ANSYS热分析分析指南
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ANSYS热分析指南
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
1 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。
1.2 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）
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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。
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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 ℃ oF TEMP 力 N lbf 能量（热量） J BTU 功率（热流率） W BTU/sec HEAT 热流密度 W/m2BTU/sec-ft2HFLUX 生热速率 W/m3BTU/sec-ft3HGEN 导热系数 W/m-℃ BTU/sec-ft-oF KXX 对流系数 W/m2-℃ BTU/sec-ft2-oF HF 密度 Kg/m3lbm/ft3DENS 比热 J/Kg-℃ BTU/lbm-oF C 焓 J/m3BTU/ft3ENTH
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）：
式中：—热量，—作功，—系统内能，— 系统动能，— 系统势能
对大多数工程传热问题：；
通常不考虑做功：，则；
4 ANSYS热分析指南 对于稳态热分析：，即流入的热量等于流出的热量； 对于瞬态热分析：，即流入流出的热传递速率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：，式中
为热流密度（W/m），2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。
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，为辐射率（黑度），为斯蒂芬－波
尔兹曼常数，约为约为5.67×10W/m.K，-824为辐射面1的面积，为由辐射
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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。
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）：
式中：为传导矩阵，包含热系数、对流系数及辐射和形状系数；为节点温度向量；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。
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）：
式中：为传导矩阵，包含热系数、对流系数及辐射和形状系数；为比热矩阵，考虑系统内能的增加；为节点温度向量；为温度对时间的导数；
为节点热流率向量，包括热生成；
2.6 线性与非线性
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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：
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。
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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
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