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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。
ANSYS热分析指南第一章简介一、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，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量〕等。
热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。
二、ANSYS的热分析·在ANSYS/Multiphysics 、ANSYS/Mechanical 、ANSYS/Thermal 、ANSYS/FLOTRAN 、ANSYS/ED 五种产品中包含热分析功能,其中ANSYS/FLOTRAN 不含相变热分析。
· 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。
三、ANSYS 热分析分类·稳态传热：系统的温度场不随时间变化·瞬态传热：系统的温度场随时间明显变化四、耦合分析·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PDF 文件使用"pdfFactory Pro" 试用版本创建No Boundaries ANSYS热分析指南——————————————————————————————————————————————第二章基础知识一、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力N lbf能量（热量）J BTU功率（热流率）W BTU/sec热流密度W/m2 BTU/sec-ft2生热速率W/m3 BTU/sec-ft3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/m3 lbm/ft3 DENS比热J/Kg-℃BTU/lbm-oF C焓J/m3 BTU/ft3 ENTH二、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:l 对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出〕PE KE U W Q D + D + D = -式中: Q ——热量;W ——作功;DU ——系统内能;DKE——系统动能；DPE ——系统势能；l 对于大多数工程传热问题：0 ＝＝PE KE D D ；l 通常考虑没有做功：0 = W , 则：U Q D = ；l 对于稳态热分析：0 = D = U Q ，即流入系统的热量等于流出的热量；l 对于瞬态热分析：dtdU q = ，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。
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。
1. ansys热力学分析的基本过程及注意要点1.1，对于稳态分析，一般只需要定义导热系数，它可以是恒定的，也可以是随温度变化的。
1.2，在分析过程中，不一定选择国际单位制，但是在建立几何模型及输入材料热性参数时，单位必须统一。
2. ansys中提供6种热载荷：温度（temperature），热流率（heat flow），对流（convection），热流密度（heat flux），生热率（heat generate），辐射率（radiation）。
2.1 温度载荷2.1.1 在单个或者多个节点上施加温度载荷main menu/solution/define loads/apply/thermal/temperature/on nodes2.1.2 在所有节点上施加均匀温度载荷main menu/solution/defineloads/apply/thermal/temperature/uniform tempmain menu/solution/define loads/setting /uniform tempmain menu/solution/loading options/uniform temp2.1.3 在关键点上施加温度载荷main menu/solution/define loads/apply/thermal/ temperature/on keypoints2.1.4 在线段上施加温度载荷main menu/solution/define loads/apply/thermal/temperature/on lines2.1.5 在面上施加温度载荷main menu /solution/define loads/apply /thermal/ temperature/ on areas2.2 热流率载荷2.2.1 在节点上施加热流率载荷2.2.2 在关键点上施加热流率载荷2.3 对流载荷(convection)2.3.1在节点上施加对流载荷main menu/solution/define loads /apply/thermal/ convection/ on nodes2.3.2 在单元上施加均匀对流载荷mani menu/solution/ define loads/ apply /thermal/ convection /on elements/ uniform2.3.3 在单元上施加非均匀对流载荷mani menu/solution/ define loads/ apply /thermal/ convection /on elements/ tapered2.3.4 在线段上施加对流载荷main menu/solution/ define loads/ apply/ thermal/ convection/on lines2.3.5 在面上施加对流载荷main menu/ solution/ define loads/ apply /thermal/ convection/on areas2.4 热流密度载荷（heat flux）2.4.1 在节点上施加热流密度载荷main menu/ solution/ define loads/apply/ thermal/ heat flux/ on nodes2.4.2 在单元上施加热流密度载荷main menu/ solution/deine loads/apply thermal/heat flux / on elements2.4.3 在线段上施加热流密度载荷lines2.4.4 在面上施加热流密度载荷main menu/solution/ define loads /apply/ thermal/ heat flux/ on areas2.5 生热率载荷（heat generate）2.5.1 在节点上施加生热密度载荷main menu/solution/define loads /apply/ thermal/ heat generate/ on nodes2.5.2 在所有节点施加均匀生热流密度载荷main menu / solution/ define loads /apply /thermal/ heat generate/ uniform heat generate2.5.3 在线段上施加生热密度载荷main menu / solution/ define loads /apply /thermal/ heat generate/on lines2.5.4 在面上施加生热密度载荷main menu / solution/ define loads /apply /thermal/ heat generate/on areas2.5.5 在体上施加生热密度载荷main menu / solution/ define loads /apply /thermal/ heat generate/on volumes2.6 辐射率载荷(radiation)2.6.1 在节点上施加辐射率载荷main menu/ solution /define loads/ apply /thermal /radiation/ on Nodes2.6.2 在单元上施加辐射率载荷main menu/ solution /define loads/ apply /thermal /radiation/ on elements2.6.3 在线段上施加辐射率载荷main menu/ solution /define loads/ apply /thermal /radiation/on lines2.6.4 在面上施加辐射率载荷main menu/ solution /define loads/ apply /thermal /radiation/on areas3 稳态求解选项设置在对一个稳态热分析问题时，需要设置time/frequence选项、非线性选项以及输出控制等载荷步选项3.1 time-time step该选项用于设置载荷步的时间main menu/solution/loads step opts/ time&frequence/time -time step3.2 time and substeps该选项用于确定每载荷步中子步的数量或者时间步大小main menu/ solution/ load step options/ time & frequence/ time and substeps3.3 convergence criteria该选项可根据温度、热流率等指标设置热分析的收敛标准，检验热分析的收敛性。
A N S Y S热分析指南——A N S Y S稳态热分析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。
ANSYS稳态热分析的基本过程和实例ANSYS稳态热分析的基本过程ANSYS热分析可分为三个步骤：前处理：建模、材料和⽹格分析求解：施加载荷计算后处理：查看结果1、建模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《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。
2、施加载荷计算①、定义分析类型●如果进⾏新的热分析：Command: ANTYPE, STATIC, NEWGUI: Main menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis>Steady-state●如果继续上⼀次分析，⽐如增加边界条件等：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) ：a、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 Family: DGUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Temperatureb、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。
第一章简介一、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，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量〕等。
热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。
二、ANSYS的热分析*在ANSYS/Multiphysic s、ANSYS/Mech anica l、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五种产品中包含热分析功能,其中ANSYS/FLOTRAN 不含相变热分析。
*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。
三、ANSYS热分析分类*稳态传热：系统的温度场不随时间变化*瞬态传热：系统的温度场随时间明显变化四、耦合分析*热－结构耦合*热－流体耦合*热－电耦合*热－磁耦合*热－电－磁－结构耦合等第二章基础知识一、符号与单位二、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〕PEKE U W Q ∆+∆+∆=−式中:Q ——热量;W ——作功;——系统内能;∆U ——系统动能；∆KE ——系统势能；∆PE *对于大多数工程传热问题：；0==PE KE ∆∆*通常考虑没有做功：,则：；0=W U Q ∆=*对于稳态热分析：，即流入系统的热量等于流出的热量；0=∆=U Q *对于瞬态热分析：，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。
dtdUq =三、热传递的方式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。
热传导遵循付里叶定律：，式中为热流dxdTkq −=′′′′q 密度（W/m 2），为导热系数（W/m-℃），“-”表示热量流向温度降低的方向。
Workbench -Mechanical Introduction Introduction作业6.1稳态热分析作业6.1 –目标Workshop Supplement •本作业中，将分析下图所示泵壳的热传导特性。
•确切说是分析相同边界条件下的塑料（Polyethylene）泵壳和铝（Aluminum）泵壳。
）泵壳•目标是对比两种泵壳的热分析结果。
作业6.1 –假设Workshop Supplement 假设：•泵上的泵壳承受的温度为60度。
假设泵的装配面也处于60度下。
•泵的内表面承受90度的流体。
•泵的外表面环境用一个对流关系简化了的停滞空气模拟，温度为20度。
作业6.1 –Project SchematicWorkshop Supplement •打开Project 页•从Units菜单上确定：–项目单位设为Metric (kg, mm, s, C, mA, mV)–选择Display Values in Project Units…作业6.1 –Project SchematicWorkshop Supplement 1.在Toolbox中双击Steady-State Thermal创建一个新的Steady State Thermal（稳态Steady State Thermal热分析）系统。
1.2.在Geometry上点击鼠标右键选择p y，导入文Import Geometry件Pump_housing.x_t 2.…作业6.1 –Project SchematicWorkshop Supplement3.双击Engineering Data得到materialproperties（材料特性） 3.4.选中General Materials的同时，点击Aluminum Alloy和Polyethylene旁边的‘+’符号，把它们添加到项目中。
5.Return to Project（返回到项目）4.5.Workshop Supplement…作业6.1 –Project Schematic6.把Steady StateThermal 拖放到第一个系统的Geometry 上。
ANSYS 稳态和瞬态热模拟基本步骤基于ANSYS 9.0一、 稳态分析从温度场是否是时间的函数即是否随时间变化上，热分析包括稳态和瞬态热分析。
其中，稳态指的是系统的温度场不随时间变化，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：=0q q q +-流入生成流出 在稳态分析中，任一节点的温度不随时间变化。
基本步骤：（为简单起见，按照软件的菜单逐级介绍）1、 选择分析类型点击Preferences 菜单，出现对话框1。
对话框1我们主要针对的是热分析的模拟，所以选择Thermal 。
这样做的目的是为了使后面的菜单中只有热分析相关的选项。
2、 定义单元类型GUI ：Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete 出现对话框2对话框2（3-1）点击Add,出现对话框3对话框3在ANSYS中能够用来热分析的单元大约有40种，根据所建立的模型选择合适的热分析单元。
对于三维模型，多选择SLOID87：六节点四面体单元。
3、选择温度单位默认一般都是国际单位制，温度为开尔文（K）。
如要改为℃，如下操作GUI：Preprocessor>Material Props>Temperature Units选择需要的温度单位。
4、定义材料属性对于稳态分析，一般只需要定义导热系数，他可以是恒定的，也可以随温度变化。
GUI: Preprocessor>Material Props> Material Models 出现对话框4对话框4一般热分析，材料的热导率都是各向同性的，热导率设定如对话框5.对话框5若要设定材料的热导率随温度变化，主要针对半导体材料。
则需要点击对话框5中的Add Temperature选项，设置不同温度点对应的热导率，当然温度点越多，模拟结果越准确。
设置完毕后，可以点击Graph按钮，软件会生成热导率随温度变化的曲线。
