08-ANSYS-Workbench--Mechanical-热分析

6-1Workbench-MechanicalIntroduction第六章热分析热分析6-2TrainingManual概念•本章练习稳态热分析的模拟，包括：A.几何模型B.组件-实体接触C.热载荷D.求解选项E.结果和后处理F.作业6.1•本节描述的应用一般都能在ANSYSDesignSpaceEntra或更高版本中使用，除了ANSYSStructural•提示：在ANSYS热分析的培训中包含了包括热瞬态分析的高级分析热分析6-3TrainingManual稳态热传导基础•对于一个稳态热分析的模拟，温度矩阵{T}通过下面的矩阵方程解得：•假设：–在稳态分析中不考虑瞬态影响–[K]可以是一个常量或是温度的函数–{Q}可以是一个常量或是温度的函数TQTTK热分析6-4TrainingManual稳态热传导基础•上述方程基于傅里叶定律：•固体内部的热流（Fourier’sLaw）是[K]的基础；•热通量、热流率、以及对流在{Q}为边界条件；•对流被处理成边界条件，虽然对流换热系数可能与温度相关•在模拟时，记住这些假设对热分析是很重要的。热分析6-5TrainingManualA.几何模型•热分析里所有实体类都被约束：–体、面、线•线实体的截面和轴向在DesignModeler中定义•热分析里不可以使用点质量（PointMass）的特性•壳体和线体假设：–壳体：没有厚度方向上的温度梯度–线体：没有厚度变化，假设在截面上是一个常量温度•但在线实体的轴向仍有温度变化热分析6-6TrainingManual…材料特性•ThermalConductivity在EngineeringData中输入•温度相关的导热性以表格形式输入若存在任何的温度相关的材料特性，就将导致非线性求解。•唯一需要的材料特性是导热性（ThermalConductivity）热分析6-7TrainingManualB.组件-实体接触•对于结构分析，接触域是自动生成的，用于激活各部件间的热传导热分析6-8TrainingManual…组件-接触区域–如果部件间初始就已经接触，那么就会出现热传导。–如果部件间初始就没有接触，那么就不会发生热传导（见下面对pinball的解释）。–总结：–Pinball区域决定了什么时候发生接触，并且是自动定义的，同时还给了一个相对较小的值来适应模型里的小间距。InitiallyTouchingInsidePinballRegionOutsidePinballRegionBondedYesYesNoNoSeparationYesYesNoRoughYesNoNoFrictionlessYesNoNoFrictionalYesNoNoContactTypeHeatTransferBetweenPartsinContactRegion?热分析6-9TrainingManual…组件-接触区域•如果接触是Bonded（绑定的）或noseparation（无分离的），那么当面出现在pinballradius内时就会发生热传导（绿色实线表示）。PinballRadius右图中，两部件间的间距大于pinball区域，因此在这两个部件间会发生热传导。热分析6-10TrainingManual…组件-导热率•默认情况下，假设部件间是完美的热接触传导，意味着界面上不会发生温度降•实际情况下，有些条件削弱了完美的热接触传导：–表面光滑度–表面粗糙度–氧化物–包埋液–接触压力–表面温度–使用导电脂–....•接着……DTTx热分析6-11TrainingManual…组件-导热率–穿过接触界面的热流速，由接触热通量q决定：–式中Tcontact是一个接触节点上的温度，Ttarget是对应目标节点上的温度–默认情况下，基于模型中定义的最大材料导热性KXX和整个几何边界框的对角线ASMDIAG，TCC被赋以一个相对较大的值。–这实质上为部件间提供了一个完美接触传导contacttargetTTTCCqASMDIAGKXXTCC/000,10热分析6-12TrainingManual…组件-导热率•在ANSYSProfessional或更高版本，用户可以为纯罚函数和增广拉格朗日方程定义一个有限热接触传导（TCC）。–在细节窗口，为每个接触域指定TCC输入值–如果已知接触热阻，那么它的相反数除以接触面积就可得到TCC值在接触界面上，可以像接触热阻一样输入接触热传导热分析6-13TrainingManual…组件-点焊•Spotweld（点焊）提供了离散的热传导点：–Spotweld在CAD软件中进行定义（目前只有DesignModeler和Unigraphics可用）。T1T2热分析6-14TrainingManualC.热载荷•热流量：–热流速可以施加在点、边或面上。它分布在多个选择域上。–它的单位是能量比上时间（energy/time）•完全绝热（热流量为0）：–可以删除原来面上施加的边界条件•热通量：–热通量只能施加在面上（二维情况时只能施加在边上）–它的单位是能量比上时间在除以面积（energy/time/area）•热生成：–内部热生成只能施加在实体上–它的单位是能量比上时间在除以体积（energy/time/volume）正的热载荷会增加系统的能量。热分析6-15TrainingManual…热边界条件温度、对流、辐射：•至少应存在一种类型的热边界条件，否则，如果热量将源源不断地输入到系统中，稳态时的温度将会达到无穷大。•另外，给定的温度或对流载荷不能施加到已施加了某种热载荷或热边界条件的表面上。•完全绝热条件将忽略其它的热边界条件•给定温度：–给点、边、面或体上指定一个温度–温度是需要求解的自由度热分析6-16TrainingManual…热边界条件•对流：–只能施加在面上（二维分析时只能施加在边上）–对流q由导热膜系数h，面积A，以及表面温度Tsurface与环境温度Tambient的差值来定义。–“h”和“Tambient”是用户指定的值–导热膜系数h可以是常量或是温度的函数ambientsurfaceTThAq热分析6-17TrainingManual…热边界条件•与温度相关的对流：–为系数类型选择Tabular(Temperature)–输入对流换热系数-温度表格数据–在细节窗口中，为h(T)指定温度的处理方式热分析6-18TrainingManual…热边界条件•几种常见的对流系数可以从一个样本文件中导入。新的对流系数可以保存在文件中。热分析6-19TrainingManual…热边界条件•辐射:–施加在面上（二维分析施加在边上）–式中：•σ=斯蒂芬一玻尔兹曼常数•ε=放射率•A=辐射面面积•F=形状系数（默认是1）–只针对环境辐射，不存在于面面之间（形状系数假设为1）–斯蒂芬一玻尔兹曼常数自动以工作单位制系统确定44ambientsurfaceRTTFAQ热分析6-20TrainingManualD.求解选项•从Workbenchtoolbox插入Steady-StateThermal将在projectschematic里建立一个SSThermalsystem（SS热分析）•在Mechanical里，可以使用AnalysisSettings为热分析设置求解选项。–注意，第四章的静态分析中的AnalysisDataManagement选项在这里也可以使用。热分析6-21TrainingManual…求解模型•为了实现热应力求解，需要在求解时把结构分析关联到热模型上。•在StaticStructural中插入了一个importedload分支，并同时导入了施加的结构载荷和约束。–求解结构热分析6-22TrainingManualE.结果和后处理•后处理可以处理各种结果：–温度–热通量–反作用的热流速–用户自定义结果•模拟时，结果通常是在求解前指定，但也可以在求解结束后指定。–搜索模型求解结果不需要在进行一次模型的求解。热分析6-23TrainingManual…温度•温度：–温度是标量，没有方向热分析6-24TrainingManual…热通量•可以得到热通量的等高线或矢量图：–热通量q定义为–可以指定TotalHeatFlux（整体热通量）和DirectionalHeatFlux（方向热通量）•激活矢量显示模式显示热通量的大小和方向TKXXq热分析6-25TrainingManual…响应热流速•对给定的温度、对流或辐射边界条件可以得到响应的热流量：–通过插入probe指定响应热流量，或–用户可以交替的把一个边界条件拖放到Solution上后搜索响应或从Probe菜单下选择拖放边界条件热分析6-26TrainingManualF.作业6–稳态热分析•作业6.1–稳态热分析•目标：–分析图示泵壳的热传导特性