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Workbench -Mechanical Introduction第六章热分析概念Training Manual •本章练习稳态热分析的模拟，包括：A.几何模型B B.组件-实体接触C.热载荷D.求解选项E E.结果和后处理F.作业6.1本节描述的应用般都能在ANSYS DesignSpace Entra或更高版本中使用，除了•本节描述的应用一般都能在ANSYS DesignSpace EntraANSYS Structural提示：在S S热分析的培训中包含了包括热瞬态分析的高级分析•ANSYSTraining Manual稳态热传导基础•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：()[]{}(){}T Q T T K =•假设：–在稳态分析中不考虑瞬态影响[K]可以是个常量或是温度的函数–[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稳态热传导基础Training Manual •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。
A. 几何模型Training Manual •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（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… 材料特性Training Manual •唯一需要的材料特性是导热性（Thermal Conductivity）•Thermal Conductivity在Engineering Data 中输Engineering Data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。
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。
● 第一步：独立分析首先要保证模型在ansoft中需正确分析完成。
● 第二步：模型导出分析完成后，将ansoft模型导出，格式我选择step格式，其他格式没有试过。
选择菜单栏中的Modeler-Export 选择step格式将模型导出● 第三步：文件导入启动ANSYS Workbench 13.0,首先点击菜单栏中 Import... 选择.mxwl格式，选择刚才的maxwell分析完成的文件，进行导入。
● 第四步：更新工程点击Workbench菜单栏中的 update project，如果maxwell文件正确的话，过一会solution会有黄色闪电变成绿色对勾。
然后在左侧选择Steady-state thermal ，拖入到中间● 第五步：模型属性然后将Steady-state thermal下的Gemoetry属性改为2D.● 第六步：设置单位双击Gemoetry，进入模型设置界面，选择对应的模型尺寸单位。
点击左上角菜单栏中的File-Impotr Extenal Gemoetry File，选择刚才maxwell导出的step 格式模型。
导入后，点击左上角快捷图表Generate，模型就会出现。
● 第七步：网格剖分关闭Gemoetry界面，退回主界面，会发现Gemoetry已经变为绿色对勾，标识模型导入正确。
然后点击Workbench菜单栏中的 update project，会自动对模型进行网格划分。
当然也可以进入Model菜单进行手动划分。
● 第八步：模型对接网格划分成功后，Model会变为绿色对勾。
然后将Maxwell 2D solution和Steady-state thermal 的Setup进行连接，再次点击菜单栏中的 update project。
● 第九步：完成导入update project完成后，Maxwell 2D 中solution会变成绿色对勾。
然后双击进入Steady-state thermal中的Setup，进入setup设置，右侧会出现“ImportedLoad(Maxwell2Dsolution)”。
传热学上机实验指导书ANSYS Workbench 热分析基础教程编制：杨润泽汽车工程系热能教研室2012年7月1.大平板一维稳态导热问题1.1. 问题描述长500mm，宽300mm，厚度30mm的大钢板，钢板上下表面的温度分别为200℃和60℃，钢的导热率为30W/(m·K)，试分析钢板温度分布和热流密度。
图1-1 大平板一维稳态导热模型1.2. 问题分析该问题为稳态导热问题，分析思路如下：1.选择稳态热分析系统。
2.确定材料参数：稳态导热问题，仅输入平板导热率。
3.【DesignModeler】建立钢板的几何模型。
4.进入【Mechanical】分析程序。
5.网格划分：采用系统默认网格。
6.施加边界条件：钢板上下表面施加温度载荷，四周对称面无热量交换，为绝热边界，系统默认无需输入。
7.设置需要的结果：温度分布和热流密度。
8.求解及结果显示。
1.3. 数值模拟过程1、选择稳态热分析系统1)工程图解中调入稳态热分析系统Steady-State Thermal（ANSYS）2)工程命名Conduction Thermal Analysis3)保存工程名为Conduction Heat Transfer2、确定材料参数1)编辑工程数据模型，添加材料的导热率，右击鼠标选择【Engineering Data】【Edit】2)选择钢材料属性【Properties of Outline Row 3: Structure Steel】【Isotropic ThermalConductivity】3)出现【Table of Properties Row 2: Thermal Conductivity】材料属性表，双击鼠标，点击每个区域输入材料属性参数：温度20℃，导热率30W/(m·℃)。
4)参数输完后，工程数据表显示导热率-温度图表。
3、DM建立模型1)选择【Geometry】【New Geometry】，出现【DesignModeler】程序窗口，选择尺寸单位【Millimeter】。
Workbench-Simulation Heat Transfer 11.0Workshop 10流体热单元和热应力分析分析Workshop Supplement •一个有内部热源的物块(4m x 10m x 1m)，通过三个水流通道(直径0.25m)进行冷却。
•计算流体的最大温度和全部的热流•通道由一维流体热单元“Pipe” 进行建模水流通道以线框方式查看分析参数Workshop Supplement•材料属性ρhVD =–使用钢材料Re启动几何文件Workshop Supplement•双击几何文件passages.agdb•查看实体模型。
附加三条线，用来表示水流。
–Solid–Center,Right,Left•查看参数管理器中的内容查看参数管中的内容•返回到Project页，然后启动一个新的仿真分析。
高亮仿真Workshop Supplement使用米作为长度单位指定水的材料属性Workshop Supplement •在Geometry下，高亮“Center” ，找到默认设置—Structural Steel。
•在水的细节栏中，左击Structural Steel然后选择新材料…•右击New Material，输入值并重命名为Water。
N M t i l输入值并重命名为W t设置材料属性Workshop Supplement •类似的，设置其他两条水流通道的材料属性…–在Right和Left下，将Structural Steel替代为S l S lWater。
钢的材料属性Workshop Supplement •接受Simulation定义的钢材料属性。
料属性分析类型Workshop Supplement •New Analysis –Steady State Thermal水流的几何–命令行Workshop Supplement•单元类型:默认情况下Si l ti将线定义为梁我们使用命令行来覆盖这个默认–默认情况下，Simulation将线定义为梁。
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。
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
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
KT T QT –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。
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no separation
（无分离的），那么当面出现在pinball radius
内时就会发生热传导（绿色实线表示）。
Pinball Radius
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。
默认情况下，假设部件间是完美的热接触传导，意味着界面上不会发生温度实际情况下，有些条件削弱了完美的热接触传导：
––––压力表面
温度
T
使用导电脂
....
T
x
接着……
T – 穿过接触界面的热流速，由接触热通量q 决定：
q TCC
target T contact
– 式中T contact 是一个接触节点上的温度， T target 是对应目标节点上的温度
– 默认情况下，基于模型中定义的最大材料导热性KXX 和整个几何边界框的对角 线ASMDIAG ， T CC 被赋以一个相对较大的值。
TCC KXX 10,000 / ASMDIAG
– 这实质上为部件间提供了一个完美接触传导
在ANSYS Professional 或更高版本，用户可以为纯罚函数和增广拉格朗日方程定义一个有限热接触传导（TCC）。
–在细节窗口，为每个接触域指定TCC输入值
–如果已知接触热阻，那么它的相反数除以接触面积就可得到TCC值
在接触界面上，可以像接触热阻一样
输入接触热传导
Spotweld（点焊）提供了离散的热传导点：
–Spotweld在CAD软件中进行定义（目前只有DesignModeler和Unigraphics 可用）。
T2
T1
热流量：
– 热流速可以施加在点、边或面上。
它分布在多个选择域上。
– 它的单位是能量比上时间（ energy/time ） 完全绝热（热流量为0）： 热生成：
– 内部热生成只能施加在实体上
– 它的单位是能量比上时间在除以体积（energy/time/volume ）
正的热载荷会增加系统的能量。
– 可以删除原来面上施加的边界条件
热通量：
– 热通量只能施加在面上（二维情况时只能施加在边上）
– 它的单位是能量比上时间在除以面积（ e nergy/time/area ）
温度、对流、辐射：
完全绝热条件将忽略其它的热边界条件 给定温度： – 给点、边、面或体上指定一个温度
– 温度是需要求解的自由度
至少应存在一种类型的热边界条件，否则，如果热量将源源不断地输入到系统中，稳
态时的温度将会达到无穷大。
另外，给定的温度或对流载荷不能施加到已施加了某种热载荷或热边界条件的表面上 。
对流：
– 只能施加在面上（二维分析时只能施加在边上）
– 对流q 由导热膜系数 h ，面积 A ，以及表面温度T surface 与环境温度T ambient 的差值 来定义。
q hAT surface T ambient
– “h ” 和 “T ambient ” 是用户指定的值
– 导热膜系数 h 可以是常量或是温度的函
与温度相关的对流：
–为系数类型选择Tabular
(Temperature)
–输入对流换热系数-温度表格数据
–在细节窗口中，为h(T)指定温度的处理方式
几种常见的对流系数可以从一个样本文件中导入。
新的对流系数可以保存在文件中。
辐射:
– 施加在面上 （二维分析施加在边上）
4 4
– 式
中： Q R FA T surface T ambient σ =斯蒂芬一玻尔兹曼常数
ε = 放射率
A = 辐射面面积
F = 形状系数 （默认是1）
– 只针对环境辐射，不存在于面面之间（形状系数假设为1）
– 斯蒂芬一玻尔兹曼常数自动以工作单位制系统确定
•从Workbench toolbox插入Steady-State Thermal将
在project schematic里建立一个S S Thermal system
（SS热分析）
•在Mechanical 里，可以使用Analysis Settings 为热
分析设置求解选项。
–注意，第四章的静态分析中的Analysis Data Management选项在这里也可以使用。
加的结构载荷和约束。
– 求解结构
为了实现热应力求解，需要在求解时把结构分析关联到热模型上。
• 在Static Structural 中插入了一个imported load 分支，并同时导入了施
后处理可以处理各种结果：
–温度
–热通量
–反作用的热流速
–用户自定义结果
模拟时，结果通常是在求解前指定，但也可以在求解结束后指定。
–搜索模型求解结果不需要在进行一次模型的求解。
温度：
–温度是标量，没有方向
可以得到热通量的等高线或矢量图：
–热通量q 定义为
q KXX T
激活矢量显示模式显示热通量的大小和方向
–可以指定Total Heat Flux（整体热通量）和D irectional Heat Flux（方向热通量）
对给定的温度、对流或辐射边界条件可以得到响应的热流量：–通过插入probe指定响应热流量，或
–用户可以交替的把一个边界条件拖放到Solution上后搜索响应
从Probe菜单
下
选择
或
拖放边界条件
作业–稳态热分析
目标：
–分析图示泵壳的热传导特性。
