ansys热分析基础教程

ANSYS热分析指南第一章 简介 (2)第二章 基础知识 (4)第三章 稳态热分析 (8)第四章 瞬态热分析 (43)第五章 表面效应单元 (66)第六章 热辐射分析 (90)第七章 热应力分析 (120)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。

６-1Ａ、几何模型B、组件－实体接触C、热载荷D、求解选项E、结果与后处理F、作业6、1•本节描述得应用一般都能在AＮSＹS DesiｇnSｐace Ｅntra或更高版本中使用，除了AＮSYS Structural•提示:在ＡNSYS热分析得培训中包含了包括热瞬态分析得高级分析K T ﻮ)]{T }=Q T )}– 在稳态分析中不考虑瞬态影响– [Ｋ] 可以就是一个常量或就是温度得函数– {Q}可以就是一个常量或就是温度得函数• 固体内部得热流（Ｆouriｅr’s Lａw）就是[K]得基础;•热通量、热流率、以及对流在｛Q} 为边界条件；•对流被处理成边界条件,虽然对流换热系数可能与温度相关•在模拟时,记住这些假设对热分析就是很重要得。

–体、面、线•线实体得截面与轴向在DeｓignModeleｒ中定义•热分析里不可以使用点质量（Pｏiｎt Maｓs)得特性•壳体与线体假设:–壳体:没有厚度方向上得温度梯度–线体:没有厚度变化,假设在截面上就是一个常量温度• 但在线实体得轴向仍有温度变化• 唯一需要得材料特性就是导热性（Thermal Ｃonduc ｔivit ｙ） • Ｔherm ａl Condu ｃti ｖity 在 Ｅngineeri ｎgData 中输 入• 温度相关得导热性以表格 形式输入若存在任何得温度相关得材料特性,就将导致非线性求解。

… 材料特性 Training Manual• 对于结构分析,接触域就是自动生成得,用于激活各部件间得热传导 B 、 组件-实体接触 Training Manual–如果部件间初始就没有接触,那么就不会发生热传导(见下面对pinbaｌl得解释)。

–总结：–Pinbａlｌ区域决定了什么时候发生接触,并且就是自动定义得，同时还给了一个相对较小得值来适应模型里得小间距。

• 如果接触就是Bonded (绑定得)或no sepa ｒａtion (无分离得),那么当面出现在 pinball ｒaｄi ｕs 内时就会发生热传导(绿色实线 表示)。

传热学上机实验指导书ANSYS Workbench 热分析基础教程编制：杨润泽汽车工程系热能教研室2012年7月1.大平板一维稳态导热问题1.1. 问题描述长500mm，宽300mm，厚度30mm的大钢板，钢板上下表面的温度分别为200℃和60℃，钢的导热率为30W/(m·K)，试分析钢板温度分布和热流密度。

图1-1 大平板一维稳态导热模型1.2. 问题分析该问题为稳态导热问题，分析思路如下：1.选择稳态热分析系统。

2.确定材料参数：稳态导热问题，仅输入平板导热率。

3.【DesignModeler】建立钢板的几何模型。

4.进入【Mechanical】分析程序。

5.网格划分：采用系统默认网格。

6.施加边界条件：钢板上下表面施加温度载荷，四周对称面无热量交换，为绝热边界，系统默认无需输入。

7.设置需要的结果：温度分布和热流密度。

8.求解及结果显示。

1.3. 数值模拟过程1、选择稳态热分析系统1)工程图解中调入稳态热分析系统Steady-State Thermal（ANSYS）2)工程命名Conduction Thermal Analysis3)保存工程名为Conduction Heat Transfer2、确定材料参数1)编辑工程数据模型，添加材料的导热率，右击鼠标选择【Engineering Data】【Edit】2)选择钢材料属性【Properties of Outline Row 3: Structure Steel】【Isotropic ThermalConductivity】3)出现【Table of Properties Row 2: Thermal Conductivity】材料属性表，双击鼠标，点击每个区域输入材料属性参数：温度20℃，导热率30W/(m·℃)。

4)参数输完后，工程数据表显示导热率-温度图表。

3、DM建立模型1)选择【Geometry】【New Geometry】，出现【DesignModeler】程序窗口，选择尺寸单位【Millimeter】。

ANSYS基础教程—热分析关键字：ANSYS ANSYS教程ANSYS热分析信息化调查找茬投稿收藏评论好文推荐打印社区分享本文简述了进行稳态热分析的过程.有两方面的目的:重申第4章所介绍的典型分析步骤；介绍热荷载与边界条件.包括的主题有：概述、分析过程、专题讨论。

A. 概述·热分析用于确定结构中温度分布、温度梯度、热流以及其它类似的量.·热分析可能是稳态的或瞬态的.–稳态是指荷载条件已被“设置”成稳定状态，几乎不随时间变化. 如: 铁获得了预先设置的温度.–瞬态* 指条件随时间变化而变化. 如: 铸造中金属从熔融状态变为固态的冷却过程.·热荷载条件可能是:温度模型区温度已知.对流表面的热传递给周围的流体通过对流。

输入对流换热系数h和环境流体的平均温度Tb热通量* 单位面积上的热流率已知的面.热流率* 热流率已知的点.热生成率* 体的生热率已知的区域.热辐射* 通过辐射产生热传递的面. 输入辐射系数, Stefan-Boltzmann常数, “空间节点”的温度作为可选项输入.绝热面“完全绝热”面，该面上不发生热传递.B. 分析过程·稳态热分析过程和静力分析类似:–分析过程·几何尺寸（模型）·划分网格–求解·荷载条件·求解–后处理·查看结果·检查结果是否正确·通过(Main Menu > Preferences)把图形用户界面的优先级设置成热分析. 前处理几何尺寸（模型）·既可用ANSYS建立模型，也可用其它方法建好模型后导入.·模型建好后，以上两种建模方法的具体过程将不再显示.-划分网格·首先定义单元属性: 单元类型, 实常数, 材料属性.-单元类型·下表给出了常用的热单元类型.·每个结点只有一个自由度: 温度常用的热单元类型-材料属性–必须输入导热系数, KXX.–如果施加了内部热生成率，则需指定比热(C).–ANSYS提供的材料库(/ansys57/matlib)包括几种常用材料的结构属性和热属性, 但是建议用户创建、使用自己的材料库.–把优先设置为“热分析”，使材料模型图形用户界面只显示材料的热属性.-实常数–主要应用于壳单元和线单元.·划分网格.–存储数据文件.–使用MeshTool划分网格. 使用缺省的智能网格划分级别6可以生成很好的初始网格.·至此完成前处理，下面开始求解.求解荷载·指定的温度–热分析的自由度约束–Solution > -Loads-Apply > Temperature–或D命令系列(DA, DL, D)·热流–这些是面荷载–Solution > -Loads-Apply > Convection–或SF命令系列(SFA, SFL, SF, SFE)·绝热面–“完全绝热”面，该面上不发生热传递.–这是缺省条件, 如,没有指定边界条件的任何一个面都被自动作为绝热面处理.·其它可能的热荷载:–热通量(BTU / (hr-in2)–热流(BTU / hr)–热生成率(BTU / (hr-in3)–热辐射(BTU / hr)求解·首先存储数据库文件.·然后输入SOLVE命令或点击菜单Solution > -Solve-Current LS.–结果被写入结果文件, jobname.rth, 该结果文件同时也写入内存中的数据库文件.·至此完成求解过程. 下面进入后处理部分.后处理查看结果·典型的等值线绘图包括温度等值线，温度梯度等值线和热通量等值线–General Postproc> Plot Results > Nodal Solu…(或Element Solu…)–或用PLNSOL(或PLESOL)·对3-D 实体模型绘制云图时，选项isosurfaces(等值面)是非常有用的. 用/CTYPE命令或Utility Menu > PlotCtrls> Style > Contours > Contour Style.·检查结果是否正确·温度是否在预期的范围内?–在指定温度和热流边界的基础上，估计预期的范围.·网格大小是否满足精度?–和受力分析一样，可以画出非均匀分布的温度梯度(单元解) 并找出高梯度的单元. 这些区域可作为重新定义网格时的参考.–若节点温度梯度（平均的）和单元温度梯度（非平均的）之间的差别很大，则可能是网格划分太粗糙.。

目录第1章–介绍–概述–相关讲座&培训–其他信息来源第2章–基本概念第3章–稳态热传导(n o m a s s t r a n s p o r t o f h e a t)第4章–附加考虑非线性分析第5章–瞬态分析1-3 1-5 1-12 1-132-13-14-15-1第6章–复杂的,时间和空间变化的边界条件第7章–附加对流/热流载荷选项和简单的热/流单元第8章–辐射热传递–例题-使用辐射矩阵的热沉分析第9章–相变分析–相变分析例题-飞轮铸造分析第10章–耦合场分析6-1 7-18-1 8-43 9-1 9-14 10-1目录(续)第1章先决条件1章节内容概述12章节内容概述213章节内容概述310124章节内容概述43546章节内容概述6571章节内容概述7689章节内容概述1072相关讲座&培训2tT c h K Q qq E============t i m e t e m p e r a t u r e d e n s i t y s p e c i f i c h e a t f i l m c o e f f i c i e n t e m i s s i v i t y S t e f a n -B o l t z m a n n c o n s t a n t t h e r m a l c o n d u c t i v i t y h e a t f l o w (r a t e ) h e a t f l u x i n t e r n a l h e a t g e n e r a t i o n /v o l u m e e n e r g y ρεσ*&&&fA N S Y S()3223注,对于结构热容量,密度/G c和比热*G c经常使用该单位。

其中G c=386.4(l b m-i n c h)/(l b f-s e c2)A N S Y S(S I)3223–传导–对流–辐射•传导的热流由传导的傅立叶定律决定�•负号表示热沿梯度的反向流动(i .e ., 热从热的部分流向冷的).q K T n K T T n n n n n *=−∂∂=∂∂=h e a t f l o w r a t e p e r u n i t a r e a i n d i r e c t i o n n Wh e r e , = t h e r m a l c o n d u c t i v i t y i n d i r e c t i o n n= t e m p e r a t u r e t h e r m a l g r a d i e n t i n d i r e c t i o n n Tnq*dT d n•对流的热流由冷却的牛顿准则得出:•对流一般作为面边界条件施加qh T T h T T f S B f S B *()=−=h e a t f l o w r a t e p e r u n i t a r e a b e t w e e n s u r f a c e a n d f l u i d W h e r e , = c o n v e c t i v e f i l m c o e f f i c i e n t= s u r f a c e t e m p e r a t u r e = b u l k f l u i d t e m p e r a t u r e TB Ts•从平面i 到平面j 的辐射热流由施蒂芬-玻斯曼定律得出: •在A N S Y S 中将辐射按平面现象处理(i .e ., 体都假设为不透明的)。

ANSYS有限元热分析基本步骤介绍对于稳态热分析，可以使用Post1进行后处理本文介绍了ANSYS有限元热分析基本步骤相关情况。

ANSYS稳态热分析的基木步骤包括构建模型、施加载荷、求解与后处理。

1. 构建模型构建步骤如下所示:(1)确定作业名，标题一与单位制。

(2)进入PREP7前处理。

(3)设置单元类型，设定单儿选项，定义单元实常数:(4)设置材料属性。

(5)创建几何模型并划分网格。

2. 施加载荷计算(l)定义热分析类型如前所述，常见的热分析类型有两种:稳态热分析与瞬态热分析。

如果进行新的稳态热分析，则点击Main menu>solution>Ansys Type>New Analysis从中选择Steady-state。

其对应的命令流形式如下:ANTYPE，STATIC,NEW或ANTYPE,0,TYPE如果接着上面的计算继续稳态热分析，比如添加载荷等，则点击Mainmenu>solution>Ansys Type>Restart(2)施加载荷ANSYS共提供了5种载荷，包括温度、热流率、对流、热流密度和生热率。

.温度命令流:dGUI:Main menu>solution>Loads-Apply>Thermal-Temperature.热流率命令流:FGUI:Main menu>solution>Loads-Apply>Thermal-Heat Flow.对流命令流:SFGUI:Main menu>solution>Loads-Apply>Thermal-Convection.热流密度命令流:fGUI:Main menu>solution>Loads-Apply>Thermal-Heat Flux.生热率命令流:BFGUI:Main menu>solution>Loads-Apply>Thermal-Heat Generat3 求解在对一个稳态热分析问题进行求解时，通常需要设定Time/Frequence选项、非线性选项以及输出控制等载荷步选项.(1)Time/Freqnenc选烦.Time-Time Step:用于设置载荷步的时间·命令流:TIMEGUI:Main menu>solution>Load Step Opts-time/frequenc>time-time step.time-time substeps:确定标载荷步中了步的数量或时问步大小。

ANSYS热分析概述ANSYS是一种通用的有限元方法（Finite Element Method，FEM）软件，可以用于热分析。

热分析是通过模拟和分析物体的温度和热流来研究热传导、热膨胀、热辐射等热现象的一种方法。

在工程设计和科学研究中，热分析在许多领域都具有重要的应用价值。

在ANSYS中，热分析可以通过添加适当的热边界条件和材料参数来实现。

热分析步骤ANSYS热分析的一般步骤如下：1.几何建模：在ANSYS中创建或导入需要进行热分析的几何模型。

可以使用ANSYS的几何建模工具来创建模型，也可以从CAD软件中导入模型。

2.材料定义：定义模型中各个部分的材料属性。

对于热分析来说，主要需要定义材料的热导率、热容等参数。

ANSYS提供了各种材料模型和材料数据库来方便用户进行材料定义。

3.网格划分：将几何模型划分成小的有限元单元，以便将其离散化为一系列小区域。

这一步骤通常由ANSYS自动完成，但也可以手动调整网格密度和精度。

4.热边界条件：根据需要为模型设置热边界条件。

热边界条件包括固定温度、热通量、对流换热等。

这些边界条件将直接影响热分析的结果。

5.求解：使用ANSYS提供的求解器对热分析进行求解。

求解过程将根据模型的几何形状、材料属性和边界条件来计算模型的温度分布和热流。

6.结果分析：对求解得到的结果进行分析和后处理。

可以通过ANSYS提供的可视化工具、图表和数据输出来展示和分析计算结果。

根据需要，可以进一步优化模型和参数。

ANSYS热分析的应用领域ANSYS热分析在许多工程和科学领域都有广泛的应用。

以下是几个常见的应用领域：1. 热传导分析热传导分析是研究物体内部温度分布和热传导过程的一种方法。

它在热处理、电路设计、能源系统等领域有重要应用。

利用ANSYS进行热传导分析可以帮助工程师优化设计，改善热传导性能。

2. 热应力分析热应力分析是研究物体在热载荷下产生的应力和变形的一种方法。

热应力分析在焊接、高温材料等领域有应用。

{Q }表示结点热流率向量，包含热生成。

若系统的净热流率为0，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于留出系统的热量（0q q q ++=流入生成流出），则系统处于热稳态，在热态分析中任一点的温度不随时间变化。

稳态热分析的能量平衡方程为：[K ]{T }={Q }（3-3）式（3-3）中各个字母代表的含义如下。

[K ]表示传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；{T }表示结点温度向量；{Q }表示结点热流量向量，包含热生成。

在稳态热分析中，所有与时间有关的项都不考虑（当然非线性现象还是有可能存在的）。

在Workbench 的Mechanical 模块中，求稳态热分析是做了如下假设。

假设1：在稳态热分析中不考虑任何瞬态效应。

假设2：[K ]可以是常量或温度的函数，每种材料属性中都可以输入与温度相关的热传导率。

假设3：在ANSYS 程序中利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件，生成[K ]、{T }和{Q }。

上述方程的基础实际是傅里叶定律。

这说明Mechanical 模块中求解的热分析是基于传导方程，其中固体内部的热流是[K ]的基础，且热通量、热流率以及对流在{Q }中被认为是边界条件。

传热分析与CFD （Computational Fluid Dynamics ，计算流体力学）分析是不同的，因为在传热分析中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有关）。

如果需要分析共轭传热/流动问题，则需要用CFD 技术，这些基本概念在进行FEM 分析之前必须先要了解。

3.2 基本传热方式工程应用中传热方式主要有热传导（Conduction ）、热对流（Convection ）、热辐射（Radiation ）。

当物体内部存在温度差时，热量从高温部分传递到低温部分；不同温度的物体相接触时，热量从高温物体传递到低温物体。

这种热量传递的方式称为热传导。

对流是指温度不同的各个部分流体之间发生相对运动所引起的热量传递方式。

ansys workbench热分析教程6-1•本章练习稳态热分析的模拟,包括:A、几何模型B、组件-实体接触C、热载荷D、求解选项E、结果与后处理F、作业6、1• 本节描述的应用一般都能在ANSYS DesignSpace Entra或更高版本中使用,除了ANSYS Structural• 提示:在ANSYS 热分析的培训中包含了包括热瞬态分析的高级分析•对于一个稳态热分析的模拟,温度矩阵{T}通过下面的矩阵方程解得: [K(T)]{T}= {Q(T )} •假设:–在稳态分析中不考虑瞬态影响–[K] 可以就是一个常量或就是温度的函数–{Q}可以就是一个常量或就是温度的函数•上述方程基于傅里叶定律:• 固体内部的热流(Fourier’s Law)就是[K]的基础;• 热通量、热流率、以及对流在{Q} 为边界条件;•对流被处理成边界条件,虽然对流换热系数可能与温度相关•在模拟时,记住这些假设对热分析就是很重要的。

•热分析里所有实体类都被约束:–体、面、线•线实体的截面与轴向在D esignModeler中定义• 热分析里不可以使用点质量(Point Mass)的特性•壳体与线体假设:–壳体:没有厚度方向上的温度梯度–线体:没有厚度变化,假设在截面上就是一个常量温度• 但在线实体的轴向仍有温度变化• 唯一需要的材料特性就是导热性(Thermal Conductivity )• Thermal Conductivity 在 Engineering Data 中输 入• 温度相关的导热性以表格 形式输入若存在任何的温度相关的材料特性,就将导致非线性求解。

… 材料特性Training ManualB、组件-实体接触Training Manual•对于结构分析,接触域就是自动生成的,用于激活各部件间的热传导–如果部件间初始就已经接触,那么就会出现热传导。

–如果部件间初始就没有接触,那么就不会发生热传导(见下面对pinball的解释)。

＝＝＝＝＝【热力耦合分析单元简介】＝＝＝＝＝＝SOLID5－三维耦合场实体具有三维磁场、温度场、电场、压电场和结构场之间有限耦合的功能。

本单元由8个节点定义，每个节点有6个自由度。

在静态磁场分析中，可以使用标量势公式（对于简化的RSP，微分的DSP，通用的GSP）。

在结构和压电分析中，具有大变形的应力钢化功能。

与其相似的耦合场单元有PLANE13、SOLID62和SOLID98。

INFIN9－二维无限边界用于模拟一个二维无界问题的开放边界。

具有两个节点，每个节点上带有磁向量势或温度自由度。

所依附的单元类型可以为PLANE13和PLANE53磁单元，或PLANE55和PLANE77和PLANE35热单元。

使用磁自由度（ＡＺ）时，分析可以是线性的也可以是非线性的，静态的或动态的。

使用热自由度时，只能进行线性稳态分析。

PLANE13－二维耦合场实体具有二维磁场、温度场、电场和结构场之间有限耦合的功能。

由4个节点定义，每个节点可达到4个自由度。

具有非线性磁场功能，可用于模拟B－H曲线和永久磁铁去磁曲线。

具有大变形和应力钢化功能。

当用于纯结构分析时，具有大变形功能，相似的耦合场单元有SOLID5、SOLID98和SOLID62。

LINK31－辐射线单元用于模拟空间两点间辐射热流率的单轴单元。

每个节点有一个自由度。

可用于二维（平面或轴对称）或三维的、稳态的或瞬态的热分析问题。

允许形状因子和面积分别乘以温度的经验公式是有效的。

发射率可与温度相关。

如果包含热辐射单元的模型还需要进行结构分析，辐射单元应当被一个等效的或（空）结构单元所代替。

LINK32－二维传导杆用于两节点间热传导的单轴单元。

该单元每个节点只有一个温度自由度。

可用于二维（平面或轴对称）稳态或瞬态的热分析问题。

如果包含热传导杆单元的模型还需进行结构分析，该单元可被一个等效的结构单元所代替。

LINK33－三维传导杆用于节点间热传导的单轴单元。

该单元每个节点只有一个温度自由度。