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第 6 章 ANSYS 热分析

第 6 章 ANSYS 热分析. 李达 西南交通大学材料学院. 主要内容. 1 　简介 一、热分析的目的 二、 ANSYS 的热分析 三、 ANSYS 热分析分类 四、耦合分析 2 　基础知识 一、符号与单位 二、传热学经典理论回顾 三、热传递的方式 四、稳态传热 五、瞬态传热 六、线性与非线性 七、边界条件、初始条件 八、热分析误差估计. 3 　稳态传热分析

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第 6 章 ANSYS 热分析

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  1. 第6章ANSYS热分析 • 李达 • 西南交通大学材料学院

  2. 主要内容 • 1　简介 • 一、热分析的目的 • 二、ANSYS的热分析 • 三、ANSYS热分析分类 • 四、耦合分析 • 2　基础知识 • 一、符号与单位 • 二、传热学经典理论回顾 • 三、热传递的方式 • 四、稳态传热 • 五、瞬态传热 • 六、线性与非线性 • 七、边界条件、初始条件 • 八、热分析误差估计

  3. 3　稳态传热分析 • (1)、稳态传热的定义 • (2)、热分析的单元 • (3)、ANSYS稳态热分析的基本过程 • 练习 • 4　瞬态传热分析 • (1)、瞬态传热分析的定义 • (2)、瞬态热分析的单元及命令 • (3)、ANSYS瞬态热分析的主要步骤 • 1、建模 • 2、加载求解 • 3、后处理 • (4)、相变问题 • 练习

  4. 6-1. 热分析的目的 • 热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量〕等。 • 热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、换热器、管路系统、电子元件等。

  5. 6-2. ANSYS的热分析 • 在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五种产品中包含热分析功能。 • · ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。 • · ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。

  6. 6-3. ANSYS的热分析分类 • 稳态传热：系统的温度场不随时间变化 • 瞬态传热：系统的温度场随时间明显变化 • 9-4.与热有关的耦合分析 • ·     热－结构耦合 • ·     热－流体耦合 • ·     热－电耦合 • ·     热－磁耦合 • ·     热－电－磁－结构耦合等

  7. 热分析 基 础 知 识

  8. 1、符号与单位 2、传热学经典理论回顾 3、热传递的方式 4、稳态传热 5、瞬态传热 6、线性与非线性 7、边界条件、初始条件 8、热分析误差估计

  9. 项目 国际单位 英制单位 ANSYS代号 长度 m ft[英尺] 时间 s s 质量 Kg lbm [磅质量] 温度 ℃ oF 力 N lbf 能量（热量） J BTU[英制热单位] 功率（热流率） W BTU/sec 热流密度 W/m2 BTU/sec-ft2 生热速率 W/m3 BTU/sec-ft3 导热系数 W/m-℃ BTU/sec-ft-oF KXX 对流系数 W/m2-℃ BTU/sec-ft2-oF HF 密度 Kg/m3 lbm/ft3 DENS 比热 J/Kg-℃ BTU/lbm-oF C 焓 J/m3 BTU/ft3 ENTH 1、符号与单位

  10. 2、传热学经典理论回顾

  11. 3、热传递的方式 • 1、热传导 • 　　热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。热传导遵循付里叶定律：qn=-k*(dT/dx)，式中qn为热流密度（W/m2），k为导热系数（W/m-℃），“-”表示热量流向温度降低的方向。 • 2、热对流 • 　　热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量的交换。热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。热对流用牛顿冷却方程来描述： qn= h*(TS-TB)，式中h为对流换热系数（或称膜传热系数、给热系数、膜系数等）， TS为固体表面的温度， TB为周围流体的温度。

  12. 3、热辐射 热辐射指物体发射电磁能，并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程。物体温度越高，单位时间辐射的热量越多。热传导和热对流都需要有传热介质，而热辐射无须任何介质。实质上，在真空中的热辐射效率最高。 在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物体同时辐射并吸收热量。它们之间的净热量传递可以用斯蒂芬—波尔兹曼方程来计算：q=εσA1F12(T14-T24)，式中q为热流率， ε为辐射率（黑度）， σ为斯蒂芬－波尔兹曼常数，约为5.67×10-8W/m2.K4，A1为辐射面1的面积，F12为由辐射面1到辐射面2的形状系数，T1为辐射面1的绝对温度，T2为辐射面2的绝对温度。由上式可以看出，包含热辐射的热分析是高度非线性的。

  13. 4、稳态传热 • 如果系统的净热流率为０，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量：q流入+q生成-q流出=0，则系统处于热稳态。在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变化。稳态热分析的能量平衡方程为（以矩阵形式表示） • [K]{T}={Q} • 式中： [K]为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数； • {T}为节点温度向量； • {Q}为节点热流率向量，包含热生成； • ANSYS利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件，生成[K] 、 {T}以及{Q} 。

  14. 6、瞬态传热 • 瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。根据能量守恒原理，瞬态热平衡可以表达为（以矩阵形式表示）： • [C]{ }+[K]{T}={Q} • 式中: [K]为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数； • [C]为比热矩阵,考虑系统内能的增加; • {T}为节点温度向量； • { }为温度对时间的导数; • {Q}为节点热流率向量，包含热生成。

  15. 6、线性与非线性 • 如果有下列情况产生，则为非线性热分析： • ①、材料热性能随温度变化，如K(T),C(T)等； • ②、边界条件随温度变化，如h(T)等； • ③、含有非线性单元； • ④、考虑辐射传热 • 非线性热分析的热平衡矩阵方程为： • [C(T)]{ }+[K(T)]{T}={Q (T)}

  16. 7、边界条件、初始条件 • ANSYS热分析的边界条件或初始条件可分为七种： • 温度; • 热流率; • 热流密度; • 对流; • 辐射; • 绝热; • 生热。

  17. 8、热分析误差估计 • ·  仅用于评估由于网格密度不够带来的误差； • ·  仅适用于SOLID或SHELL的热单元（只有温度一个自由度）； • ·  基于单元边界的热流密度的不连续； • ·  仅对一种材料、线性、稳态热分析有效； • ·  使用自适应网格划分可以对误差进行控制。

  18. 稳态传热分析

  19. 目的：通过学习，介绍稳态传热分析的知 识，以助于大家了解以后的稳态传热分析，并 能对简单的问题进行求解。 1、稳态传热的定义 2、热分析的单元 3、 ANSYS稳态热分析的基本过程 练习

  20. 1 稳态传热定义 稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响。通常在进行瞬态热分析以前，进行稳态热分析用于确定初始温度分布。 稳态热分析可以通过有限元计算确定由于稳定的热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数

  21. 2 热分析单元 • 热分析涉及到的单元有大约40种，其中纯粹用于热分析的有14种： • 线性： LINK32 两维二节点热传导单元 • LINK33 三维二节点热传导单元 • LINK34 二节点热对流单元 • LINK31 二节点热辐射单元 • 二维实体：PLANE55 四节点四边形单元 • PLANE77 八节点四边形单元 • PLANE35 三节点三角形单元 • PLANE75 四节点轴对称单元 • PLANE78 八节点轴对称单元 • 三维实体SOLID87 六节点四面体单元 • SOLID70 八节点六面体单元 • SOLID90 二十节点六面体单元 • 壳 SHELL57 四节点 • 点 MASS71 • 　　有关单元的详细解释，请参阅《ANSYS Element Reference Guide》

  22. 3 热分析基本过程 • ANSYS热分析可分为三个步骤： • ·     前处理： 建模 • ·     求解： 施加载荷计算 • ·     后处理： 查看结果

  23. 建模 • ①、确定jobname、title、unit； • ②、进入PREP7前处理，定义单元类型，设定单元选项； • ③、定义单元实常数； • ④、定义材料热性能参数，对于稳态传热，一般只需定义导热系数，它可以是恒定的，也可以随温度变化； • ⑤、创建几何模型并划分网格，请参阅《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。

  24. 加载计算 ①、定义分析类型 • 如果进行新的热分析： Command: ANTYPE, STATIC, NEW GUI: Main menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis>Steady-state • 如果继续上一次分析，比如增加边界条件等： Command: ANTYPE, STATIC, REST GUI: Main menu>Solution>Analysis Type->Restart

  25. ②、施加载荷 　　可以直接在实体模型或单元模型上施加五种载荷(边界条件) ： a、恒定的温度 　　通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上。 Command Family:D GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Temperature

  26. b、热流率 热流率作为节点集中载荷，主要用于线单元模型中(通常线单元模型不能施加对流或热流密度载荷)，如果输入的值为正，代表热流流入节点，即单元获取热量。如果温度与热流率同时施加在一节点上则ANSYS读取温度值进行计算。 注意：如果在实体单元的某一节点上施加热流率，则此节点周围的单元要密一些，在两种导热系数差别很大的两个单元的公共节点上施加热流率时，尤其要注意。此外，尽可能使用热生成或热流密度边界条件，这样结果会更精确些。 Command Family: F GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Flow

  27. c、对流 • 对流边界条件作为面载施加于实体的外表面，计算与流体的热交换，它仅可施加于实体和壳模型上，对于线模型，可以通过对流线单元LINK34考虑对流。 • Command Family: SF • GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Convection

  28. d、热流密度 热流密度也是一种面载。当通过单位面积的热流率已知或通过FLOTRAN CFD计算得到时，可以在模型相应的外表面施加热流密度。如果输入的值为正，代表热流流入单元。热流密度也仅适用于实体和壳单元。热流密度与对流可以施加在同一外表面，但ANSYS仅读取最后施加的面载进行计算。 Command Family: F GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Flux

  29. e、生热率 生热率作为体载施加于单元上，可以模拟化学反应生热或电流生热。它的单位是单位体积的热流率。 Command Family: BF GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Generat

  30. ③定载荷步选项 对于一个热分析，可以确定普通选项、非线性选项以及输出控制。 a. 普通选项 · 时间选项：虽然对于稳态热分析，时间选项并没有实际的物理意义，但它提供了一个方便的 设置载荷步和载荷子步的 方法。 Command: TIME GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts- Time/Frequenc> Time-Time Step/ Time and Substps

  31. 每载荷步中子步的数量或时间步大小：对于非线性分析，每一载荷步需要多个子步。每载荷步中子步的数量或时间步大小：对于非线性分析，每一载荷步需要多个子步。 Command: NSUBST GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-> Time/Frequenc >Time and Substps Command: DELTIM GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-> Time/Frequenc >Time-Time Step

  32. 递进或阶越选项：如果定义阶越(stepped)选项，载荷值在这个载荷步内保持不变；如果为递进(ramped)选项，则载荷值由上一载荷步值到本载荷步值随每一子步线性变化。递进或阶越选项：如果定义阶越(stepped)选项，载荷值在这个载荷步内保持不变；如果为递进(ramped)选项，则载荷值由上一载荷步值到本载荷步值随每一子步线性变化。 Command: KBC GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time-Time Step/Time and Substps

  33. ③定载荷步选项 b. 非线性选项 ·迭代次数：本选项设置每一子步允许的最多的迭代次数。默认值为25，对大数热分析问题足够。 Command: NEQIT GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Equilibrium Iter

  34. ·自动时间步长: 对于非线性问题，可以自动设定子步间载荷的增长，保证求解的稳定性和准确性。 Command: AUTOTS GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time-Time Step/Time and Substps

  35. 收敛误差：可根据温度、热流率等检验热分析的收敛性。收敛误差：可根据温度、热流率等检验热分析的收敛性。 Command: CNVTOL GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Convergence Crit

  36. 求解结束选项：如果在规定的迭代次数内，达不到收敛，ANSYS可以停止求解或到下一载荷步继续求解。求解结束选项：如果在规定的迭代次数内，达不到收敛，ANSYS可以停止求解或到下一载荷步继续求解。 Command: NCNV GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Criteria to Stop

  37. ·线性搜索：设置本选项可使ANSYS用Newton-Raphson方法进行线性搜索。·线性搜索：设置本选项可使ANSYS用Newton-Raphson方法进行线性搜索。 Command: LNSRCH GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Line Search 预测矫正：本选项可激活每一子步第一次迭代对自由度求解的预测矫正。 Command: PRED GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Predictor

  38. ③定载荷步选项 c. 输出控制 · 控制打印输出：本选项可将任何结果数据输出到*.out 文件中。 Command: OUTPR GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Output Ctrls>Solu Printout

  39. c. 输出控制 · 控制结果文件：控制*.rth的内容。 Command: OUTRES GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Output Ctrls>DB/Results File

  40. ④确定分析选项 a. Newton-Raphson选项（仅对非线性分析有用） Command: NROPT GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options

  41. b. 选择求解器：可选择如下求解器中一个进行求解： ·      Frontal solver(默认） ·      Jacobi Conjugate Gradient(JCG) solver ·      JCG out-of-memory solver ·      Incomplete Cholesky Conjugate Gradient(ICCG) solver ·      Pre-Conditioned Conjugate Gradient Solver(PCG) ·      Iterative(automatic solver selection option) Command: EQSLV GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options 注意：热分析可选用Iterative选项进行快速求解，但如下情况除外： ·      热分析包含SURF19或SURF22或超单元； ·      热辐射分析； ·      相变分析 ·      需要restart an analysis

  42. c. 确定绝对零度：在进行热辐射分析时，要将目前的温度值换算为绝对温度。如果使用的温度单位是摄氏度，此值应设定为273；如果使用的是华氏度，则为460。 Command: TOFFST GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options

  43. ⑤保存模型: 点击ANSYS工具条SAVE_DB。 ⑥求解 Command: SOLVE GUI: Main Menu>Solution>Current LS ANSYS将热分析的结果写入*.rth文件中，它包含如下 数据： 　基本数据： ·节点温度 　　导出数据： ·节点及单元的热流密度 ·节点及单元的热梯度 ·单元热流率 ·节点的反作用热流率 ·其它

  44. 对于稳态热分析，可以使用POST1进行后处理，关于后处理的完整描述，可参阅《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》。 　　进入POST1后，读入载荷步和子步： Command: SET GUI: Main Menu>General Postproc>-Read Results-By Load Step

  45. 可以通过如下三种方式查看结果： ·彩色云图显示 Command: PLNSOL, PLESOL, PLETAB等 GUI: Main Menu>General Postproc >Plot Results>Nodal Solu, Element Solu, Elem Table

  46. 矢量图显示 Command: PLVECT GUI: Main Menu>General Postproc>Plot Results>Pre-defined or Userdefined

  47. 列表显示 Command: PRNSOL, PRESOL, PRRSOL等 GUI: Main Menu>General Postproc>List Results>Nodal Solu, Element Solu, Reaction Solu 　　详细过程请参阅《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》。

  48. 练习 • 电线生热分析： • 电热丝的半径r=1.015mm，电阻率ρ=80×10-6Ω*cm，热导率λ=19.03W/(m.k)，稳态时通过电热丝的电流I=150A，几何模型如图所示，简化为轴对称，取轴线长度1.5mm，求中心线温度比表面温度高多少。

  49. 问题分析： • 1 可选用平面热分析PLANE55单元和SOLID单元进行分析。 • 2 将电流产生的热能作为热生成体载荷施加到电热丝上，热能Q的计算

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