DS80_第六章_热分析

热分析第6章February2,2004Inventory#0020106-2ANSYSWorkbench-SimulationANSYSWorkbenchANSYSWorkbenchANSYSWorkbench---SimulationSimulationSimulationTrainingManual稳态热分析本章概览•在本章中，将讲述如何在DS中进行稳态热分析：–几何模型和单元–接触以及支持的装配体类型–环境，包括载荷和约束–求解模型–结果和后处理•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。–本章讨论的某些选项可能需要一些更高级的licenses，以后遇到时会提醒注意。–假定用户在学习本章之前已经看过了第1-3章（第4-5章可以选看）February2,2004Inventory#0020106-3ANSYSWorkbench-SimulationANSYSWorkbenchANSYSWorkbenchANSYSWorkbench---SimulationSimulationSimulationTrainingManual稳态热分析稳态传热基础•稳态热分析是用于研究结构在稳态热载荷下的热响应。–温度和热流率通常是关心的量，虽然同时也能得到热通量。•通用热方程如下：这里，t是时间，{T}是温度矩阵，[C]是比热矩阵（热容），[K]是热传导矩阵，{Q}是热流率载荷向量。•在稳态热分析中，所有时间相关的项都不考虑，但非线性现象还可能存在。()[]{}()[]{}(){}TtQTTKTTC,=+&()[]{}(){}TQTTK=February2,2004Inventory#0020106-4ANSYSWorkbench-SimulationANSYSWorkbenchANSYSWorkbenchANSYSWorkbench---SimulationSimulationSimulationTrainingManual稳态热分析稳态传热基础•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=February2,2004Inventory#0020106-5ANSYSWorkbench-SimulationANSYSWorkbenchANSYSWorkbenchANSYSWorkbench---SimulationSimulationSimulationTrainingManual稳态热分析稳态传热基础•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。February2,2004Inventory#0020106-6ANSYSWorkbench-SimulationANSYSWorkbenchANSYSWorkbenchANSYSWorkbench---SimulationSimulationSimulationTrainingManual稳态热分析A.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“DetailsviewoftheLine”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ANSYSLicenseAvailabilityDesignSpaceEntra/DesignSpace/ProfessionalxStructuralMechanical/MultiphysicsxFebruary2,2004Inventory#0020106-7ANSYSWorkbench-SimulationANSYSWorkbenchANSYSWorkbenchANSYSWorkbench---SimulationSimulationSimulationTrainingManual稳态热分析…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，假设壳的上下表面温度相等才比较安全•表面的温度变化仍然要考虑，但不是厚度方向的。–对于线，不考虑截面上的厚度变化。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/MultiphysicsxFebruary2,2004Inventory#0020106-8ANSYSWorkbench-SimulationANSYSWorkbenchANSYSWorkbenchANSYSWorkbench---SimulationSimulationSimulationTrainingManual稳态热分析…使用的单元•在DS中，可使用如下一些单元：–实体通常用10节点四面体单元或20节点六面体单元划分•SOLID87和SOLID90–面通常用4节点四边形壳单元划分•SHELL57使用实常数•（SHELL131或SHELL132目前已不使用）–线通常用2节点线单元划分•LINK33使用实常数•LINK33还需要DM中定义的等效截面积–对热－应力分析，不使用耦合场单元。热－应力分析顺序进行，因此可使用上面的热单元，然后把温度场读进相应的结构单元中。AdvancedANSYSDetailsFebruary2,2004Inventory#0020106-9ANSYSWorkbench-SimulationANSYSWorkbenchANSYSWorkbenchANSYSWorkbench---SimulationSimulationSimulationTrainingManual稳态热分析…材料属性•唯一需要的材料属性是导热系数。–材料输入在“EngineeringData”分支下，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。February2,2004Inventory#0020106-10ANSYSWorkbench-SimulationANSYSWorkbenchANSYSWorkbenchANSYSWorkbench---SimulationSimulationSimulationTrainingManual稳态热分析…材料属性•导热系数用MP命令输入到ANSYS中。–对于温度相关的导热系数，可使用MPTEMP和MPDATA命令•虽然比热可以在“EngineeringData”分支中定义，但目前用不到它，也不会传到ANSYS中。–定义比热时，没有MP,C这样的命令AdvancedANSYSDetailsFebruary2,2004Inventory#0020106-11ANSYSWorkbench-SimulationANSYSWorkbenchANSYSWorkbenchANSYSWorkbench---SimulationSimulationSimulationTrainingManual稳态热分析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.February2,2004Inventory#0020106-12ANSYSWorkbench-SimulationANSYSWorkbenchANSYSWorkbenchANSYSWorkbench---SimulationSimulationSimulationTrainingManual稳态热分析…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/MultiphysicsxFebruary2,2004Inventory#0020106-13ANSYSWorkbench-SimulationANSYSWorkbenchANSYSWorkbenchANSYSWorkbench---SimulationSimulationSimulationTrainingManual稳态热分析…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,dottedgreenarro