shí)間積分控制對(duì)話框4、選擇Utility Menu>Select>Entities，彈出Select Entities對(duì)話框。在第1個(gè)下拉列表框中

35、選擇Elements選項(xiàng)，在第2個(gè)下拉列表框中選擇By Attributes選項(xiàng)，在第3個(gè)選項(xiàng)組中選擇Material num單選按鈕，在文本框中輸入1，如圖7-20所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。5、選擇Utility Menu>Select>Entities，彈出Select Entities對(duì)話框。在第1個(gè)下拉列表框中選擇Nodes選項(xiàng)，在第2個(gè)下拉列表框中選擇Attached to選項(xiàng)，在第3個(gè)選項(xiàng)組中選擇Elements單選按鈕，如圖7-21所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。圖7-20 單元選擇對(duì)話框 圖7-21 節(jié)點(diǎn)選擇對(duì)話框6、選擇Main Menu>Soluti

36、on>Define Loads>Apply>Thermal>Temperature>On Nodes，彈出Apply TEMP on Nodes菜單，單擊Pick All按鈕，彈出Apply TEMP on Nodes對(duì)話框。在Lab2列表框中選擇TEMP選項(xiàng)，在文本框中輸入1000，如圖7-22所示。單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。選擇Utility Menu>Select>Everything。圖7-22 施加溫度載荷對(duì)話框7、選擇Utility Menu>Select>Entities，彈出Select Entities對(duì)話框。在第1個(gè)下拉

37、列表框中選擇Elements選項(xiàng)，在第2個(gè)下拉列表框中選擇By Attributes選項(xiàng)，在第3個(gè)選項(xiàng)組中選擇Material num單選按鈕，在文本框中輸入2，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。8、選擇Utility Menu>Select>Entities，彈出Select Entities對(duì)話框。在第1個(gè)下拉列表框中選擇Nodes選項(xiàng)，在第2個(gè)下拉列表框中選擇Attached to選項(xiàng)，在第3個(gè)選項(xiàng)組中選擇Elements單選按鈕，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。9、選擇Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Thermal>

38、;Temperature>On Nodes，彈出Apply TEMP on Nodes菜單，單擊Pick All按鈕，彈出Apply TEMP on Nodes對(duì)話框。在Lab2列表框中選擇TEMP選項(xiàng)，在文本框中輸入18，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。 10、選擇Utility Menu>Select>Everything。選擇Main Menu>Solution>Solve>Current LS，彈出Solve Current Load Step對(duì)話框，單擊OK按鈕。ANSYS開(kāi)始求解計(jì)算。計(jì)算結(jié)束后，彈出Note對(duì)話框，單擊Close按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。11

39、、選擇Main Menu>Solution>Load Step Opts>Time/Frequence>Time Integration>Amplitude Decay，彈出Time Integration Controls對(duì)話框，將TIMINT設(shè)置為On，其余選項(xiàng)均采用默認(rèn)設(shè)置，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。12、選擇Main Menu>Solution>Analysis Type>Soln Controls，彈出Solution Controls對(duì)話框，選擇Basic選項(xiàng)卡，參照?qǐng)D7-23進(jìn)行設(shè)置，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。圖7-23 求解控制基

40、本選項(xiàng)設(shè)置對(duì)話框13、選擇Main Menu>Solution>Define Loads>Delete>Thermal>Temperature>On Nodes，彈出Delete TEMP on N菜單，單擊Pick All按鈕，彈出Delete Node Constraints對(duì)話框。在下拉列表框中選擇TEMP選項(xiàng)，如圖7-24，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。圖7-24 刪除節(jié)點(diǎn)參數(shù)對(duì)話框6、選擇Utility Menu>Select>Everything。選擇Utility Menu>file>Save as命令,彈出Save Dta

41、base對(duì)話框,在Save Dtabase to文本框中輸入71_start.db, 保存上述操作過(guò)程，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。7、選擇Main Menu>Solution>Solve>Current LS，出現(xiàn)Solve Current Load Step對(duì)話框，同時(shí)出現(xiàn)/STAT Command窗口，仔細(xì)閱讀/STAT Command窗口中的內(nèi)容，然后點(diǎn)擊Close按鈕，關(guān)閉/STAT Command窗口。點(diǎn)擊Solve Current Load Step對(duì)話框中的OK按鈕，ANSYS開(kāi)始求解計(jì)算。求解結(jié)束后，ANSYS顯示窗口出現(xiàn)Note提示框，單擊Close按鈕關(guān)閉

42、該對(duì)話框。8、選擇Utility Menu>file>Save as命令,彈出Save Dtabase對(duì)話框,在Save Dtabase to文本框中輸入71_end.db, 保存求解結(jié)果，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。7、后處理 1、選擇Main Menu>General Postproc>Read Results>Last Set。2、選擇Utility Menu>Select>Entities，彈出Select Entities對(duì)話框。在第1個(gè)下拉列表框中選擇Elements選項(xiàng)，在第2個(gè)下拉列表框中選擇By Attributes選項(xiàng)，在第3個(gè)選項(xiàng)組

43、中選擇Material num單選按鈕，在文本框中輸入1，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。3、選擇Utility Menu>Select>Entities，彈出Select Entities對(duì)話框。在第1個(gè)下拉列表框中選擇Nodes選項(xiàng)，在第2個(gè)下拉列表框中選擇Attached to選項(xiàng)，在第3個(gè)選項(xiàng)組中選擇Elements單選按鈕，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。4、選擇Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu，彈出Contour Nodal Solution Data對(duì)話框。選擇N

44、odal Solu>DOF Solution>Nodal Temperature，單擊OK按鈕，鋼球內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布如圖7-25所示。選擇Utility Menu>Select>Everything。圖7-25 鋼球內(nèi)部溫度場(chǎng)分布等值線云圖5、選擇Utility Menu>Select>Entities，彈出Select Entities對(duì)話框。在第1個(gè)下拉列表框中選擇Elements選項(xiàng)，在第2個(gè)下拉列表框中選擇By Attributes選項(xiàng)，在第3個(gè)選項(xiàng)組中選擇Material num單選按鈕，在文本框中輸入2，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。6、選擇Util

45、ity Menu>Select>Entities，彈出Select Entities對(duì)話框。在第1個(gè)下拉列表框中選擇Nodes選項(xiàng)，在第2個(gè)下拉列表框中選擇Attached to選項(xiàng)，在第3個(gè)選項(xiàng)組中選擇Elements單選按鈕，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。7、選擇Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu，彈出Contour Nodal Solution Data對(duì)話框。選擇Nodal Solu>DOF Solution>Nodal Temperature，單擊O

46、K按鈕，水內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布如圖7-26所示。圖7-26 水內(nèi)部溫度場(chǎng)分布等值線云圖8、選擇Utility Menu>PlotCtrls>Style>Graphs>Modify Axes，彈出Axes Modification for Graph Plots對(duì)話框，參照?qǐng)D7-27進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成后單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。圖7-27 坐標(biāo)設(shè)置對(duì)話框9、選擇Utility Menu>PlotCtrls>Style>Graphs>Modify Curves，彈出Curve Modification for Graph Plots對(duì)話框，在/GTHK下

47、拉列表框中選擇Triple選項(xiàng)，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。選擇Utility Menu>Select>Everything。10、選擇Main Menu>TimeHist Postpro>Define Variables，彈出Define Time-History Variables對(duì)話框，單擊Add按鈕，彈出Add Time-History Variable對(duì)話框，選中Nodal DOF Result單選按鈕，如圖7-28所示，單擊OK按鈕，彈出Define Nodal Data菜單，在文本框中輸入1，單擊OK按鈕，彈出Define Nodal Data對(duì)話框，參照?qǐng)D

48、7-29對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。單擊Define Time-History Varables對(duì)話框中的Close按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。圖7-28 添加時(shí)間歷程變量對(duì)話框 圖7-29 定義節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)話框11、選擇Main Menu>TimeHist Postpro>Graph Variables，彈出Graph Time-History Varable對(duì)話框，在NAVR1文本框中輸入2，如圖7-30所示，單擊OK按鈕，ANSYS顯示窗口將顯示將顯示球心溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線圖，如圖7-31所示。圖7-30 顯示時(shí)間歷程對(duì)話框 圖7-31 球心溫度隨時(shí)間變化曲線圖實(shí)例72

49、：不同材料金屬塊水中冷卻的非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程分析一個(gè)30公斤重、溫度為1000的銅塊,以及一個(gè)20公斤重、溫度為800的鐵塊，突然放入溫度為20、盛滿了300升水的、完全絕熱的水箱中，如圖7-32所示。試求：一個(gè)小時(shí)后，銅塊與鐵塊的溫度分布(假設(shè)忽略水的流動(dòng))。材料的物性參數(shù)如表7.2所示。表7.2 材料物性參數(shù)表熱性能單位制銅鐵水導(dǎo)熱系數(shù)W/m383700.6密度Kg/m3888978001000比熱J/k7-32 物理模型示意圖該問(wèn)題是典型的非穩(wěn)態(tài)傳熱問(wèn)題，研究對(duì)象為3個(gè)：銅塊、鐵塊和水。由于分析對(duì)象的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其橫截面積，因此只需對(duì)其橫截面進(jìn)行分析即可。本例選取P

50、LANE77單元進(jìn)行求解。附帶光盤“Ch7實(shí)例72_start” 附帶光盤“Ch7實(shí)例72_end”附帶光盤“AVICh772.avi”1、定義工作文件名選擇Utility Menu>File>Change Jobname，彈出Change Jobname對(duì)話框。在對(duì)話框中將工作名改為example7-2，單擊OK關(guān)閉該對(duì)話框。選擇Main Menu>Preferences，彈出Preferences for GUI Filtering對(duì)話框，選中Thermal復(fù)選框，然后單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。2、定義單元類型選擇Main Menu>Preprocessor>

51、Element Type>Add/Edit/Delete，彈出Element Type對(duì)話框，單擊Add按鈕，彈出Library of Element Types對(duì)話框。在兩個(gè)文本框中分別選擇Thermal Solid、8node 77,點(diǎn)擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。單擊Element Type對(duì)話框上的Close按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。3、創(chuàng)建幾何模型1、選擇Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>By Dimensions，彈出Create Rectangle by Dimensions對(duì)

52、話框，在X1、X2、Y1、Y2文本框中分別輸入0、0.6、0、0.5，如圖7-33所示。2、單擊Apply按鈕，在X1、X2、Y1、Y2文本框中分別輸入0.15、0.225、0.225、0.27，如圖7-34所示。3、單擊Apply按鈕，在X1、X2、Y1、Y2文本框中分別輸入、0.225、0.225+0.044，如圖7-35所示。然后單擊OK按鈕完成設(shè)置。圖7-33 建立長(zhǎng)方形對(duì)話框1 圖7-34 建立長(zhǎng)方形對(duì)話框2 圖7-35 建立長(zhǎng)方形對(duì)話框34、選擇Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Overl

53、ap>Areas，彈出Overlap Areas菜單，單擊Pick All按鈕。5、選擇Utility Menu>PlotCtrls>Numbering，彈出Plot Numbering Controls對(duì)話框，點(diǎn)選AREA復(fù)選框，使其狀態(tài)由Off變?yōu)镺n，然后單擊OK按鈕完成設(shè)置。6、選擇Main Menu>Preprocessor>Numbering Ctrls>Compress Numbers，彈出Compress Numbers對(duì)話框，在Label下拉列表框中選擇Areas選項(xiàng)，如圖7-36所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。圖7-36 壓縮編號(hào)對(duì)話框7

54、、選擇Utility Menu>Plot>Areas，完成后的平面幾何模型如圖7-37所示，圖7-37 幾何模型4、定義材料性能參數(shù)1、選擇Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models，彈出Define Material Model Behavior對(duì)話框。2、在Material Models Available列表框依次雙擊Thermal、Conductivity、Isotropic選項(xiàng)，彈出Conductivity for Material Number 1對(duì)話框，在KXX文本框中輸入銅的導(dǎo)熱系數(shù)3

55、83，如圖7-38所示，單擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。3、雙擊Specific Heat選項(xiàng)，彈出Specific Heat for Material Number 1對(duì)話框，在C文本框中輸入銅的比熱1390，如圖7-39所示，單擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。4、雙擊Density選項(xiàng)，彈出Density for Material Number 1對(duì)話框，在DENS文本框中輸入銅的密度8889，如圖7-40所示，單擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。圖7-38 定義導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)話框 圖7-39 定義比熱對(duì)話框圖7-40 定義密度對(duì)話框5、在Define Material Model Behavior對(duì)話框中單擊Materi

56、al>New Model，彈出Define Material ID對(duì)話框，在Define Material ID文本框中輸入2，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。6、在Material Models Available列表框依次雙擊Thermal、Conductivity、Isotropic選項(xiàng)，彈出Conductivity for Material Number 2對(duì)話框，在KXX文本框中輸入鐵的導(dǎo)熱系數(shù)70，單擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。7、雙擊Specific Heat選項(xiàng)，彈出Specific Heat for Material Number 2對(duì)話框，在C文本框中輸入鐵的比熱448，單擊OK

57、按鈕關(guān)閉對(duì)話框。8、雙擊Density選項(xiàng)，彈出Density for Material Number 2對(duì)話框，在DENS文本框中輸入鐵的密度7800，單擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。9、在Define Material Model Behavior對(duì)話框中單擊Material>New Model，彈出Define Material ID對(duì)話框，在Define Material ID文本框中輸入3，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。10、在Material Models Available列表框依次雙擊Thermal、Conductivity、Isotropic選項(xiàng)，彈出Conductivity fo

58、r Material Number 3對(duì)話框，在KXX文本框中輸入水的導(dǎo)熱系數(shù)0.61，單擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。11、雙擊Specific Heat選項(xiàng)，彈出Specific Heat for Material Number 3對(duì)話框，在C文本框中輸入水的比熱4200，單擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。12、雙擊Density選項(xiàng)，彈出Density for Material Number 3對(duì)話框，在DENS文本框中輸入水的密度1000，單擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。最后關(guān)閉Define Material Model Behavior對(duì)話框。5、劃分有限元網(wǎng)格1、選擇Main Menu>Preproc

59、essor>Meshing>Size Cntrls>ManualSize>Global>Size，彈出Global Element Sizes對(duì)話框，在SIZE文本框中輸入0.02，如圖7-41所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。 2、選擇Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh Attributes>Default Attribs，彈出Meshing Attributes對(duì)話框，在MAT下拉列表框中選擇1，如圖7-42所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。3、選擇Main Menu>Preprocessor>

60、;Meshing>Mesh>Areas>Free，彈出Mesh Areas對(duì)話框，在文本框中輸入1，單擊OK按鈕，ANSYS開(kāi)始劃分銅塊部分網(wǎng)格。圖7-41 定義單元尺寸對(duì)話框圖7-42 定義網(wǎng)格屬性對(duì)話框4、選擇Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh Attributes>Default Attribs，彈出Meshing Attributes對(duì)話框，在MAT下拉列表框中選擇2，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。5、選擇Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Areas>Free，彈出Mesh Areas對(duì)話框，在文本框中輸入2，單擊OK按鈕，ANSYS開(kāi)始劃分鐵塊部分網(wǎng)格。6、選擇Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh Attributes>Default Attribs，彈出Meshing Attributes對(duì)話框，在MAT下拉列表框中選擇3，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。7、選擇Main Menu>Preprocessor>Meshing>Me