目录
第一章 简介... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 1- 1
1.1 热分析的目的... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ...1- 1
1.2 ANSYS中的热分析... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..1- 1
1.3 热分析的类型... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ...1- 1
1.4 耦合场分析... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .1- 2
1.5 关于菜单路径和命令语法... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... .1- 2第二章 基础知识... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 2- 1
2.1 符号与单位... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .2- 1
2.2 传热学经典理论回顾... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .. ... ... ..2- 1
2.3 热传递的方式... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .. ... ... ... ... 2- 2
2.4 稳态传热... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .. ... ... ... ... ... 2- 2
2.5 瞬态传热... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .. ... ... ... ... ... 2- 2
2.6 线性与非线性... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .. ... ... ... ... 2- 3
2.7 边界条件和初始条件... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .. ... ... ..2- 3
2.8 热分析误差估计... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .. ... ... ... ..2- 3第三章 稳态热分析... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..3- 1
3.1 稳态传热的定义... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .3- 1
3.2 热分析的单元... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .. ... ... ... ... 3- 1
3.3 热分析的基本过程... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .. ... ... ... 3- 3
3.4 建模... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... 3- 3
3.5 施加荷载和求解... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .. ... ... ... ..3- 3
3.6 稳态热分析的实例1－带接管的圆筒罐... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ...3-11
3.7 稳态热分析的实例2－利用表格边界条件进行热分析... ... ... ... ... ..... ...3-18
3.8《ANSYS Verificaion Manual》中与热分析相关的实例... ... ... ... ... ... ... ...3-22第四章 瞬态热分析... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..4- 1
4.1 瞬态传热的定义... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .4- 1
4.2 瞬态热分析中使用的单元和命令. ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... .4- 1
4.3 瞬态热分析的过程... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .. ... ... ... 4- 1
4.4 建模... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... 4- 2
4.5 施加荷载和求解... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .. ... ... ... ..4- 2
4.6 后处理... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .. ... ... ... ... ... ..4- 6
4.7 相变问题... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .. ... ... ... ... ... 4- 7
4.8 瞬态热分析的实例1... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .. ... ... ..4- 8
4.9 瞬态热分析的实例2... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .. ... ... ... ... .4-13
4.10《ANSYS Verificaion Manual》中与瞬态热分析相关的实例... ... ... ... ... ... ..4-14第五章 表面效应单元 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... 5- 1
5.1 简介... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...5- 1
5.2 表面效应单元在热分析中的应用... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ...5- 1
5.3 表面效应单元的有关热分析设置选项... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ...5- 1
5.4 表面效应单元的实常数... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ...5- 2
5.5表面效应单元的材料属性... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... .5- 2
5.6 创建无孤立节点的表面效应单元... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ...5- 3
5.7创建带孤立节点的表面效应单元... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ...5- 3
5.8 管流单元热分析... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 5- 3
5.9 表面效应单元的实例1－冷却栅的热分析... ... ... ... ... ... ... . ... ... 5- 4
5.10 表面效应单元的实例2－圆管热分析... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ..5-11 第六章 热辐射分析... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..6- 1
6.1 热辐射的定义... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...6- 1
6.2 基本概念... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...6- 1
6.3 分析热辐射问题... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .. ... ... ... ..6- 2
6.4 节点间的热辐射... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .. ... ... ... ..6- 2
6.5 点与面间的热辐射... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .. ... ... ... 6- 2
6.6 AUX12－辐射矩阵生成器... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .. ... ...6- 3
6.7 使用空间节点的几点建议... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... .6- 6
6.8使用AUX12的几点注意事项... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ...6- 6
6.9 Radiosity求解器方法... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .. ... ... 6- 7
6.10 静态热辐射分析的几点建议... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. ... ...6- 9
6.11 热辐射分析实例1... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .6-10
6.12 热辐射分析实例2... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .6-15
6.13 热辐射分析实例3... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .6-17
6.14《ANSYS Verificaion Manual》中与热辐射分析相关的实例... ... ... ... ... ... ..6-18 第七章 热应力分析... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..7- 1
7.1 热应力分析的分类... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ...7- 1
7.2 间接法进行热应力分析的步骤... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... .7- 1
7.3 间接法热应力分析实例... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ...7- 2
7.4 直接法热应力分析实例... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .. ... ... 7- 7
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。
1.2 ANSYS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
项目 国际单位
英制单位
ANSYS 代号
长度 m ft 时间 s s 质量 Kg lbm
温度 ℃ o
F
TEMP 力
N lbf 能量（热量） J BTU 功率（热流率） W BTU/sec HEAT
热流密度 W/m 2BTU/sec-ft 2HFLUX 生热速率 W/m
3
BTU/sec-ft
3HGEN 导热系数 W/m-℃ BTU/sec-ft-o
F KXX 对流系数 W/m 2-℃ BTU/sec-ft 2-o
F
HF 密度 Kg/m 3
lbm/ft 3DENS 比热 J/Kg-℃ BTU/lbm-o
F
C 焓
J/m
3BTU/ft
3
ENTH
2.2 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 — 系统内能 U ? KE ?— 系统动能
PE ?— 系统势能
对大多数工程传热问题：0=?=?PE KE ； 通常不考虑做功：，则0=W U Q ?=；
对于稳态热分析：，即流入的热量等于流出的热量； 0=?=U Q 对于瞬态热分析：dt
dU
q =，即流入流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。
2.3 热传递的方式
2.3.1 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。热传导遵循傅立叶定律：dx
dT k q n ?=，式中为热流密度（W/m n
q 2），k 为导热系数(W/m-℃)，负号表示热量流向温度降低的方向。 2.3.2 热对流
热对流是指固体的表面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。热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。热对流用牛顿冷却方程来描述：，式中为对流换热系数（或称膜传热系数、给热系数、膜系数等）；为固体表面的温度，为周围流体的温度。 )(B S n
T T h q ?=h S T B T 2.3.3 热辐射
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过程。物体温度越高，单位时间辐射的热量越多。热传导和热对流都需要有传热介质，而热辐射无须任何介质。实质上，在真空中的热辐射效率最高。
在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物体同时辐射并吸收热量。它们之间的净热量传递可以用斯蒂芬—波尔兹曼方程来计算：，式中为热流率，q A F T T =?εσ1121424
()q ε为辐射率（黑度）
，σ为斯蒂芬－波尔兹曼常数，约为约为5.67×10-8
W/m 2
.K 4
，为辐射面1的面积，为由辐射面1到辐射面2的形状系数，为辐射面1的绝对温度，为辐射面2的绝对温度，由上式可以看出，包含热辐射的热分析是高度非线性的。
1A 12F 1T 2T 2.4 稳态传热
如果系统的净流滤为0，即流入体统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量：
，则系统热稳态。在稳态热分析中，任一节点的温度不随时间变化。稳态热
分析的能量平衡方程为（以矩阵形式表示）：
0=+流出生成流入－q q q []{}{}Q T K =
式中：[为传导矩阵，包含热系数、对流系数及辐射和形状系数；
]K {}T 为节点温度向量；
{}Q 为节点热流率向量，包括热生成；
ANSYS 利用模型几何差数、材料热性能参数以及所施加的边界条件，生成[、{及。
]K }T {}Q 2.5 瞬态传热
瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条
件以及系统内能随时间都有明显变化。根据能量守恒原理，瞬态热平衡可以表达为（以矩阵形式表示）：
[]{}[]{}{}Q T K T
C =+& 式中：[为传导矩阵，包含热系数、对流系数及辐射和形状系数；
]K []C 为比热矩阵，考虑系统内能的增加；
{}T 为节点温度向量；
[]T &为温度对时间的导数；
{}Q 为节点热流率向量，包括热生成；
2.6 线性与非线性
如果有下列情况产生，则为非线性热分析： ? 材料热性能随温度变化，如K(T)，C(T)等； ? 边界条件随温度变化，如h(T)等； ? 含有非线性单元； ? 考虑辐射传热；
非线性热分析的热平衡方程为：
[]{}[]{}{})()()(T Q T T K T
T C =+& 2.7 边界条件和初始条件
ANSYS 热分析的边界条件或初始条件可分为七种：温度，热流率、热流密度、对流、辐射、绝
热、生热。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，不同的参数的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，
2.8 热分析误差估计
? 仅用于评估由于网格密度不够带来的误差；
? 仅适用于SOLID 或SHELL 的热单元（只有一个温度自由度）； ? 基于单元边界的热流密度的不连续； ? 仅对一种材料、线性、稳态热分析有效；
使用自适应网格划分可对误差进行控制。
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）
表3-2三维实体单元
单元 维数 形状及特点 自由度
SOLID70 三维 八节点六面体单元 温度（每个节点）
SOLID87 三维 十节点四面体单元 温度（每个节点）
SOLID90 三维 二十节点六单元 温度（每个节点）
表3-3辐射连接单元
单元 维数 形状及特点 自由度
LINK31 二维或三维 二节点线单元 温度（每个节点）
表3-4传导杆单元
单元 维数 形状及特点 自由度
LINK32 二维 二节点线单元 温度（每个节点）
LINK33 三维 二节点线单元 温度（每个节点）
表3-5对流连接单元
单元 维数 形状及特点 自由度
LINK34 三维 二节点线单元 温度（每个节点）
表3-6壳单元
单元 维数 形状及特点 自由度
SHELL57 三维 四节点四边形单元 温度（每个节点）
表3-7耦合场单元
单元 维数 形状及特点 自由度
PLANE13 二维 四节点热－应力耦合单元 温度、结构位移、电位、磁矢量
位
CONTACT48 二维 三节点热－应力接触单元 温度、结构位移
CONTACT49 三维 热－应力接触单元 温度、结构位移
FLUID116 三维 二或四节点热－流单元 温度、压力
SOLID5 三维 八节点热－应力和热－电
单元 温度、结构位移、电位、磁标量位
SOLID98 三维 十节点热－应力和热－电
单元 温度、结构位移、电位、磁矢量位
PLANE67 二维 四节点热－电单元 温度、电位
LINK68 三维 两节点热－电单元 温度、电位
SOLID69 三维 八节点热－电单元 温度、电位
SHELL157 三维 四节点热－电单元 温度、电位
表3-8特殊单元
单元 维数 形状及特点 自由度
MASS71 一维到三维 一个节点的质量单元 温度
COMBINE37 一维 四节点控制单元 温度、结构位移、转动、压力 SURF151 二维 二到四节点面效应单元 温度
SURF152 三维 四到九节点面效应单元 温度
MATRIX50 由包括在超
单元中的单
元类型决定 没有固定形状的矩阵或辐
射矩阵超单元
由包括在超单元中的单元类型决
定
INFIN9 二维 二节点无限边界单元 温度、磁矢量位
INFIN47 三维 四节点无限边界单元 温度、磁矢量位
COMBINE14 一维到三维 两节点弹簧－阻尼单元 温度、结构位移、转动、压力 COMBINE39 一维 两节点非线性弹簧单元 温度、结构位移、转动、压力 COMBINE40 一维 两节点组合单元 温度、结构位移、转动、压力
3.3 热分析的基本过程
ANSYS热分析包含如下三个主要步骤：
? 前处理： 建模
? 求解： 施加荷载并求解
? 后处理： 查看结果
以下的内容将讲述如何执行上面的步骤。首先，对每一步的任务进行总体的介绍，然后通过一个管接处的稳态热分析的实例来引导读者如何按照GUI路径逐步完成一个稳态热分析。最后，本章提供了该实例等效的命令流文件。
3.4 建模
建立一个模型的内容包括：首先为分析指定jobname和title；然后在前处理器（PREP7）中定义单元类型，单元实常数，材料属性以及建立几何实体。《ANSYS Modeling and Meshing Guide》中对本部分有详细说明。
对于热分析有：
? 定义单元类型
命令：ET
GUI：Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete
? 定义固定材料属性
命令：MP
GUI：Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models>Thermal
定义温度相关的材料属性，首先要定义温度表，然后定义对应的材料属性值。通过下面的方法定义温度表
命令：MPTEMP或MPTEGN，然后定义对应的材料属性，使用MPDATA
GUI：Main Menu>Preprocessor>Material Props> Material Models>Thermal
对于温度相关的对流换热系数也是通过上述的GUI路径和命令来定义的。
注意--如果以多项式的形式定义了与温度相关的膜系数，则在定义其它具有固定属性的材料之前，必须定义一个温度表。
创建几何模型及划分划分网格的过程，请参阅《ANSYS Modeling and Meshing Guide》
3.5 施加荷载和求解
在这一步骤中，必须指定所要进行的分析类型及其选项，对模型施加荷载，定义荷载选项，最后执行求解。
3.5.1 指定分析类型
在这一步中，可以如下指定分析类型：
?GUI: Main Menu>Solution>New Analysis>Steady-state(static)
?命令：ANTYPE,STATIC,NEW
? 如果是重新启动以前的分析，比如，附加一个荷载。命令： ANTYPE,STATIC,rest。
（条件是先前分析的jobname.ESAV、jobname.DB等文件是可以利用的）
3.5.2 施加荷载
可以直接在实体模型（点、线、面、体）或有限元模型（节点和单元）上施加载荷和边界条件，这些载荷和边界条件可以是单值的，也可以是用表格或函数的方式来定义复杂的边界条件，详见《ANSYS基本分析过程指南》。
可以定义以下五种热载荷：
3.5.2.1 恒定的温度(TEMP)
通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上。
3.5.2.2 热流率（HEAT）
热流率作为节点集中载荷，主要用于线单元（如传导杆、辐射连接单元等）模型中，而这些线单元模型通常不能直接施加对流和热流密度载荷。如果输入的值为正，表示热流流入节点，即单元获取热量。如果温度与热流率同时施加在一节点上，则温度约束条件优先。
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应该密一些；特别是与该节点相连的单元的导热系数差别很大时，尤其要注意，不然可能会得到异常的温度值。因此，只要有可能，都应该使用热生成或热流密度边界条件，这些热荷载即使是在网格较为粗糙的时候都能得到较好的结果。
3.5.2.3 对流（CONV）
对流边界条件作为面载施加于分析模型的外表面上，用于计算与模型周围流体介质的热交换，它仅可施加于实体和壳模型上。对于线单元模型，可以通过对流杆单元LINK34来定义对流。
3.5.2.4 热流密度（HEAT）
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FLOTRAN CFD的计算可得到时，可以在模型相应的外表面或表面效应单元上施加热流密度。如果输入的值为正，表示热流流入单元。热流密度也仅适用于实体和壳单元。单元的表面可以施加热流密度也可以施加对流，但ANSYS仅读取最后施加的面载进行计算。
3.5.2.5 热生成率（HGEN）
热生成率作为体载施加于单元上，可以模拟单元内的热生成，比如化学反应生热或电流生热。它的单位是单位体积的热流率。
下表总结了在热分析中的载荷类型：
表3-9 热荷载类型
载荷类型 类别 命令族 GUI 路径
温度 (TEMP) 约束 D Main Menu>Solution>-Loads-Apply> -Thermal-Temperature
热流率 (HEAT) 力 F Main Menu>Solution>-Loads-Apply> -Thermal-Heat Flow
对流(CONV), 热流密度 (HFLUX) 面载荷 SF
Main Menu>Solution>-Loads-Apply>
-Thermal-Convection
Main Menu>Solution>-Loads-Apply> -Thermal-Heat Flux
热生成率 (HGEN) 体载荷 BF Main Menu>Solution>-Loads-Apply> -Thermal-Heat Generat
下表详细列出了热分析中用于施加载荷，删除载荷，对载荷进行操作、列表的所以命令：
表3-10 热荷载相关的命令
载荷类型 实体或有限
元模型
实体 施加 删除 列表显示 运算 设置
温度 实体模型 关键点 DK DKDELE DKLIST DTRAN--
" 有限元模型 节点 D DDELE DLIST DSCALE DCUM TUNIF
热流率 实体模型 关键点 FK FKDELE FKLIST FTRAN-- " 有限元模型 节点 F FDELE FLIST FSCALE FCUM 对流,
热流密度
实体模型 线 SFL SFLDELE SFLLIST SFTRAN SFGRAD " 实体模型 面 SFA SFADELE SFALIST SFTRAN SFGRAD
" 有限元模型 节点 SF SFDELE SFLIST SFSCALE SFGRAD SFCUM
" 有限元模型 单元 SFE SFEDELE SFELIST SFSCALE SFBEAM SFCUM SFFUN SFGRAD
生热率 实体模型 关键点 BFK BFKDELE BFKLIST BFTRAN--
" 实体模型 线 BFL BFLDELE BFLLIST BFTRAN--
" 实体模型 面 BFA BFADELE BFALIST BFTRAN--
" 实体模型 体 BFV BFVDELE BFVLIST BFTRAN--
" 有限元模型 节点 BF BFDELE BFLIST BFSCALE BFCUM " " 单元 BFE BFEDELE BFELIST BFSCALE BFCUM
3.5.3 采用表格和函数边界条件
除了一般的使用表格来定义边界条件的方法，本节讨论热分析中特有的一些问题。关于定义表参数的详细叙述，请参考《ANSYS APDL Programmer’s Guide》。
本节内容对单元类型没有特别的限制。下表列出了热分析中能够用于每一种边界条件的自变量：
表3-11荷载边界条件及其自变量
热边界条件 命令族 自变量
固定温度 D TIME, X, Y, Z
热流 F TIME, X, Y, Z, TEMP
对流换热系数 (对流) SF TIME, X, Y, Z, TEMP, VELOCITY
环境温度 (对流) SF TIME, X, Y, Z
热流密度 SF TIME, X, Y, Z, TEMP
热生成 BF TIME, X, Y, Z, TEMP
流体单元(FLUID116) 边界条件
流率 SFE TIME
压力 D TIME, X, Y, Z
后面有一个例题详细介绍在一个稳态热分析中如何采用表格边界条件。
为了使用更加灵活的热传导系数，可以使用函数的方式来定义边界条件。有关这种用法的详细说明，可以参考《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》。除了上述自变量外，函数边界条件还可用下面的参数作为函数的自变量：
?表面温度（TS）（SURF151、SURF152单元的表面温度）
?密度（ρ）（材料属性DENS）
?比热（材料属性C）
?导热率（材料属性kxx）
?导热率（材料属性kyy）
?导热率（材料属性kzz）
?粘度（材料属性μ）
?辐射率（材料属性ε）
3.5.4 定义载荷步选项
对于一个热分析，可以确定通用选项、非线性选项以及输出控制。下表列出了热分析中可能用到的载荷步选项：
表3-12分析中的载荷步选项
选项 命令 GUI 路径
通用选项
时间 TIME Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time /Frequenc>Time-Time Step
时间步数 NSUBST Main Menu>Solution> -Load Step Opts-Time /Frequenc>Time and Substps
时间步长 DELTIM Main Menu>Solution> -Load Step Opts-Time /Frequenc>Time-Time Step
阶跃或斜坡加载 KBC Main Menu>Solution> -Load Step Opts-Time /Frequenc>Time -Time Step
非线性选项
最大平衡迭代数 NEQIT Main Menu>Solution> -Load Step Opts -Nonlinear>Equilibrium Iter
自动时间步长 AUTOTS Main Menu>Solution> -Load Step Opts-Time /Frequenc>Time-Time Step
收敛容差 CNVTOL Main Menu>Solution> -Load Step Opts -Nonlinear>Convergence Crit
求解中断选项 NCNV Main Menu>Solution> -Load Step Opts -Nonlinear>Criteria to Stop
线性搜索选项 LNSRCH Main Menu>Solution> -Load Step Opts -Nonlinear>Line Search
预测－矫正因子 PRED Main Menu>Solution> -Load Step Opts -Nonlinear>Predictor
输出控制选项 打印输出
OUTPR Main Menu>Solution> -Load Step Opts-Output Ctrls>Solu Printout
数据库和结果文件输出 OUTRES Main Menu>Solution> -Load Step Opts-Output Ctrls>DB/Results File
结果外插 ERESX
Main Menu>Solution> -Load Step Opts-Output Ctrls>Integration Pt
3.5.5 通用选项
? 时间选项
该选项定义载荷步的结束时间，虽然对于稳态热分析来说，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。
缺省情况下，第一个荷载步结束的时间是1.0，此后的荷载步对应的时间强逐次加1.0。 ? 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。缺省情况下每个荷载步有一个子步。
? 阶跃或斜坡加载
如果定义阶跃载荷，则载荷值在这个载荷步内保持不变；如果为斜坡加载，则载荷值在当前载荷步的每一子步内线性变化。 3.5.6 非线性选项
如果存在非线性则需要定义非线性荷载步选项，包括
? 平衡迭代次数
本选项设置每一子步允许的最大迭代次数，默认值为25，对大多数非线性热分析问题已经足够。 ? 自动时间步长
对于非线性问题，可以自动设定子步间载荷的增量，保证求解的稳定性和准确性。
? 收敛容差
只要运算满足所说明的收敛判据，程序就认为它收敛，收敛判据可以基于温度、也可以是热流率，或二者都有。在实际定义时，需要说明一个典型值(CNVTOL 命令的VALUE 域)和收敛容差(TOLER 域)，程序将VALUE*TOLER 的值视为收敛判据。例如，如说明温度的典型值为500，容差为0.001，那么收敛判据则为0.5度。
对于温度，ANSYS 将连续两次平衡迭代之间节点上温度的变化量（1??=?i i T T T ）与收敛准则进行比较来判断是否收敛。就上面的例子来说，如果在某两次平衡迭代间，每个节点的温度变化都小于0.5度，则认为求解收敛。
对于热流率，ANSYS 比较不平衡载荷矢量与收敛标准。不平衡载荷矢量表示所施加的热流与内部（计算）热流之间的差值。
ANSYS 公司推荐VALUE 值由缺省确定，TOLER 的值缺省为1.0e-3。
? 求解结束选项
假如在规定平衡迭代数内，其解并不收敛，那么ANSYS 程序会根据用户设置的终止选项，来决定程序停止计算或是继续进行下一个载荷步。
? 线性搜索
设置本选项可使ANSYS 用Newton-Raphson 方法进行线性搜索 ? 预测－矫正
本选项在每一子步的第一次迭代时，对自由度求解进行预测矫正。
3.5.6.1 用图形跟踪收敛
进行非线性热分析时，ANSYS在每次平衡迭代完成后，都计算收敛范数，并与相应的收敛标准比较。不管是使用在批处理还是交互式方式的方法，都可以在计算过程中，使用图形求解跟踪（GST）来显示计算的收敛范数和收敛标准。在交互式时，缺省为图形求解跟踪（GST）打开，批处理运行时，缺省为GST关闭。使用下面的方法可以，可打开或关闭GST：
命令：/GST
GUI：Main Menu>Solution>Load Step Opts-Output Ctrls>Grph Solu Track
下图是一个典型的GST图形。
图3-1使用GST追踪收敛范数
3.5.7 输出控制
可以控制下列三种输出：
? 控制打印输出
本选项控制将何种结果数据输出到打印输出文件（jobname.out）中。
? 控制数据库和结果文件输出
该选项控制将何种结果数据输出到结果文件（jobname.rth）中。
? 外推结果
该选项可将单元积分点结果拷贝到节点上，而不是按常规的方式外推到节点上（缺省采用外推方式）。
3.5.8 定义分析选项
可考虑的分析选项有：
? Newton-Raphson选项。该选项仅对非线性分析有用，用以定义在求解过程中切线矩阵的更新频率，有四种选择：
1．Program-chosen （程序选择，此为默认值，在热分析中建议采用）
2．Full（完全法）
3．Modified（修正法）
4．Initial Stiffness（初适刚度法）
注意--对于单物理场非线性热分析，ANSYS通常采用全N-R算法。
要定义该选项，或打开/关闭N-R自适应下降功能（只对全N-R法有效），方发如下： 命令：NROPT
GUI：Main Menu>Solution>Unabridged Menu>Analysis Options
? 选择求解器
ANSYS中可以选择下列的求解器：
1．Sparse 求解器（静态和全瞬态分析的默认求解器）
2．Frontal求解器
3．Jacobi Conjugate Gradient(JCG) 求解器
4．JCG out-of-memory求解器
5．Incomplete Cholesky Conjugate Gradient(ICCG) 求解器
6．Pre-Conditioned Conjugate Gradient (PCG) 求解器
7．PCG out-of-memory求解器
8．Algebraic Multigrid (AMG) 求解器
9．Distributed Domain Solver (DDS) 求解器
10．Iterative（程序自动选择求解器）
注意--AMG和DDS求解器属并行求解器，需要单独的ANSYS产品支持。在《ANSYS Advanced Analysis Techniques Guide》中对并行求解有更详细描述。选择求解器的方法如下：
命令：EQSLV
GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options
注意：对于不含超单元（辐射分析中用AUX12可产生超单元）的热分析模型，可选用Iterative （快速求解）求解器，但对于含相变的传热问题，则不建议采用（可用sparse或frontal求解器）。该求解器在解算过程中不生成Jobname.EMAT 和 Jobname.EROT文件。
? 定义温度偏移
温度偏移为当前所采用温度系统的零度与绝对零度之间的差值。温度偏移包含在相关单元（诸如有辐射效应或蠕变特性的的单元）计算中。偏移温度输入可以是摄氏度，也可以是华氏度，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，此值应设定为273；如果使用的是华氏度，则为460。在后处理中，不同的温度可以用同样的方法进行处理。设置温度偏移的方式如下：
命令：TOFFST
GUI：Main Menu>Solution>Analysis Options
3.5.9 保存模型
在完成了加载和指定分析类型后，通常建议保存数据库文件，以备在求解过程中由于计算机系统故障而导致数据丢失后能够恢复数据。
命令: SAVE
GUI: 点击ANSYS工具条SAVE_DB
3.5.10 求解
命令: SOLVE
GUI: Main Menu>Solution>Current LS
3.5.11 后处理
ANSYS将热分析的结果写入热结果文件jobname.rth中，该文件包含如下数据:
? 基本数据：节点温度
? 导出数据：
节点及单元的热流密度(TFX, TFY, TFZ, TFSUM)
节点及单元的热梯度(TGX, TGY, TGZ, TGSUM)
单元热流率
节点的反作用热流率
其它
可以用通用后处理器POST1进行后处理，下面将讲述在热分析中典型的后处理功能。关于后处理的完整描述，可参阅《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》。
注意：在通用后处理器中查看结果时，数据库必须与结果有相同的模型（可以使用命令RESUME 恢复模型）。此外，结果文件jobname.rth必须可用。
3.5.12 读入结果
进入POST1后，首先应读入想要看的载荷步和子步的计算结果：
命令: SET
GUI: Main Menu>General Postproc>-Read Results-By Load Step
可通过编号选择要读入的载荷步，可以直接读入第一载荷步、或最后载荷步、或下一载荷步等。如果是使用GUI，将会出现一个对话框提示选择要读入的荷载步。用SET命令的TIME域可读入指定时刻的计算结果，如在指定时刻无计算结果，则程序根据附近时间点的值线性插值计算得到此时刻的结果。
3.5.13 查看结果
图3-2结果显示云图
? 彩色云图显示
命令：PLESOL，PLETAB或PLNSOL
GUI：Main Menu>General Postproc>Plot Results>Element Solu
Main Menu>General Postproc>Plot Results>Elem Table
Main Menu>General Postproc>Plot Results>Nodal Solu
? 矢量图显示
命令：PLVECT
GUI：Main Menu>General Postproc>Plot Results>Pre-defined or Userdefined
图3-2矢量结果显示
? 列表显示
命令：PRESOL，PRNSOL，PRRSOL
GUI：Main Menu>General Postproc>List Results>Element Solution
Main Menu>General Postproc>List Results>Nodal Solution
Main Menu>General Postproc>List Results>Reaction Solu
3.6 稳态热分析的实例1－带接管的圆筒罐
本例讲述了如何逐步对一个带接管的圆筒罐进行稳态热分析，包括批处理的方式和GUI的方式。
3.6.1 问题描述
本例题的主要部分为一个圆筒形罐，其上沿径向有一材料一样的接管（如图4所所示），罐内流动着450°F（232°C）的高温流体，接管内流动着100°F（38 °C）的低温流体，两个流体区域由薄壁管隔离。罐的对流换热系数为250Btu/hr-ft2-o F（1420watts/m2-°K），接管的对流换热系数随管壁温度而变，它的热物理性能如表3-13所示。要求计算罐与接管的温度分布。
注意：注意：本例只是很多可能的热分析中的一个，并不是所有的热分析都完全按照与本例相同的步骤。材料属性及其周围的环境条件决定了一个分析应该包括哪些步骤。
表3-13实例的材料属性
温度 70 200 300 400 500 o F
密度 0.285 0.285 0.285 0.285 0.285 lb/in
3
导热系数 8.35 8.90 9.35 9.8 10.23 Btu/hr-ft-o
F 比热
0.113 0.117 0.119 0.122 0.125 Btu/lb-o
F 对流换热系数
426
405
352
275
221
Btu/hr-ft 2-o F
图3-3圆柱罐与接管的相接模型（所有单位均为英制）
分析模型只建立图中切下来的那一部分
接管： 内径d i =0.8 外径d o =1.0
接管： 内径d i =2.6 外径d o =3.0
3.6.2 分析方法
取四分之一对称模型进行分析。假定罐体足够长，使其端部温度能保持常数华氏450度。同样的假设也用于Y=0的平面上。建模时，先定义两个圆柱体，再进行“overlap”布尔运算。采用映射网格划分（全六面体网格），分网时可能会出现警告信息说有扭曲单元存在，但可以不理会该警告，因为所产生的扭曲单元远离所关心的区域（两个柱体相交处）。
由于材料性质与温度相关，该分析需要多个子载荷步（本例用了50个子载荷步），同时，采用了自动时间步长功能。求解完毕后，温度云图和热流密度向量图详细显示了计算结果。 3.6.3 菜单操作过程 3.6.3.1 设置分析标题
1、选择“Utility Menu>File>Change Title”。
2、输入“Steady-State analysis of pipe junction”，点击“OK”。 3.6.3.2 设置单位制
在命令提示行输入 /UNITS,BIN（该命令无法通过菜单完成）。 3.6.3.3 定义单元类型
1、选择“Main Menu>Preprocesor>Element Type>Add/Edit/Delete”。
2、点击Add,打开单元类型库对话框。
3、选择Thermal Solid，Brick 20 node 90号单元，点击OK和Close关闭单元选择菜单。
3.6.3.4 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Density，弹出一个对话框，在DENS框中输入0.285，材料编号1出现在材料定义窗口的左边。
3、在材料定义窗口中顺序双击Conductivity，Isotropic，弹出一个对话框。
4、点击Add Temperature 按钮四次，增加四列。
5、在T1到T5域，分别输入温度值： 70，200，300，400，500，选择温度行，用Ctrl-C拷贝温度值。
6、在KXX框中，按温度的顺序，序列输入下列值（注意，各KXX值都要除以12，以保证单位制一致）： 8.35/12,8.9/12,9.35/12,9.8/12,10.23/12。
7、在材料定义窗口中双击Specific Heat，弹出一个对话框
8、点击Add Temperature 按钮四次，增加四列
9、将鼠标置于T1域，用Ctrl-v粘贴5个温度值
10、在C框中，按温度的顺序，序列输入下列值0.113，0.117，0.119，0.122，0.125
11、在材料定义窗口中选择Material>New Model，建立新材料号2
12、在材料定义窗口，双击Convection 或 Film Coef
13、点击Add Temperature 按钮四次，增加四列
14、将鼠标置于T1域，用Ctrl-v粘贴5个温度值
15、在HF（对流换热系数）框中，按温度的顺序，序列输入下列值（注意，各HF值都要除以1144，以保证单位制一致）426/144，405/144，352/144，275/144， 221/144；
16、点击Graph按钮，查看对流换热系数与温度的关系曲线，然后点击OK
17、在材料定义窗口中选择Material>Exit退出材料定义窗口
18、在工具栏点击SAVE_DB保存数据库。
3.6.3.5 定义几何模型参数
选择“Utility Menu>Parameters>Scalar Parameters”，输入ri1=1.3，ro1=1.5，z1=2，ri2=0.4，ro2=0.5，z2=2；然后点击Close。
3.6.3.6 创建几何模型
1、选择“Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Volumes->Cylinder>By Dimensions”, 在弹出菜单的Outer radius框中输入ro1，Optional inner radium框中输入ri1，Z coordinates 框中输入0和Z1，Ending angle框中输入90。
2、选择“Utility Menu>WorkPlane>Offset WP by Increments”， 在“XY,YZ,ZXAngles”框中输入0,-90。
3、选择“Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Volumes->Cylinder>By Dimensions”，Outer radius框中输入ro2 ， Optional inner radium框中输入ri2，Z coordinates框中输入0和Z2，Starting angle框中输入-90，Ending angle框中输入0。
4、选择“Utility Menu>WorkPlane>Align WP with>Global Cartesian”。
3.6.3.7 进行布尔运算
选择“Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Operate>-Booleans->Overlap>Volumes”，选择
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。
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
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.
/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
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
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：
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 i nch 玻纤层壁厚 1 inch 铝层壁厚0.25 i nch 筒长200 feet 导热系数不锈钢8.27 B TU/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文件和菜单文件。 /filename, 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
【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 过程. 如果系统的净热流率为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:q流入+q生成-q流出=0,则系统处于热稳态.在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变 化. 瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程.在这个过程中系统的温度,热流率, 热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化. ANSYS热分析的边界条件或初始条件可分为七种:温度,热流率,热流密度, 对流,辐射,绝热,生热. 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,它们如表 21.1所示. 表21.1 热分析单元列表 单元类型名称说明 线性 LINK32 LINK33 LINK34 LINK31 两维二节点热传导单元 三维二节点热传导单元 二节点热对流单元
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。