搜索
第六章热分析383383第六章热分析本章要点：l热分析的基础知识，即热分析的特点、ANSYS热分析的主要类型及热载荷/边界的定义。l稳态传热的基础知识，热分析单元及稳态传热分析的主要步骤及每步分析中需要注意事项，实例讲解稳态热分析的过程。l瞬态传热的基础知识，稳态传热分析的主要步骤及每步分析中需要注意事项（特别是求解及求解选项设定），实例讲解瞬态传热分析的过程。简单的相变问题的基础知识。l辐射传热的基础知识，辐射传热分析的主要步骤及每步中与传统热分析的差异。l耦合场的基础知识，常见的耦合场求解方法及其每种方法的优缺点，热应力分析的主要步骤及与通常非耦合场分析的差异。学好、用好ANSYS热分析功需要首先了解热分析的基础知识，然后通过加强专业学习的同时提高实际动手的能力，在实践中提高使用ANSYS进行热分析的能力。下面首先介绍热分析的基础知识。6.1热分析简介热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量）等。热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。6.1.1ANSYS热分析特点ANSYS热分析有以下几个特点：ØANSYS功能组件热分析能力在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五种产品中包含热分析功能,其中ANSYS/FLOTRAN不含相变热分析。ØANSYS热分析原则ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。ØANSYS热分析类型ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。6.1.2ANSYS热分析的分类ANSYS热分析分为两大类，即传统的热分析和热耦合分析。第二章有限元分析基础3841．ANSYS热分析依据温度场与时间的变化关系，ANSYS热分析可以分为以下两种：1．稳态传热稳态传热就是系统的温度场不随时间变化。2．瞬态传热瞬态传热，顾名思义就是系统的温度场随时间明显变化2．热耦合分析耦合分析，就是将热分析与其他类型的分析结合起来进行分析。ANSYS可能进行的热耦合分析包括以下几个方面：Ø热-结构耦合分析Ø热-流体耦合分析Ø热-电耦合分析Ø热-磁耦合分析Ø热-电-磁-结构耦合分析6.1.3热分析边界条件及初始条件对于ANSYS热分析而言，其提供的边界条件或者初始条件可以分为以下其中：温度、热流率、热流密度、对流、辐射、绝热和生热。6.1.4ANSYS热分析误差估计对于任何分析都不可能决定精确，这要求在进行分析时进行误差评估，尽量减小误差。ANSYS热分析误差估计主要应用于以下几种情况：Ø只能评估网格密度因素引起的误差Ø只适合单温度自由度单元（SOLID或者SHELL单元）Ø仅对线性、稳态热分析有效Ø通过自适应网格划分可以减少误差Ø热误差估计基于单元边界热流密度不连续6.2稳态传热分析6.2.1稳态传热简介稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响。通常在进行瞬态传热分析以前，进行稳态热分析用于确定初始温度分布。稳态热分析可以通过有限元计算确定由于稳定的热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数第六章热分析3853856.2.2热分析单元简介热分析涉及到的单元有大约40种，其中纯粹用于热分析的有14种单元：1．线性单元LINK32两维二节点热传导单元LINK33三维二节点热传导单元LINK34二节点热对流单元LINK31二节点热辐射单元2．二维实体单元PLANE55四节点四边形单元PLANE77八节点四边形单元PLANE35三节点三角形单元PLANE75四节点轴对称单元PLANE78八节点轴对称单元3．三维实体单元SOLID87六节点四面体单元SOLID70八节点六面体单元SOLID90二十节点六面体单元4．壳单元SHELL57四节点5．点单元MASS71有关各种单元的详细解释，请借助ANSYSHelp。6.2.3稳态传热分析的主要步骤和任何类型问题分析过程大致类似，ANSYS热分析可分为以下三个步骤，首先是建立有限元模型，然后施加载荷并求解，最后是查看分析结果。1．建立有限元模型建模过程与一般类型问题分析过程大致一样：1．分析前的准备工作建模前的准备工作主要有：建立文件文件夹，选择文件名，添加标题并选择合理的单位。热分析建议采用国际单位制。2．进入前处理器3．选择热分析单元类型，定义单元选项。4．定义实常数5．定义材料热性能参数对于稳态传热分析只需要定义材料的导热系数。材料的导热系数可以是恒定的，也可以是随温度变化的。第二章有限元分析基础3866．创建实体模型7．划分网格，建立有限元模型2．施加载荷并求解这部分定义热分析所需的条件，为求解做好准备。下面介绍稳态热分析的分析选项及其设定：1．选择分析类型/重新启动命令：ANTYPE,STATIC,NEWGUI：MainmenuSolutionAnalysisTypeNewAnalysisSteady-state选择稳态分析。另外，如果前面分析没有完成，需要重新启动：命令：ANTYPE,STATIC,RESTGUI：MainmenuSolutionAnalysisTypeRestart增加约束继续上一次分析，主要是从稳态分析进入瞬态分析需要Restart。2．施加载荷对于稳态热分析，可以在可以直接在实体模型或单元模型上施加五种载荷（边界条件）。下面详细介绍各种载荷及其施加方式：Ø恒定温度边界命令：DGUI：MainMenuSolutionLoadsDefineLoadsApplyThermalTemperature通常通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上。Ø热流率命令：FGUI：MainMenuSolutionLoadsDefineLoadsApplyThermalTemperature热流率作为节点集中载荷，主要用于线单元模型中（通常线单元模型不能施加对流或热流密度载荷），如果键入的值为正，代表热流流入节点，即单元获取热量。如果温度与热流率同时施加在一节点上则ANSYS读取温度值进行计算。注意：如果在实体单元的某一节点上施加热流率，则此节点周围的单元要密一些，在两种导热系数差别很大的两个单元的公共节点上施加热流率时，尤其要注意。此外，尽可能使用热生成或热流密度边界条件，这样结果会更精确些。Ø对流边界命令：SFGUI：MainMenuSolutionLoadsDefineLoadsApplyThermalTemperature对流边界作为面载荷施加于实体的外表面，计算与流体的热交换，它仅可施加于实体和壳模型上，对于线模型，可以通过对流线单元LINK34考虑对流。Ø热流密度命令：FGUI：MainMenuSolutionrLoadsDefineLoadsApplyThermalHeatFlow第六章热分析387387热流密度也是一种面载荷。当通过单位面积的热流率已知或通过FLOTRANCFD计算得到时，可以在模型相应的外表面施加热流密度。如果键入的值为正，代表热流流入单元。热流密度也仅适用于实体和壳单元。热流密度与对流可以施加在同一外表面，但ANSYS仅读取最后施加的面载荷进行计算。Ø生热率命令：BFGUI：MainMenuSolutionLoadsDefineLoadsApplyThermalHeatGenerat生热率作为体载施加于单元上，可以模拟化学反应生热或电流生热。它的单位是单位体积的热流率。4．定义载荷步选项对于对于一个热分析，可以确定普通选项、非线性选项以及输出控制。（1）普通选项下面介绍载荷步的各个选项及其设定方式：Ø时间选项命令：TIMEGUI：MainMenuSolutionrLoadsAnalysisTypeSol'nControlsbasic选项虽然对于稳态热分析，时间选项并没有实际的物理意义，但它提供了一个方便的设置载荷步和载荷子步的方法。Ø载荷子步选项命令：NSUBSTGUI：MainMenuSolutionLoadsAnalysisTypeSol'nControlsbasic选项用于设定每载荷步中子步的数量或时间步大小。对于非线性分析，每一载荷步需要多个子步。ØRamped或Stepped选项命令：KBCGUI：MainMenuSolutionLoadStepOptsTime/FrequencTimeandSubstps主要是定义载荷变化情况。如果定义阶越（stepped）选项，载荷值在这个载荷步内保持不变；如果为递进（ramped）选项，则载荷值由上一载荷步值到本载荷步值随每一子步线性变化。（2）非线性选项下面介绍载荷步分析选项中的非线性选项及其设定方式：Ø迭代次数选项命令：NEQITGUI：MainMenuSolutionLoadStepOptsNonlinearEquilibriumIter设置合理的迭代次数，在求解精度与速度之间得到协调。Ø自动时间步长选项命令：AUTOTSGUI：MainMenuSolutionAnalysisTypeSol'nControls对于非线性问题分析，激活自动时间步长，保证求解的精度和稳定性。第二章有限元分析基础388Ø收敛误差选项命令：NCNVGUI：MainMenuSolutionAnalysisTypeSol'nControlsadvancednl使求解器可根据温度、热流率等检验热分析的收敛性Ø迭代次数选项命令：NCNVGUI：MainMenuSolutionAnalysisTypeSol'nControlsadvancednl如果在规定的迭代次数内，达不到收敛，ANSYS可以停止求解或到下一载荷步继续求解Ø线性搜索选项命令：LNSRCHGUI：MainMenuSolutionAnalysisTypeSol'nControls设置本选项可使ANSYS用Newton-Raphson方法进行线性搜索。Ø预测矫正选项命令：PREDGUI：MainMenuSolutionAnalysisTypeSol'nControlsnonlinear选项可激活每一子步第一次迭代对自由度求解的预测矫正。（3）打印输出选项下面介绍载荷步选项中的输出选项及其设定方式：Ø控制打印输出选项命令：OUTPRGUI：MainMenuSolutionLoadStepOptsOutputCtrlsSoluPrintout本选项可将任何结果数据输出到Jobname.out文件中。Ø控制结果文件选项命令：OUTRESGUI：MainMenuSolutionAnalysisTypeSol'nControlsbasic选项控制Jobname.rth的内容。5．确定分析选项确定分析选项就是选项稳态热分析所用的求解器，下面介绍求解选项及其设定方式：ØNewton-Raphson选项命令：NROPTGUI：MainMenuSolutionAnalysisOptions此项仅对非线性分析有用。Ø选择求解器选项命令：EQSLVGUI：MainMenuSolutionAnalysisOptions选择可选择如下求解器中一个进行求解：Frontalsolver（默认）、JCGsolver、ICCGsolver、PCGsolver和Iterative。第六章热分析389389注意：热分析可选用Iterative选项进行快速求解，但如下情况除外：（1）热辐射分析（2）热分析包含SURF19或SURF22或超单元（3）相变分析（4）需要restartananalysisØ确定绝对零度选项命令：TOFFSTGUI：MainMenuSolutionAnalysisOptions在进行热辐射分析时，要将目前的温度值换算为绝对温度。如果使用的温度单位是摄氏度，此值应