ANSYS热分析指南——ANSYS稳态热分析.docx
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1、ANSYS 热分析指南(第三章)第三章 稳态热分析3.1 稳态传热的定义ANSYS/Multiphysics,ANSYS/Mechanical,ANSYS/FLOTRAN 和ANSYS/Professional 这些产品支持稳态热分析。稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响。通常在进展瞬态热分析以前,进展稳态热分 析用于确定初始温度分布。也可以在全部瞬态效应消逝后,将稳态热分析 作为瞬态热分析的最终一步进展分析。稳态热分析可以计算确定由于不随时间变化的热载荷引起的温度、热 梯度、热流率、热流密度等参数。这些热载荷包括:对流辐射 热流率热流密度单位面积热流 热生成率单位体积热流 固定温度
2、的边界条件第 10 页稳态热分析可用于材料属性固定不变的线性问题和材料性质随温度变化的非线性问题。事实上,大多数材料的热性能都随温度变化,因此在通常 状况下,热分析都是非线性的。固然,假设在分析中考虑辐射,则分析也 是非线性的。3.2 热分析的单元ANSYS 和 ANSYS/Professional 中大约有 40 种单元有助于进展稳态分 析。有关单元的具体描述请参考ANSYS Element Reference,该手册以单元编号来表达单元,第一个单元是 LINK1。单元名承受大写,全部的单元都可用于稳态和瞬态热分析。其中SOLID70 单元还具有补偿在恒定速度场下由于传质导致的热流的功能。这
3、些热分析单元如下:表 3-1 二维实体单元单元维数外形及特点自由度PLANE35二维六节点三角形单元温度每个节点PLANE55二维四节点四边形单元温度每个节点PLANE75二维四节点谐单元温度每个节点PLANE77二维八节点四边形单元温度每个节点PLANE38二维八节点谐单元温度每个节点表 3-2 三维实体单元单元维数外形及特点自由度SOLID70 三维 八节点六面体单元温度每个节点SOLID87 三维 十节点四周体单元温度每个节点SOLID90 三维 二十节点六单元温度每个节点表 3-3 辐射连接单元单元维数外形及特点自由度LINK31 二维或三维 二节点线单元 温度每个节点表 3-4 传导
4、杆单元单元维数外形及特点自由度LINK32二维二节点线单元温度每个节点LINK33三维二节点线单元温度每个节点表 3-5 对流连接单元单元维数外形及特点自由度LINK34三维二节点线单元温度每个节点表 3-6 壳单元单元维数外形及特点自由度SHELL57 三维 四节点四边形单元温度每个节点表 3-7 耦合场单元单元维数外形及特点自由度PLANE13二维四节点热应力耦合单元温度、构造位移、电位、磁矢量位CONTACT48二维三节点热应力接触单元温度、构造位移CONTACT49三维热应力接触单元温度、构造位移FLUID116三维二或四节点热流单元温度、压力SOLID5三维八节点热应力和热电单元温度
5、、构造位移、电位、磁标量位SOLID98三维十节点热应力和热电单元温度、构造位移、电位、磁矢量位PLANE67二维四节点热电单元温度、电位LINK68三维两节点热电单元温度、电位SOLID69三维八节点热电单元温度、电位SHELL157三四节点热电单元温度、电位维表 3-8 特别单元单元维数外形及特点自由度一个节点的质量MASS71一维到三维温度单元温度、构造位COMBINE37 一维四节点把握单元移、转动、压力二到四节点面效SURF151二维温度应单元四到九节点面效SURF152三维温度应单元由包括在超单 没有固定外形的 由包括在超单MATRIX50 元中的单元类 矩阵或辐射矩阵 元中的单元
6、类型打算超单元型打算二节点无限边界INFIN9二维温度、磁矢量位单元四节点无限边界INFIN47三维温度、磁矢量位单元两节点弹簧阻 温度、构造位COMBINE14 一维到三维尼单元移、转动、压力COMBINE39 一维两节点非线性弹 温度、构造位簧单元移、转动、压力COMBINE40 一维两节点组合单元温度、构造位移、转动、压力3.3 热分析的根本过程ANSYS 热分析包含如下三个主要步骤: 前处理:建模求解:施加荷载并求解后处理:查看结果以下的内容将表达如何执行上面的步骤。首先,对每一步的任务进展总体的介绍,然后通过一个管接处的稳态热分析的实例来引导读者如何按 照GUI 路径逐步完成一个稳态
7、热分析。最终,本章供给了该实例等效的命令流文件。3.4 建模建立一个模型的内容包括:首先为分析指定 jobname 和 title;然后在前处理器PREP7中定义单元类型,单元实常数,材料属性以及建立几何实体。ANSYS Modeling and Meshing Guide中对本局部有具体说明。对于热分析有:定义单元类型命令:ETGUI:Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete 定义固定材料属性命令:MPGUI:Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsThermal定义温度相关的
8、材料属性,首先要定义温度表,然后定义对应的材料 属性值。通过下面的方法定义温度表命令:MPTEMP 或 MPTEGN,然后定义对应的材料属性,使用 MPDATAGUI:Main MenuPreprocessorMaterial Props Material ModelsThermal对于温度相关的对流换热系数也是通过上述的 GUI 路径和命令来定义的。留意-假设以多项式的形式定义了与温度相关的膜系数,则在定义其 它具有固定属性的材料之前,必需定义一个温度表。创立几何模型及划分划分网格的过程,请参阅ANSYS Modeling and Meshing Guide3.5 施加荷载和求解在这一步骤中
9、,必需指定所要进展的分析类型及其选项,对模型施加 荷载,定义荷载选项,最终执行求解。3.5.1 指定分析类型在这一步中,可以如下指定分析类型:GUI: Main MenuSolutionNew AnalysisSteady-state(static) 命令:ANTYPE,STATIC,NEW假设是重启动以前的分析,比方,附加一个荷载。命令: ANTYPE,STATIC,rest。条件是从前分析的 jobname.ESAV、jobname.DB 等文件是可以利用的3.5.2 施加荷载可以直接在实体模型点、线、面、体或有限元模型节点和单元 上施加载荷和边界条件,这些载荷和边界条件可以是单值的,也可
10、以是用表格或函数的方式来定义简洁的边界条件,详见ANSYS 根本分析过程指南。可以定义以下五种热载荷:3.5.2.1 恒定的温度(TEMP)通常作为自由度约束施加于温度的边界上。3.5.2.2 热流率HEAT热流率作为节点集中载荷,主要用于线单元如传导杆、辐射连接单元等模型中,而这些线单元模型通常不能直接施加对流和热流密度载荷。 假设输入的值为正,表示热流流入节点,即单元猎取热量。假设温度与热流率同时施加在一节点上,则温度约束条件优先。留意-假设在实体单元的某一节点上施加热流率,则此节点四周的单元应当密一些;特别是与该节点相连的单元的导热系数差异很大时,尤其 要留意,不然可能会得到特别的温度值
11、。因此,只要有可能,都应当使用 热生成或热流密度边界条件,这些热荷载即使是在网格较为粗糙的时候都 能得到较好的结果。3.5.2.3 对流CONV对流边界条件作为面载施加于分析模型的外外表上,用于计算与模型四周流体介质的热交换,它仅可施加于实体和壳模型上。对于线单元模型, 可以通过对流杆单元 LINK34 来定义对流。3.5.2.4 热流密度HEAT热流密度也是一种面载荷。当通过单位面积的热流率或通过FLOTRAN CFD 的计算可得到时,可以在模型相应的外外表或外表效应单元上施加热流密度。假设输入的值为正,表示热流流入单元。热流密度也仅 适用于实体和壳单元。单元的外表可以施加热流密度也可以施加
12、对流,但ANSYS 仅读取最终施加的面载进展计算。3.5.2.5 热生成率HGEN热生成率作为体载施加于单元上,可以模拟单元内的热生成,比方化 学反响生热或电流生热。它的单位是单位体积的热流率。下表总结了在热分析中的载荷类型:表 3-9 热荷载类型命类载荷类型令GUI 路径别族温度约Main MenuSolution-Loads-ApplyD(TEMP)束-Thermal-Temperature热流率Main MenuSolution-Loads-Apply力 F(HEAT)-Thermal-Heat Flow对流面Main MenuSolution-Loads-ApplySF(CONV),载
13、-Thermal-ConvectionMain热流密度 荷MenuSolution-Loads-Apply(HFLUX)-Thermal-Heat Flux体热生成率Main MenuSolution-Loads-Apply载 BF(HGEN)-Thermal-Heat Generat荷下表具体列出了热分析中用于施加载荷,删除载荷,对载荷进展操作、 列表的所以命令:关温 体键 DK DKDELE DKLIST DTRAN-度 模点型表 3-10 热荷载相关的命令实体载或荷类有实施限体加删除列表显运算设置示型元模型实有限节“元DDDELEDLISTDSCALE DCUMTUNIF点模型实热关体流
14、键 FK FKDELE FKLIST FTRAN-模率点型有限节“元FFDELEFLISTFSCALE FCUM点模型对流, 实热 体线 SFL SFLDELE SFLLIST SFTRAN SFGRAD流 模密 型度“实面 SFA SFADELE SFALIST SFTRAN SFGRAD体模型有限节“元SF SFDELE SFLIST SFSCALE SFGRADSFCUM点模型有限单“元SFE SFEDELE SFELIST SFSCALE SFBEAMSFCUMSFFUNSFGRAD元模型实生关体热键 BFK BFKDELE BFKLIST BFTRAN -模率点型实体“线 BFL B
15、FLDELE BFLLIST BFTRAN -模型实体“面 BFA BFADELE BFALIST BFTRAN -模型实体“体 BFV BFVDELE BFVLIST BFTRAN -模型有限节“元BF BFDELE BFLIST BFSCALE BFCUM点模型单“BFE BFEDELE BFELIST BFSCALE BFCUM元3.5.3 承受表格和函数边界条件除了一般的使用表格来定义边界条件的方法,本节争论热分析中特有 的一些问题。关于定义表参数的具体表达,请参考ANSYS APDL Programmers Guide。本节内容对单元类型没有特别的限制。下表列出了热分析中能够用于 每
16、一种边界条件的自变量:表 3-11 荷载边界条件及其自变量热边界条件命令族自变量固定温度DTIME, X, Y, Z热流FTIME, X, Y, Z, TEMP对流换热系数 (对流)SFTIME, X, Y, Z, TEMP,VELOCITY环境温度 (对流)SFTIME, X, Y, Z热流密度SFTIME, X, Y, Z, TEMP热生成BFTIME, X, Y, Z, TEMP流体单元(FLUID116) 边界条件流率SFETIME压力DTIME, X, Y, Z后面有一个例题具体介绍在一个稳态热分析中如何承受表格边界条 件。为了使用更加灵敏的热传导系数,可以使用函数的方式来定义边界条
17、 件。有关这种用法的具体说明,可以参考ANSYS Basic AnalysisProcedures Guide。除了上述自变量外,函数边界条件还可用下面的参数作为函数的自变量:外表温度TSSURF151、SURF152 单元的外表温度密度 材料属性 DENS 比热材料属性 C导热率材料属性 kxx 导热率材料属性 kyy 导热率材料属性 kzz 粘度材料属性 辐射率材料属性 3.5.4 定义载荷步选项对于一个热分析,可以确定通用选项、非线性选项以及输出把握。下 表列出了热分析中可能用到的载荷步选项:表 3-12 分析中的载荷步选项选项命令GUI 路径通用选项Main MenuSolution-
18、Load Step时间TIMEOpts-Time/FrequencTime-Time StepMain MenuSolution -Load Step时间步数 NSUBST Opts-Time/FrequencTime and SubstpsMain MenuSolution -Load Step时间步长 DELTIM Opts-Time/FrequencTime-Time StepMain MenuSolution -Load Step阶跃或斜KBCOpts-Time坡加载/FrequencTime -Time Step非线性选项最大平衡Main MenuSolution -Load Ste
19、p OptsNEQIT迭代数-NonlinearEquilibrium IterMain MenuSolution -Load Step自动时间AUTOTS Opts-Time步长/FrequencTime-Time Step收敛容差 CNVTOLMain MenuSolution -Load Step Opts-NonlinearConvergence Crit求解中断NCNVMain MenuSolution -Load Step Opts选项-NonlinearCriteria to Stop线性搜寻LNSRCHMain MenuSolution -Load Step Opts选项-No
20、nlinearLine Search推想矫正因子PREDMain MenuSolution -Load Step Opts-NonlinearPredictor输出把握选项打印输出 OUTPRMain MenuSolution -Load Step Opts-Output CtrlsSolu Printout数据库和Main MenuSolution -Load Step 结果文件 OUTRES Opts-Output输出CtrlsDB/Results FileMain MenuSolution -Load Step 结果外插 ERESX Opts-OutputCtrlsIntegration
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