workbench 热分析案例

第N章水杯热分析案例这个案例是使用ANSYS WORKBENCH 热分析模块功能进行演示。

通过对杯子模型加载温度荷载来分析出其温度分布状况。

1.5.1案例介绍此案了使用一个铜合金材料的水杯模型，在内表面施加100℃的温度载荷在外表面施加对流传热系数来模拟一下当水杯装满热水时候的温度以及热流分布状况以演示AMSYS WORKBENCH 热分析模块的基本操作过程。

1.5.2启动Workbench并建立分析项目(1) 首先打开ANSYS WORKBENCH 14.0。

双击Toolbox（工具箱）→Analysis System （分析系统）→Steady-State Therma（热分析模块）打开，如图-1所示。

图-1 打开热分析模块图-2 选择材料1.5.3定义材料参数（1）双击打开A2项目（Engineering Data）。

（2）打开后在菜单栏中点击图标。

然后在Engineering Data Sources项目中单击A3项General Materials（一般材料）→单击Outline of General Materials中的A7项Copper Alloy（铜合金）中的B7项的图标来选择上此材料。

（3）材料选择完成后单击（回到项目管理区）图标。

1.5.4导入模型（1）双击项目A3项Geometry（模型）进入DM模块来导入我们需要分析的模型。

如图-3所示。

图-3 打开DM模块图-5 导入模型（2）单击File（文件）→Import External Geometry File（导入模型文件）。

如图-5所示。

（3）找到模型文件单击选择后单击“打开”按钮。

如图-6所示。

图-6 打开模型图-7 划分网格1.5.5划分网格（1）双击项目文件A4项Model（网格）。

如图-7所示。

打开的模型如图-8所示。

图-8 杯子的模型图-9 刷新网格（2）我们先使用程序自动划分网格，通过查看网格质量再决定是否进行网格控制。

本篇文章说明，如何在WORBENCH中通过改变单元的形式来做摩擦生热的耦合分析。

【问题描述】在一个定块上，有一个滑块。

在滑块顶顶面上施加一垂直于表面指向定块的10MPa 的分布力系。

现在滑块在定块表面上滑行3.75mm，要求摩擦而产生的热量,并计算滑块和定块内部的温度分布和应力分布。

定块的尺寸:宽5mm，高1.25mm,厚1mm滑块的尺寸：宽1.25mm，高1.5mm，厚1mm材料：弹性模量：7e10Pa;泊松比：0。

3；密度:2700kg/m（3）;热膨胀系数：23。

86e-6/k；摩擦系数：0.2；热导率：150W/（M K）；比热：900J/(kg K）(注)该问题来自于许京荆的《ANSYS13。

0 WORKBNCH数值模拟技术》,中国水利水电出版社，2012，P381。

【问题分析】关键技术分析：此问题属于摩擦生热，不能够使用载荷传递法,而只能使用直接耦合法。

这就是说，只能用一个耦合单元来计算摩擦生热问题。

解决该问题的基本思路如下:(1）使用瞬态结构动力学分析系统（2）在该系统中更改单元为PLANE223，它是一个耦合单元，可以完成多种耦合分析,这里使用其结构—热分析功能。

（3）定义两个载荷步,第一步将动块移动到指定位置，第二步保持最终位置，以获得平衡解。

(4）在求解设置中，关闭结构分析的惯性部分，而只做静力学结构分析，但是对于热分析仍旧做瞬态热分析.(5）由于使用了瞬态动力学分析，结果中默认是没有温度可以直接从界面中得到的.需要自定义结果，提取温度.（6)此问题要多处使用插入命令的方式，从而可以在WORKBENCH中使用APDL的功能。

（7）瞬态结构动力学分析系统的工程数据中,无法得到热分析的部分参数,所以需要先创建一个单独的工程数据系统，然后把它与瞬态结构动力学分析的工程数据单元格相关联。

（8）在DM中创建两个草图，然后根据草图得到面物体.再对这两个面物体进行平面应力的分析。

（9）本博文的主要目的是要阐述：如何在WORKBENCH中使用耦合单元进行多物理场的耦合分析。

. . -•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.结果和后处理F. 作业6.1•本节描述的应用一般都能在ANSYS DesignSpaceEntra或更高版本中使用，除了ANSYSStructural•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]可以是一个常量或是温度的函数–{Q}可以是一个常量或是温度的函数•上述方程基于傅里叶定律：•固体内部的热流（Fourier’s Law）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•线实体的截面和轴向在DesignModeler中定义•热分析里不可以使用点质量（PointMass）的特性•壳体和线体假设：–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是导热性（ThermalConductivity ）• 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）。

–总结：–Pinball区域决定了什么时候发生接触，并且是自动定义的，同时还给了一个相对较小的值来适应模型里的小间距。

Workbench瞬态热分析问题描述：将一个温度为900摄氏度的钢球放在空气中冷却，分别查看钢球和外部空气的温度变化。

分析类型：瞬态热分析分析平台：ANSYS Workbench 17.0分析人：技术邻一无所有就是打拼的理由研究模型：自定义一、引言结构热分析主要包括热传导、热对流、热辐射，热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒。

传热即是热量传递，凡是有温差存在的地方，必然有热量的传递。

传热现象在现实生活中普遍存在，比如食物的加热，冷却，有相变存在的蒸发冷凝换热等。

热分析类型主要有稳态热分析和瞬态热分析。

稳态热分析中，我们只关心物体达到热平衡状态时的热力条件，而不关心达到这种状态所用的时间。

在稳态热分析中，任意节点的温度不随时间的变化而变化。

一般来说，在稳态热分析中所需要的唯一材料属性是热导率。

在瞬态热分析中，我们只关心模型的热力状态与时间的函数关系，比如对水的加热过程。

在瞬态热分析中，需要对材料赋予热导率，密度，比热容等材料属性及初始温度，求解时间和时间增量这些边界条件。

在装配体的热分析中，我们还要考虑到接触区域传热，由于接触面可能存在表面粗糙度，接触压力等情况存在，导致存在接触热阻。

接触面存在两种传热方式，一种是附体间的热传递，另一种是通过空隙层的热传导，但因为气体的热导率比较低，所以接触热阻不利于传热。

由于钢球散热与时间有关，我们选择瞬态热分析进行钢球的散热分析。

二、分析思路及流程在分析中，我们忽略空气的流动。

先进行稳态热分析，获得瞬态热分析的初始条件，然后将其传递到瞬态热分析中；在瞬态热分析中添加空气对流换热，来求解随时间变化的温度场。

分析流程如下图所示：三、模型建立及网格划分：由于选取模型比较简单，我们在DM中建立一个钢球，选择钢球的半径为30mm，然后在外侧包络一层空气，包络厚度选择30mm，由于模型是对称的，为了节省计算时间，减少计算量，选取1/4模型进行研究（也可以选取1/8）。

由于模型较为简单，网格采用自动划分，模型及网格如下图所示：四、边界条件施加及结果分析：因为该问题为瞬态热分析，我们需要先进行稳态热分析获得瞬态热分析所需要的初始条件，对钢球设置初始温度为900摄氏度，空气初始温度为22摄氏度，将稳态热分析的结果作为瞬态分析的初始条件，对空气对流换热系数为10W/m2K。

第10 章热分析典型工程实例本章要点拉伸特征旋转特征扫掠特征混合特征孔特征壳特征本章案例某型号手机电池的散热分析冷库复合隔热板热量流动分析电子元器件散热装置温度分析10.1 工程实例1——某型号手机电池的散热分析该算例为某型手机电池的散热分析，如图10-1为某型号手机背面的照片，图中可见手机的电池的位置。

在手机工作时，电池可向外传递热量。

使用手机的读者应该都体会过手机电池发热的现象，特别是在长时间接打电话时，这种现象尤为明显。

本实例对某型号手机进行分析，电池的标准电压为3.7V，电池容量为750mAh。

试求手机开机状态下外壳的温度分布。

手机的各部分材料性能参数如表10.1所示。

图10-1 手机背面照片在计算分析过程中我们将手机看做三个组成部分：塑料外壳、手机内部材料和手机电池。

忽略手机内部线路和芯片，可以将手机电池看做唯一热源。

简化后的手机模型如图10-2所示，图中单位均为cm。

本实例拟采用Solid Tet 10node 87单元进行分析。

由于电池功率和环境温度均可视为恒定不变，因此分析类型为稳态。

图10-2 简化后的手机模型由电池的电压和电流可以算得电池的功率：==⨯=P UI 3.70.75 2.775W电池的体积为：3=⨯⨯=V0.040.010.050.00002m电池的发热量：3==Q P/V138750W/m——附带光盘“Ch10\实例10－1_start”——附带光盘“Ch10\实例10－1_end”——附带光盘“A VI\Ch10\10－1.avi”1、定义分析文件名1、选择Utility Menu>File>Change Jobname，在弹出的单元增添对话框中输入Example10-1，然后点击OK按钮。

2、选择Main Menu>Preferences，弹出Preferences for GUI Filtering对话框，点选Thermal复选框，单击OK按钮关闭该对话框。