熱分析ansys教程ppt課件

1、第19章 熱分析熱分析的目的 熱分析用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)或部件的溫度分布及其它熱物理參數(shù)，如熱量的獲取或損失、熱梯度、熱流密度(熱通量)等熱分析在許多工程應(yīng)用中扮演重要角色，如內(nèi)燃機(jī)、渦輪機(jī)、換熱器、管路系統(tǒng)、電子元件等19.1 ANSYS的熱分析在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五種產(chǎn)品中包含熱分析功能ANSYS熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度，并導(dǎo)出其它熱物理參數(shù)ANSYS熱分析包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射三種熱傳遞方式。此外，還可以分析相變、有內(nèi)熱源、接

2、觸熱阻等問題19.2 ANSYS的熱分析分類ANSYS的熱分析分類 穩(wěn)態(tài)傳熱：系統(tǒng)的溫度場(chǎng)不隨時(shí)間變化瞬態(tài)傳熱：系統(tǒng)的溫度場(chǎng)隨時(shí)間明顯變化與熱有關(guān)的耦合分析 熱結(jié)構(gòu)耦合熱流體耦合熱電耦合熱磁耦合熱電磁結(jié)構(gòu)耦合等19.3 熱分析的符號(hào)與單位 項(xiàng)目國際單位英制單位ANSYS代號(hào)長(zhǎng)度mft英尺時(shí)間ss質(zhì)量Kglbm 磅質(zhì)量溫度oF力Nlbf能量(熱量)JBTU英制熱單位功率(熱流率)WBTU/sec熱流密度W/m2BTU/sec-ft2生熱速率W/m3BTU/sec-ft3導(dǎo)熱系數(shù)W/m-BTU/sec-ft-oFKXX對(duì)流系數(shù)W/m2-BTU/sec-ft2-oFHF密度Kg/m3lbm/ft3D

3、ENS比熱J/Kg-BTU/lbm-oFC焓J/m3BTU/ft3ENTH表征物體吸收的熱量，為一個(gè)體系的內(nèi)能與體系的體積和外界施加于體系的壓強(qiáng)的乘積之和19.4 傳熱學(xué)經(jīng)典理論回顧 19.5 熱傳遞的方式1、熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)可以定義為完全接觸的兩個(gè)物體之間或一個(gè)物體的不同部分之間由于溫度梯度而引起的內(nèi)能的交換。熱傳導(dǎo)遵循付里葉定律：qn=-k*(dT/dx)，式中qn為熱流密度（W/m2），k為導(dǎo)熱系數(shù)(W/m-)，“-”表示熱量流向溫度降低的方向。2、熱對(duì)流熱對(duì)流是指固體的表面與它周圍接觸的流體之間，由于溫差的存在引起的熱量的交換。熱對(duì)流可以分為兩類：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。熱對(duì)流用牛頓冷卻方程來

4、描述： qn= h*(TS-TB)，式中h為對(duì)流換熱系數(shù)(或稱膜傳熱系數(shù)、給熱系數(shù)、膜系數(shù)等)，TS為固體表面的溫度， TB為周圍流體的溫度。19.5 熱傳遞的方式(續(xù))3、熱輻射熱輻射指物體發(fā)射電磁能，并被其它物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過程。物體溫度越高，單位時(shí)間輻射的熱量越多。熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流都需要有傳熱介質(zhì)，而熱輻射無須任何介質(zhì)。實(shí)質(zhì)上，在真空中的熱輻射效率最高。在工程中通?？紤]兩個(gè)或兩個(gè)以上物體之間的輻射，系統(tǒng)中每個(gè)物體同時(shí)輻射并吸收熱量。它們之間的凈熱量傳遞可以用斯蒂芬波爾茲曼方程來計(jì)算：q=A1F12(T14-T24)，式中q為熱流率， 為輻射率（黑度）， 為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)，約為

5、5.6710-8W/m2.K4，A1為輻射面1的面積，F(xiàn)12為由輻射面1到輻射面2的形狀系數(shù)，T1為輻射面1的絕對(duì)溫度，T2為輻射面2的絕對(duì)溫度。由上式可以看出，包含熱輻射的熱分析是高度非線性的。19.6 穩(wěn)態(tài)傳熱 如果系統(tǒng)的凈熱流率為，即流入系統(tǒng)的熱量加上系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱量等于流出系統(tǒng)的熱量：q流入+q生成-q流出=0，則系統(tǒng)處于熱穩(wěn)態(tài)。在穩(wěn)態(tài)熱分析中任一節(jié)點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化。穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程為(以矩陣形式表示):KT=Q式中： K為傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；T為節(jié)點(diǎn)溫度向量；Q為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含熱生成；ANSYS利用模型幾何參數(shù)、材料熱性能參數(shù)以及所

6、施加的邊界條件，生成K 、 T以及Q 。19.7 瞬態(tài)傳熱瞬態(tài)傳熱過程是指一個(gè)系統(tǒng)的加熱或冷卻過程。在這個(gè)過程中系統(tǒng)的溫度、熱流率、熱邊界條件以及系統(tǒng)內(nèi)能隨時(shí)間都有明顯變化。根據(jù)能量守恒原理，瞬態(tài)熱平衡可以表達(dá)為(以矩陣形式表示)：C +KT=Q式中:K為傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)； C為比熱矩陣,考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加; T為節(jié)點(diǎn)溫度向量； 為溫度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù); Q為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含熱生成。 19.8 線性與非線性如果有下列情況產(chǎn)生，則為非線性熱分析： 材料熱性能隨溫度變化，如K(T),C(T)等； 邊界條件隨溫度變化，如h(T)等； 含有非線性單元； 考慮輻射傳熱非

7、線性熱分析的熱平衡矩陣方程為： C(T) +K(T)T=Q (T)19.9 邊界條件、初始條件ANSYS熱分析的邊界條件或初始條件可分為七種：溫度：模型區(qū)溫度已知熱流率：熱流率已知的點(diǎn)對(duì)流：表面的熱傳遞給周圍的流體通過對(duì)流。輸入對(duì)流換熱系數(shù)h和環(huán)境流體的 平均溫度Tb熱輻射：通過輻射產(chǎn)生熱傳遞的面. 輸入輻射系數(shù)，Stefan-Boltzmann常數(shù)，“空間節(jié)點(diǎn)”的溫度作為可選項(xiàng)輸入絕熱面： “完全絕熱”面，該面上不發(fā)生熱傳遞熱通量：?jiǎn)挝幻娣e上的熱流率已知的面熱生成率：體的生熱率已知的區(qū)域19.10 熱分析誤差估計(jì)僅用于評(píng)估由于網(wǎng)格密度不夠帶來的誤差；僅適用于SOLID或SHELL的熱單元(只

8、有溫度一個(gè)自由度)；基于單元邊界的熱流密度的不連續(xù)；僅對(duì)一種材料、線性、穩(wěn)態(tài)熱分析有效；使用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分可以對(duì)誤差進(jìn)行控制。19.11 穩(wěn)態(tài)傳熱分析穩(wěn)態(tài)傳熱用于分析穩(wěn)定的熱載荷對(duì)系統(tǒng)或部件的影響。通常在進(jìn)行瞬態(tài)熱分析以前，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析用于確定初始溫度分布。穩(wěn)態(tài)熱分析可以通過有限元計(jì)算確定由于穩(wěn)定的熱載荷引起的溫度、熱梯度、熱流率、熱流密度等參數(shù)19.11.1 熱分析的單元熱分析涉及到的單元有大約40種，其中純粹用于熱分析的有14種：線性：LINK32兩維二節(jié)點(diǎn)熱傳導(dǎo)單元 LINK33三維二節(jié)點(diǎn)熱傳導(dǎo)單元 LINK34二節(jié)點(diǎn)熱對(duì)流單元 LINK31二節(jié)點(diǎn)熱輻射單元二維實(shí)體：PLANE55四節(jié)

9、點(diǎn)四邊形單元 PLANE77八節(jié)點(diǎn)四邊形單元 PLANE35三節(jié)點(diǎn)三角形單元 PLANE75四節(jié)點(diǎn)軸對(duì)稱單元 PLANE78八節(jié)點(diǎn)軸對(duì)稱單元19.11.1 熱分析的單元(續(xù))三維實(shí)體：SOLID87六節(jié)點(diǎn)四面體單元 SOLID70八節(jié)點(diǎn)六面體單元 SOLID90二十節(jié)點(diǎn)六面體單元?dú)ぃ篠HELL57四節(jié)點(diǎn)點(diǎn)：MASS7119.11.2 穩(wěn)態(tài)熱分析的基本過程ANSYS熱分析可分為三個(gè)步驟：前處理：建模求解：施加載荷計(jì)算后處理：查看結(jié)果19.11.3 建模確定jobname、title、unit；進(jìn)入PREP7前處理，定義單元類型，設(shè)定單元選項(xiàng)；定義單元實(shí)常數(shù)；定義材料熱性能參數(shù)，對(duì)于穩(wěn)態(tài)傳熱，一般

10、只需定義導(dǎo)熱系數(shù)，它可以是恒定的，也可以隨溫度變化；創(chuàng)建幾何模型并劃分網(wǎng)格。19.11.3.1 幾何尺寸(模型)既可用ANSYS建立模型，也可用其它方法建好模型后導(dǎo)入模型建好后，以上兩種建模方法的具體過程將不再顯示19.11.3.2 劃分網(wǎng)格首先定義單元屬性: 單元類型, 實(shí)常數(shù), 材料屬性.單元類型下表給出了常用的熱單元類型每個(gè)結(jié)點(diǎn)只有一個(gè)自由度: 溫度19.11.3.2 劃分網(wǎng)格(續(xù))材料屬性必須輸入導(dǎo)熱系數(shù), KXX如果施加了內(nèi)部熱生成率，則需指定比熱 (C)ANSYS提供的材料庫 (/ansys57/matlib)包括幾種常用材料的結(jié)構(gòu)屬性 和熱屬性, 但是建議用戶創(chuàng)建、使用自己的材料

11、庫把優(yōu)先設(shè)置為 “熱分析” ，使材料模型圖形用戶界面只顯示材料的熱屬性實(shí)常數(shù)主要應(yīng)用于殼單元和線單元19.11.3.2 劃分網(wǎng)格(續(xù))劃分網(wǎng)格存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件使用 MeshTool 劃分網(wǎng)格，使用缺省的智能網(wǎng)格劃分級(jí)別6可以生成很好的初始網(wǎng)格至此完成前處理，下面開始求解19.11.4 施加載荷計(jì)算 定義分析類型如果進(jìn)行新的熱分析：Command: ANTYPE, STATIC, NEWGUI: Main menuSolution-Analysis Type-New AnalysisSteady-state如果繼續(xù)上一次分析，比如增加邊界條件等：Command: ANTYPE, STATIC, RE

12、STGUI: Main menuSolutionAnalysis Type-Restart19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù)) 施加載荷可以直接在實(shí)體模型或單元模型上施加五種載荷(邊界條件) ：a、恒定的溫度通常作為自由度約束施加于溫度已知的邊界上。Command Family:DGUI：Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-Temperature19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù))b、熱流率熱流率作為節(jié)點(diǎn)集中載荷，主要用于線單元模型中(通常線單元模型不能施加對(duì)流或熱流密度載荷)，如果輸入的值為正，代表熱流流入節(jié)點(diǎn)，即單元獲取熱量。如果溫度與熱流率同時(shí)施加在一

13、節(jié)點(diǎn)上則ANSYS讀取溫度值進(jìn)行計(jì)算。注意：如果在實(shí)體單元的某一節(jié)點(diǎn)上施加熱流率，則此節(jié)點(diǎn)周圍的單元要密一些，在兩種導(dǎo)熱系數(shù)差別很大的兩個(gè)單元的公共節(jié)點(diǎn)上施加熱流率時(shí)，尤其要注意。此外，盡可能使用熱生成或熱流密度邊界條件，這樣結(jié)果會(huì)更精確些。Command Family: FGUI：Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-Heat Flow19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù))c、對(duì)流對(duì)流邊界條件作為面載施加于實(shí)體的外表面，計(jì)算與流體的熱交換，它僅可施加于實(shí)體和殼模型上，對(duì)于線模型，可以通過對(duì)流線單元LINK34考慮對(duì)流。Command Family: SFGU

14、I：Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-Convection19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù))d、熱流密度熱流密度也是一種面載。當(dāng)通過單位面積的熱流率已知或通過FLOTRAN CFD計(jì)算得到時(shí)，可以在模型相應(yīng)的外表面施加熱流密度。如果輸入的值為正，代表熱流流入單元。熱流密度也僅適用于實(shí)體和殼單元。熱流密度與對(duì)流可以施加在同一外表面，但ANSYS僅讀取最后施加的面載進(jìn)行計(jì)算。Command Family: FGUI：Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-Heat Flux19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù))e、生熱率生熱

15、率作為體載施加于單元上，可以模擬化學(xué)反應(yīng)生熱或電流生熱。它的單位是單位體積的熱流率。Command Family: BFGUI：Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-Heat Generat19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù))定載荷步選項(xiàng)對(duì)于一個(gè)熱分析，可以確定普通選項(xiàng)、非線性選項(xiàng)以及輸出控制。a. 普通選項(xiàng)時(shí)間選項(xiàng)：雖然對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱分析，時(shí)間選項(xiàng)并沒有實(shí)際的物理意義，但它提供了一個(gè)方便的設(shè)置載荷步和載荷子步的方法。Command: TIMEGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime-Time

16、 Step/Time and Substps19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù))每載荷步中子步的數(shù)量或時(shí)間步大?。簩?duì)于非線性分析，每一載荷步需要多個(gè)子步。Command: NSUBSTGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts- Time/Frequenc Time and SubstpsCommand: DELTIMGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts- Time/Frequenc Time-Time Step19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù))遞進(jìn)或階越選項(xiàng)：如果定義階越(stepped)選項(xiàng)，載荷值在這個(gè)載荷步內(nèi)保持不變；

17、如果為遞進(jìn)(ramped)選項(xiàng)，則載荷值由上一載荷步值到本載荷步值隨每一子步線性變化。Command: KBCGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime-Time Step/Time and Substps19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù))b. 非線性選項(xiàng)迭代次數(shù)：本選項(xiàng)設(shè)置每一子步允許的最多的迭代次數(shù)。默認(rèn)值為25，對(duì)大數(shù)熱分析問題足夠。Command: NEQITGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-NolinearEquilibrium Iter19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù))自動(dòng)

18、時(shí)間步長(zhǎng): 對(duì)于非線性問題，可以自動(dòng)設(shè)定子步間載荷的增長(zhǎng)，保證求解的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。Command: AUTOTSGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime-Time Step/Time and Substps19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù))收斂誤差：可根據(jù)溫度、熱流率等檢驗(yàn)熱分析的收斂性。Command: CNVTOLGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-NolinearConvergence Crit19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù))求解結(jié)束選項(xiàng)：如果在規(guī)定的迭代次數(shù)內(nèi)，達(dá)不到收斂，

19、ANSYS可以停止求解或到下一載荷步繼續(xù)求解。Command: NCNVGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-NolinearCriteria to Stop19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù))線性搜索：設(shè)置本選項(xiàng)可使ANSYS用Newton-Raphson方法進(jìn)行線性搜索。Command: LNSRCHGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-NolinearLine Search19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù))預(yù)測(cè)矯正：本選項(xiàng)可激活每一子步第一次迭代對(duì)自由度求解的預(yù)測(cè)矯正。Command: PREDGUI: Main

20、MenuSolution-Load Step Opts-NolinearPredictor19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù))c. 輸出控制控制打印輸出：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 MenuSolution-Load Step Opts-Output CtrlsSolu Printout19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù))控制結(jié)果文件：控制*.rth的內(nèi)容。Command: OUTRES GUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-Output CtrlsDB/Results File19.11.4

21、 施加載荷計(jì)算(續(xù))確定分析選項(xiàng)a. Newton-Raphson選項(xiàng)(僅對(duì)非線性分析有用)Command: NROPT GUI: Main MenuSolutionAnalysis Options19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù))b. 選擇求解器：可選擇如下求解器中一個(gè)進(jìn)行求解：Frontal solver(默認(rèn)）Jacobi Conjugate Gradient(JCG) solverJCG out-of-memory solver Incomplete Cholesky Conjugate Gradient(ICCG) solverPre-Conditioned Conjugate Gr

22、adient Solver(PCG)Iterative(automatic solver selection option)19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù))Command: EQSLV GUI: Main MenuSolutionAnalysis Options注意：熱分析可選用Iterative選項(xiàng)進(jìn)行快速求解，但如下情況除外： 熱分析包含SURF19或SURF22或超單元； 熱輻射分析； 相變分析 需要restart an analysis19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù))c. 確定絕對(duì)零度：在進(jìn)行熱輻射分析時(shí)，要將目前的溫度值換算為絕對(duì)溫度。如果使用的溫度單位是攝氏度，此值應(yīng)設(shè)定為27

23、3；如果使用的是華氏度，則為460。Command: TOFFSTGUI: Main MenuSolutionAnalysis Options19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù))保存模型: 點(diǎn)擊ANSYS工具條SAVE_DB。求解Command: SOLVEGUI: Main MenuSolutionCurrent LS19.11.5 后處理ANSYS將熱分析的結(jié)果寫入*.rth文件中，它包含如下數(shù)據(jù)：基本數(shù)據(jù)：節(jié)點(diǎn)溫度導(dǎo)出數(shù)據(jù)：節(jié)點(diǎn)及單元的熱流密度節(jié)點(diǎn)及單元的熱梯度單元熱流率節(jié)點(diǎn)的反作用熱流率其它19.11.5 后處理(續(xù))對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱分析，可以使用POST1進(jìn)行后處理，進(jìn)入POST1后，讀入載

24、荷步和子步：Command: SET GUI: Main MenuGeneral Postproc-Read Results-By Load Step19.11.5 后處理(續(xù))可以通過如下三種方式查看結(jié)果：彩色云圖顯示Command: PLNSOL, PLESOL, PLETAB等GUI: Main Menu General Postproc Plot ResultsNodal Solu, Element Solu, Elem Table19.11.5 后處理(續(xù))對(duì)3-D 實(shí)體模型繪制云圖時(shí)，選項(xiàng)isosurfaces (等值面)是非常有用的. 用 /CTYPE 命令或 Utility M

25、enu PlotCtrls Style Contours Contour Style.19.11.5 后處理(續(xù)) 矢量圖顯示Command: PLVECTGUI: Main Menu General Postproc Plot ResultsPre-defined or Userdefined19.11.5 后處理(續(xù)) 列表顯示Command: PRNSOL, PRESOL, PRRSOL等GUI: Main Menu General Postproc List ResultsNodal Solu, Element Solu, Reaction Solu19.11.5 后處理(續(xù))檢查結(jié)果

26、是否正確溫度是否在預(yù)期的范圍內(nèi)?在指定溫度和熱流邊界的基礎(chǔ)上，估計(jì)預(yù)期的范圍網(wǎng)格大小是否滿足精度?和受力分析一樣，可以畫出非均勻分布的溫度梯度 (單元解) 并找出高梯度的單元. 這些區(qū)域可作為重新定義網(wǎng)格時(shí)的參考若節(jié)點(diǎn)溫度梯度（平均的）和單元溫度梯度（非平均的）之間的差別很大，則可能是網(wǎng)格劃分太粗糙19.12 練習(xí)-穩(wěn)態(tài)傳熱分析某一潛水艇可以簡(jiǎn)化為一圓筒，它由三層組成，最外面一層為不銹鋼，中間為玻纖隔熱層，最里面為鋁層，筒內(nèi)為空氣，筒外為海水，求內(nèi)外壁面溫度及溫度分布。幾何參數(shù)：筒外徑30 feet 總壁厚2 inch 不銹鋼層壁厚0.75 inch 玻纖層壁厚1 inch 鋁層壁厚0.25

27、inch 筒長(zhǎng)200 feet導(dǎo)熱系數(shù)：不銹鋼8.27BTU/hr.ft.oF 玻纖0.028BTU/hr.ft.oF 鋁117.4BTU/hr.ft.oF19.12.1 邊界條件邊界條件 ： 空氣溫度 70oF 海水溫度 44.5oF空氣對(duì)流系數(shù) 2.5 BTU/hr.ft2.oF海水對(duì)流系數(shù) 80 BTU/hr.ft2.oF沿垂直于圓筒軸線作橫截面，得到一圓環(huán)，取其中1度進(jìn)行分析，如圖示。19.12.2 log文件/filename, Steady1/title, Steady-state thermal analysis of submarine /units, BFTRo=15!外徑(

28、ft)Rss=15-(0.75/12)!不銹鋼層內(nèi)徑ft)Rins=15-(1.75/12)!玻璃纖維層內(nèi)徑(ft)Ral=15-(2/12)!鋁層內(nèi)徑 (ft)Tair=70!潛水艇內(nèi)空氣溫度Tsea=44.5!海水溫度Kss=8.27!不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù) (BTU/hr.ft.oF)Kins=0.028 !玻璃纖維的導(dǎo)熱系數(shù) (BTU/hr.ft.oF)19.12.2 log文件(續(xù))Kal=117.4!鋁的導(dǎo)熱系數(shù)(BTU/hr.ft.oF)Hair=2.5!空氣的對(duì)流系數(shù)(BTU/hr.ft2.oF)Hsea=80!海水的對(duì)流系數(shù)(BTU/hr.ft2.oF)/prep7et,1,pla

29、ne55!定義二維熱單元mp,kxx,1,Kss!設(shè)定不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)mp,kxx,2,Kins!設(shè)定玻璃纖維的導(dǎo)熱系數(shù)mp,kxx,3,Kal!設(shè)定鋁的導(dǎo)熱系數(shù)pcirc,Ro,Rss,-0.5,0.5!創(chuàng)建幾何模型pcirc,Rss,Rins,-0.5,0.5pcirc,Rins,Ral,-0.5,0.5aglue,all19.12.2 log文件(續(xù))numcmp,arealesize,1,16!設(shè)定劃分網(wǎng)格密度lesize,4,4lesize,14,5lesize,16,2eshape,2!設(shè)定為映射網(wǎng)格劃分mat,1amesh,1mat,2amesh,2mat,3amesh,319.

30、12.2 log文件(續(xù))/SOLUSFL,11,CONV,HAIR,TAIR!施加空氣對(duì)流邊界SFL,1,CONV,HSEA,TSEA!施加海水對(duì)流邊界SOLVE/POST1PLNSOL！輸出溫度彩色云圖finish19.12.3 菜單操作菜單操作:1.Utility MenuFilechange jobname, 輸入Steady1；2.Utility MenuFilechange title,輸入Steady-state thermal analysis of submarine；3.在命令行輸入:/units, BFT；4.Main Menu: Preprocessor；19.12.3

31、 菜單操作(續(xù))5.Main Menu: Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete ,選擇PLANE55；6.Main Menu: Preprocessor Material Prop -Constant - Isotropic,默認(rèn)材料編號(hào)為1,在KXX框中輸入8.27,選擇APPLY,輸入材料編號(hào)為2,在KXX框中輸入0.028,選擇APPLY,輸入材料編號(hào)為3,在KXX框中輸入117.4；19.12.3 菜單操作(續(xù))7.Main Menu: Preprocessor-Modeling-Create-Areas-CircleBy Dimensio

32、ns 在RAD1中輸入15,在RAD2中輸入15-(.75/12),在THERA1中輸入-0.5,在THERA2中輸入0.5,選擇APPLY;在RAD1中輸入15-(.75/12),在RAD2中輸入15-(1.75/12),選擇APPLY;在RAD1中輸入15-(1.75/12),在RAD2中輸入15-2/12,選擇OK；19.12.3 菜單操作(續(xù))8.Main Menu: Preprocessor-Modeling-Operate-Booleane-GlueArea,選擇PICK ALL；19.12.3 菜單操作(續(xù))9.Main Menu: Preprocessor-Meshing-Si

33、ze Contrls-Lines-Picked Lines選擇不銹鋼層短邊,在NDIV框中輸入4,選擇APPLY;19.12.3 菜單操作(續(xù))選擇玻璃纖維層的短邊,在NDIV框中輸入5,選擇APPLY;選擇鋁層的短邊,在NDIV框中輸入2,選擇APPLY;選擇四個(gè)長(zhǎng)邊,在NDIV中輸入16；19.12.3 菜單操作(續(xù))10.Main Menu: Preprocessor-Attributes-Define Picked Area選擇不銹鋼層,在MAT框中輸入1,選擇APPLY;選擇玻璃纖維層,在MAT框中輸入2,選擇APPLY;選擇鋁層,在MAT框中輸入3,選擇OK；19.12.3 菜單操

34、作(續(xù))11.Main Menu: Preprocessor-Meshing-Mesh-Areas-Mapped3 or 4 sided,選擇PICK ALL；19.12.3 菜單操作(續(xù))12.Main Menu: Solution-Loads-Apply-Thermal-Convection On lines選擇不銹鋼外壁,在VALI框中輸入80,在VAL2I框中輸入44.5,選擇APPLY;19.12.3 菜單操作(續(xù))選擇鋁層內(nèi)壁,在VALI框中輸入2.5,在VAL2I框中輸入70,選擇OK；19.12.3 菜單操作(續(xù))13.Main Menu: Solution-Solve-Cur

35、rent LS；14.Main Menu: General PostprocPlot Results-Contour Plot-Nodal Solu,選擇Temperature。19.13ANSYS Verification Manual中關(guān)于穩(wěn)態(tài)熱分析的實(shí)例VM58Centerline temperature of a heat generating wireVM92Insulted wall temperatureVM93Temperature dependent conductivityVM94Heat generating plateVM95Heat transfer from a c

36、ooling spineVM96Temperature distribution in a short solid cylinderVM97Temperature distribution along a straight finVM98Temperature distribution along a tapered finVM99Temperature distribution in a trapezoidal finVM100Heat conductivity across a chimney section19.13ANSYS Verification Manual中關(guān)于穩(wěn)態(tài)熱分析的實(shí)例

37、(續(xù))VM101Temperature distribution in a short solid cylinderVM102Cylinder with temperature dependent conductivityVM103Thin plate with a central heat sourceVM105Heat generation coil with temperature dependent conductivityVM108Temperature gradient across a solid cylinderVM118Centerline temperature of a

38、heat generating wireVM160Solid cylinder with harmonic temperature loadVM161Heat flow from a insulated pipeVM162Cooling of a circular fin of rectangular profileVM193Adaptive analysis of two-dimensional heat transfer with convection19.14 瞬態(tài)傳熱分析瞬態(tài)熱分析用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)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)

39、力分析。其基本步驟與穩(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。載荷時(shí)間曲線中的每一個(gè)拐點(diǎn)為一個(gè)載荷步，如下圖所示。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。 19.14.1 瞬態(tài)熱分析中的單元、命令及步驟瞬態(tài)熱分析中使用的單元與穩(wěn)態(tài)熱分析相同。要了解每個(gè)單元的詳細(xì)說明，請(qǐng)參閱ANSYS Element Reference Guide。要了解每個(gè)命令的詳細(xì)功能，請(qǐng)參閱ANSYS Command Reference Guide。瞬態(tài)熱分析的步驟建模加載求解后處理19.14.2 建模確定j

40、obname、title、units, 進(jìn)入PREP7；定義單元類型并設(shè)置選項(xiàng)；如果需要，定義單元實(shí)常數(shù)；定義材料熱性能：一般瞬態(tài)熱分析要定義導(dǎo)熱系數(shù)、密度及比熱；建立幾何模型；對(duì)幾何模型劃分網(wǎng)格。關(guān)于建模及劃分網(wǎng)格，請(qǐng)參閱ANSYS Modeling and Meshing Guide。19.14.3 加載求解a、定義分析類型如果第一次進(jìn)行分析，或重新進(jìn)行分析GUI: Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis TransientCommand: ANTYPE,TRANSIENT,NEW19.14.3 加載求解(續(xù))如果接著上次的分析繼續(xù)進(jìn)行(例如增

41、加其它載荷)GUI: Main MenuSolutionAnalysis TypeRestartCommand: ANTYPE,TRANSIENT,REST19.14.3 加載求解(續(xù))b、獲得瞬態(tài)熱分析的初始條件定義均勻溫度場(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Command:TUNIFGUI: Main Menu Solution-Loads-Settings Uniform Temp19.14.3 加載求解(續(xù))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，但可通過如下方法設(shè)定參考溫度：Command:TREFGUI: Main Menu Solut

42、ion-Loads-SettingsReference Temp19.14.3 加載求解(續(xù))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Command:DGUI: Main Menu Solution -Loads- Apply -Thermal- Temperature On Nodes19.14.3 加載求解(續(xù))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)分析過程，除非通過下列方法刪除此約束：Command:DDELEGUI: Main Menu Solution-Loads-Delete-Thermal-Temperature On Nod

43、es19.14.3 加載求解(續(xù))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：Command:ICGUI: Main Menu SolutionLoadsApply-Initial Conditn Define19.14.3 加載求解(續(xù))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： 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-Load Step Opts-Time/Frequenc Time Integration19.

44、14.3 加載求解(續(xù))19.14.3 加載求解(續(xù)) 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 PreprocessorLoads-Load Step Opts-Time/Frequenc Time and Substps19.14.3 加載求解(續(xù)) 寫入載荷步文件：Command:LSWRITEGUI: Main Menu PreprocessorLoadsWrite LS File或先求解：Command:SOLVEGUI: Main Menu SolutionSolveCurrent LS注意：在第二載荷步中，

45、要?jiǎng)h去所有設(shè)定的溫度，除非這些節(jié)點(diǎn)的溫度在瞬態(tài)分析與穩(wěn)態(tài)分析相同。19.14.3 加載求解(續(xù))c、設(shè)定載荷步選項(xiàng)、普通選項(xiàng)時(shí)間：本選項(xiàng)設(shè)定每一載荷步結(jié)束時(shí)的時(shí)間：Command: TIMEGUI: Main Menu Solution-Load Step Opts-Time/Frequenc Time and Substps19.14.3 加載求解(續(xù))c、設(shè)定載荷步選項(xiàng)普通選項(xiàng)每個(gè)載荷步的載荷子步數(shù)，或時(shí)間增量對(duì)于非線性分析，每個(gè)載荷步需要多個(gè)載荷子步。時(shí)間步長(zhǎng)的大小關(guān)系到計(jì)算的精度。步長(zhǎng)越小，計(jì)算精度越高，同時(shí)計(jì)算的時(shí)間越長(zhǎng)。根據(jù)線性傳導(dǎo)熱傳遞，可以按如下公式估計(jì)初始時(shí)間步長(zhǎng)：ITS=2

46、/4其中為沿?zé)崃鞣较驘崽荻茸畲筇幍膯卧拈L(zhǎng)度， 為導(dǎo)溫系數(shù)，它等于導(dǎo)熱系數(shù)除以密度與比熱的乘積（ k/c)。Command: NSUBST or DELTIMGUI: Main Menu Solution-Load Step Opts- Time/Frequenc Time and Substps19.14.3 加載求解(續(xù))如果載荷在這個(gè)載荷步是恒定的，需要設(shè)為階越選項(xiàng)；如果載荷值隨時(shí)間線性變化，則要設(shè)定為漸變選項(xiàng)：Command: KBCGUI: Main Menu Solution-Load Step Opts- Time/Frequenc Time and Substps19.14.3

47、 加載求解(續(xù))非線性選項(xiàng)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 Iter19.14.3 加載求解(續(xù))自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)：本選項(xiàng)為ON時(shí)，在求解過程中將自動(dòng)調(diào)整時(shí)間步長(zhǎng)。Command: AUTOTSGUI: Main Menu Solution-Load Step Opts- Time/Frequenc Time and Substps19.14.3 加載求解(續(xù))時(shí)間積分效果：如果將此選項(xiàng)設(shè)定為OFF，將進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析

48、。Command: TIMINTGUI: Main Menu Solution-Load Step Opts- Time/Frequenc Time Integration19.14.3 加載求解(續(xù))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 MenuSolution-Load Step Opts-Output CtrlsSolu Printout19.14.3 加載求解(續(xù))控制結(jié)果文件：控制*.rth的內(nèi)容Command: OUTRES GUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-Ou

49、tput Ctrls DB/Results File存盤求解19.14.4 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 MenuGeneral 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)過程)的結(jié)果進(jìn)行后處理。Command: POST26GUI: Main MenuTimeHist Postproc19.14.4 后處理(續(xù))1、用POST1進(jìn)行后處理 進(jìn)入POST1后，可以讀出某一時(shí)間點(diǎn)的結(jié)果：Command: SETGUI: Main MenuGener

50、al PostprocRead ResultsBy 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 MenuGeneral PostprocRead ResultsBy 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。19.14.4 后處理(續(xù))2、用POST26進(jìn)行后處理 首先要定義變量：Command: NSOL or ESOL or RFORCEGUI: Main MenuTimeHist PostprocDefine Variable

51、s19.14.4 后處理(續(xù))然后就可以繪制這些變量隨時(shí)間變化的曲線：Command: PLVARGUI: Main MenuTimeHist PostprocGraph Variables19.14.4 后處理(續(xù))或列表輸出：Command: PRVARGUI: Main MenuTimeHist PostprocList 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19.15 相變問題ANSYS熱分析最強(qiáng)大的功能之一就是可以分析相變問題，例如凝固或熔化等。含有相變問題的熱分析是一個(gè)非線性的瞬態(tài)的問題。相變問題需要考慮熔融潛熱，即在相變過程吸收或釋放的熱量

52、。ANSYS通過定義材料的焓隨溫度變化來考慮熔融潛熱(如圖所示)。焓的單位是J/m3，是密度與比熱的乘積對(duì)溫度的積分19.15 相變問題(續(xù))求解相變問題，應(yīng)當(dāng)設(shè)定足夠小的時(shí)間步長(zhǎng)，并將自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為ON；選用低階的熱單元，例如PLANE55或SOLID70。如果必須選用高階單元，請(qǐng)將單元選項(xiàng)KEYOPT(1)設(shè)置為1:Command: keyopt(1)=1GUI: Main MenuPrepocessorElement Type Add/Edit/Delete Options -Specific heat matrix- Diagonalized19.15 相變問題(續(xù))在設(shè)定瞬態(tài)積分

53、參數(shù)時(shí)，請(qǐng)將THETA值設(shè)置為1(默認(rèn)為0.5):Command: TINTPGUI: Main Menu Solution-Load and Step Opts- Time/Frequence Time intergration THETA19.15 相變問題(續(xù))線性搜索將有助于加速相變問題的求解。Command: LNSRCHGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-NonlinearLine Search19.16 練習(xí)-瞬態(tài)傳熱分析一個(gè)30公斤重、溫度為70的銅塊,以及一個(gè)20公斤重、溫度為80的鐵塊，突然放入溫度為20、盛滿了300升水的、完全絕熱

54、的水箱中,如圖所示。過了一個(gè)小時(shí)，求銅塊與鐵塊的最高溫度(假設(shè)忽略水的流動(dòng))。材料熱物理性能如下:熱性能單位制銅鐵水導(dǎo)熱系數(shù)W/m383700.61密度Kg/m388897833996比熱J/kg390448418519.16 練習(xí)-瞬態(tài)傳熱分析(續(xù))19.16.1 log文件/filename,transient1/title, Thermal Transient Exercise 1!進(jìn)入前處理/prep7et,1,plane77! 定義單元類型mp,kxx,1,383! 定義材料熱性能參數(shù)mp,dens,1,8889!1銅，2鐵，3水mp,c,1,390mp,kxx,2,70mp,den

55、s,2,7837mp,c,2,448mp,kxx,3,0.61mp,dens,3,996mp,c,3,418519.16.1 log文件(續(xù))rectnag,0,0.6,0,0.5!創(chuàng)建幾何實(shí)體rectang,0.15,0.225,0.225,0.27rectang,0.6-0.2-0.058,0.6-0.2,0.225,0.225+0.044aovlap,all!布爾操作/pnum,area,1aplotaatt,1,1,1!劃分網(wǎng)格eshape,2esize,0.02amesh,2aatt,2,1,1amesh,3aatt,3,1,1eshape,3esize,0.05amesh,419.

56、16.1 log文件(續(xù))/pnum,mat,1eplotfinish!加載求解/soluantype,transtimint,off!先作穩(wěn)態(tài)分析,確定初始條件time,0.01!設(shè)定只有一個(gè)子步的時(shí)間很小的載荷步deltim,0.01esel,s,mat,3nsle,sd,all,temp,20esel,s,mat,2nsle,sd,all,temp,8019.16.1 log文件(續(xù))esel,s,mat,1nsle,sd,all,temp,70allselsolve !得到初始溫度分布time,3600 !進(jìn)行瞬態(tài)分析timint,on !打開時(shí)間積分deltim,26,2,200 !

57、設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)，最大及最小時(shí)間步長(zhǎng)autots,on !打開自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)ddelet,all,temp !刪除穩(wěn)態(tài)分析中定義的節(jié)點(diǎn)溫度outres,all,1 !將每個(gè)子步的值寫入數(shù)據(jù)庫文件solvefinishsave19.16.1 log文件(續(xù))!進(jìn)入POST26后處理/post26solu,2,dtime,dtime!2每一子步采用的時(shí)間步長(zhǎng)nsol,3,node(0.1875,0.2475,0),temp,T_Copper !3銅塊的中心點(diǎn)nsol,4,node(0.371,0.247,0),temp,T_Iron !4鐵塊的中心點(diǎn)nsol,5,node(30,0,0),temp,T_

58、H2O_Bot !5水箱的底部nsol,6,node(30,50,0),temp,T_H2O_Top !6水箱的頂部nsol,7,node(0,25,0),temp,T_H2O_Left !7水箱的左部nsol,8,node(60,25,0),temp,T_H2O_Right !8水箱的右部Plvar,2plvar,3,4,5,6,7,8finish19.16.1 log文件(續(xù))!進(jìn)入POST1后處理/post1!設(shè)置為最后一個(gè)載荷子步set,lastesel,s,mat,1nsle,splnsol,tempesel,s,mat,2nsle,splnsol,tempfinish19.16.2

59、 菜單操作1、Utility Menu: FileChange Jobname, 輸入文件名Transient1；2、Utility Menu: FileChange Title,輸入Thermal Transient Exercise 1；19.16.2 菜單操作(續(xù))3、Main MenuPreprocessor，進(jìn)入前處理；4、Main MenuPreprocessorElement Type Add/Edit/Delete, 選擇單元plane77；19.16.2 菜單操作(續(xù))5、Main MenuPreprocessorMaterial Props Isotropic, 定義材料1

60、（銅）的KXX等于 383、DENS等于8889、C等于1390；19.16.2 菜單操作(續(xù))6、Main MenuPreprocessorMaterial Props Isotropic, 定義材料2（鐵）的KXX等于 70、DENS等于7837、C等于448；7、Main MenuPreprocessorMaterial Props Isotropic, 定義材料3（水）的KXX等于0.61、DENS等于996、C等于4185；19.16.2 菜單操作(續(xù))8、Main MenuPreprocessor-Modeling- Create-Areas- Retangle By Dimens