Workbench瞬态热分析

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12章 热分析 热力学分析（简称热分析）用于计算一个系统或部件的温度分布及其他各种热物理参数，如热量的获取与损失、热梯度、热流密度（热通量）等。

热分析在许多工程应用中扮演着非常重要的角色，如内燃机、涡轮机、换热器、电子元件等。

★ 了解传热的基础知识。

12.1 传热概述传热分析（Steady-State Thermal Analysis ）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），则：PE KE U W Q Δ+Δ+Δ=−式中Q 为热量，W 为所做的功，ΔU 为系统的内能，KE Δ为系统的动能，PE Δ为系统的势能。

对于大多数工程传热问题：0＝＝PE KE ΔΔ若不考虑做功，即0=W ，则U Q Δ=；对于稳态热分析：0=Δ=U Q即流入系统的热量等于流出的热量；对于瞬态热分析：q dU dt =即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。

12.1.1 传热方式热分析包括热传导、热对流、热辐射三种传热方式。

ANSYS Workbench 17.0有限元分析从入门到精通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交换。

热传导遵循傅里叶定律：dxdT k q −=′′ 式中q ′′为热流密度（W/m 2），k 为导热系数。

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：)(B T S T h q −=′′ 式中h 为对流换热系数（或称膜传热系数、给热系数、膜系数等），S T 为固体表面的温度，B T 为周围流体的温度。

3．热辐射热辐射是指物体发射电磁能，并被其他物体吸收转变为热的热量交换过程。

物体温度越高，单位时间内辐射的热量就越多。

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。

1、ANSYS12.1 Workbench界面相关分析系统和组件说明【Analysis Systems】分析系统【Component Systems】组件系统】【CustomSystems】自定义系统【Design Exploration】设计优化分析类型说明Electric （ANSYS) ANSYS电场分析Explicit Dynamics （ANSYS) ANSYS显式动力学分析Fluid Flow （CFX）CFX流体分析Fluid Flow (Fluent) FLUENT流体分析Hamonic Response （ANSYS）ANSYS谐响应分析Linear Buckling （ANSYS) ANSYS线性屈曲Magnetostatic （ANSYS）ANSYS静磁场分析Modal （ANSYS) ANSYS模态分析Random Vibration (ANSYS）ANSYS随机振动分析Response Spectrum （ANSYS）ANSYS响应谱分析Shape Optimization （ANSYS）ANSYS形状优化分析Static Structural （ANSYS）ANSYS结构静力分析Steady-State Thermal （ANSYS）ANSYS稳态热分析Thermal—Electric （ANSYS) ANSYS热电耦合分析Transient Structural（ANSYS）ANSYS结构瞬态分析Transient Structural(MBD) MBD 多体结构动力分析Transient Thermal（ANSYS）ANSYS瞬态热分析组件类型说明AUTODYN AUTODYN非线性显式动力分析BladeGen 涡轮机械叶片设计工具CFX CFX高端流体分析工具Engineering Data 工程数据工具Explicit Dynamic（LS—DYNA）LS-DYNA 显式动力分析Finite Element Modeler FEM有限元模型工具FLUNET FLUNET 流体分析Geometry 几何建模工具Mechanical APDL 机械APDL命令Mechanical Model 机械分析模型Mesh 网格划分工具Results 结果后处理工具TurboGrid 涡轮叶栅通道网格生成工具Vista TF 叶片二维性能评估工具2、主菜单【File】文件操作【View】窗口显示【Tools】提供工具【Units】单位制【Help】帮助信息3、基本工具条【New】新建文件【Open】打开文件【Save】保存文件【Save As】另存为文件【Import】导入模型【Compact Mode】紧凑视图模式【Shade Exterior and Edges】轮廓线显示【Wireframe】线框显示【Ruler】显示标尺【Legend】显示图例【Triad】显示坐标图示Expand All：展开结构树【Collapse Environments】折叠结构树【Collapse Models】折叠结构树中的Models项【Named Selections】命名工具条【Unit Conversion】单位转换工具【Messages:Messages】信息窗口【Simulation Wizard】向导【Graphics Annotations】注释【Section Planes】截面信息窗口【Reset Layout】重新安排界面4、建模【Geometry】几何模型【New Geometry】新建几何模型【Details View】详细信息窗口【Graphics】图形窗口：显示当前模型状态【Extrude】拉伸【Revolve】旋转【Sweep】扫掠【Skin/Loft】蒙皮【Thin/Surface】抽壳：【Thin】创建薄壁实体【Surface】创建简化壳【Face to Remove】删除面: 所选面将从体中删除.【Face to Keep】保留面：保留所选面，删除没有选择的面。

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：•假设：KT TQ T–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：•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•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。

•如果接触是Bonded（绑定的）或noseparation （无分离的），那么当面出现在pinballradius内时就会发生热传导（绿色实线表示）。

PinballRadius右图中，两部件间的间距大于pinball 区域，因此在这两个部件间会发生热传导。

•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 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D esignModeler中定义• 热分析里不可以使用点质量（Point Mass）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（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静力学瞬态动力学计算案例首先，我将介绍一个WorkBench静力学的案例。

然后，我将讨论WorkBench瞬态动力学计算的案例。

最后，我会提供一些对于这两个案例的建议和总结。

假设我们正在设计一座桥梁，我们需要确定它的静力学行为以确保其结构的合理性。

我们可以使用WorkBench来进行强度和稳定性分析。

首先，我们需要将桥梁的CAD模型导入到WorkBench中。

然后，我们可以定义网格和边界条件。

例如，我们可以定义桥墩和桥面板的材料属性，包括弹性模量、杨氏模量和泊松比。

接下来，我们可以施加荷载并进行分析。

我们可以定义静态荷载，如自重和交通荷载，并在WorkBench中进行分析。

通过分析，我们可以确定桥梁在荷载下的应力和变形情况，以评估结构的强度和稳定性。

现在，让我们转向WorkBench瞬态动力学计算的案例。

在这个案例中，我们将考虑一个弹性球在斜面上滚动的情况。

首先，我们需要建立一个球体的模型并将其导入到WorkBench中。

我们可以定义球体的材料特性，如弹性模量和泊松比。

然后，我们可以定义质量、初速度和斜面的角度等初始条件。

我们可以施加一个与时间相关的荷载，如斜面的施加力。

通过在一段时间内对系统进行求解，我们可以计算出球体在斜面上的运动轨迹。

通过WorkBench完成这个案例，我们可以得到球体滚动的速度、加速度和位置等信息。

这些信息对于设计和分析滚动机械系统或运动物体的行为非常重要。

对于这两个案例，以下是一些建议和总结：1.在进行静力学和瞬态动力学计算之前，务必要仔细定义模型的几何形状、边界条件和材料特性。

确保这些定义准确无误，以获得准确的分析结果。

2.在进行瞬态动力学计算时，考虑时间因素非常重要。

确保选择适当的时间步长和求解方法，以获得准确和稳定的计算结果。

3.在分析结果时，关注关键参数如应力、变形、速度和加速度。

这些参数可以帮助我们评估系统的安全性和性能。

4. WorkBench提供了丰富的后处理工具，如图形可视化和报告生成。

固液两相分析1,材料热导系数随着温度变化,所以要采用瞬态分析.2,对于凝固材料的设置,不设比热和密度,根据其熔点.密度,比热等来计算热焓.在几何部件下插入命令,采用mptemp命令输入热焓.MPTEMP,Starting location,T1,T2,T3,T4,T5,T6(比如有12 个值，则需要使用两个MPTEMP命令，每个命令中可以定义1 到7个值。

) 例：MPTEMP,1,0,695,700,1000MPDATA,Label,Material number,Startinglocation,Value1,value2,value3,value4,value5,value6例:MPDATA,ENTH,MATID,1,0,1.6857E+9,2.7614E+9,3.6226E+93,时间步手动设置,求解方式solver type采用迭代iterative.nonlinear controls里 Line Search打开,后面要插入线性搜索命令.nonlinear formulation 为full,4,指定初始条件,先建立nameselection,然后在transient thermal下插入命令行cmsel,s,thesandnsleic,all,temp,25cmsel,s,thewheelnsleic,all,temp,800alls上述代码的意思是,thesand 的初始温度是25°,thewheel的初始温度是800°5手动设置接触热阻6分析控制.之前打开了线性搜索,需要在transient thermal里的command里继续插入线性搜索参数.lnsrch,on通常设置每个子步的平衡迭代次数来代替程序控制的次数neqit,1007网格处理选择cfd网格,relevance设置成50.relevance的值通常在-100(quick)到100(accurate)之间,取值50会产生低阶单元,便于相变分析.8温度探测器的设置,可以预先设置坐标系,在探测器设置时选择已经设置好的坐标系来监测温度.。