ANSYS-WORKBENCH-11.0热分析

ANSYSWORKBENCH11.0培训教程（DS）ANSYSWORKBENCH11.0培训教程（DS）第六章热分析本章概览•在本章中，将讲述如何在DS中进行稳态和瞬态热分析：–几何模型–接触以及支持的装配体类型–热载荷–求解选项–结果和后处理–Workshop6.1–热瞬态启动–瞬态设置–瞬态载荷–瞬态结果–Workshop6.2•本部分讲述的一些功能通常适用于ANSYSDesignSpaceEntra及更高级的licenses，但ANSYSStructurallicense除外。稳态传热基础•对于一个DS中的稳态热分析，温度{T}是由如下的矩阵求解：这就导致了如下的一些假设：–在稳态热分析中不考虑任何瞬态效应；–[K]可以是常量或是温度的函数；•每种材料属性中都可输入温度相关的热传导率；–{Q}也可是常量或是温度的函数；•在对流边界条件中可以输入温度相关的对流传热膜系数()[]{}(){}TQTTK=稳态传热基础•上述方程的基础是傅立叶定律（Fourier’sLaw）：–这意味在DS中求解的热分析是基于传导方程。•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}中被认为是边界条件；•目前不考虑任何辐射；•目前不考虑任何时间相关的效应。–传热分析与CFD（ComputationalFluidDynamics）分析不同。•对流被处理成简单的边界条件，虽然对流传热膜系数有可能与温度相关•如果需要分析共轭传热/流动问题，则需要用ANSYSCFD。•在DS中进行热分析时，记住这些假设是很重要的。PhysicsFilters•在进行热分析详细讨论前，有必要指出，如果只是一个热分析可以用PhysicsFilter来简化GUI.–在“ViewmenuPhysicsFilter,”下去掉“Structural”选项.现在在GUI中只剩下与热分析有关的选项.–这只对“Environment”和“Solution”级别的选项有用.–如果要进行热应力分析就不能关闭physicsfilters中的任何选项因为结构和热的选项都需要。ANSYSLicenseAvailabilityDesignSpaceEntraxDesignSpacexProfessionalxStructuralMechanical/MultiphysicsxA.几何模型•在热分析中，可以使用DS支持的大多数体素的类型。–所有支持热分析的产品都支持实体和面。•对于面，必须在“Geometry”分支的“Detailsview”中输入其厚度•对于线，只有ANSYSProfessional及更高级licenses支持。•线的截面和方向在DM中定义，并自动导入到DS中。虽然定义了线的截面和方向，但这些信息仅对结构分析有意义，实际的热杆单元（link单元）将会有一个基于输入属性的“有效”的截面。•对于线，不会输出任何热通量或热通量矢量，仅能得到温度结果•热分析不支持“PointMass”ANSYSLicenseAvailabilityDesignSpaceEntra/DesignSpace/ProfessionalxStructuralMechanical/Multiphysicsx…几何模型•理解使用壳和线单元时的一些相关假设很重要：–对于壳，不考虑沿壳厚度方向的温度梯度。壳体应当用于较薄的结构，此时，才能假设壳的上下表面温度相等。•表面的温度变化仍然要考虑，但不是厚度方向的。–对于线，不考虑截面厚度上的温度变化。线应当用于类似梁或桁架的结构，此时可认为其截面上的温度是常量。•沿着线方向的温度变化仍然要考虑，但不是沿着截面的。ANSYSLicenseAvailabilityDesignSpaceEntra/DesignSpace/ProfessionalxStructuralMechanical/Multiphysicsx…材料属性•唯一需要的材料属性是导热系数。–材料输入在“EngineeringData”标签下，然后在“Geometry”分支下指定每个part的材料。–导热系数作为材料属性的一个子分支输入。温度相关的导热系数可以用表输入。–比热同样也可输入，但目前用不到。–其它的材料输入在热分析中用不到。ANSYSLicenseAvailabilityDesignSpaceEntraxDesignSpacexProfessionalxStructuralMechanical/Multiphysicsx如果存在任何温度相关的材料属性，都将导致非线性求解。这是因为，温度是要求解的量，而材料又取决于温度，因此求解不再是线性。B.装配体–实体接触•当导入实体零件组成的装配体时，实体间的接触区将会被自动创建。•面－面接触允许实体零件间的边界上不匹配的网格。–接触实现了装配体中零件间的传热。ANSYSLicenseAvailabilityDesignSpaceEntraDesignSpacexProfessionalxStructuralMechanical/MultiphysicsxModelshownisfromasampleInventorassembly.…装配体–接触区•在DS中，每个接触区都用到接触面和目标面的概念。–接触区的一侧由接触面组成，另一侧由目标面组成。–在接触的法向上允许有接触面和目标面间的热流。•当一侧为接触面而另一侧为目标面时，称为反对称接触。另一方面，如果两侧都被指定成接触面或目标面，则称为对称接触。但是，在热分析中，指定哪一侧是接触面，哪一侧是目标面并不重要。•缺省时，DS对实体装配体使用对称接触。对ANSYSProfessional及更高级licenses，用户可在需要时改为反对称接触。ANSYSLicenseAvailabilityDesignSpaceEntraDesignSpacexProfessionalxStructuralMechanical/Multiphysicsx…装配体–接触区•正如前面的幻灯片所提到的，热量在接触区内沿着接触法向流动–在接触/目标界面中，不考虑热量的扩散。•在壳或实体单元内的接触面或目标面上，由于傅立叶定律（Fourier’sLaw），需考虑热量扩散。•在接触区内，热流仅在接触的法向方向上进行。•这就意味着，不管接触区定义如何，只要接触法向上有接触单元，热量就会流动。ANSYSLicenseAvailabilityDesignSpaceEntraDesignSpacexProfessionalxStructuralMechanical/MultiphysicsxInthefigureontheleft,thesolidgreendouble-arrowsindicateheatflowwithinthecontactregion.Heatflowonlyoccursifatargetsurfaceisnormaltoacontactsurface.Thelight,dottedgreenarrowsindicatethatnoheattransferwilloccurbetweenparts.…装配体–接触区•在DS中，存在不同的接触行为：–通常，接触类型仅对结构应用有意义–如果零件初始有接触，零件间就会发生传热，如果零件初始不接触，零件间将不会互相传热。–基于不同的接触类型，将热量是否会在接触面和目标面间传递总结如下：–接触的pinball区域由程序自动定义并被设置一个相对较小的值，以调和模型中可能出现的小间隙。pinball区域将在下一张幻灯片中讨论。InitiallyTouchingInsidePinballRegionOutsidePinballRegionBondedYesYesNoNoSeparationYesYesNoRoughYesNoNoFrictionlessYesNoNoContactTypeHeatTransferBetweenPartsinContactRegion?ANSYSLicenseAvailabilityDesignSpaceEntraDesignSpacexProfessionalxStructuralMechanical/Multiphysicsx…装配体–接触区•pinball区域可以在ANSYSProfessional及更高级licenses中输入并看到。–如果目标节点落在pinball区域内，并且接触是绑定的或者无分离的，则将发生传热（绿色实线）–否则，节点间将不会发生传热（绿色虚线）ANSYSLicenseAvailabilityDesignSpaceEntraDesignSpaceProfessionalxStructuralMechanical/MultiphysicsxInthisfigureontheright,thegapbetweenthetwopartsisbiggerthanthepinballregion,sonoheattransferwilloccurbetweenthepartsPinballRadius…装配体–热传导•缺省时，在装配体的零件间会定义一个高的接触导热系数（TCC）–两个零件间的热流量由接触热通量q定义：这里，Tcontact是位于接触法向上某接触“节点”的温度，Ttarget是相应的目标“节点”的温度。–缺省时，TCC根据设定的模型中的最大KXX值和装配体总体外边界的对角线ASMDIAG，被设为一个相对较“高”的值。这最终提供了零件间完全的传热。ANSYSLicenseAvailabilityDesignSpaceEntraDesignSpacexProfessionalxStructuralMechanical/Multiphysicsx()contacttargetTTTCCq−⋅=ASMDIAGKXXTCC/000,10⋅=…装配体–热传导•理想的零件间的接触传热系数假定在接触界面上没有温度降。•但人们有可能想知道界面上的有限热传导。–接触的两个表面（处于不同温度）在穿过界面上有温度降。这种下降是由于两表面间的不良接触产生的。这种不良接触，以及由此产生的有限热传导，受到如下一些因素的影响：•表面的平面度•表面磨光•氧化物•残存流体•接触压力•表面温度•导热脂的使用∆TTx…装配体–热传导•在ANSYSProfessional及更高级的licenses中，用户可以定义接触传热系数(TCC)–每个接触区都要在“Detailsview”中输入单位面积的接触传热系数，如下所示：–若接触热阻已知，用接触面积除以这个值，可得到TCC值。–当做完这些操作后，现在接触区域的接触面和目标面间就会产生温度降了。ANSYSLicenseAvailabilityDesignSpaceEntraDesignSpaceProfessionalxStructuralMechanical/MultiphysicsxIf“ThermalConductance”isleftat“ProgramChosen,”near-perfectthermalcontactconductancewillbedefined.Theusercanchangethisto“Manual”toinputfinitethermalcontactconductanceinstead,whichisthesameasincludingthermalcontactresistanceatacontactinterface.…装配体–热传导•如果使用对称接触，用户并不需要考虑双接触热阻。–正常输入该值就行•MPC绑定接触允许完全接触传热。•此时，由于使用了约束方程，就不需要定义或使用接触热传导系数。–使用这种完美的接触传导，接触“节点”以及相应的目标“节点”将会有相同的温度ANSYSLicenseAvailabilityDesignSpaceEntraDesignSpaceProfessionalxStructuralMechanica