ANSYS熱分析.doc

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1、No Boundaries ANSYS熱分析指南 第一章 簡(jiǎn) 介 一、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。 二、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,其中ANSYS/FLOTRAN不含相變熱分析。 ANSYS熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限

2、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、接觸熱阻等問(wèn)題。 三、ANSYS 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 四、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 第二章 基礎(chǔ)知識(shí) 一、符號(hào)與單位 項(xiàng)目 國(guó)際單位 英制單位 ANSYS代號(hào) 長(zhǎng)度 m ft 時(shí)間 s s 質(zhì)量 Kg lbm 溫度 ℃ oF 力 N lbf

3、 能量（熱量） J BTU 功率（熱流率） W BTU/sec 熱流密度 W/m2 BTU/sec-ft2 生熱速率 W/m3 BTU/sec-ft3 導(dǎo)熱系數(shù) W/m-℃ BTU/sec-ft-oF KXX 對(duì)流系數(shù) W/m2-℃ BTU/sec-ft2-oF HF 密度 Kg/m3 lbm/ft3 DENS 比熱 J/Kg-℃ BTU/lbm-oF C 焓 J/m3 BTU/ft3 ENTH 二、傳熱學(xué)經(jīng)典理論回顧 熱分析遵循熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律: l 對(duì)于一個(gè)封閉的系統(tǒng)（沒(méi)有質(zhì)量的流入

4、或流出〕 式中: Q —— 熱量; W —— 作功; ——系統(tǒng)內(nèi)能; ——系統(tǒng)動(dòng)能； ——系統(tǒng)勢(shì)能； l 對(duì)于大多數(shù)工程傳熱問(wèn)題：； l 通?？紤]沒(méi)有做功：, 則：； l 對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱分析：，即流入系統(tǒng)的熱量等于流出的熱量； l 對(duì)于瞬態(tài)熱分析：，即流入或流出的熱傳遞速率q等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化。 三、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：，式中為熱流密度（W/m2），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

5、的表面與它周?chē)佑|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(lái)描述：，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），為固體表面的溫度，為周?chē)黧w的溫度。 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(guò)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(wú)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(lái)計(jì)算：，式中為熱流率，為輻射率（

6、黑度），為斯蒂芬－波爾茲曼常數(shù)，約為5.6710-8W/m2.K4，A1為輻射面1的面積，為由輻射面1到輻射面2的形狀系數(shù)，為輻射面1的絕對(duì)溫度，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。 四、穩(wěn)態(tài)傳熱 　　如果系統(tǒng)的凈熱流率為０，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） 　　 式中：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)； 為節(jié)點(diǎn)溫度向量； 為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含熱生成； 　　ANS

7、YS利用模型幾何參數(shù)、材料熱性能參數(shù)以及所施加的邊界條件，生成、以及。 五、瞬態(tài)傳熱 　　瞬態(tài)傳熱過(guò)程是指一個(gè)系統(tǒng)的加熱或冷卻過(guò)程。在這個(gè)過(guò)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）： 式中: 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)； 為比熱矩陣,考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加; 為節(jié)點(diǎn)溫度向量； 為溫度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù); 為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含熱生成。 六、線性與非線性 　　如果有下列情況產(chǎn)生，則為非線性熱分析： ①、材料熱性能隨溫度變化，如K(T),C(T)等； ②、邊界條件隨溫

8、度變化，如h(T)等； ③、含有非線性單元； 4、 考慮輻射傳熱 非線性熱分析的熱平衡矩陣方程為： 七、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、熱流率、熱流密度、對(duì)流、輻射、絕熱、生熱。 八、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(lái)的誤差； 僅適用于SOLID或SHELL的熱單元（只有溫度一個(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。 第三章　穩(wěn)態(tài)傳熱分析 一、穩(wěn)態(tài)傳熱的定義 　　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

9、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(guò)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) 二、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)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 P

10、LANE78 八節(jié)點(diǎn)軸對(duì)稱單元 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 殼 SHELL57 四節(jié)點(diǎn) 點(diǎn) MASS71 　　有關(guān)單元的詳細(xì)解釋，請(qǐng)參閱《ANSYS Element Reference Guide》 三、ANSYS穩(wěn)態(tài)熱分析的基本過(guò)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 1、建模 ①、確定jobname、title、unit； ②、進(jìn)入PREP7前處理，定義單元類型，設(shè)定單元選項(xiàng)； ③、定義

11、單元實(shí)常數(shù)； ④、定義材料熱性能參數(shù)，對(duì)于穩(wěn)態(tài)傳熱，一般只需定義導(dǎo)熱系數(shù)，它可以是恒定的，也可以隨溫度變化； ⑤、創(chuàng)建幾何模型并劃分網(wǎng)格，請(qǐng)參閱《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。 2、施加載荷計(jì)算 1、 定義分析類型 l 如果進(jìn)行新的熱分析： Command: ANTYPE, STATIC, NEW GUI: Main menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis>Steady-state l 如果繼續(xù)上一次分析，比如增加邊界條件等： Command: ANTYPE, STATIC, REST GU

12、I: Main menu>Solution>Analysis Type->Restart 2、 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:　D GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Temperature 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)施加在一節(jié)點(diǎn)上則ANS

13、YS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?chē)膯卧芤恍趦煞N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: F GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Flow 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(guò)對(duì)流線單元LINK34考慮對(duì)流。 Command Family: SF GUI：Mai

14、n Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Convection d、熱流密度 　　熱流密度也是一種面載。當(dāng)通過(guò)單位面積的熱流率已知或通過(guò)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: F GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Flux e、生熱率 　　生熱率作為體載施加于單元上，可以模擬化

15、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: BF GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Generat ③、確定載荷步選項(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(méi)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: TIME GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time-Time Step/

16、Time and Substps 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: 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 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；如果為遞進(jìn)(ramped)選項(xiàng)，則載荷值由上

17、一載荷步值到本載荷步值隨每一子步線性變化。 Command: KBC GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time-Time Step/Time and Substps 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(wèn)題足夠。 Command: NEQIT GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Equilibrium Iter 自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng): 對(duì)于非線性問(wèn)題，可以自動(dòng)設(shè)定子步間載荷的增長(zhǎng)，保證求解的

18、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。 Command: AUTOTS GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time-Time Step/Time and Substps 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: CNVTOL GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Convergence Crit 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，ANSYS可以停止求解或到下一載荷步繼續(xù)求解。 Command: NCNV GUI: Mai

19、n Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Criteria to Stop 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: LNSRCH GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Line Search 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: PRED GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Predictor c. 輸出控制

20、 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: OUTPR GUI: 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: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Output Ctrls>DB/Results File ④、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 M

21、enu>Solution>Analysis Options 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) solver JCG out-of-memory solver Incomplete Cholesky Conjugate Gradient(ICCG) solver Pre-Conditioned Conjugate Gradient Solver(PCG) Iterative(automatic solver selection option) Com

22、mand: EQSLV GUI: Main Menu>Solution>Analysis 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 analysis 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273；如果使用的是華氏度，則為460。 Command: TOFFST GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options 5、

23、保存模型: 點(diǎn)擊ANSYS工具條SAVE_DB。 ⑥、求解 Command: SOLVE GUI: Main Menu>Solution>Current LS 3、后處理 　　ANSYS將熱分析的結(jié)果寫(xiě)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 　　對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱分析，可以使用POST1進(jìn)行后處理，關(guān)于后處理的完整描述，可參閱《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》。 　　進(jìn)入POST1后，讀入載荷步和子

24、步： Command: SET GUI: Main Menu>General Postproc>-Read Results-By Load Step 　　可以通過(guò)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 Results>Nodal Solu, Element Solu, Elem Table 矢量圖顯示 Command: PLVECT GUI: Main Menu>General Postproc>Plot Results>Pre-de

25、fined or Userdefined 列表顯示 Command: PRNSOL, PRESOL, PRRSOL等 GUI: Main Menu>General Postproc>List Results>Nodal Solu, Element Solu, Reaction Solu 　　詳細(xì)過(guò)程請(qǐng)參閱《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》。 實(shí)例1： 　　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

26、 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 inch 筒長(zhǎng) 200 feet 導(dǎo)熱系數(shù) 不銹鋼 8.27 BTU/hr.ft.oF 玻纖 0.028 BTU/hr.ft.oF 鋁 117.4 BTU/hr.ft.oF 邊界條件 空氣溫度 70 oF 海水溫度 44.5 oF 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。

27、 以下分別列出log文件和菜單文件。 /filename, Steady1 /title, Steady-state thermal analysis of submarine /units, BFT Ro=15 !外徑(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

28、=0.028 !玻璃纖維的導(dǎo)熱系數(shù) (BTU/hr.ft.oF) 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) /prep7 et,1,plane55 !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 pcir

29、c,Rss,Rins,-0.5,0.5 pcirc,Rins,Ral,-0.5,0.5 aglue,all numcmp,area lesize,1,,,16 !設(shè)定劃分網(wǎng)格密度 lesize,4,,,4 lesize,14,,,5 lesize,16,,,2 eshape,2 !設(shè)定為映射網(wǎng)格劃分 mat,1 amesh,1 mat,2 amesh,2 mat,3 amesh,3 /SOLU SFL,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

30、/POST1 PLNSOL ！輸出溫度彩色云圖 finish 菜單操作: 1. Utility Menu>File>change jobename, 輸入Steady1； 2. Utility Menu>File>change title,輸入Steady-state thermal analysis of submarine； 3. 在命令行輸入:/units, BFT； 4. Main Menu: Preprocessor； 5. Main Menu: Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete,選擇PLANE55； 6.

31、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； 7. Main Menu: Preprocessor>-Modeling->Create>-Areas-Circle>By Dimensions ,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-(.7

32、5/12),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； 8. Main Menu: Preprocessor>-Modeling->Operate>-Booleane->Glue>Area,選擇PICK ALL； 9. Main Menu: Preprocessor>-Meshing-Size Contrls>-Lines-Picked Lines,選擇不銹鋼層短邊,在NDIV框中輸入4,選擇APPLY,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

33、中輸入2,選擇APPLY,選擇四個(gè)長(zhǎng)邊,在NDIV中輸入16； 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； 11. Main Menu: Preprocessor>-Meshing-Mesh>-Areas-Mapped>3 or 4 sided,選擇PICK ALL； 12. Main Menu: Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Convect

34、ion>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,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； 13. Main Menu: Solution>-Solve-Current LS； 14. Main Menu: General Postproc>Plot Results>-Contour Plot-Nodal Solu,選擇Temperature。 實(shí)例2 一圓筒形的罐有一接管,罐外徑為3英尺，壁厚為0.2英尺，接管外徑為0.5英尺，壁厚為0.1英尺，罐與接管的軸線垂直且接管遠(yuǎn)離罐的端部。

35、如圖所示： 罐內(nèi)流體溫度為華氏450度,與罐壁的對(duì)流換熱系數(shù)年為250BUT/hr-ft2-oF,接管內(nèi)流體的溫度為華氏100度,與管壁的對(duì)流換熱系數(shù)隨管壁溫度而變。接管與罐為同一種材料，它的熱物理性能如下表所示： 溫度 70 200 300 400 500 oF 密度 0.285 0.285 0.285 0.285 0.285 lbm/in3 導(dǎo)熱系數(shù) 8.35 8.90 9.35 9.8 10.23 Btu/hr-ft-oF 比熱 0.113 0.117 0.119 0.122 0.125 Btu/lbm-oF 對(duì)流系數(shù)*

36、426 405 352 275 221 Btu/hr-ft2-oF *接管內(nèi)壁對(duì)流系數(shù) 求罐與接管的溫度分布。 以下分別列出LOG文件及菜單操作 /prep7 /title,Steady-state thermal analysis of pipe junction /units,bin ！使用英制單位 et,1,90 ！定義熱單元 mp,dens,1,.285 ！密度 mptemp,,70,200,300,400,500 ！建立溫度表 mpdata,kxx,1,,8.35/12,8.90/12,9.35/12,9.80

37、/12,10.23/12 ！導(dǎo)熱系數(shù) mpdata,c,1,,0.133,0.177,0.119,0.122,0.125 ！比熱 mpdata,hf,2,,426/144,405/144,352/144,275/144,221/144 ！接管對(duì)流系數(shù) ！定義幾何模型參數(shù) ri1=1.3 ！罐內(nèi)半徑 ro1=1.5 ！罐外半徑 z1=2 ！罐長(zhǎng) ri2=0.4 ！接管內(nèi)半徑 ro2=0.5 ！接管外半徑 z2=2 ！接管長(zhǎng) ！建立幾何模型 cylind,ri1,ro1,,z1,,90

38、 ！1/4罐體 wprota,0,-90 ！將工作平面旋轉(zhuǎn)到垂直于接管軸線 cylind,ri2,ro2,,z2,-90 ！1/4接管 wpstyl,defa ！將工作平面恢復(fù)到默認(rèn)狀態(tài) vovlap,1,2 ！進(jìn)行OVERLAP布爾操作 /pnum,volu,1 ！打開(kāi)實(shí)體編號(hào) /view,,-3,-1,1 ！定義顯示角度 /type,,4 /title, Volumes used in building pipe/tank junction vplot ！顯示實(shí)體 vdele,3,4,,1 ！刪除多余實(shí)

39、體 ！劃分網(wǎng)格 asel,,loc,z,z1 ！選擇罐上Z=Z1的面 asel,a,loc,y,0 ！添加選擇罐上Y=0的面 cm,aremote,area ！創(chuàng)建名為AREMOTE的面組 /pnum,area,1 /pnum,line,1 /title,lines showing the portion being modeled aplot /noerase lplot /erase accat,all ！組合罐遠(yuǎn)端的面及線，為映射劃分網(wǎng) ！格作準(zhǔn)備 lccat,12,7 lccat,10,5 lesize,20,,,4

40、 ！在接管壁厚方向分4等分 lesize,40,,,6 ！在接管長(zhǎng)度方向分6等分 lesize,6,,,4 ！在罐壁厚方向分4等分 allsel ！選擇EVERYTHING esize,0.4 ！設(shè)定默認(rèn)的單元大小 mshape,0,3d ！選擇3D映射網(wǎng)格 mshkey,1 save ！保存數(shù)據(jù)文件 vmesh,all ！劃分網(wǎng)格，產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)與單元 /pnum,defa /title, elements in portion being modeled eplot ！顯示單元 finish

41、 ！加載求解 /solu antype,static ！定義為穩(wěn)態(tài)分析 nropt,auto ！設(shè)置求解選項(xiàng)為Program-chosen ！Newton-Raphson tunif,450 ！設(shè)定初始所有節(jié)點(diǎn)溫度 csys,1 ！變?yōu)橹鴺?biāo) nsel,s,loc,x,ri1 ！選擇罐內(nèi)表面的節(jié)點(diǎn) sf,all,conv,250/144,450 ！定義對(duì)流邊界條件 cmsel,,aremote ！選擇AREMOTE面組 nsla,,1 ！選擇屬于AREMOTE面組的節(jié)點(diǎn) d,all,temp,4

42、50 ！定義節(jié)點(diǎn)溫度 wprota,0,-90 ！將工作平面旋轉(zhuǎn)到垂直于接管軸線 cswpla,11,1 ！創(chuàng)建局部柱坐標(biāo) nsel,s,loc,x,ri2 ！選擇接管內(nèi)壁的節(jié)點(diǎn) sf,all,conv,-2,100 ！定義對(duì)流邊界條件 allsel ！選擇EVERYTHING /pbc,temp,,1 ！顯示所有溫度約束 /psf,conv,,2 ！顯示所有對(duì)流邊界 /title,Boundary conditions nplot ！顯示節(jié)點(diǎn) wpstyle,defa ！工作平面恢復(fù)默認(rèn)

43、狀態(tài) csys,0 ！變?yōu)橹苯亲鴺?biāo) autots,on ！打開(kāi)自動(dòng)步廠長(zhǎng) nsubst,50 ！設(shè)定子步數(shù)量 kbc,0 ！設(shè)定為階越 outpr,nsol,last ！設(shè)置輸出 solve ！進(jìn)行求解 finish ！進(jìn)入后處理 /post1 /title,Temperature contrours at pipe/tank junction plnsol,temp ！顯示溫度彩色云圖 finish /exit,all 菜單操作 1、 設(shè)定標(biāo)題:Utility Menu>File>Change

44、Title,輸入Steady-State analysis of pipe junction,選擇OK; 2、 設(shè)定單位制:在命令提示行輸入/UNITS,BIN; 3、 定義單元類型:Main Menu>Preprocesor>Element Type>Add/Edit/Delete,選擇Thermal Solid, Bricck 20 node 90號(hào)單元; 4、 定義材料屬性 (1) Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Constant->Isotropic,默認(rèn)材料編號(hào)1,在DENSITY框中輸入0.285; (2) Main Menu

45、>Preprocessor>Material Props>-Temp Dependent->Temp Table,輸入溫度70,200,300,400,500; (3) Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Temp Dependent->Prop Table,選擇導(dǎo)熱系數(shù)KXX,材料編號(hào)為1,輸入與溫度表對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)8.35/12,8.9/12,9.35/12,9.8/12,10.23/12,選擇APPLY; (4) 選擇比熱C,材料編號(hào)為1,輸入0.113,0.117,0.119,0.122,0.125,選擇APPLY; (5) 選擇對(duì)流系數(shù)

46、HF,材料編號(hào)為2,輸入426/144,405/144,352/144,275/144, 221/144，選擇OK。 5、 定義幾何模型參數(shù)：Utility Menu>Parameters>Scalar Parameters,輸入ri1=1.3,ro1=1.5,z1=2,ri2=0.4,ro2=0.5,z2=2; 6、 建立幾何模型 (1) Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Volumes->Cylinder>By Dimensions, Outer radius框中輸入ro1,Optional inner radium框中輸入r

47、i1,Z coordinates框中輸入0和Z1,Ending angle框中輸入90; (2) Utility Menu>WorkPlane>Offset WP by Increments,在XY,YZ,ZX框中輸入0,-90; (3) Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Volumes->Cylinder>By Dimensions; Outer radius框中輸入ro2, Optional inner radium框中輸入ri2, Z coordinates框中輸入0和Z2,Starting angle框中輸入-90,Ending

48、 angle框中輸入0; (4) Utility Menu>WorkPlane>Align WP with>Global Cartesian； 7、 進(jìn)行布爾操作:Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Operate>-Booleans-> Overlap >Volumes,選擇Pick All； 8、 觀察幾何模型 (1) Utility Menu>PlotCtrls>Numbering,打開(kāi)volumes; (2) Utility Menu>PlotCtrls>View Direction, 在Coords of view point框中輸入-3

49、,-1,1； 9、 刪除多余實(shí)體Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Delete>Volume and Below,在命令輸入行輸入3,4回車(chē)； 10、 創(chuàng)建組AREMOTE (1) Utility Menu>Select>Entities,選擇Area, By location, Z Coordinates, 在Min, Max框中輸入Z1,選擇APPLY,Y Coordinates, 在Min, Max框中輸入0,OK; (2) Utility Menu>Select>Comp/Assembly>Create Component,在Component

50、 name框中輸入AREMOTE, 在Components is made of菜單中選擇AREA； 11、 組合面及線 (1) Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Mesh>-Volumes->Mapped> -Concatenate->Area,選擇Pick all； (2) Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Mesh>-Volumes->Mapped> -Concatenate->Lines,在命令行中輸入12,7回車(chē),選擇APPLY,在命令行中輸入10,5回車(chē),OK； 12、 設(shè)定網(wǎng)格密度 (1) Main M

51、enu>Preprocessor>-Meshing->Size Cntrls>Picked Lines,選擇線6和20,OK,在No. of element divisions框中輸入4,OK； (2) Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Size Cntrls>Picked Lines,選擇線40,OK,在No. of element divisions框中輸入6,OK； (3) Utility Menu>Select>Everything； (4) Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Size Cntrls>-Global-

52、>Size,在element edge length框中輸入0.4,OK； 13、 劃分網(wǎng)格:Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Mesh>-Volumes->Mapped>4 to 6 sides,選擇Pick All； 14、 定義求解類型及選項(xiàng) (1) Main Menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis,選擇Steady-State； (2) Main Menu>Solution>-Analysis Options,選擇Program-chosen； 15、 施加對(duì)流載荷 (1) Utility Men

53、u>WorkPlane>Change Active CS to>Global Cylindrical； (2) Utility Menu>Select>Entities,選擇Nodes, By location, X,在Min, Max框中輸入ri1,OK； (3) Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Convection>On Nodes,選擇Pick All, 輸入250/144及450,OK； 16、 在AREMOTE組上施加溫度約束 (1) Utility Menu>Select>Comp/Assembly>Select Com

54、p/Assembly,選aremote; (2) Utility Menu>Select>Entities,選擇Nodes, Attached to, On the Area all, OK； (3) Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Temperature>On Nodes,選擇Pick all,輸入45,OK； 17、 施加與溫度有關(guān)的對(duì)流邊界條件 (1) Utility Menu>WorkPlane>Offset WP by Increments,在XY,YZ,ZX Angles框中輸入0,-90,OK; (2) Utilit

55、y Menu>WorkPlane>Local Coordinate Systems>Create Local CS>At WP Origin,在Type of coordinate system菜單中,選擇Cylindrical 1,OK； (3) Utility Menu>Select Entities,選擇Nodes, By location, X, 在Min, Max框中輸入ri2,OK； (4) Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Convection>On Nodes,選擇Pick All,在Film coefficient框中輸

56、入-2,在Bulk temperature框中輸入100,OK; (5) Utility Menu>Select>Everything； (6) Utility Menu>PlotCtrls>Symbols,在Show pres and convect as菜單中選擇Arrow, OK; (7) Utility Menu>Plot>Nodes； 18、 恢復(fù)工作平面及坐標(biāo)系統(tǒng) (1) Utility Menu>WorkPlane>Change Active CS to>Global Cartesian； (2) Utility Menu>WorkPlane>Align WP wit

57、h>Global Cartesian； 19、 設(shè)定載荷步選項(xiàng): Main Menu>Solution>-Load Step Options->Time/Frequenc>Time and Substeps,在Number of substeps框中輸入50,設(shè)置Automatic time stepping為On； 20、 求解:Main Menu>Solution>-Solve->Current LS 21、 顯示溫度分布彩色云圖: Main Menu>General Postproc>Plot Results>-Contour Plot->Nodal Solu,選擇Temper

58、ature TEMP。 《ANSYS Verification Manual》中關(guān)于穩(wěn)態(tài)熱分析的實(shí)例： VM58 Centerline temperature of a heat generating wire VM92 Insulted wall temperature VM93 Temperature dependent conductivity VM94 Heat generating plate VM95 Heat transfer from a cooling spine VM96 Temperature distribution in

59、a short solid cylinder VM97 Temperature distribution along a straight fin VM98 Temperature distribution along a tapered fin VM99 Temperature distribution in a trapezoidal fin VM100 Heat conductivity across a chimney section VM101 Temperature distribution in a short solid cylinder VM102

60、 Cylinder with temperature dependent conductivity VM103 Thin plate with a central heat source VM105 Heat generation coil with temperature dependent conductivity VM108 Temperature gradient across a solid cylinder VM118 Centerline temperature of a heat generating wire VM160 Solid cylinder w

61、ith harmonic temperature load VM161 Heat flow from a insulated pipe VM162 Cooling of a circular fin of rectangular profile VM193 Adaptive analysis of two-dimensional heat transfer with convection  第四章　瞬態(tài)傳熱分析 一、瞬態(tài)傳熱分析的定義 　　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。

62、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。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。 二、瞬態(tài)熱分析中的單元及命令 　　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(shuō)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》。 三、ANSYS 瞬態(tài)熱分析的主要步驟

63、 建模 加載求解 后處理 四、建模 確定jobname、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》。 五、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 GUI: Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis>Transient Com

64、mand: ANTYPE,TRANSIENT,NEW 如果接著上次的分析繼續(xù)進(jìn)行（例如增加其它載荷） GUI: Main Menu>Solution>Analysis Type>Restart Command: ANTYPE,TRANSIENT,REST 2、獲得瞬態(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 Command:　TUNIF GUI: 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

65、通過(guò)如下方法設(shè)定參考溫度： Command:　TREF GUI: Main Menu> Solution>-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 Command:　D GUI: 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:　DDELE GUI: Main Menu> Solutio

66、n>-Loads->Delete>-Thermal-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： Command:　IC GUI: Main Menu> Solution>Loads>Apply>-Initial Conditn>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： 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, OFF GUI: Main Menu> Preprocessor>Loads>-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: TIME GUI: Main Menu> Preprocessor>Loads>-Load S