ansys熱學(xué)方面

1、 ANSYS熱分析指南第一章 簡(jiǎn) 介41.1熱分析的目的41.2 ANSYS中的熱分析41.2.1對(duì)流41.2.2輻射41.2.3特殊的問題51.3熱分析的類型51.4耦合場(chǎng)分析51.5關(guān)于菜單路徑和命令語法5第二章 基礎(chǔ)知識(shí)62.1符號(hào)與單位62.2傳熱學(xué)經(jīng)典理論回顧62.3熱傳遞的方式72.3.1熱傳導(dǎo)72.3.2熱對(duì)流72.3.3熱輻射72.4穩(wěn)態(tài)傳熱72.5瞬態(tài)傳熱82.6線性與非線性82.7邊界條件和初始條件92.8熱分析誤差估計(jì)9第三章 穩(wěn)態(tài)熱分析103.1穩(wěn)態(tài)傳熱的定義103.2熱分析的單元103.3熱分析的基本過程123.4建模123.5施加荷載和求解133.5.1指定分析類型

2、133.5.2施加荷載143.5.3采用表格和函數(shù)邊界條件163.5.4定義載荷步選項(xiàng)163.5.5通用選項(xiàng)183.5.6非線性選項(xiàng)183.5.7輸出控制203.5.8定義分析選項(xiàng)203.5.9保存模型213.5.10求解213.5.11后處理223.5.12讀入結(jié)果223.5.13查看結(jié)果223.6穩(wěn)態(tài)熱分析的實(shí)例1帶接管的圓筒罐243.6.1問題描述243.6.2分析方法253.6.3菜單操作過程263.6.4等效的命令流方法313.7穩(wěn)態(tài)熱分析的實(shí)例2利用表格邊界條件進(jìn)行熱分析343.7.1菜單操作過程343.7.2等效的命令流方法373.8ANSYS Verification Manu

3、al中與熱分析相關(guān)的實(shí)例39第四章 瞬態(tài)熱分析414.1瞬態(tài)傳熱的定義414.2瞬態(tài)熱分析中使用的單元和命令414.3瞬態(tài)熱分析的過程424.4建模424.5施加荷載和求解424.5.1指定分析類型424.5.2為分析建立初始條件434.5.3設(shè)置荷載步選項(xiàng)444.5.4非線性選項(xiàng)474.5.5輸出控制494.5.6求解494.6后處理494.6.1通用后處理（POST1）494.6.2時(shí)間歷程后處理（POST26）494.7相變問題504.8瞬態(tài)熱分析的實(shí)例1514.8.1問題描述514.8.2菜單操作過程524.8.3等效的命令流方法554.9瞬態(tài)熱分析的實(shí)例2584.9.1問題描述584

4、.9.2命令流方法584.10ANSYS Verification Manual中與瞬態(tài)熱分析相關(guān)的實(shí)例60第五章 表面效應(yīng)單元615.1簡(jiǎn)介615.2表面效應(yīng)單元在熱分析中的應(yīng)用615.3表面效應(yīng)單元的有關(guān)熱分析設(shè)置選項(xiàng)615.4表面效應(yīng)單元的實(shí)常數(shù)635.5表面效應(yīng)單元的材料屬性635.6創(chuàng)建無孤立節(jié)點(diǎn)的表面效應(yīng)單元635.7創(chuàng)建帶孤立節(jié)點(diǎn)的表面效應(yīng)單元645.8管流單元熱分析645.9表面效應(yīng)單元的實(shí)例1冷卻柵的熱分析655.9.1問題描述655.9.2菜單操作過程655.9.3等效的命令流方法715.10表面效應(yīng)單元的實(shí)例2圓管熱分析755.10.1問題描述755.10.2命令流方法7

5、6第六章 熱輻射分析806.1熱輻射的定義806.2基本概念806.3分析熱輻射問題826.4節(jié)點(diǎn)間的熱輻射826.5點(diǎn)與面間的熱輻射826.6 AUX12輻射矩陣生成器836.6.1定義輻射面分析類型846.6.2生成輻射矩陣856.6.3使用輻射矩陣進(jìn)行熱分析876.7使用空間節(jié)點(diǎn)的幾點(diǎn)建議876.7.1對(duì)于非隱藏方法876.7.2對(duì)于隱藏方法886.8使用AUX12的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)886.9 Radiosity求解器方法896.9.1定義輻射面896.9.2設(shè)定分析選項(xiàng)906.9.3定義形狀系數(shù)選項(xiàng)916.9.4計(jì)算并驗(yàn)證形狀系數(shù)選項(xiàng)926.9.5設(shè)定載荷選項(xiàng)926.10靜態(tài)熱輻射分析的幾

6、點(diǎn)建議926.11熱輻射分析實(shí)例1936.11.1問題描述936.11.2菜單操作過程（接第五章實(shí)例1）936.11.3等效的命令流方法956.11.4等效的命令流方法976.12熱輻射分析實(shí)例21026.12.1問題描述1026.12.2等效的命令流方法1026.13熱輻射分析實(shí)例31036.13.1問題描述1036.13.2等效的命令流方法1046.14ANSYS Verification Manual中與熱輻射分析相關(guān)的實(shí)例106第七章 熱應(yīng)力分析1077.1熱應(yīng)力分析的分類1077.2間接法進(jìn)行熱應(yīng)力分析的步驟1077.3間接法熱應(yīng)力分析實(shí)例1087.3.1問題描述1087.3.2菜單

7、操作過程1097.3.3等效的命令流方法1117.4直接法熱應(yīng)力分析實(shí)例1147.4.1問題描述1147.4.2命令流方法114第一章 簡(jiǎn) 介1.1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)，我們一般關(guān)心的參數(shù)有：l 溫度的分布l 熱量的增加或損失l 熱梯度l 熱流密度熱分析在許多工程應(yīng)用中扮演著重要角色，如內(nèi)燃機(jī)、渦輪機(jī)、換熱器、管路系統(tǒng)、電子元件等等。通常在完成熱分析后將進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，計(jì)算由于熱膨脹或收縮而引起的熱應(yīng)力。1.2 ANSYS中的熱分析ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Professional、ANS

8、YS/FLOTRAN四種產(chǎn)品中支持熱分析功能。ANSYS熱分析基于由能量守恒原理導(dǎo)出的熱平衡方程，有關(guān)細(xì)節(jié)，請(qǐng)參閱ANSYS Theory Reference。ANSYS使用有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度，并由其導(dǎo)出其它熱物理參數(shù)。ANSYS可以處理所有的三種主要熱傳遞方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射。1.2.1對(duì)流熱對(duì)流在ANSYS中作為一種面載荷，施加于實(shí)體或殼單元的表面。首先需要輸入對(duì)流換熱系數(shù)和環(huán)境流體溫度，ANSYS將計(jì)算出通過表面的熱流量。如果對(duì)流換熱系數(shù)依賴于溫度，可以定義溫度表，以及在每一個(gè)溫度點(diǎn)處的對(duì)流換熱系數(shù)。1.2.2輻射ANSYS提供了四種方法來解決非線性的輻射問題：1輻射桿單元

9、（LINK31）2使用含熱輻射選項(xiàng)的表面效應(yīng)單元（SURF151-2D,或SURF152-3D）3在AUX12中，生成輻射矩陣，作為超單元參與熱分析4使用Radiosity求解器方法有關(guān)輻射的詳細(xì)描述請(qǐng)閱讀本指南第四章。1.2.3特殊的問題除了前面提到的三種熱傳遞方式外，ANSYS熱分析還可以解決一些諸如：相變（熔融與凝固）、內(nèi)部熱生成（如焦耳熱）等的特殊問題。例如，可使用熱質(zhì)點(diǎn)單元MASS71模擬隨溫度變化的內(nèi)部熱生成。1.3熱分析的類型ANSYS支持兩種類型的熱分析：1穩(wěn)態(tài)熱分析確定在穩(wěn)態(tài)的條件下的溫度分布及其他熱特性，穩(wěn)態(tài)條件指熱量隨時(shí)間的變化可以忽略。2瞬態(tài)熱分析則計(jì)算在隨時(shí)間變化的條

10、件下，溫度的分布和熱特性。1.4耦合場(chǎng)分析ANSYS中可與熱分析進(jìn)行耦合的方式有熱結(jié)構(gòu)、熱電磁等。耦合場(chǎng)分析可以使用ANSYS中的矩陣耦合單元，或者在獨(dú)立的物理環(huán)境中使用序慣荷載耦合。有關(guān)耦合場(chǎng)分析的詳細(xì)描述，請(qǐng)參閱ANSYS Coupled-Field Analysis Guide。1.5關(guān)于菜單路徑和命令語法在本指南中，您將會(huì)看到相關(guān)的ANSYS命令及其等效的菜單路徑。這些參考的命令僅僅包括命令名，因?yàn)椴⒉豢偸切枰付ㄋ械膮?shù)，而且不同的參數(shù)組合會(huì)有不同的作用。有關(guān)ANSYS命令的更多的敘述，請(qǐng)參考ANSYS Commands Reference。菜單路徑將近可能完整得列出。對(duì)于多數(shù)情況

11、，選擇菜單就能夠完成所需要的功能；但還有一些情況，選擇文中所示菜單后會(huì)彈出一個(gè)菜單或是對(duì)話框，由此定義其他的選項(xiàng)來執(zhí)行一些特定的任務(wù)。第二章 基礎(chǔ)知識(shí)2.1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mft時(shí)間ss質(zhì)量Kglbm溫度oFTEMP力Nlbf能量（熱量）JBTU功率（熱流率）WBTU/secHEAT熱流密度W/m2BTU/sec-ft2HFLUX生熱速率W/m3BTU/sec-ft3HGEN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/ft3DENS比熱J/Kg-BTU/lbm-oFC焓J/m3BTU/f

12、t3ENTH2.2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。對(duì)于一個(gè)封閉的系統(tǒng)（沒有質(zhì)量的流入或流出）：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；對(duì)大多數(shù)工程傳熱問題：；通常不考慮做功：, 則：；對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱分析：，即流入的熱量等于流出的熱量；對(duì)于瞬態(tài)熱分析：，即流入流出的熱傳遞速率q等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化。2.3熱傳遞的方式2.3.1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)遵循傅立葉定律：，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。2.3.2熱對(duì)流熱對(duì)流是

13、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，為周圍流體的溫度。2.3.3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：，式中為熱流率，為輻射率（黑

14、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。2.4穩(wěn)態(tài)傳熱如果系統(tǒng)的凈流濾為0，即流入體統(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)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；ANSYS利用模型幾何參數(shù)、材料熱性能參數(shù)以及所施加的

15、邊界條件，生成、以及。2.5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）：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，包括熱生成；2.6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；非線性熱分析的熱平衡方程為：2.7邊界條件和初始條件

16、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。在本指南中，您將會(huì)看到相關(guān)的ANSYS命令及其等效的菜單路徑。這些參考的命令僅僅包括命令名，因?yàn)椴⒉豢偸切枰付ㄋ械膮?shù)，而且，不同的參數(shù)的組合會(huì)有不同的作用。有關(guān)ANSYS命令的更多的敘述，請(qǐng)參考ANSYS Commands Reference。菜單路徑將近可能完整得列出，2.8熱分析誤差估計(jì)l 僅用于評(píng)估由于網(wǎng)格密度不夠帶來的誤差；l 僅適用于SOLID或SHELL的熱單元（只有一個(gè)溫度自由度）；l 基于單元邊界的熱流密度的不連續(xù)；l 僅對(duì)一種材料、線性、穩(wěn)態(tài)熱分析有效；l 使用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分

17、可對(duì)誤差進(jìn)行控制。第三章 穩(wěn)態(tài)熱分析3.1穩(wěn)態(tài)傳熱的定義ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical，ANSYS/FLOTRAN和ANSYS/Professional這些產(chǎn)品支持穩(wěn)態(tài)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。也可以在所有瞬態(tài)效應(yīng)消失后，將穩(wěn)態(tài)熱分析作為瞬態(tài)熱分析的最后一步進(jìn)行分析。穩(wěn)態(tài)熱分析可以計(jì)算確定由于不隨時(shí)間變化的熱載荷引起的溫度、熱梯度、熱流率、熱流密度等參數(shù)。這些熱載荷包括：l 對(duì)流l 輻射l 熱流率l 熱流密度（單位面積熱流）l 熱生成率（單位體積熱流）l 固定溫度

18、的邊界條件穩(wěn)態(tài)熱分析可用于材料屬性固定不變的線性問題和材料性質(zhì)隨溫度變化的非線性問題。事實(shí)上，大多數(shù)材料的熱性能都隨溫度變化，因此在通常情況下，熱分析都是非線性的。當(dāng)然，如果在分析中考慮輻射，則分析也是非線性的。3.2熱分析的單元ANSYS和ANSYS/Professional中大約有40種單元有助于進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析。有關(guān)單元的詳細(xì)描述請(qǐng)參考ANSYS Element Reference，該手冊(cè)以單元編號(hào)來講述單元，第一個(gè)單元是LINK1。單元名采用大寫，所有的單元都可用于穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析。其中SOLID70單元還具有補(bǔ)償在恒定速度場(chǎng)下由于傳質(zhì)導(dǎo)致的熱流的功能。這些熱分析單元如下：表3-1二維實(shí)體

19、單元單元維數(shù)形狀及特點(diǎn)自由度PLANE35二維六節(jié)點(diǎn)三角形單元溫度（每個(gè)節(jié)點(diǎn)）PLANE55二維四節(jié)點(diǎn)四邊形單元溫度（每個(gè)節(jié)點(diǎn)）PLANE75二維四節(jié)點(diǎn)諧單元溫度（每個(gè)節(jié)點(diǎn)）PLANE77二維八節(jié)點(diǎn)四邊形單元溫度（每個(gè)節(jié)點(diǎn)）PLANE38二維八節(jié)點(diǎn)諧單元溫度（每個(gè)節(jié)點(diǎn)）表3-2三維實(shí)體單元單元維數(shù)形狀及特點(diǎn)自由度SOLID70三維八節(jié)點(diǎn)六面體單元溫度（每個(gè)節(jié)點(diǎn)）SOLID87三維十節(jié)點(diǎn)四面體單元溫度（每個(gè)節(jié)點(diǎn)）SOLID90三維二十節(jié)點(diǎn)六單元溫度（每個(gè)節(jié)點(diǎn)）表3-3輻射連接單元單元維數(shù)形狀及特點(diǎn)自由度LINK31二維或三維二節(jié)點(diǎn)線單元溫度（每個(gè)節(jié)點(diǎn)）表3-4傳導(dǎo)桿單元單元維數(shù)形狀及特點(diǎn)自由度L

20、INK32二維二節(jié)點(diǎn)線單元溫度（每個(gè)節(jié)點(diǎn)）LINK33三維二節(jié)點(diǎn)線單元溫度（每個(gè)節(jié)點(diǎn)）表3-5對(duì)流連接單元單元維數(shù)形狀及特點(diǎn)自由度LINK34三維二節(jié)點(diǎn)線單元溫度（每個(gè)節(jié)點(diǎn)）表3-6殼單元單元維數(shù)形狀及特點(diǎn)自由度SHELL57三維四節(jié)點(diǎn)四邊形單元溫度（每個(gè)節(jié)點(diǎn)）表3-7耦合場(chǎng)單元單元維數(shù)形狀及特點(diǎn)自由度PLANE13二維四節(jié)點(diǎn)熱應(yīng)力耦合單元溫度、結(jié)構(gòu)位移、電位、磁矢量位CONTACT48二維三節(jié)點(diǎn)熱應(yīng)力接觸單元溫度、結(jié)構(gòu)位移CONTACT49三維熱應(yīng)力接觸單元溫度、結(jié)構(gòu)位移FLUID116三維二或四節(jié)點(diǎn)熱流單元溫度、壓力SOLID5三維八節(jié)點(diǎn)熱應(yīng)力和熱電單元溫度、結(jié)構(gòu)位移、電位、磁標(biāo)量位SOL

21、ID98三維十節(jié)點(diǎn)熱應(yīng)力和熱電單元溫度、結(jié)構(gòu)位移、電位、磁矢量位PLANE67二維四節(jié)點(diǎn)熱電單元溫度、電位LINK68三維兩節(jié)點(diǎn)熱電單元溫度、電位SOLID69三維八節(jié)點(diǎn)熱電單元溫度、電位SHELL157三維四節(jié)點(diǎn)熱電單元溫度、電位表3-8特殊單元單元維數(shù)形狀及特點(diǎn)自由度MASS71一維到三維一個(gè)節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量單元溫度COMBINE37一維四節(jié)點(diǎn)控制單元溫度、結(jié)構(gòu)位移、轉(zhuǎn)動(dòng)、壓力SURF151二維二到四節(jié)點(diǎn)面效應(yīng)單元溫度SURF152三維四到九節(jié)點(diǎn)面效應(yīng)單元溫度MATRIX50由包括在超單元中的單元類型決定沒有固定形狀的矩陣或輻射矩陣超單元由包括在超單元中的單元類型決定INFIN9二維二節(jié)點(diǎn)無限邊

22、界單元溫度、磁矢量位INFIN47三維四節(jié)點(diǎn)無限邊界單元溫度、磁矢量位COMBINE14一維到三維兩節(jié)點(diǎn)彈簧阻尼單元溫度、結(jié)構(gòu)位移、轉(zhuǎn)動(dòng)、壓力COMBINE39一維兩節(jié)點(diǎn)非線性彈簧單元溫度、結(jié)構(gòu)位移、轉(zhuǎn)動(dòng)、壓力COMBINE40一維兩節(jié)點(diǎn)組合單元溫度、結(jié)構(gòu)位移、轉(zhuǎn)動(dòng)、壓力3.3熱分析的基本過程ANSYS熱分析包含如下三個(gè)主要步驟：l 前處理：建模l 求解：施加荷載并求解l 后處理：查看結(jié)果以下的內(nèi)容將講述如何執(zhí)行上面的步驟。首先，對(duì)每一步的任務(wù)進(jìn)行總體的介紹，然后通過一個(gè)管接處的穩(wěn)態(tài)熱分析的實(shí)例來引導(dǎo)讀者如何按照GUI路徑逐步完成一個(gè)穩(wěn)態(tài)熱分析。最后，本章提供了該實(shí)例等效的命令流文件。3.4建

23、模建立一個(gè)模型的內(nèi)容包括：首先為分析指定jobname和title；然后在前處理器（PREP7）中定義單元類型，單元實(shí)常數(shù)，材料屬性以及建立幾何實(shí)體。ANSYS Modeling and Meshing Guide中對(duì)本部分有詳細(xì)說明。對(duì)于熱分析有：n 定義單元類型命令：ETGUI：Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Deleten 定義固定材料屬性命令：MPGUI：Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsThermaln 定義溫度相關(guān)的材料屬性，首先要定義溫度表，然后定義對(duì)應(yīng)的材料屬性

24、值。通過下面的方法定義溫度表命令：MPTEMP或MPTEGN，然后定義對(duì)應(yīng)的材料屬性，使用MPDATAGUI：Main MenuPreprocessorMaterial Props Material ModelsThermal對(duì)于溫度相關(guān)的對(duì)流換熱系數(shù)也是通過上述的GUI路徑和命令來定義的。注意 如果以多項(xiàng)式的形式定義了與溫度相關(guān)的膜系數(shù)，則在定義其它具有固定屬性的材料之前，必須定義一個(gè)溫度表。創(chuàng)建幾何模型及劃分劃分網(wǎng)格的過程，請(qǐng)參閱ANSYS Modeling and Meshing Guide3.5施加荷載和求解在這一步驟中，必須指定所要進(jìn)行的分析類型及其選項(xiàng)，對(duì)模型施加荷載，定義荷載選項(xiàng)

25、，最后執(zhí)行求解。3.5.1指定分析類型在這一步中，可以如下指定分析類型：GUI: Main MenuSolutionNew AnalysisSteady-state(static)命令：ANTYPE,STATIC,NEW如果是重新啟動(dòng)以前的分析，比如，附加一個(gè)荷載。命令：ANTYPE,STATIC,rest。（條件是先前分析的jobname.ESAV、jobname.DB等文件是可以利用的）3.5.2施加荷載可以直接在實(shí)體模型（點(diǎn)、線、面、體）或有限元模型（節(jié)點(diǎn)和單元）上施加載荷和邊界條件，這些載荷和邊界條件可以是單值的，也可以是用表格或函數(shù)的方式來定義復(fù)雜的邊界條件，詳見ANSYS基本分析過

26、程指南?？梢远x以下五種熱載荷：1、恒定的溫度(TEMP)通常作為自由度約束施加于溫度已知的邊界上。2、熱流率（HEAT）熱流率作為節(jié)點(diǎn)集中載荷，主要用于線單元（如傳導(dǎo)桿、輻射連接單元等）模型中，而這些線單元模型通常不能直接施加對(duì)流和熱流密度載荷。如果輸入的值為正，表示熱流流入節(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，則溫度約束條件優(yōu)先。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)周圍的單元應(yīng)該密一些；特別是與該節(jié)點(diǎn)相連的單元的導(dǎo)熱系數(shù)差別很大時(shí)，尤其要注意，不然可能會(huì)得到異常的溫度值。因此，只要有可能，都應(yīng)該使用熱生成或熱流密度邊界條件，這些熱荷載即使是在網(wǎng)格較為粗糙

27、的時(shí)候都能得到較好的結(jié)果。3、對(duì)流（CONV）對(duì)流邊界條件作為面載施加于分析模型的外表面上，用于計(jì)算與模型周圍流體介質(zhì)的熱交換，它僅可施加于實(shí)體和殼模型上。對(duì)于線單元模型，可以通過對(duì)流桿單元LINK34來定義對(duì)流。4、熱流密度（HEAT）熱流密度也是一種面載荷。當(dāng)通過單位面積的熱流率已知或通過FLOTRAN CFD的計(jì)算可得到時(shí)，可以在模型相應(yīng)的外表面或表面效應(yīng)單元上施加熱流密度。如果輸入的值為正，表示熱流流入單元。熱流密度也僅適用于實(shí)體和殼單元。單元的表面可以施加熱流密度也可以施加對(duì)流，但ANSYS僅讀取最后施加的面載進(jìn)行計(jì)算。5、熱生成率（HGEN）熱生成率作為體載施加于單元上，可以模擬單

28、元內(nèi)的熱生成，比如化學(xué)反應(yīng)生熱或電流生熱。它的單位是單位體積的熱流率。下表總結(jié)了在熱分析中的載荷類型：表3-9熱荷載類型載荷類型類別命令族GUI路徑溫度 (TEMP)約束DMain MenuSolution-Loads-Apply -Thermal-Temperature熱流率 (HEAT)力FMain MenuSolution-Loads-Apply -Thermal-Heat Flow對(duì)流 (CONV), 熱流密度 (HFLUX)面載荷SFMain MenuSolution-Loads-Apply -Thermal-ConvectionMain MenuSolution-Loads-App

29、ly -Thermal-Heat Flux熱生成率 (HGEN)體載荷BFMain MenuSolution-Loads-Apply -Thermal-Heat Generat下表詳細(xì)列出了熱分析中用于施加載荷，刪除載荷，對(duì)載荷進(jìn)行操作、列表的所以命令：表3-10熱荷載相關(guān)的命令載荷類型實(shí)體或有限元模型實(shí)體施加刪除列表顯示運(yùn)算設(shè)置溫度實(shí)體模型關(guān)鍵點(diǎn)DKDKDELEDKLISTDTRAN-有限元模型節(jié)點(diǎn)DDDELEDLISTDSCALEDCUMTUNIF熱流率實(shí)體模型關(guān)鍵點(diǎn)FKFKDELEFKLISTFTRAN-有限元模型節(jié)點(diǎn)FFDELEFLISTFSCALEFCUM對(duì)流, 熱流密度實(shí)體模型線S

30、FLSFLDELESFLLISTSFTRANSFGRAD實(shí)體模型面SFASFADELESFALISTSFTRANSFGRAD有限元模型節(jié)點(diǎn)SFSFDELESFLISTSFSCALESFGRADSFCUM有限元模型單元SFESFEDELESFELISTSFSCALESFBEAMSFCUMSFFUNSFGRAD生熱率實(shí)體模型關(guān)鍵點(diǎn)BFKBFKDELEBFKLISTBFTRAN-實(shí)體模型線BFLBFLDELEBFLLISTBFTRAN-實(shí)體模型面BFABFADELEBFALISTBFTRAN-實(shí)體模型體BFVBFVDELEBFVLISTBFTRAN-有限元模型節(jié)點(diǎn)BFBFDELEBFLISTBFSC

31、ALEBFCUM單元BFEBFEDELEBFELISTBFSCALEBFCUM3.5.3采用表格和函數(shù)邊界條件除了一般的使用表格來定義邊界條件的方法，本節(jié)討論熱分析中特有的一些問題。關(guān)于定義表參數(shù)的詳細(xì)敘述，請(qǐng)參考ANSYS APDL Programmers Guide。本節(jié)內(nèi)容對(duì)單元類型沒有特別的限制。下表列出了熱分析中能夠用于每一種邊界條件的自變量：表3-11荷載邊界條件及其自變量熱邊界條件命令族自變量固定溫度DTIME, X, Y, Z熱流FTIME, X, Y, Z, TEMP對(duì)流換熱系數(shù) (對(duì)流)SFTIME,X, Y, Z, TEMP, VELOCITY環(huán)境溫度 (對(duì)流)SFTIM

32、E, X, Y, Z熱流密度SFTIME, X, Y, Z, TEMP熱生成BFTIME, X, Y, Z, TEMP流體單元(FLUID116) 邊界條件流率SFETIME壓力DTIME, X, Y, Z后面有一個(gè)例題詳細(xì)介紹在一個(gè)穩(wěn)態(tài)熱分析中如何采用表格邊界條件。為了使用更加靈活的熱傳導(dǎo)系數(shù)，可以使用函數(shù)的方式來定義邊界條件。有關(guān)這種用法的詳細(xì)說明，可以參考ANSYS Basic Analysis Procedures Guide。除了上述自變量外，函數(shù)邊界條件還可用下面的參數(shù)作為函數(shù)的自變量：l 表面溫度（TS）（SURF151、SURF152單元的表面溫度）l 密度（）（材料屬性DEN

33、S）l 比熱（材料屬性C）l 導(dǎo)熱率（材料屬性kxx）l 導(dǎo)熱率（材料屬性kyy）l 導(dǎo)熱率（材料屬性kzz）l 粘度（材料屬性）l 輻射率（材料屬性）3.5.4定義載荷步選項(xiàng)對(duì)于一個(gè)熱分析，可以確定通用選項(xiàng)、非線性選項(xiàng)以及輸出控制。下表列出了熱分析中可能用到的載荷步選項(xiàng)：表3-12分析中的載荷步選項(xiàng)選項(xiàng)命令GUI路徑通用選項(xiàng)時(shí)間TIMEMain MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime-Time Step時(shí)間步數(shù)NSUBSTMain MenuSolution -Load Step Opts-Time/FrequencTime and Subs

34、tps時(shí)間步長(zhǎng)DELTIMMainMenuSolution -Load Step Opts-Time /FrequencTime-Time Step階躍或斜坡加載KBCMainMenuSolution -Load Step Opts-Time /FrequencTime -Time Step非線性選項(xiàng)最大平衡迭代數(shù)NEQITMain MenuSolution -Load Step Opts-NonlinearEquilibrium Iter自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)AUTOTSMain MenuSolution -Load Step Opts-Time/FrequencTime-Time Step收斂容差C

35、NVTOLMain MenuSolution -Load Step Opts-NonlinearConvergence Crit求解中斷選項(xiàng)NCNVMainMenuSolution -Load Step Opts -NonlinearCriteria to Stop線性搜索選項(xiàng)LNSRCHMainMenuSolution -Load Step Opts -NonlinearLine Search預(yù)測(cè)矯正因子PREDMainMenuSolution -Load Step Opts -NonlinearPredictor輸出控制選項(xiàng)打印輸出OUTPRMain MenuSolution-Load S

36、tep Opts-Output CtrlsSolu Printout數(shù)據(jù)庫和結(jié)果文件輸出OUTRESMain MenuSolution -Load Step Opts-OutputCtrlsDB/Results File結(jié)果外插ERESXMain MenuSolution -Load Step Opts-OutputCtrlsIntegration Pt3.5.5通用選項(xiàng)n 時(shí)間選項(xiàng)該選項(xiàng)定義載荷步的結(jié)束時(shí)間，雖然對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱分析來說，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。缺省情況下，第一個(gè)荷載步結(jié)束的時(shí)間是1.0，此后的荷載步對(duì)應(yīng)的時(shí)間強(qiáng)逐次加1.0。每

37、載荷步中子步的數(shù)量或時(shí)間步大小對(duì)于非線性分析，每一載荷步需要多個(gè)子步。缺省情況下每個(gè)荷載步有一個(gè)子步。階躍或斜坡加載如果定義階躍載荷，則載荷值在這個(gè)載荷步內(nèi)保持不變；如果為斜坡加載，則載荷值在當(dāng)前載荷步的每一子步內(nèi)線性變化。3.5.6非線性選項(xiàng)如果存在非線性則需要定義非線性荷載步選項(xiàng)，包括n 平衡迭代次數(shù)本選項(xiàng)設(shè)置每一子步允許的最大迭代次數(shù)，默認(rèn)值為25，對(duì)大多數(shù)非線性熱分析問題已經(jīng)足夠。n 自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)于非線性問題，可以自動(dòng)設(shè)定子步間載荷的增量，保證求解的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。n 收斂容差只要運(yùn)算滿足所說明的收斂判據(jù)，程序就認(rèn)為它收斂，收斂判據(jù)可以基于溫度、也可以是熱流率，或二者都有。在實(shí)際定義

38、時(shí)，需要說明一個(gè)典型值(CNVTOL命令的VALUE域)和收斂容差(TOLER域)，程序?qū)ALUE*TOLER的值視為收斂判據(jù)。例如，如說明溫度的典型值為500，容差為0.001，那么收斂判據(jù)則為0.5度。對(duì)于溫度，ANSYS將連續(xù)兩次平衡迭代之間節(jié)點(diǎn)上溫度的變化量（）與收斂準(zhǔn)則進(jìn)行比較來判斷是否收斂。就上面的例子來說，如果在某兩次平衡迭代間，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度變化都小于0.5度，則認(rèn)為求解收斂。對(duì)于熱流率，ANSYS比較不平衡載荷矢量與收斂標(biāo)準(zhǔn)。不平衡載荷矢量表示所施加的熱流與內(nèi)部（計(jì)算）熱流之間的差值。ANSYS公司推薦VALUE值由缺省確定，TOLER的值缺省為1.0e-3。n 求解結(jié)束選

39、項(xiàng)假如在規(guī)定平衡迭代數(shù)內(nèi)，其解并不收斂，那么ANSYS程序會(huì)根據(jù)用戶設(shè)置的終止選項(xiàng)，來決定程序停止計(jì)算或是繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)載荷步。n 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n 預(yù)測(cè)矯正本選項(xiàng)在每一子步的第一次迭代時(shí)，對(duì)自由度求解進(jìn)行預(yù)測(cè)矯正。1、用圖形跟蹤收斂進(jìn)行非線性熱分析時(shí)，ANSYS在每次平衡迭代完成后，都計(jì)算收斂范數(shù)，并與相應(yīng)的收斂標(biāo)準(zhǔn)比較。不管是使用在批處理還是交互式方式的方法，都可以在計(jì)算過程中，使用圖形求解跟蹤（GST）來顯示計(jì)算的收斂范數(shù)和收斂標(biāo)準(zhǔn)。在交互式時(shí)，缺省為圖形求解跟蹤（GST）打開，批處理運(yùn)行時(shí)，缺省為GST關(guān)閉。使用下面的方法

40、可以，可打開或關(guān)閉GST：命令：/GSTGUI：Main MenuSolutionLoad Step Opts-Output CtrlsGrph Solu Track下圖是一個(gè)典型的GST圖形。圖3-1使用GST追蹤收斂范數(shù)3.5.7輸出控制可以控制下列三種輸出：n 控制打印輸出本選項(xiàng)控制將何種結(jié)果數(shù)據(jù)輸出到打印輸出文件（jobname.out）中。n 控制數(shù)據(jù)庫和結(jié)果文件輸出該選項(xiàng)控制將何種結(jié)果數(shù)據(jù)輸出到結(jié)果文件（jobname.rth）中。n 外推結(jié)果該選項(xiàng)可將單元積分點(diǎn)結(jié)果拷貝到節(jié)點(diǎn)上，而不是按常規(guī)的方式外推到節(jié)點(diǎn)上（缺省采用外推方式）。3.5.8定義分析選項(xiàng)可考慮的分析選項(xiàng)有：n Ne

41、wton-Raphson選項(xiàng)。該選項(xiàng)僅對(duì)非線性分析有用，用以定義在求解過程中切線矩陣的更新頻率，有四種選擇：1Program-chosen （程序選擇，此為默認(rèn)值，在熱分析中建議采用）2Full（完全法）3Modified（修正法）4Initial Stiffness（初適剛度法）注意 對(duì)于單物理場(chǎng)非線性熱分析，ANSYS通常采用全N-R算法。要定義該選項(xiàng)，或打開/關(guān)閉N-R自適應(yīng)下降功能（只對(duì)全N-R法有效），方發(fā)如下：命令：NROPTGUI：Main MenuSolutionUnabridged MenuAnalysis Optionsn 選擇求解器ANSYS中可以選擇下列的求解器：1Sp

42、arse求解器（靜態(tài)和全瞬態(tài)分析的默認(rèn)求解器）2Frontal求解器3Jacobi Conjugate Gradient(JCG) 求解器4JCG out-of-memory求解器5Incomplete Cholesky Conjugate Gradient(ICCG) 求解器6Pre-Conditioned Conjugate Gradient (PCG) 求解器7PCG out-of-memory求解器8Algebraic Multigrid (AMG) 求解器9Distributed Domain Solver (DDS) 求解器10Iterative（程序自動(dòng)選擇求解器）注意 AMG和

43、DDS求解器屬并行求解器，需要單獨(dú)的ANSYS產(chǎn)品支持。在ANSYS Advanced Analysis Techniques Guide中對(duì)并行求解有更詳細(xì)描述。選擇求解器的方法如下：命令：EQSLVGUI: Main MenuSolutionAnalysis Options注意 對(duì)于不含超單元（輻射分析中用AUX12可產(chǎn)生超單元）的熱分析模型，可選用Iterative（快速求解）求解器，但對(duì)于含相變的傳熱問題，則不建議采用（可用sparse或frontal求解器）。該求解器在解算過程中不生成Jobname.EMAT和Jobname.EROT文件。n 定義溫度偏移溫度偏移為當(dāng)前所采用溫度系統(tǒng)

44、的零度與絕對(duì)零度之間的差值。溫度偏移包含在相關(guān)單元（諸如有輻射效應(yīng)或蠕變特性的的單元）計(jì)算中。偏移溫度輸入可以是攝氏度，也可以是華氏度，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。在后處理中，不同的溫度可以用同樣的方法進(jìn)行處理。設(shè)置溫度偏移的方式如下：命令：TOFFSTGUI：Main MenuSolutionAnalysis Options3.5.9保存模型在完成了加載和指定分析類型后，通常建議保存數(shù)據(jù)庫文件，以備在求解過程中由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)故障而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失后能夠恢復(fù)數(shù)據(jù)。命令: SAVEGUI: 點(diǎn)擊A

45、NSYS工具條SAVE_DB3.5.10求解命令: SOLVEGUI: Main MenuSolutionCurrent LS3.5.11后處理ANSYS將熱分析的結(jié)果寫入熱結(jié)果文件jobname.rth中，該文件包含如下數(shù)據(jù):基本數(shù)據(jù)：l 節(jié)點(diǎn)溫度導(dǎo)出數(shù)據(jù)：l 節(jié)點(diǎn)及單元的熱流密度(TFX, TFY, TFZ, TFSUM)l 節(jié)點(diǎn)及單元的熱梯度(TGX, TGY, TGZ, TGSUM)l 單元熱流率l 節(jié)點(diǎn)的反作用熱流率l 其它可以用通用后處理器POST1進(jìn)行后處理，下面將講述在熱分析中典型的后處理功能。關(guān)于后處理的完整描述，可參閱ANSYS Basic Analysis Procedu

46、res Guide。注意 在通用后處理器中查看結(jié)果時(shí)，數(shù)據(jù)庫必須與結(jié)果有相同的模型（可以使用命令RESUME恢復(fù)模型）。此外，結(jié)果文件jobname.rth必須可用。3.5.12讀入結(jié)果進(jìn)入POST1后，首先應(yīng)讀入想要看的載荷步和子步的計(jì)算結(jié)果：命令: SETGUI: Main MenuGeneral Postproc-Read Results-By Load Step可通過編號(hào)選擇要讀入的載荷步，可以直接讀入第一載荷步、或最后載荷步、或下一載荷步等。如果是使用GUI，將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框提示選擇要讀入的荷載步。用SET命令的TIME域可讀入指定時(shí)刻的計(jì)算結(jié)果，如在指定時(shí)刻無計(jì)算結(jié)果，則程序根據(jù)

47、附近時(shí)間點(diǎn)的值線性插值計(jì)算得到此時(shí)刻的結(jié)果。3.5.13查看結(jié)果圖3-2結(jié)果顯示云圖n 彩色云圖顯示命令：PLESOL，PLETAB或PLNSOLGUI：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsElement SoluMain MenuGeneral PostprocPlot ResultsElem TableMain MenuGeneral PostprocPlot ResultsNodal Solun 矢量圖顯示命令：PLVECTGUI：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsPre-defined or Userdefi

48、ned圖3-2矢量結(jié)果顯示n 列表顯示命令：PRESOL，PRNSOL，PRRSOLGUI：Main MenuGeneral PostprocList ResultsElement SolutionMain MenuGeneral PostprocList ResultsNodal SolutionMain MenuGeneral PostprocList ResultsReaction Solu3.6穩(wěn)態(tài)熱分析的實(shí)例1帶接管的圓筒罐本例講述了如何逐步對(duì)一個(gè)帶接管的圓筒罐進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，包括批處理的方式和GUI的方式。3.6.1問題描述本例題的主要部分為一個(gè)圓筒形罐，其上沿徑向有一材料一樣的接

49、管（如圖4所所示），罐內(nèi)流動(dòng)著450F（232C）的高溫流體，接管內(nèi)流動(dòng)著100F（38 C）的低溫流體，兩個(gè)流體區(qū)域由薄壁管隔離。罐的對(duì)流換熱系數(shù)為250Btu/hr-ft2-oF（1420watts/m2-K），接管的對(duì)流換熱系數(shù)隨管壁溫度而變，它的熱物理性能如表3-13所示。要求計(jì)算罐與接管的溫度分布。注意 本例只是很多可能的熱分析中的一個(gè)，并不是所有的熱分析都完全按照與本例相同的步驟。材料屬性及其周圍的環(huán)境條件決定了一個(gè)分析應(yīng)該包括哪些步驟。表3-13實(shí)例的材料屬性溫度70200300400500oF密度0.2850.2850.2850.2850.285lb/in3導(dǎo)熱系數(shù)8.358.

50、909.359.810.23Btu/hr-ft-oF比熱0.1130.1170.1190.1220.125Btu/lb-oF對(duì)流換熱系數(shù)426405352275221Btu/hr-ft2-oF圖3-3圓柱罐與接管的相接模型（所有單位均為英制）3.6.2分析方法取四分之一對(duì)稱模型進(jìn)行分析。假定罐體足夠長(zhǎng)，使其端部溫度能保持常數(shù)華氏450度。同樣的假設(shè)也用于Y=0的平面上。建模時(shí)，先定義兩個(gè)圓柱體，再進(jìn)行“overlap”布爾運(yùn)算。采用映射網(wǎng)格劃分（全六面體網(wǎng)格），分網(wǎng)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)警告信息說有扭曲單元存在，但可以不理會(huì)該警告，因?yàn)樗a(chǎn)生的扭曲單元遠(yuǎn)離所關(guān)心的區(qū)域（兩個(gè)柱體相交處）。由于材料性質(zhì)與溫

51、度相關(guān)，該分析需要多個(gè)子載荷步（本例用了50個(gè)子載荷步），同時(shí)，采用了自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)功能。求解完畢后，溫度云圖和熱流密度向量圖詳細(xì)顯示了計(jì)算結(jié)果。3.6.3菜單操作過程1、設(shè)置分析標(biāo)題 選擇“Utility MenuFileChange Title”。 輸入“Steady-State analysis of pipe junction”，點(diǎn)擊“OK”。2、設(shè)置單位制在命令提示行輸入/UNITS,BIN（該命令無法通過菜單完成）。3、定義單元類型 選擇“Main MenuPreprocesorElement TypeAdd/Edit/Delete”。 點(diǎn)擊Add,打開單元類型庫對(duì)話框。 選擇Thermal Solid，Brick 20 node 90號(hào)單元，點(diǎn)擊OK和Close關(guān)閉單元選擇菜單。4、定義材料屬性 選擇“Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models” 在彈出的材料定義窗口中順序雙擊Thermal選項(xiàng)。 點(diǎn)擊Density，彈出一個(gè)對(duì)話框，在DENS框中輸入0.285，材料編號(hào)1出現(xiàn)在材料定義窗口的左邊。 在材料定義窗口中順序雙擊Conductivity，Isotropic，彈出一個(gè)對(duì)話框。 點(diǎn)擊Add Temperature按鈕四次，增加四列。 在T1到T5域，分別輸入溫度值： 70，200，300，400，50