第四讲 热分析上机指导书
CAD/CAM 实验室，USTC
实验要求：
1、通过对冷却栅管的热分析练习，熟悉用ANSYS 进行稳态热分析的基本过程，熟悉用直接耦合法、间接耦合法进行热应力分析的基本过程。
2、通过对铜块和铁块的水冷分析，熟悉用ANSYS 进行瞬态热分析的基本过程。
内容1：冷却栅管问题
问题描述：本实例确定一个冷却栅管（图a ）的温度场分布及位移和应力分布。一个轴对称的冷却栅结构管内为热流体，管外流体为空气。冷却栅材料为不锈钢，特性如下： 导热系数： W/m ℃
弹性模量：×109 MPa
…
热膨胀系数：×10-5 /℃
泊松比：
边界条件：
（1）管内：压力： MPa
流体温度：250 ℃
对流系数 W/m 2℃
（2）管外：空气温度39℃
对流系数： W/m 2℃
假定冷却栅管无限长，根据冷却栅结构的对称性特点可以构造出的有限元模型如图b 。其上下边界承受边界约束，管内部承受均布压力。
?
练习1－1：冷却栅管的稳态热分析
步骤：
1. 定义工作文件名及工作标题
1) 定义工作文件名：GUI: Utility Menu> File> Change Jobname ，在弹出的【Change Jobname 】对话框中输入文件名Pipe_Thermal ，单击OK 按钮。
2) 定义工作标题：GUI: Utility Menu> File> Change Title ，在弹出的【Change Title 】对话框中2D Axisymmetrical Pipe Thermal Analysis ，单击OK 按钮。
3) 关闭坐标符号的显示：GUI: Utility Menu> PlotCtrls> Window Control> Window Options ，在弹出的【Window Options 】对话框的Location of triad 下拉列表框中选择No Shown 选项，单击OK 按钮。
2. 定义单元类型及材料属性
1) 定义单元类型：GUI: Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit>Delete 命令，弹出【Element Types 】对话框，单击Add 按钮，弹出【Library Type 】对话框，选择Thermal Solid Quad 8node 77选项，单击OK 按钮。
2) 设置单元选项：单击【Element Type 】对话框的Options 按钮，弹出【Plane77 element type options 】对话框，在Element behavior 下拉列框中选择Axisymmetrical 选项，（）（）
单击OK按钮，单击Close按钮。
3)、
4)设置材料属性：GUI: Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material Models，弹
出【Define Material Models Behavior】窗口，双击Material Model Available列表框
中的Structural\Linear\Elastic\Isotropic选项，弹出【Linear Isotropic Material Properties
for Material Number1】对话框，在EX和PRXY文本框中分别输入和，单击OK按钮。
接着为材料1设置导热系数，点击Thermal\Conductivity\Isotropic，弹出【Conductivity
for Material Number1】对话框，在KXX文本框中填入，单击OK按钮，关闭材料属
性定义对话框。
3.建立几何模型
1)创建矩形面：GUI: Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Areas> Rectangle>
By Dimensions，弹出【Create Rectangle by Dimensions】对话框，在X-coordinates
文本框中输入，，在Y-coordinates文本框中输入0，，单击Apply按钮。接着在
X-coordinates文本框中输入，，在Y-coordinates文本框中输入0，，单击OK按钮。
2)面相加操作：GUI: Main Menu> Preprocessor> Operate> Booleans> Add> Areas，弹出
一个拾取框，单击Pick All按钮。
3)打开线编号控制：GUI: Utility Menu> PlotCtrls> Numbering，弹出【Plot Numbering
Controls】对话框，选择Line numbers复选框，单击OK按钮。
4)线倒角：GUI: Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Lines> Line Fillet，弹出
一个拾取框，拾取编号为L11和L13的线，单击OK按钮，弹出【Line Fillet】对话
框，在RAD Fillet radius文本框中输入，单击OK按钮。
5)—
6)显示线：GUI: Utility Menu> Plot> Lines。
7)生成面：GUI: Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Areas> Arbitrary> By
Lines，弹出一个拾取框，拾取编号为L2，L5和L4的线，单击OK按钮。
8)面相加操作：GUI: Main Menu> Preprocessor> Modeling> Add> Areas，弹出一个拾取
框，单击Pick All按钮。
4.生成有限元模型
1)显示工作平面：GUI: Utility Menu> WorkPlane> Display Workplane
2)打开关键点编号：GUI: Utility Menu> PlotCtrls> Numbering，弹出【Plot Numbering
Controls】对话框，选择Keypoint numbers复选框，清除Line numbers复选框，单
击OK按钮。
3)平移工作平面：GUI: Utility Menu> WorkPlane> Offset WP to> Keypoint，弹出一个拾
取框，拾取编号为10的关键点，单击OK按钮。
4)*
5)旋转工作平面：GUI: Utility Menu> WorkPlane> Offset WP By Increments，显示【Offset
WP】工具栏，在XY,YZ,ZX Angles文本框中输入0,0,90，单击Apply按钮。
6)面分解：GUI: Main Menu> Preprocessor> Modeling> Operate> Booleans> Divide< Area
by WorkPlane，显示一个拾取框，单击Pick All按钮，将面在工作平面处分为两个面。
7)打开面的编号：GUI: Utility Menu> WorkPlane> PlotCtrls> Numbering，弹出【Plot
Numbering Controls】对话框，选择Area number复选框，单击OK按钮。
8)平移工作平面：GUI: Utility Menu> WorkPlane> Offset WP to> Keypoint，弹出一个拾
取框，拾取编号为5的关键点，单击OK按钮。
9)旋转工作平面：GUI: Utility Menu> WorkPlane> Offset WP By Increments，显示【Offset
WP】工具栏，在XY,YZ,ZX Angles文本框中输入0,90,0，单击Apply按钮。
10)面分解：GUI: Main Menu> Preprocessor> Modeling> Operate> Booleans> Divide< Area
by WrkPlane，显示一个拾取框，拾取A3，单击OK按钮，将A3在工作平面分为两个面。
11)创建关键点：GUI: Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Keypoints> On Line
W/Ratio，拾取编号为L3的线，单击OK按钮，弹出【Create KP on Line】对话框，在Line ratio(0-1)文本框中输入，单击OKANNIU 生成一个编号为12的关键点。
12)%
13)平移工作平面：GUI: Utility Menu> WorkPlane> Offset WP to> Keypoint，弹出一个拾
取框，拾取编号为12的关键点，单击OK按钮。
14)旋转工作平面：GUI: Utility Menu> WorkPlane> Offset WP By Increments，显示【Offset
WP】工具栏，在XY,YZ,ZX Angles文本框中输入0,-90,0，单击OK按钮。
15)面分解：GUI: Main Menu> Preprocessor> Modeling> Operate> Booleans> Divide< Area
by WrkPlane，显示一个拾取框，拾取A2和A4，单击OK按钮。
16)关闭工作平面：GUI: Utility Menu> WorkPlane> Display Working Plane
17)线相加操作：GUI: Main Menu> Preprocessor> Modeling> Operate> Booleans> Add>
Lines，弹出一个拾取框，拾取编号为L9和L14的线，单击OK按钮弹出【Add Lines】对话框，单击Apply按钮，接着拾取编号为L9和L21的线，单击OK按钮弹出【Add Lines】对话框，单击OK按钮。
18)设置单元尺寸：GUI: Main Menu> Preprocessor> Meshing> Size Cntrls> ManulSize>
Global> Size，弹出【Global Element Size】对话框，在Element edge length文本框中
输入，单击OK按钮。
19)划分映射网格：GUI: Main Menu> Preprocessor> Meshing> Mesh> Areas> Mapped> 3
or 4 sided，弹出一个拾取框，拾取编号为A1，A3，A5，A6的面，单击OK按钮。
20)对A7划分网格：GUI: Main Menu> Preprocessor> Meshing> Mesh> Areas> Mapped>
By conners，弹出一个拾取框，拾取编号为A7的面，单击OK，接着拾取编号为5，14，9，10的关键点，单击OK。
】
21)保存网格：ToolBar> Save_DB
5.施加载荷及求解
1)在线上施加对流载荷：GUI: Main Menu> Solution> Define Loads> Apply> Thermal>
Convection> On Lines，弹出一个拾取框，拾取编号为L2，L6，L13，L11的线，单击
OK按钮，弹出【Apply CONV on Lines】对话框，在Film coefficient文本框中输入，
在Bulk temperature文本框中输入39，单击Apply按钮。拾取编号为L9和L8的线，单击OK按钮，在Film coefficient文本框中输入，在Bulk temperature文本框中输
入250，单击OK按钮。
2)列表显示边界条件：GUI: Utility> List> Loads> Surface> On All Loads，检查所有对流
边界条件是否加载。
3)求解：GUI: Main Menu> Solution> Solve> Current LS，弹出一个提示窗口和【Solve
Current Load Step】对话框，确认后关闭提示窗口，单击OK求解。
4)—
5)求解完成后，保存结果文件：GUI：Utility Menu> File> Save as，弹出【Save as】对
话框，在Save Database To文本框中输入Thermal ，单击OK。
6.后处理
1)绘制温度分布云图：GUI: Main> General Postproc> Plot Results> Contour> Plot> Nodal
Solu，弹出【Contour Nodal Solution Data】对话框，点击Nodal Solution\DOF
Solution\Temperature，Undisplaced Shape key下拉框中选择Deformed shape with
undeformed model。
2)绘制热流量分布云图：GUI: Main> General Postproc> Plot Results> Contour> Plot>
Nodal Solu，弹出【Contour Nodal Solution Data】对话框，点击Thermal flux\ Thermal flux vector sum，单击OK。
3)绘制热梯度分布云图：GUI: Main> General Postproc> Plot Results> Contour> Plot>
Nodal Solu，弹出【Contour Nodal Solution Data】对话框，点击Thermal gradient vector
sum，单击OK按钮。
】
练习1－2：间接法计算冷却栅管的热应力
这个练习是接着上一个的，如果ANSYS还没有关闭，则忽略下面的第1步，否则从第1步开始往下做。
步骤：
1、恢复数据库文件
GUI: Utility Menu> File> Resume from，弹出【Resume Database】对话框，在Resume Database from列表框中选择选项，单击OK按钮。
2、改变工作标题和分析类型
1)改变工作标题：GUI: Utility Menu> File> Change title，弹出【Change Title】对话框，
输入2D Axisymmetrical Pipe Thermal_Stress Analysis，单击OK按钮。
2)改变分析类型：GUI: Main Menu> Preferences，在弹出的【Preference for GUI Filtering】
对话框中选择Structural，单击OK按钮。
：
3、转换单元类型及重新设置材料属性
1)删除对流边界：GUI: Main Menu> Preprocessor> Loads> Define Loads> Delete> All
Load Data> All SolidMod Lds，弹出【Delete All Solid Model Loads】对话框，单击OK
按钮，则施加在实体上的所有载荷均被删除。
2)转换单元类型为结构单元：GUI: Main Menu> Preprocessor> Element Type> Switch
Elem Type，弹出【Switch Elem Type】对话框。在Change element type下拉框中选
择Thermal to Struc，单击OK后会弹出一个警告，提示单元类型已经转变，单击Close
按钮。
3)设置单元为轴对称：GUI: Main Menu> Preprocessor> Element Type>Add/Edit/Delete，
弹出【Element Type】对话框，单击Options按钮，弹出【PLANE82 elemnt type options】
对话框，在Element behavior K3下拉框中选择Axisymmetrical选项，单击OK按钮。
4)设置材料的线胀系数：GUI: Main Menu> Preprocessor> Material Pros> Material
Models，弹出【Define Material Model Behavior】窗口，点击Material Model Available
列表框中的Structural\ Thermal\ Secant Coefficienet\ Isotropic，弹出【Thermal
Expansion Coef for Material Number 1】对话框，在ALPX文本框中填入，单击OK按
钮，关闭材料属性设置对话框。
4、~
5、施加结构分析载荷并求解
1)施加对称边界约束：GUI: Main Menu> Solution> Define Loads> Apply> Structural>
Displacement>Symmetry .> On Lines，弹出一个拾取对话框。拾取编号为L19，L7和
L4的线，单击Apply。接着拾取L12，L17，单击OK按钮。
2)显示线：GUI: Utility Menu> Plot> Line
3)施加节点温度载荷：GUI: Main Menu> Solution> Define Loads> Apply> Structural>
Temperature> From Therm Analy，弹出【Apply TEMP from Thermal Analysis】对话框，在Name of result file文本框中输入文件名，单击OK按钮。
4)在管的内壁施加面载荷：GUI: Main Menu> Solution> Define Loads> Apply> Structural>
Pressure> On Lines，弹出一个拾取框，拾取编号为L9和L8的线，单击OK按钮，弹出【Apply PRES on lines】对话框，在VALUE Load PRES value文本框中输入，单击OK按钮。
5)显示节点的温度体载荷：GUI: Utility Menu> PlotCtrls> Symbols，弹出【Symbols】对
话框。在Body Load Symbols下拉框中选择Structural temps选项，单击OK按钮。
6)显示单元：GUI: Utility Menu> Plot> Element
7)~
8)求解：求解：GUI: Main Menu> Solution> Solve> Current LS
9)求解完成后，保存结果文件：GUI：Utility Menu> File> Save as，弹出【Save as】对
话框，在Save Database To文本框中输入，单击OK。
6、普通后处理
1)显示变形：GUI: Main Menu> General Postproc> Plot Results> Deformed Shape，弹出
【Plot Deformed Shape】对话框，选择Def + undeformed单选框，单击OK按钮。
2)显示位移云图：GUI: Main Menu> General Postproc> Plot Results>Nodal Solu，弹出
【Contour Nodal Solution Data】对话框，点击Nodal Solution\ DOF Solution\
Displament vector sum，接着在Undisplaced shape key下拉框中选择Deformed shape
with undeformed edge，单击OK按钮。
3)显示Von Mises应力分布云图：GUI: Main Menu> General Postproc> Plot
Results>Nodal Solu，弹出【Contour Nodal Solution Data】对话框，点击Nodal Solution\
Stress\ von Mises stress，单击OK按钮。
…
7、扩展后处理（针对轴对称结构）
1)绕Y方向扩展1/4：GUI：Utility Menu> PlotCtrls> Style> Symmetry Expansion> 2D
Axi-symmetric，弹出【2D Axi-symmetric Expansion】对话框，选择1/4 expansion单
选框和Also reflect about X-Z plane复选框，单击OK按钮。
2)转换视角：GUI：Utility Menu> PlotCtrls> Pan,Zoom,Rotate，利用Pan-Zoom-Rotate
工具调整视角。
3)显示轴向应力云图：GUI: Main Menu> General Postproc> Plot Results>Nodal Solu，弹
出【Contour Nodal Solution Data】对话框，点击Nodal Solution\ Stress\ Y-Component of stress，单击OK按钮。
4)显示环向应力分布：GUI: Main Menu> General Postproc> Plot Results>Nodal Solu，弹
出【Contour Nodal Solution Data】对话框，点击Nodal Solution\ Stress\ Z-Component of stress，单击OK按钮。
…
轴向应力分布
环向应力分布
提示：冷却栅管的热应力分布也可以用直接耦合法求解。回顾上课时的内容，直接耦合法的求解和间接法有何区别
与间接耦合法分别求解不同，直接耦合法将结构分析的载荷和热分析的载荷同时加载求解。大家可以试一试，看求解结果是否和间接耦合法一致。
注意：单元类型必须是耦合单元，推荐Coupled Field Vector Quad13。其余过程大致和间接耦合法差不多。
《
内容2：铜铁水冷问题
问题描述：一个30公斤重、温度为70℃的铜块,以及一个20公斤重、温度为80℃的铁块，突然放入温度为20℃、盛满了300升水的、完全绝热的水箱中,如图所示。过了一个小时，求铜块与铁块的最高温度(假设忽略水的流动)。
材料热物理性能如下：
铜铁水
热性能，
单位制
导热系数W/m℃38370
88897833996
密度)
Kg/m3
比热J/kg℃3904484185
[
练习2：铜块和
铁块的水冷瞬
态热分析
步骤：
1.设置工作
名称、工作
目录和标
题
1)如果
上一个练习的文件没有关闭，在命令输入窗口输入：finish 回车，再输入：
/clear,nostart 回车
2)设定工作名称：GUI: Utility Menu: File>Change Jobname，输入文件名
Thermal_Transient；勾选New log and error files单选框。
3)设定工作目录：GUI: Utility Menu: File>Change> Directory
4)设置标题：GUI: Utility Menu: File>Change Title，输入Thermal Transient Exercise；
2.建立几何模型
1)【
2)定义单元类型：GUI: Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete, 选择
单元Thermal Solid Quad 8node 77；
3)设置铜的材料属性：GUI: Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material Models，
打开【Define Material Model Behavior】对话框，点击Thermal\ Conductivity\ Isotropic, 定义材料1（铜）的热传导系数KXX为383；点击Specific Hea，定义比热为C为390；
再点击Density，定义密度DENS为8889；
4)定义铁的材料属性：GUI: Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material Models，
（如果上一步的【Define Material Model Behavior】对话框没有关闭，则点击其上的菜单Material> New Model），参考上一步，定义材料2（铁）的KXX为70、C为448、DENS为7833；
5)定义水的材料属性：GUI: Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material Models，
同样的方法定义材料3（水）的KXX等于、C等于4185、DENS等于996；
6)建立几何模型：GUI: Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Areas> Rectangle >
By Dimensions
输入X1=0, X2=, Y1=0, Y2=, 点击Apply;
输入X1=, X2= , Y1=, Y2=, 点击Apply;
输入X1= X2= Y1=, Y2=+, 点击OK。
7)~
8)交叠运算：GUI: Main Menu> Preprocessor> Modeling> Operate > Booleans > Overlap ,
选择Pick All；
9)显示面编号：GUI: Utility Menu> Plotctrls> Numbering> Areas numbers, on；
3.建立有限元模型
1)设置材料属性：GUI：Main Menu> Preprocessor> Meshing> Mesh Attributes> Picked
Areas, 选择编号为A2的面（铜），点击OK后，在弹出的【Area Attributes】对话框的Material Number下拉框中选择1；用同样的方面为编号A3的面（铁）定义材料类型为2；为编号A4的面定义材料类型为3。定义好后，可以用GUI: Utility Menu> List> Areas查看是否定义正确。
2)设定单元尺寸：GUI: Main Menu> Preprocessor> Meshing> Size Cntrls> ManualSize>
Global> Size, 输入单元大小；
3)给铜块和铁块划分网格：GUI: Main Menu> Preprocessor> Meshing> Mesh> Areas>
Mapped> 3 or 4 sided , 选择A2面（铜）和A3面（铁），点击OK；
4)设定单元尺寸：GUI: Main Menu> Preprocessor> Meshing> Size Cntrls> ManualSize>
Global> Size, 输入单元大小；
5)给水箱划分网格：GUI: Main Menu> Preprocessor> Meshing> Mesh> Areas> Free, 选择
A4面（水箱）。
-
4.施加载荷并求解
1)定义分析类型：GUI: Main Menu> Solution>Analysis Type> New Analysis, 选择
Transient，定义为瞬态分析,单击OK。在接下来跳出的对话框中单击OK，采用缺省
值；
2)关闭时间积分选项：GUI: Main Menu> Solution> Load Step Opts> Time/Frenquenc>
Time Integration> Amplitude，将TIMINT复选框设置为off，首先进行稳态分析计算
初始温度分布。
3)设置载荷步选项：GUI: Main Menu> Solution> Load Step Opts> Time/Frenquenc>
Time-Time Step，设定TIME为，DELTIM也为；这相当于定义了一个只有一个载析。
荷步的时间为的瞬态热分（可以看成是稳态的）
4)选择水的所有节点：GUI: Utility Menu: Select> Entities，在【Select Enti…】对话框的
第一个下拉框选择Elements，第二个下拉框选择By Attributes，在输入框输入3，
然后点击Apply。接着第一个下拉框选择Nodes，第二个下拉框选择Attached to, 选
择Elements，单击OK。可以用GUI: Utility Menu> Plot> Nodes查看选择是否正确。
5)定义水温：GUI: Main Menu> Solution> Define Loads> Apply> Thermal> Temperature>
On Nodes, 点击Pick All, 在弹出的【Apply TEMP on Nodes】对话框的Load TEMP value 文本框中输入20；
6)（
7)选择铁的所有节点：GUI: Utility Menu: Select> Entities，在【Select Enti…】对话框的
第一个下拉框选择Elements，第二个下拉框选择By Attributes，在输入框输入2，然后点击Apply。接着第一个下拉框选择Nodes，第二个下拉框选择Attached to, 选择Elements，单击OK。可以用GUI: Utility Menu> Plot> Nodes查看选择是否正确。
8)定义铁块的温度：GUI: Main Menu> Solution> Define Loads> Apply> Thermal>
Temperature> On Nodes, 点击Pick All, 在弹出的【Apply TEMP on Nodes】对话框的Load TEMP value文本框中输入80；
9)选择铜的所有节点：GUI: Utility Menu: Select> Entities，在【Select Enti…】对话框的
第一个下拉框选择Elements，第二个下拉框选择By Attributes，在输入框输入1，然后点击Apply。接着第一个下拉框选择Nodes，第二个下拉框选择Attached to, 选择Elements，单击OK。可以用GUI: Utility Menu> Plot> Nodes查看选择是否正确。
10)定义铁块的温度：GUI: Main Menu> Solution> Define Loads> Apply> Thermal>
Temperature> On Nodes, 点击Pick All, 在弹出的【Apply TEMP on Nodes】对话框的Load TEMP value文本框中输入70；
11)选择所有：GUI: Utility Menu> Select Everything
12)显示单元：GUI: Utility Menu> Plot> Elements
13)进行稳态热分析计算初始温度分布：GUI: Main Menu> Solution> Solve> Current LS
14)设定载荷步选项：GUI: Main Menu> Solution> Load Step Opts> Time/Frenquenc>
Time-Time Step，设定TIME=3600, DELTIM=26, 最小、最大时间步长分别为2, 200, 将Autots设置为ON；
15)打开时间积分选项：GUI: Main Menu> Solution> Load Step Opts> Time/Frenquenc>
Time Integration> Amplitude，将TIMINT复选框设置为on
16)…
17)删除稳态分析定义的节点温度：GUI: Main Menu> Solution> Define Loads> Delete>
Thermal> Temperature> On Nodes, 选择Pick All，在弹出来的【Delete Node Constraints】对话框的DOFs to be deleted下拉框中选择TEMP，单击OK按钮。
18)施加初始非均匀温度场：GUI: Main Menu> Solution> Define Loads> Apply> Initial
Condit’n> Temp from ANSYS，打开【Apply TEMP from ANSYS】对话框，在Name of results file中填入
19)设置输出选项：GUI: Main Menu> Solution> Load Step Opts> Output Ctrls> DB/Results
File，选择Every Substeps；在弹出的【Controls for Database and Results File Writing】对话框的File write frequency单选框中选择Every substep 。
20)求解：GUI:
Main
Menu>
Solution>
Solve>
Current
LS；
5.后处理
1)进入时间历程树：GUI: Main Menu>TimeHist PostPro，进入POST26；
2)定义变量：GUI: Main Menu> TimeHist PostPro> Define Variables，打开【Defined
Time-History Variables】对话框，单击Add按钮，在打开的对话框中选择Solution summary单选框，单击OK。在打开的【Define Solution Summary Variable】对话框的User-specified label框中输入dtime，在Data Item中选择Solution Items> Time step，单击OK按钮。再次单击【Defined Time-History Variables】对话框上的Add 按钮，在打开的对话框中选择Nodal DOF result，单击OK。在弹出的拾取框中输入node ,,0)，单击OK。在弹出的对话框的User specified label框中输入T_Copper。单击OK，单击Close完成设置。用同样可以输入其它指定坐标的节点。相关图片如下
【转】热-结构耦合分析 知识掌握篇2009-05-31 14:09:19 阅读131 评论0 字号：大中小订阅 热-结构耦合问题是结构分析中通常遇到的一类耦合分析问题.由于结构温度场的分 布不均会引起结构的热应力,或者结构部件在高温环境中工作,材料受到温度的影响会发生性能的改变,这些都是进行结构分析时需要考虑的因素.为此需要先进行相应的热分析, 然后在进行结构分析.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.本章主要介绍在ANSYS中进行稳态,瞬态热分析的基本过程,并讲解如何完整的进行热-结构耦合分析. 21.1 热-结构耦合分析简介 热-结构耦合分析是指求解温度场对结构中应力,应变和位移等物理量影响的 分析类型.对于热-结构耦合分析,在ANSYS中通常采用顺序耦合分析方法,即 先进行热分析求得结构的温度场,然后再进行结构分析.且将前面得到的温度场作 为体载荷加到结构中,求解结构的应力分布.为此,首先需要了解热分析的基本知 识,然后再学习耦合分析方法. 21.1.1 热分析基本知识 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.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. 热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换.热对流是指固体的表面和与它周围接触的流体之间,由于温差的存在引起的热量的交换.热辐射指物体发射电磁能,并被其它物体吸收转变为热的热量交换
本章向读者介绍非稳态热分析的基本知识， 主要包括非稳态热分析的应用、 非稳态热分析的基本步骤。 非稳态导热的基本概念 非稳态热分析的应用 非稳态热分析单元 分析的基本步骤 丄本章案例 钢球非稳态传热过程分析 不同材料金属块水中冷却的非稳态传热过程分析 高温铜导线冷却过程分析 7.1 非稳态热分析概述 物体的温度随时间而变化的导热过程称为非稳态导热。 根据物体温度随着时间的推移而变化的 特性可本章要点 非稳态热分析单兀、
以区分为两类非稳态导热：物体的温度随时间的推移逐渐趋于恒定的值以及物体的温度随时间而作周期性的变化。无论在自然界还是工程实际问题中，绝大多数传热过程都是非稳态的。许多工程实际问题需要确定物体内部的温度场随时间的变化，或确定其内部温度达到某一限定值所需要的时间。例如：在机器启动、停机及变动工况时，急剧的温度变化会使部件因热应力而破坏，因此需要确定物体内部的瞬时温度场；钢制工件的热处理是一个典型的非稳态导热过程，掌握工件中温度变化的速率是控制工件热处理质量的重要因素。再例如，金属在加热炉内加热时，需要确定它在加热炉内停留的时间，以保证达到规定的中心温度。可见，非稳态热分析是有相当大的应用价值的。 ANSYS 11.0 及其相关的下属产品均支持非稳态的热分析。非稳态热分析确定了温度以及其它随时间变化的热参数。 7.1.1 非稳态热分析特性 瞬态热分析用于计算一个系统的随时间变化的温度场及其它热参数。在工程上一般用瞬态热分析计算温度场，并将之作为热载荷进行应力分析。 瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似。主要的区别是瞬态热分析中的载荷是随时间变化的。为了表达随时间变化的载荷，首先必须将载荷 - 时间曲线分为载荷步。对于每一个载荷步，必须定义载荷值及时间值，同时必须选择载荷步为渐变或阶越。
ANSYS热应力分析例题 实例1圆简内部热应力分折： 有一无限长圆筒，其核截面结构如图13—1所示，简内壁温度为200℃，外壁温度为20℃，圆筒材料参数如表13．1所示，求圆筒内的温度场、应力场分布。 该问题属于轴对称问题。由于圆筒无限长，忽略圆筒端部的热损失。沿圆筒纵截面取宽度为10M的如图13—2所示的矩形截面作为几何模型。在求解过程中采用间接求解法和直接求解法两种方法进行求解。间接法是先选择热分析单元，对圆筒进行热分析，然后将热分析单元转化为相应的结构单元，对圆筒进行结构分析；直接法是采用热应力藕合单元，对圆筒进行热力藕合分析。 /filname,exercise1-jianjie /title,thermal stresses in a long /prep7 $Et,1,plane55 Keyopt,1,3,1 $Mp,kxx,1,70 Rectng,0.1,0.15,0,0.01 $Lsel,s,,,1,3,2 Lesize, all,,,20 $Lsel,s,,,2,4,2 Lesize,all,,,5 $Amesh,1 $Finish /solu $Antype,static Lsel,s,,,4 $Nsll,s,1 $d,all,temp,200 lsel,s,,,2 $nsll,s,1 $d,all,temp,20 allsel $outpr,basic,all solve $finish /post1 $Set,last /plopts,info,on Plnsol,temp $Finish /prep7 $Etchg,tts Keyopt,1,3,1 $Keyopt,1,6,1 Mp,ex,1,220e9 $Mp,alpx,,1,3e-6 $Mp,prxy,1,0.28 Lsel,s,,,4 $Nsll,s,1 $Cp,8,ux,all Lsel,s,,,2 $Nsll,s,1 $Cp,9,ux,all Allsel $Finish /solu $Antype,static D,all,uy,0 $Ldread,temp,,,,,,rth Allsel $Solve $Finish /post1 /title,radial stress contours Plnsol,s,x /title,axial stress contours Plnsol,s,y /title,circular stress contours Plnsol,s,z /title,equvialent stress contours Plnsol,s,eqv $finish
第一章简介 一、热分析的目的 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。 二、ANSYS的热分析 ?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。 ?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。 ?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。 三、ANSYS 热分析分类 ?稳态传热：系统的温度场不随时间变化 ?瞬态传热：系统的温度场随时间明显变化 四、耦合分析 ?热－结构耦合 ?热－流体耦合 ?热－电耦合 ?热－磁耦合 ?热－电－磁－结构耦合等
第二章 基础知识 一、符号与单位 W/m 2-℃ 3 二、传热学经典理论回顾 热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律: ● 对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出〕 PE KE U W Q ?+?+?=- 式中: Q —— 热量; W —— 作功; ?U ——系统内能; ?KE ——系统动能； ?PE ——系统势能； ● 对于大多数工程传热问题：0＝＝PE KE ??； ● 通常考虑没有做功：0=W , 则：U Q ?=； ● 对于稳态热分析：0=?=U Q ，即流入系统的热量等于流出的热量； ● 对于瞬态热分析：dt dU q = ，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。 三、热传递的方式 1、热传导 热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。热传导遵循付里叶定律：dx dT k q -=''，式中''q 为热流
第三章稳态热分析 3.1稳态传热的定义 ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical，ANSYS/FLOTRAN和 ANSYS/Professional这些产品支持稳态热分析。稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响。通常在进行瞬态热分析以前，进行稳态热分析用于确定初始温度分布。也可以在所有瞬态效应消失后，将稳态热分析作为瞬态热分析的最后一步进行分析。 稳态热分析可以计算确定由于不随时间变化的热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数。这些热载荷包括： 对流 辐射 热流率 热流密度（单位面积热流） 热生成率（单位体积热流） 固定温度的边界条件 稳态热分析可用于材料属性固定不变的线性问题和材料性质随温度变化的非线性问题。事实上，大多数材料的热性能都随温度变化，因此在通常情况下，热分析都是非线性的。当然，如果在分析中考虑辐射，则分析也是非线性的。 3.2热分析的单元 ANSYS和ANSYS/Professional中大约有40种单元有助于进行稳态分析。有关单元的详细描述请参考《ANSYS Element Reference》，该手册以单元编号来讲述单元，第一个单元是LINK1。单元名采用大写，所有的单元都可用于稳态和瞬态热分析。其中SOLID70单元还具有补偿在恒定速度场下由于传质导致的热流的功能。这些热分析单元如下： 表3-1二维实体单元 单元维数形状及特点自由度 PLANE35 二维六节点三角形单元温度（每个节点） PLANE55 二维四节点四边形单元温度（每个节点） PLANE75 二维四节点谐单元温度（每个节点） PLANE77 二维八节点四边形单元温度（每个节点） PLANE38 二维八节点谐单元温度（每个节点）
第33例瞬态热分析实例——水箱 本例介绍了利用ANSYS进行瞬态热分析的方法和步骤、瞬态热分析时材料模型所包含的内容，以及模型边界条件和初始温度的施加方法。 33.1概述 热分析是计算热应力的基础，热分析分为稳态热分析和瞬态热分析，稳态热分析将在后面两个例子中介绍，本例介绍瞬态热分析。 33.1.1 瞬态热分析的定义 瞬态热分析用于计算系统随时间变化的温度场和其他热参数。一般用瞬态热分析计算温度场，并找到温度梯度最大的时间点，将此时间点的温度场作为热载荷来进行应力计算。 33.1.2 嚼态热分析的步骤 瞬态热分析包括建模、施加载荷和求解、查看结果等几个步骤。 1．建模 瞬态热分析的建模过程与其他分析相似，包括定义单元类型、定义单元实常数、定义材料特性、建立几何模型和划分网格等。 注意：瞬态热分析必须定义材料的导热系数、密度和比热。 2.施加载荷和求解 (1)指定分析类型， Main Menu→Solution→Analysis Type→New Analysis,选择 Transient。 (2)获得瞬态热分析的初始条件。 定义均匀的初始温度场：Main Menu→Solution→Define Loads→Settings→Uniform Temp，初始温度仅对第一个子步有效，而用Main Menu →Solution→Define Loads→Apply→Thermal→Temperature命令施加的温
度在整个瞬态热分析过程中均不变，应注意二者的区别。 定义非均匀的初始温度场：如果非均匀的初始温度场是已知的，可以用Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Initial Condit'n→Define 即IC命令施加。非均匀的初始温度场一般是未知的，此时必须先进行行稳态分析确定该温度场。该稳态分析与一般的稳态分析相同。 注意：要设定载荷（如已知的温度、热对流等），将时间积分关闭，选择Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequenc→Time Integration→Amplitude Decay;设定只有一个子步，时间很短（如(0.01s)的载荷步， Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequenc→Time →Time Step。 (3)设置载荷步选项。 普通选项包括每一载荷步结束的时间、每一载荷步的子步数、阶跃选项等，选择Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequenc→Time-Time Step. 非线性选项包括：迭代次数（默认25），选择Main Menu→Solution→Load Step Opts→Nonlinear→Equilibrium Iter;打开自动时间步长，选择Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequenc→Time→Time Step：将时间积分打开，选择Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequenc→Time Integration→Amplitude Decay. 输出选项包括：控制打印的输出，选择Main Menu→Solution→Load Step Opts→Output Ctrls→Solu Printout; 结果文件的输出，选择Main Menu →Solution→Load Step Opts→Output Ctrls→DB/Results File.
ANSYS稳态热分析的基本过程 ANSYS热分析可分为三个步骤： ?前处理：建模、材料和网格 ?分析求解：施加载荷计算 ?后处理：查看结果 1、建模 ①、确定jobname、title、unit； ②、进入PREP7前处理，定义单元类型，设定单元选项； ③、定义单元实常数； ④、定义材料热性能参数，对于稳态传热，一般只需定义导热系数，它可 以是恒定的，也可以随温度变化； ⑤、创建几何模型并划分网格，请参阅《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。 2、施加载荷计算 ①、定义分析类型 ●如果进行新的热分析： Command: ANTYPE, STATIC, NEW GUI: Main menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis>Steady-state ●如果继续上一次分析，比如增加边界条件等： Command: ANTYPE, STATIC, REST GUI: Main menu>Solution>Analysis Type->Restart ②、施加载荷 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) ： a、恒定的温度 通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上。 Command Family: D GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Temperature b、热流率 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)，如果输入的值为正，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
第7 章非稳态热分析及实例详解 本章向读者介绍非稳态热分析的基本知识，主要包括非稳态热分析的应用、非稳态热分析单元、非稳态热分析的基本步骤。 本章要点 非稳态导热的基本概念 非稳态热分析的应用 非稳态热分析单元 分析的基本步骤 本章案例 钢球非稳态传热过程分析 不同材料金属块水中冷却的非稳态传热过程分析 高温铜导线冷却过程分析
7.1 非稳态热分析概述 物体的温度随时间而变化的导热过程称为非稳态导热。根据物体温度随着时间的推移而变化的特性可以区分为两类非稳态导热：物体的温度随时间的推移逐渐趋于恒定的值以及物体的温度随时间而作周期性的变化。无论在自然界还是工程实际问题中，绝大多数传热过程都是非稳态的。许多工程实际问题需要确定物体内部的温度场随时间的变化，或确定其内部温度达到某一限定值所需要的时间。例如：在机器启动、停机及变动工况时，急剧的温度变化会使部件因热应力而破坏，因此需要确定物体内部的瞬时温度场；钢制工件的热处理是一个典型的非稳态导热过程，掌握工件中温度变化的速率是控制工件热处理质量的重要因素。再例如，金属在加热炉内加热时，需要确定它在加热炉内停留的时间，以保证达到规定的中心温度。可见，非稳态热分析是有相当大的应用价值的。ANSYS 11.0及其相关的下属产品均支持非稳态的热分析。非稳态热分析确定了温度以及其它随时间变化的热参数。 7.1.1 非稳态热分析特性 瞬态热分析用于计算一个系统的随时间变化的温度场及其它热参数。在工程上一般用瞬态热分析计算温度场，并将之作为热载荷进行应力分析。 瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似。主要的区别是瞬态热分析中的载荷是随时间变化的。为了表达随时间变化的载荷，首先必须将载荷-时间曲线分为载荷步。对于每一个载荷步，必须定义载荷值及时间值，同时必须选择载荷步为渐变或阶越。 7.1.2 非稳态热分析的控制方程 热储存项的计入将稳态系统变为非稳态系统，计入热储存项的控制方程的矩阵形式如下： []{}[]{}{}C T K T Q += 其中，[]{} C T 为热储存项。 在非稳态分析时，载荷是和时间有关的函数，因此控制方程可表示如下： []{}[]{}(){}C T K T Q t += 若分析为分线性，则各参数除了和时间有关外，还和温度有关。非线性的控制方程可表示如下： (){}(){}(){},C T T K T T Q T t +=???????? 7.1.3 时间积分与时间步长 1、时间积分 从求解方法上来看，稳态分析和非稳态分析之间的差别就是时间积分。利用ANSYS 11.0分析问题时，只要在后续载荷步中将时间积分效果打开，稳态分析即转变为非稳态分析；同样，只要在后续载荷步中将时间积分关闭，非稳态分析也可转变为稳态分析。 2、时间步长 两次求解之间的时间称为时间步，一般来说，时间步越小，计算结果越精确。确定时间步长的方法有两种： （1）指定裕度较大的初始时间步长，然后使用自动时间步长增加时间步。
/PREP7 /TITLE,Steady-state thermal analysis of pipe junction /UNITS,BIN ! 英制单位；Use U. S. Customary system of units (inches) ! /SHOW, ! Specify graphics driver for interactive run ET,1,90 ! Define 20-node, 3-D thermal solid element MP,DENS,1,.285 ! Density = .285 lbf/in^3 MPTEMP,,70,200,300,400,500 ! Create temperature table MPDATA,KXX,1,,8.35/12,8.90/12,9.35/12,9.80/12,10.23/12 ! 指定与温度相对应的数据材料属性；导热系数；Define conductivity values MPDATA,C,1,,.113,.117,.119,.122,.125 ! Define specific heat values（比热） MPDATA,HF,2,,426/144,405/144,352/144,275/144,221/144 ! Define film coefficient;除144是单位问题，上面的除12也是单元问题 ! Define parameters for model generation RI1=1.3 ! Inside radius of cylindrical tank RO1=1.5 ! Outside radius Z1=2 ! Length RI2=.4 ! Inside radius of pipe RO2=.5 ! Outside pipe radius Z2=2 ! Pipe length CYLIND,RI1,RO1,,Z1,,90 ! 90 degree cylindrical volume for tank WPROTA,0,-90 ! 旋转当前工作的平面；从Y到Z旋转-90度；；Rotate working plane to pipe axis CYLIND,RI2,RO2,,Z2,-90 ! 角度选择在了第四象限；90 degree cylindrical volume for pipe WPSTYL,DEFA ! 重新安排工作平面的设置；另外WPSTYL,STAT to list the status of the working plane；；Return working plane to default setting BOPT,NUMB,OFF ! 关掉布尔操作的数字警告信息；Turn off Boolean numbering warning VOVLAP,1,2 ! 交迭体；Overlap the two cylinders /PNUM,VOLU,1 ! 体编号打开；Turn volume numbers on /VIEW,,-3,-1,1
问题描述：一个30公斤重、温度为70℃的铜块,以及一个20公斤重、温度为80℃的铁块，突然放入温度为20℃、盛满了300升水的、完全绝热的水箱中,如图所示。过了一个小时，求铜块与铁块的最高温度(假设忽略水的流动)。 材料热物理性能如下：热性能单位制 铜铁水 导热系数W/m℃ 383 37 密度Kg/m 8889 7833 996 比热J/kg℃ 390 448 4185 菜单操作过程： 一、设置分析标题 1、选择“Utility Menu>File>Change Jobname”，输入文件名Transient1。 2、选择“Utility Menu>File>Change Title”输入Thermal Transient Exercise 1。 二、定义单元类型 1、选择“Main Menu>Preprocessor”，进入前处理。 2、选择“Main Menu>Preprocesor>Element Type>Add/Edit/Delete”。选择热平面单元plane77。 三、定义材料属性 1、选择“Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models”，在弹出的材料定义窗口中顺序双击Thermal选项。 2、点击Conductivity，Isotropic，在KXX框中输入383；点击Density，在DENS框中输入8898；点击Specific Heat，在C框中输入390。 3、在材料定义窗口中选择Material>New Model，定义第二种材料。 4、点击Conductivity，Isotropic，在KXX框中输入70；点击Density，在DENS框中输入7833；点击Specific Heat，在C框中输入448。 5、在材料定义窗口中选择Material>New Model，定义第三种材料。 6、点击Conductivity，Isotropic，在KXX框中输入.61；点击Density，在DENS框中输入996；点击Specific Heat，在C框中输入4185。 四、创建几何模型 1、选择“Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Areas->Retangle>By Dimensions”，输入X1=0, Y1=0, X2=, Y2=, 点击Apply；输入X1=, Y1=, X2= ,Y2=, 点击Apply；输入X1= Y1=, X2= Y2=+, 选择OK。 2、选择“Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Operate>Booleans>Overlap”，选择Pick All。 3、选择“Utility Menu>Plotctrls>Numbering>Areas, on”。 4、选择“Utility Menu>Plot>Areas”。 五、划分网格 1、选择“Main Menu>Preprocessor>-Attributes->Define->All Areas”，选择材料1。 2、选择“Main Menu>Preprocessor>Meshing->Size Cntrls->-Manualsize->-Global->Size”，输入单元大小。 3、选择“Main Menu>Preprocessor>Meshing->Mesh->-Areas->Mapped>3 or 4 sided”，选择铜块。 4、选择“Main Menu>Preprocessor>-Attributes->Define->All Areas”，选择材料2。 5、选择“Main Menu>Preprocessor>Meshing->Mesh->-Areas->Mapped>3 or 4 sided”，选
4.1瞬态传热的定义 ANSYS/Multiphysics , ANSYS/Mechanical, ANSYS/FLOTRAN ANSYS/Professional 这些产品支持瞬态热分析。瞬态热分析用于计算一个系统 的随时间变化的温度场及其它热参数。在工程上一般用瞬态热分析计算温度场， 并将之作为热载荷进行应力分 析。许多传热应用一热处理问题，喷管，引擎堵塞, 管路系统，压力容器等，都包含瞬态热分析。 瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似。 主要的区别是瞬态热分析中的载 荷是随时间变化的。为了表达随时间变化的载荷，可使用提供的函数工具描述载 荷?时间曲线并将该函数作为载荷施加（请参考《 ANSYS Basic Porcedures Guide 》中的“施加函数边界条件载荷”），或将载荷?时间曲线分为载荷步。 载荷?时间曲线中的每一个拐点为一个载荷步，如下图所示 ： 图4-1用荷载步定义时变荷载 对于每一个载荷步，必须定义载荷值及时间值，同时还需定义其它载荷步选 项，如：载荷步为渐变或阶跃、自动时间步长等，定义完一个载荷步的所有信息 后，将其写为载荷步文件，最后利用载荷步文件统一求解。本章对一个铸件的分 析的实例对此有进一步说明。 4.2瞬态热分析中使用的单元和命令 瞬态热分析中使用的单元与稳态热分析相同，第三章对单元有简单的描述。 要了解每个单元的详细说明，请参阅《 ANSYS Eleme nt Refere nee 》。要了解每 个命令的详细功能，请参阅《ANSYS Comma nds Refere nce 。 4.3瞬态热分析的过程 瞬态热分析的过程为： 建模 施加荷载并求解 ANSYS 热分析指南（第四 章） 第四章瞬态热分析 Load ▲ Stepped (KBCJ) ■Stepped Steady ANSYS 稳态和瞬态热模拟基本步骤 基于ANSYS 9.0 一、 稳态分析 从温度场是否是时间的函数即是否随时间变化上，热分析包括稳态和瞬态热分析。其中，稳态指的是系统的温度场不随时间变化，系统的净热流率为0，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量： =0q q q +-流入生成流出 在稳态分析中，任一节点的温度不随时间变化。 基本步骤：（为简单起见，按照软件的菜单逐级介绍） 1、 选择分析类型 点击Preferences 菜单，出现对话框1。 对话框1 我们主要针对的是热分析的模拟，所以选择Thermal 。这样做的目的是为了使后面的菜单中只有热分析相关的选项。 2、 定义单元类型 GUI ：Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete 出现对话框 2 对话框2 （3-1） 点击Add,出现对话框3 对话框3 在ANSYS中能够用来热分析的单元大约有40种，根据所建立的模型选择合适的热分析单元。对于三维模型，多选择SLOID87：六节点四面体单元。 3、选择温度单位 默认一般都是国际单位制，温度为开尔文（K）。如要改为℃，如下操作GUI：Preprocessor>Material Props>Temperature Units 选择需要的温度单位。 4、定义材料属性 对于稳态分析，一般只需要定义导热系数，他可以是恒定的，也可以随温度变化。 GUI: Preprocessor>Material Props> Material Models 出现对话框4 对话框4 一般热分析，材料的热导率都是各向同性的，热导率设定如对话框5. 对话框5 Ansys模拟水结冰的热分析过程 一、问题描述： 对一茶杯水的结冰过程进行分析，水和茶杯的初始温度为0℃，环境温度为-10℃，杯子侧面和顶面的对流换热系数为12.5W/m^2·℃，杯子放在桌面上，假设桌面可以对杯子底面提供-10℃的温度载荷。计算3000s之后的温度分布。 模型如下： 茶杯底面外径54.41mm，内径50mm，高度85mm，顶面内径60mm，抽壳厚度为5mm（内部水的高度80mm）。 分析采用SI单位制，水的材料属性如下： 导热率：0.6 密度：1000 比热容：4200 焓值： 温度℃-10 -1 0 10 焓J/m^3 0 37.8e6 79.8e6 121.8e6 茶杯采用铁的材料属性： 导热率：70 密度：7833 比热容：448 二、问题分析： 本例采用70热单元进行分析，由于对称性，采用1/4模型进行建模分析。由于包含相变分析，因此水的焓值是必要的。假设温度0℃的水结成0℃的冰需要放出42000J/kg·℃的热量，通过定义焓值来实现。假设温度区间长度为1℃，因此温度低于-1℃，表示水已结成冰。本例通过apdl进行分析，方便输入及调试。 三、分析步骤: 1、定义工程名及标题 fini /cle ！清除数据库 /filname.shuijiebing,1 ！此处设置工作名 /title,lovz ！此处设置标题 *afun deg !定义角度为度 2、进入前处理，定义单元及材料属性 /prep7 ！进入前处理模块 et,1,70 ！定义70单元 mp,kxx,1,0.6 ！设置材料属性 mp,c,1,4200 mp,dens,1,1000 mptemp,1,-10,-1,0,10 mpdata,enth,1,1,0,37.8e6,79.8e6,121.8e6 ！焓值定义mp,kxx,2,70 mp,dens,2,7833 mp,c,2,448 这里定义1号材料为水，2号材料为茶杯 3、定义参数 r1=50e-3 r2=60e-3 r3=54.41e-3 r4=65e-3 h1=80e-3 h2=85e-3 4、建模 wprot,,-90 ！旋转工作平面 /pnum,volu,1 ！打开体积显示 /view,1,1,1,1 ！Iso视角 cone,r1,r2,0,h2,0,90 ！建立水的1/4圆台模型 ANSYS热分析指南 第一章简介 1.1热分析的目的 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，我们一般关心的参数有： 温度的分布 热量的增加或损失 热梯度 热流密度 热分析在许多工程应用中扮演着重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等等。通常在完成热分析后将进行结构应力分析，计算由于热膨胀或收缩而引起的热应力。 1.2ANSYS中的热分析 ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Professional、 ANSYS/FLOTRAN四种产品中支持热分析功能。ANSYS热分析基于由能量守恒原理导出的热平衡方程，有关细节，请参阅《ANSYS Theory Reference》。ANSYS使用有限元法计算各节点的温度，并由其导出其它热物理参数。 ANSYS可以处理所有的三种主要热传递方式：热传导、热对流及热辐射。1.2.1对流 热对流在ANSYS中作为一种面载荷，施加于实体或壳单元的表面。首先需要输入对流换热系数和环境流体温度，ANSYS将计算出通过表面的热流量。如果对流换热系数依赖于温度，可以定义温度表，以及在每一个温度点处的对流换热系数。 1.2.2辐射 ANSYS提供了四种方法来解决非线性的辐射问题： 辐射杆单元（LINK31） 使用含热辐射选项的表面效应单元（SURF151-2D,或SURF152-3D） 在AUX12中，生成辐射矩阵，作为超单元参与热分析 使用Radiosity求解器方法 有关辐射的详细描述请阅读本指南第四章。 1.2.3特殊的问题 除了前面提到的三种热传递方式外，ANSYS热分析还可以解决一些诸如：相变（熔融与凝固）、内部热生成（如焦耳热）等的特殊问题。例如，可使用热质点单元MASS71模拟随温度变化的内部热生成。 1.3热分析的类型 ANSYS支持两种类型的热分析： 1．稳态热分析确定在稳态的条件下的温度分布及其他热特性，稳态条件指热量随时间的变化可以忽略。 2．瞬态热分析则计算在随时间变化的条件下，温度的分布和热特性。 1.4耦合场分析 ANSYS中可与热分析进行耦合的方式有热—结构、热－电磁等。耦合场分析可以使用ANSYS中的矩阵耦合单元，或者在独立的物理环境中使用序惯荷载耦合。有关耦合场分析的详细描述，请参阅《ANSYS Coupled-Field Analysis Guide》。 1.5关于菜单路径和命令语法 在本指南中，您将会看到相关的ANSYS命令及其等效的菜单路径。这些参考的命令仅仅包括命令名，因为并不总是需要指定所有的参数，而且不同的参数组合会有不同的作用。有关ANSYS命令的更多的叙述，请参考《ANSYS Commands Reference》。 菜单路径将近可能完整得列出。对于多数情况，选择菜单就能够完成所需要的功能；但还有一些情况，选择文中所示菜单后会弹出一个菜单或是对话框，由此定义其他的选项来执行一些特定的任务。 第二章基础知识 2.1符号与单位 实例1: 某一潜水艇可以简化为一圆筒,它由三层组成,最外面一层为不锈钢,中间为玻纤隔热层,最里面为铝层,筒内为空气,筒外为海水,求内外壁面温度及温度分布。 几何参数: 筒外径30 feet 总壁厚 2 inch 不锈钢层壁厚0、75 inch 玻纤层壁厚 1 inch 铝层壁厚0、25 inch 筒长200 feet 导热系数不锈钢8、27 BTU/hr、ft、o F 玻纤0、028 BTU/hr、ft、o F 铝117、4 BTU/hr、ft、o F 边界条件空气温度70 o F 海水温度44、5 o F 空气对流系数2、5 BTU/hr、ft2、o F 海水对流系数80 BTU/hr、ft2、o F 沿垂直于圆筒轴线作横截面,得到一圆环,取其中1度进行分析,如图示。 以下分别列出log文件与菜单文件。 /, Steady1 /title, Steady-state thermal analysis of submarine /units, BFT Ro=15 !外径(ft) Rss=15-(0、75/12) !不锈钢层内径ft) Rins=15-(1、75/12) !玻璃纤维层内径(ft) Ral=15-(2/12) !铝层内径(ft) Tair=70 !潜水艇内空气温度 Tsea=44、5 !海水温度 Kss=8、27 !不锈钢的导热系数(BTU/hr、ft、oF) Kins=0、028 !玻璃纤维的导热系数(BTU/hr、ft、oF) Kal=117、4 !铝的导热系数(BTU/hr、ft、oF) Hair=2、5 !空气的对流系数(BTU/hr、ft2、oF) Hsea=80 !海水的对流系数(BTU/hr、ft2、oF) /prep7 et,1,plane55 !定义二维热单元 mp,kxx,1,Kss !设定不锈钢的导热系数 mp,kxx,2,Kins !设定玻璃纤维的导热系数 mp,kxx,3,Kal !设定铝的导热系数 pcirc,Ro,Rss,-0、5,0、5 !创建几何模型 pcirc,Rss,Rins,-0、5,0、5 pcirc,Rins,Ral,-0、5,0、5 aglue,all numcmp,area lesize,1,,,16 !设定划分网格密度 lesize,4,,,4 lesize,14,,,5 lesize,16,,,2 eshape,2 !设定为映射网格划分 mat,1 amesh,1 mat,2 amesh,2 mat,3 amesh,3 /SOLU SFL,11,CONV,HAIR,,TAIR !施加空气对流边界 SFL,1,CONV,HSEA,,TSEA !施加海水对流边界 SOLVE /POST1 PLNSOL ！输出温度彩色云图 第四讲 热分析上机指导书 CAD/CAM 实验室，USTC 实验要求： 1、通过对冷却栅管的热分析练习，熟悉用ANSYS 进行稳态热分析的基本过程，熟悉用直接耦合法、间接耦合法进行热应力分析的基本过程。 2、通过对铜块和铁块的水冷分析，熟悉用ANSYS 进行瞬态热分析的基本过程。 内容1：冷却栅管问题 问题描述：本实例确定一个冷却栅管（图a ）的温度场分布及位移和应力分布。一个轴对称的冷却栅结构管内为热流体，管外流体为空气。冷却栅材料为不锈钢，特性如下： 导热系数： W/m ℃ 弹性模量：×109 MPa 热膨胀系数：×10-5 /℃ 泊松比： 边界条件： （1）管内：压力： MPa 流体温度：250 ℃ 对流系数 W/m 2℃ （2）管外：空气温度39℃ 对流系数： W/m 2℃ 假定冷却栅管无限长，根据冷却 栅结构的对称性特点可以构造出的有限元模型如图b 。其上下边界承受边界约束，管内部承受均布压力。 练习1－1：冷却栅管的稳态热分析 步骤： 定义工作文件名及工作标题 定义工作文件名：GUI: Utility Menu> File> Change Jobname ，在弹出的【Change Jobname 】对话框中输入文件名Pipe_Thermal ，单击OK 按钮。 定义工作标题：GUI: Utility Menu> File> Change Title ，在弹出的【Change Title 】对话框中2D Axisymmetrical Pipe Thermal Analysis ，单击OK 按钮。 关闭坐标符号的显示：GUI: Utility Menu> PlotCtrls> Window Control> Window Options ，在弹出的【Window Options 】对话框的Location of triad 下拉列表框中选择No Shown 选项，单击OK 按钮。 定义单元类型及材料属性 定义单元类型：GUI: Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit>Delete 命令，弹出【Element Types 】对话框，单击Add 按钮，弹出【Library Type 】对话框，选择Thermal Solid Quad 8node 77选项，单击OK 按钮。 设置单元选项：单击【Element Type 】对话框的Options 按钮，弹出【Plane77 element type options 】对话框，在Element behavior 下拉列框中选择Axisymmetrical 选项，单击OK 按钮，单击Close 按钮。 设置材料属性：GUI: Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material Models ，弹出【Define （） （） ANSYS 热应力分析实例 当一个结构加热或冷却时，会发生膨胀或收缩。如果结构各部分之间膨胀收 缩程度不同，和结构的膨胀、收缩受到限制，就会产生热应力。 热应力分析的分类 ANSYS提供三种进行热应力分析的方法： 在结构应力分析中直接定义节点的温度。如果所以节点的温度已知，则可以 通过命令直接定义节点温度。节点温度在应力分析中作为体载荷，而不是节点自由度 间接法。首先进行热分析，然后将求得的节点温度作为体载荷施加在结构应 力分析中。 直接法。使用具有温度和位移自由度的耦合单元，同时得到热分析和结构应 力分析的结果。 如果节点温度已知，适合第一种方法。但节点温度一般是不知道的。对于大多数问题，推荐使用第二种方法—间接法。因为这种方法可以使用所有热分析的功能和结构分析的功能。如果热分析是瞬态的，只需要找出温度梯度最大的时间点，并将此时间点的节点温度作为荷载施加到结构应力分析中去。如果热和结构的耦合是双向的，即热分析影响结构应力分析，同时结构变形又会影响热分析（如大变形、接触等），则可以使用第三种直接法—使用耦合单元。此外只有第三种方法可以考虑其他分析领域（电磁、流体等）对热和结构的影响。 间接法进行热应力分析的步骤 首先进行热分析。可以使用热分析的所有功能，包括传导、对流、辐射和表 面效应单元等，进行稳态或瞬态热分析。但要注意划分单元时要充分考虑结构分 析的要求。例如，在有可能有应力集中的地方的网格要密一些。如果进行瞬态分析，在后处理中要找出热梯度最大的时间点或载荷步。 热单元结构单元 LINK32LINK1 LINK33LINK8 PLANE35PLANE2 PLANE55PLANE42 SHELL57SHELL63 PLANE67PLANE42 LINK68LINK8 SOLID79SOLID45 MASS71MASS21 PLANE75PLANE25 PLANE77PLANE82 PLANE78PLANE83 PLANE87PLANE92 PLANE90PLANE95 SHELL157SHELL63 重新进入前处理，将热单元转换为相应的结构单元，表7-1 是热单元与结构单元的对应表。可以使用菜单进行转换： ANSYS瞬态传热分析教程 瞬态传热分析的定义 瞬态热分析用于计算一个系统的随时间变化的温度场及其它热参数。在工程上一般用瞬态热分析计算温度场，并将之作为热载荷进行应力分析。 瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似。主要的区别是瞬态热分析中的载荷是随时间变化的。为了表达随时间变化的载荷，首先必须将载荷～时间曲线分为载荷步。载荷～时间曲线中的每一个拐点为一个载荷步，如下图所示。 对于每一个载荷步，必须定义载荷值及时间值，同时必须选择载荷步为渐变或阶越。 瞬态热分析中的单元及命令 瞬态热分析中使用的单元与稳态热分析相同。要了解每个单元的详细说明，请参阅《A NSYS Element Reference Guide》 ANSYS 瞬态热分析的主要步骤 建模 加载求解 后处理 建模 确定jobname、title、units, 进入PREP7； 定义单元类型并设置选项； 如果需要，定义单元实常数； 定义材料热性能：一般瞬态热分析要定义导热系数、密度及比热； 建立几何模型； 对几何模型划分网格。 加载求解 1、定义分析类型 如果第一次进行分析，或重新进行分析 GUI: Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis>Transient Command: ANTYPE,TRANSIENT,NEW 如果接着上次的分析继续进行（例如增加其它载荷） GUI: Main Menu>Solution>Analysis Type>Restart Command: ANTYPE,TRANSIENT,REST 2、获得瞬态热分析的初始条件 ①、定义均匀温度场 如果已知模型的起始温度是均匀的，可设定所有节点初始温度 Command:TUNIFANSYS稳态和瞬态分析步骤简述..
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