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ANSYS热分析详解ANSYS（工程仿真软件）是一种广泛应用于工程领域的有限元分析软件。
它不仅可以进行结构力学分析，还可以进行热分析。
热分析是通过数值模拟来研究物体在不同温度和热载荷条件下的热行为。
下面将详细介绍ANSYS热分析的一般步骤和常见应用。
热分析的步骤通常包括几个关键步骤：1.几何建模：通过ANSYS软件创建物体的三维几何模型。
可以使用软件内置的几何建模工具或从其他CAD软件导入几何模型。
2.材料定义：选择适当的材料，并在ANSYS中定义其热特性，如导热系数、比热容和线膨胀系数等。
3.网格划分：将几何模型分割成许多小单元，称为有限元。
每个有限元具有一组方程来描述其热行为。
网格划分的质量直接影响到最终结果的准确性，因此需要仔细选择合适的网格划分方法。
4.边界条件：指定物体的边界条件，如温度、热流、辐射、对流等。
这些边界条件会影响物体的热传导和热平衡。
5.求解：通过解决一组非线性偏微分方程来计算物体的温度分布。
ANSYS使用有限元方法来求解这些方程，并返回物体在不同点上的温度值。
6.后处理：对计算结果进行可视化和分析。
ANSYS可以绘制温度分布图、热通量图、温度梯度图等，以帮助用户更好地理解和分析物体的热行为。
1.电子器件散热分析：在电子设备中，散热问题常常是一个关键问题。
通过ANSYS热分析，可以评估电子器件所产生的热量，以及散热器的性能，从而确保设备的可靠性和性能。
2.汽车发动机冷却分析：汽车发动机的性能和寿命受限于冷却系统的效果。
ANSYS热分析可以帮助评估不同冷却系统的性能，并优化设计以提高发动机的效率和耐久性。
3.压力容器热应力分析：在高温和高压条件下，压力容器可能会发生热应力。
ANSYS热分析可以帮助评估容器的热应力，并指导合适的设计改进。
4.太阳能热系统分析：太阳能是一种可再生能源，可以通过太阳能热系统将太阳能转化为热能。
ANSYS热分析可以帮助评估太阳能热系统的性能，并优化设计以提高能量转化效率。
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。
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。
ANSYS热分析指南(第三章)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3-1二维实体单元表3-2三维实体单元表3-3辐射连接单元表3-4传导杆单元表3-5对流连接单元表3-6壳单元表3-7耦合场单元表3-8特殊单元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。
【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LINK32LINK33LINK34LINK31两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二节点热辐射单元二维实体PLANE55PLANE77PLANE35PLANE75PLANE78四节点四边形单元八节点四边形单元三节点三角形单元四节点轴对称单元八节点轴对称单元三维实体SOLID87SOLID70SOLID90六节点四面体单元八节点六面体单元二十节点六面体单元壳SHELL57 四节点四边形壳单元点MASS71 节点质量单元21.1.2 耦合分析在ANSYS中能够进行的热耦合分析有: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,因为本书主要讲解结构实例分析,所以着重讲解热-结构耦合分析.在ANSYS中通常可以用两种方法来进行耦合分析,一种是顺序耦合方法,另一种是直接耦合方法.顺序耦合方法包括两个或多个按一定顺序排列的分析,每一种属于某一物理分析.通过将前一个分析的结果作为载荷施加到下一个分析中的方式进行耦合.典型的例子就是热-应力顺利耦合分析,热分析中得到节点温度作为"体载荷"施加到随后的结构分析中去.直接耦合方法,只包含一个分析,它使用包含多场自由度的耦合单元.通过计算包含所需物理量的单元矩阵或载荷向量矩阵或载荷向量的方式进行耦合.典型的例子是使用了SOLID45,PLANE13或SOLID98单元的压电分析.进行顺序耦合场分析可以使用间接法和物理环境法.对于间接法,使用不同的数据库和结果文件,每个数据库包含合适的实体模型,单元,载荷等.可以把一个结果文件读入到另一个数据库中,但单元和节点数量编号在数据库和结果文件中必须是相同的.物理环境方法整个模型使用一个数据库.数据库中必须包含所有的物理分析所需的节点和单元.对于每个单元或实体模型图元,必须定义一套属性编号, 包括单元类型号,材料编号,实常数编号及单元坐标编号.所有这些编号在所有物理分析中是不变的.但在每个物理环境中,每个编号对应的实际的属性是不同的.对于本书要讲解的热-结构耦合分析,通常采用间接法顺序耦合分析,其数据流程如图21.1所示.图21.1 间接法顺序耦合分析数据流程图21.2 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,需要进行稳态热分析来确定初始温度分布.稳态热分析可以通过有限元计算确定由于稳定的热载荷引起的温度,热梯度,热流率,热流密度等参数.ANSYS稳态热分析可分为三个步骤:前处理:建模求解:施加载荷计算后处理:查看结果21.2.1建模稳态热分析的模型和前面的结构分析模型建立过程基本相同.不同的就是需要在菜单过虑对话框中将分析类型指定为热分析,这样才能使菜单选项为热分析选项,单元类型也为热分析的单元类型,另外在材料定义时需要定义相应的热性能参数,下面为大概操作步骤.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,请参阅结构分析的建模步骤.21.2.2施加载荷计算热分析跟前面讲解的结构分析相比,区别在于指定的载荷为温度边条.通常可施加的温度载荷有恒定的温度,热流率,对流,热流密度和生热率五种.另外在分析选项中也包含非线性选项,结果输出选项等需要根据情况进行设置.1.定义分析类型(1) 如果进行新的热分析,则使用下面命令或菜单路径:COMMAND:ANTYPE, STATIC, NEWGUI: Main menu | Solution | -Analysis Type- | New Analysis | Steady-state (2) 如果继续上一次分析,比如增加边界条件等,则需要进行重启动功能: COMMAND: ANTYPE, STATIC, RESTGUI: Main menu | Solution | Analysis Type- | Restart2.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) .(1) 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: DGUI:Main Menu | Solution | -Loads-Apply | -Thermal-Temperature(2)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密一些,在两种导热系数差别很大的两个单元的公共节点上施加热流率时,尤其要注意.此外,尽可能使用热生成或热流密度边界条件,这样结果会更精确些.COMMAND: FGUI:Main Menu | Solution | -Loads-Apply | -Thermal-Heat Flow(3) 对流:对流边界条件作为面载施加于实体的外表面,计算与流体的热交换.它仅可施加于实体和壳模型上,对于线模型,可以通过对流线单元LINK34考虑对流.COMMAND: SFGUI:Main Menu | Solution | -Loads-Apply | -Thermal-Convection(4) 热流密度: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计算得到时,可以在模型相应的外表面施加热流密度.如果输入的值为正,代表热流流入单元.热流密度也仅适用于实体和壳单元.热流密度与对流可以施加在同一外表面,但ANSYS仅读取最后施加的面载荷进行计算. COMMAND: FGUI:Main Menu | Solution | -Loads-Apply | -Thermal-Heat Flux(5) 生热率:生热率作为体载施加于单元上,可以模拟化学反应生热或电流生热.它的单位是单位体积的热流率.COMMAND: BFGUI:Main Menu | Solution | -Loads-Apply | -Thermal-Heat Generat3.确定载荷步选项对于一个热分析,可以确定普通选项,非线性选项以及输出控制.热分析的载荷不选项和结构静力分析中的载荷步相同,读者可以参阅本书结构静力分析部分的相关内容或基本分析过程中关于载荷步选项的内容.这里就不再详细讲解了.4.确定分析选项在这一步需要选择求解器,并确定绝对零度.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.Command: TOFFSTGUI: Main Menu | Solution | Analysis Options5.求解在完成了相应的热分析选项设定之后,便可以对问题进行求解了.Command: SOLVEGUI: Main Menu | Solution | Current LS21.2.3后处理ANSYS将热分析的结果写入*.rth文件中,它包含如下数据信息:(1) 基本数据:节点温度(2) 导出数据:节点及单元的热流密度节点及单元的热梯度单元热流率节点的反作用热流率其它对于稳态热分析,可以使用POST1进行后处理.关于后处理的完整描述,可参阅本书第四章中关于利用通用后处理器进行结果观察分析的讲解.下面是几个关键操作的命令和菜单路径.1.进入POST1后,读入载荷步和子步:COMMAND: SETGUI: Main Menu | General Postproc | -Read Results-By Load Step2.在热分析中可以通过如下三种方式查看结果:彩色云图显示COMMAND: PLNSOL, PLESOL, PLETAB等GUI: Main Menu | General Postproc | Plot Results | Nodal Solu, Element Solu, Elem Table矢量图显示COMMAND: PLVECTGUI: Main Menu | General Postproc | Plot Results | Pre-defined or Userdefined列表显示COMMNAD: PRNSOL, PRESOL, PRRSOL等GUI: Main Menu | General Postproc | List Results | Nodal Solu, Element Solu, ReactionSolu21.3瞬态传热分析瞬态热分析用于计算一个系统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.图21.2 瞬态热分析载荷-时间曲线对于每一个载荷步,必须定义载荷值荷对应的时间值,同时必须指定载荷步的施加方式为渐变或阶越.21.3.1建模一般瞬态热分析中,定义材料性能时要定义导热系数,密度及比热,其余建模过程与稳态热分析类似,这里就不再赘述.21.3.2加载求解和其它ANSYS中进行的分析一样,瞬态热分析进行加载求解时同样需要完成如下的工作.包括定义分析类型,定义初始条件,施加载荷,指定载荷步选项,指定结果输出选项以及最后进行求解.1. 定义分析类型指定分析类型为瞬态分析,通用可以进行新的分析或进行重启动分析.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: TUNIFGUI: Main Menu | Solution | -Loads- | Settings | Uniform Temp如果不在对话框中输入数据,则默认为参考温度.参考温度的值默认为零,但可通过如下方法设定参考温度:Command: TREFGUI: Main Menu | Solution | -Loads- | Settings | Reference Temp注意:设定均匀的初始温度,与如下的设定节点的温度(自由度)其作用不同.Command: DGUI: Main Menu | Solution | -Loads- | Apply | -Thermal- | Temperature | On Nodes初始均匀温度仅对分析的第一个子步有效;而设定节点温度将保持贯穿整个瞬态分析过程,除非通过下列方法删除此约束:Command: DDELEGUI: Main Menu | Solution | -Loads- | Delete | -Thermal-Temperature | On Nodes (2) 设定非均匀的初始温度在瞬态热分析中,用下面的命令或菜单路径可以将节点温度设定为不同的值. Command: ICGUI: Main Menu | Solution | Loads | Apply | -Initial Condit'n | Define如果初始温度场是不均匀的且又是未知的,就必须首先作稳态热分析确定初始条件.设定载荷(如已知的温度,热对流等)将时间积分设置为OFF:Command: TIMINT, OFFGUI: Main Menu | Preprocessor | Loads | -Load Step Opts-Time/Frequenc | Time Integration设定一个只有一个子步的,时间很小的载荷步(例如0.001):Command: TIMEGUI: Main Menu | Preprocessor | Loads | -Load Step Opts-Time/Frequenc | Time and Substps写入载荷步文件:Command: LSWRITEGUI: Main Menu | Preprocessor | Loads | Write LS File或先求解:Command: SOLVEGUI: Main Menu | Solution | Solve | Current LS注意:在第二载荷步中,要删去所有设定的温度,除非这些节点的温度在瞬态分析与稳态分析相同.3.设定载荷步选项进行瞬态热分析需要指定的载荷步选项和进行瞬态结构分析相同,主要有普通选项,非线性选项和输出控制选项.(1) 普通选项时间:本选项设定每一载荷步结束时的时间.Command: TIMEGUI: Main Menu | Solution | -Load Step Opts-Time/Frequenc | Time and Substps 每个载荷步的载荷子步数,或时间增量.对于非线性分析,每个载荷步需要多个载荷子步.时间步长的大小关系到计算的精度.步长越小,计算精度越高,同时计算的时间越长.根据线性传导热传递,可以按如下公式估计初始时间步长:ITS=δα24其中δ为沿热流方向热梯度最大处的单元的长度,α为导温系数,它等于导热系数除以密度与比热的乘积(αρ=kc).Command: NSUBST or DELTIMGUI: Main Menu | Solution | -Load Step Opts- | Time/Frequenc | Time and Substps 如果载荷值在这个载荷步是恒定的,需要设为阶越选项;如果载荷值随时间线性变化,则要设定为渐变选项.可以下面命令或菜单路径来实现.Command: KBCGUI: Main Menu | Solution | -Load Step Opts- | Time/Frequenc | Time and Substps (2) 非线性选项迭代次数:每个子步默认的次数为25,这对大多数非线性热分析已经足够.如果分析的问题不容易收敛,可以通过下面的命令来指定迭代次数.Command: NEQITGUI: Main Menu | Solution | -Load step opts | Nonlinear | Equilibrium Iter自动时间步长:本选项为ON时,在求解过程中将自动调整时间步长.Command: AUTOTSGUI: Main Menu | Solution | -Load Step Opts- | Time/Frequenc | Time and Substps 时间积分效果:如果将此选项设定为OFF,将进行稳态热分析.Command: TIM(1) INTGUI: Main Menu | Solution | -Load Step Opts- | Time/Frequenc | Time Integration GUI: Main Menu | Solution | -Load Step Opts- | Output Ctrls | DB/Results File4.在定义完所有求解分析选项后,进行结果求解.21.3.3 结果后处理对于瞬态热分析,ANSYS提供两种后处理方式.通用后处理器POST1,可以对整个模型在某一载荷步(时间点)的结果进行后处理;Command: POST1GUI: Main Menu | General Postproc.时间-历程后处理器POST26,可以对模型中特定点在所有载荷步(整个瞬态过程)的结果进行后处理.Command: POST26GUI: Main Menu | TimeHist Postproc1.用POST1进行后处理进入POST1后,可以读出某一时间点的结果.Command: SETGUI: Main Menu | General Postproc | Read Results | By Time/Freq如果设定的时间点不在任何一个子步的时间点上,ANSYS会进行线性插值.此外,还可以读出某一载荷步的结果.GUI: Main Menu | General Postproc | Read Results | By Load Step然后,就可以采用与稳态热分析类似的方法,对结果进行彩色云图显示,矢量图显示,打印列表等后处理.2,用POST26进行后处理首先,要定义变量.Command: NSOL or ESOL or RFORCEGUI: Main Menu | TimeHist Postproc | Define Variables然后,就可以绘制这些变量随时间变化的曲线.Command: PLVARGUI: Main Menu | TimeHist Postproc | Graph Variables或列表输出Command: PRVARGUI: Main Menu | TimeHist Postproc | List Variables21.4 热-结构耦合分析前面讲了热-结构耦合分析是一种间接法顺序耦合分析的典型例子.其主要分三步完成:1.进行热分析,求得结构的的温度场;2.将模型中的单元转变为对应的结构分析单元,并将第一步求得的热分析结构当作体载荷施加到节点上;3.定义其余结构分析需要的选项, 并进行结构分析.前面已经介绍了如何单独进行热分析和结构分析,下面介绍如何转换模型并将第一步求解的结果施加到节点上.1.完成必要的热分析,并进行相应的后处理,对结果进行查看分析.2.重新进入前处理器,并指定新的分析范畴为结构分析.选择菜单路径Main Menu | Preference ,在弹出的对话框中选择"Strutural"选项,使所有菜单变为结构分析的选项.3.进行单元转换.选择菜单路径Main Menu | Preprocessor | Element Type | Switch ElemType,将弹出Swithch Elem Type (转换单元类型)对话框,如图21.3所示.图21.3 转换单元类型对话框4.在对话框中的Change element type (改变单元类型)下拉框中选择"Thermal to Struc", 然后单击关闭对话框,ANSYS程序将会自动将模型中的热单元转换为对应的结构单元类型.5.定义材料的性能参数.跟通常的结构分析不同的是,除了定义进行结构静力分析需要的材料弹性模量,密度,或强化准则的定义之外.在热-结构耦合分析的第二个分析中,还需要定义材料的热膨胀系数,而且材料性能应该随温度变化的.6.将第一次分析得到的温度结果施加到结构分析模型上.选取菜单路径Main Menu | Solution | Define Loads | Apply | Structural | Temperature | From Therm Analy,将弹出ApplyTEMP from Themal Analysis (从已进行的热分析结果中施加温度载荷)对话框,如图21.4所示.单击对话框中的按钮,选择前面热分析的结果文件*.rth,作为结构分析的热载荷加到节点上.图21.4从已进行的热分析结果中施加温度载荷对话框7.定义其它结构分析的载荷步选项和求解分析选项,并进行结构分析求解.8.进行结果后处理,观察分析所求得的结果.盛年不重来，一日难再晨。
ANSYS热分析详解解析ANSYS是一种强大的有限元分析软件，可以用于各种工程领域的仿真和优化。
其中热分析是ANSYS的一个重要应用之一，可以帮助工程师预测和优化物体在热载荷下的性能。
下面将详细解析ANSYS热分析的相关内容。
首先，热分析是通过求解热传导方程来模拟物体的温度场分布。
热传导方程描述了物体内部的热传导行为，可以用来计算物体不同部位的温度。
在ANSYS中，可以通过设置边界条件、材料属性和加热源等参数来进行热分析。
对于热分析，首先需要定义模型的几何形状。
在ANSYS中，可以使用几何建模工具创建物体的三维模型，或者导入其他CAD软件的模型文件。
然后，在几何模型上定义网格，将物体划分为小的单元，以便求解热传导方程。
ANSYS提供了自动网格划分工具，可以根据用户设置的参数自动生成网格。
接下来，需要为每个单元指定材料属性。
不同材料的热导率、热容和密度等参数不同，会对热传导方程的求解结果产生影响。
在ANSYS中，可以预定义一些常用材料的属性，例如金属、塑料、陶瓷等，并可以根据需要创建自定义材料的属性。
在热分析中，还需要定义物体表面的边界条件。
边界条件可以是固定温度、固定热流量或者固定热通量等。
通过设置合适的边界条件，可以模拟各种实际情况下的热载荷。
例如，在电子设备的热分析中，可以将电子元件的表面设置为固定温度，以模拟电子元件的热散热行为。
除了边界条件，还可以在模型中添加加热源。
加热源可以是点热源、面热源或体热源等。
通过设置加热源的功率和位置，可以模拟物体在外界热源的作用下的温度分布。
例如，在汽车发动机的热分析中，可以将汽缸的燃烧室设置为体热源，以模拟燃烧产生的热量对发动机的影响。
在设置完模型参数后，可以使用ANSYS的求解器来求解热传导方程。
求解器会将边界条件、材料属性和加热源等参数代入到热传导方程中，并计算出物体的温度场分布。
在求解过程中，可以通过设置收敛准则来控制求解的精度和稳定性。
求解完热传导方程后，可以使用ANSYS提供的后处理工具来分析结果。
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。
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 TK 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 TK 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。
（2）大致估计初始时间步长。
在非稳态热分析中估计初始时间步长，可以使用Biot 数和Fourier 数。
Biot 数是不考虑尺寸的热阻对流和传导比例因子，其定义为：h x Bi K∆= 式中：x ∆——名义单元宽度；h ——平均表面换热系数；K ——平均导热系数。
Fourier 数是不考虑尺寸的时间（/t t ∆），其定义为：2()o K t F c x ρ∆=∆ 式中：ρ——平均密度； c ——比热容；如果1Bi <，可将Fourier 数设为常数并求解t ∆来预测时间步长：22()()c x x t ρββλα∆∆∆== cλαρ= 式中：α——热耗散。
如果1Bi >，时间步长可应用Fourier 数和Biot 数的乘积预测：2()t h x h t Fo Bi c x K c x λβρρ⎛⎫⎛⎫∆∆∆⎛⎫=== ⎪⎪ ⎪∆∆⎝⎭⎝⎭⎝⎭ 求解t ∆得到：c x t h ρβ∆∆=其中，0.10.5β≤≤ 时间步长的预测精度随单元宽度的取值、平均的方法、比例因子β的变化而变化。
7.1.4 数值求解过程当前温度矢量{}n T 假设为已知，可以是初始温度或由前面的求解得到的。
定义下一个时间点的温度矢量为：{}{}{}{}11(1)n n n n T T t T t T θθ++=+-∆+∆ 其中θ称为欧拉参数，默认为1，下一个时间点的温度为：[]{}[]{}{}11n n C T K T Q +++= 由上面两式可得：[][]{}{}[]{}{}11111n n n C K T Q C T T t t θθθ+-⎛⎫⎛⎫+=++ ⎪ ⎪∆∆⎝⎭⎝⎭{}{}1n K T Q +⎡⎤=⎣⎦ 其中[][]1C K K t θ⎛⎫⎡⎤+= ⎪⎣⎦∆⎝⎭{}[]{}{}{}111n n Q C T T Q t θθ-⎛⎫++= ⎪∆⎝⎭欧拉参数θ的数值在0.5~1之间。
在这个范围内，时间积分算法是不明显而且是不稳定的。
因此，ANSYS 11.0总是忽略时间积分步的幅值来计算。
但是，这样的计算结果并不总是准确的。
下面是选择积分参数的一些建议：当θ=0.5时，时间积分方法采用“Crank-Nicolson ”技术。
本设置对于绝大多数热瞬态问题都是精确有效的。
当θ=1时，时间积分方法采用“Backward Euler ”技术。
这是缺省的和最稳定的设置，因为它消除了可能带来严重非线性或高阶单元的非正常振动。
本技术一般需要相对Crank-Nicolson 较小的时间积分步得到精确的结果。
7.2 非稳态热分析单元非稳态热分析和稳态热分析使用的分析单元相同，具体请读者参见本书第6章。
7.3 非稳态热分析基本步骤非稳态热分析的基本步骤主要包括：建模、加载求解和后处理。
下面分别对这三个基本步骤进行具体的阐述。
7.3.1 建立有限元模型就这一步骤而言，并没有稳态和非稳态之分，可参照稳态分析的建模方法进行。
因此，在这里不在赘述。
7.3.2 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，操作步骤如下：Command: ANTYPE,TRANSIENT,NEWGUI ：Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis>Transient如果接着上次的分析继续进行（例如增加其它载荷），操作步骤如下：Command: ANTYPE,TRANSIENT,RESTGUI ：Main Menu>Solution>Analysis Type>Restart2、获得非稳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，操作步骤如下：Command: TUNIFGUI: Main Menu>Solution>Loads>Settings>Uniform Temp如果不在对话框中输入数据，则默认为参考温度，参考温度的值默认为零，但可通过如下方法设定参考温度：Command: TREFGUI: Main Menu>Solution>Loads>Settings>Reference Temp注意：设定均匀的初始温度，与如下的设定节点的温度（自由度）不同，设定节点温度的操作步骤如下：Command: DGUI: Main Menu>Solution>Loads>Apply>Thermal>Temperature>On Nodes初始均匀温度仅对分析的第一个子步有效；而设定节点温度将保持贯穿整个瞬态分析过程，除非通过下列方法删除此约束：Command: DDELEGUI: Main Menu>Solution>Loads>Delete>Thermal>Temperature>On Nodes（2）设定非均匀的初始温度在瞬态热分析中，节点温度可以设定为不同的值，操作步骤如下：Command: CGUI: Main Menu>Solution>Loads>Apply>Initial Condit'n>Define如果初始温度场是不均匀的且又是未知的，就必须首先作稳态热分析确定初始条件，步骤如下：·设定载荷（如已知的温度、热对流等）·将时间积分设置为OFF：Command: TIMINT, OFFGUI: Main Menu>Preprocessor>Loads>Load Step Opts>Time/Frequenc>Time Integration·设定一个只有一个子步的，时间很小的载荷步（例如0.001）：Command: TIMEGUI: Main Menu>Preprocessor>Loads>Load Step Opts>Time/Frequenc>Time and Substps·写入载荷步文件：Command: LSWRITEGUI: Main Menu>Preprocessor>Loads>Write LS File或先求解：Command: SOLVEGUI: Main Menu>Solution>Solve>Current LS3、设定载荷步选项（1）普通选项·设置时间和时间步步，操作如下：Command: TIMEGUI: Main Menu>Solution>Load Step Opts>Time/Frequenc>Time-Time Step·设置每个载荷步的载荷子步数，或时间增量Command: NSUBST or DELTIMGUI: Main Menu>Solution>Load Step Opts>Time/Frequenc>Time and Substps（2）非线性选项·设置迭代次数：（每个子步默认的次数为25，这对大多数非线性热分析已经足够）Command: NEQITGUI: Main Menu>Solution>Load step opts>Nonlinear>Equilibrium Iter·自动时间步长：（本选项为ON时，在求解过程中将自动调整时间步长）Command: AUTOTSGUI: Main Menu>Solution>Load Step Opts>Time/Frequenc>Time and Substps·时间积分效果：（如果将此选项设定为OFF，将进行稳态热分析）Command: TIMINTGUI: Main Menu>Solution>Load Step Opts>Time/Frequenc>Time Integration（3）输出选项·控制打印输出：（本选项可将任何结果数据输出到*.out 文件中）Command: OUTPRGUI: Main Menu>Solution>Load Step Opts>Output Ctrls>Solu Printout·控制结果文件：（控制*.rth的内容）Command: OUTRESGUI: Main Menu>Solution>Load Step Opts>Output Ctrls>DB/Results File（4）存盘求解7.3.3 后处理ANSYS提供两种后处理方式：·POST1，可以对整个模型在某一载荷步（时间点）的结果进行后处理；Command: POST1GUI: Main Menu>General Postproc.·POST26，可以对模型中特定点在所有载荷步（整个瞬态过程）的结果进行后处理。
