ANSYS热辐射分析

ANSYS热分析详解ANSYS是一种常用的工程仿真软件，具有强大的多物理场耦合分析能力，其中热分析是其中一个重要的应用领域。

在ANSYS中进行热分析可以帮助工程师更好地了解物体在温度变化条件下的行为，从而优化设计方案。

下面将详细介绍ANSYS热分析的原理与流程。

首先，在进行ANSYS热分析前，需要进行前期准备工作。

包括建立几何模型，定义边界条件和导入材料参数等。

在建立几何模型时，可以使用ANSYS提供的建模工具或者导入CAD文件。

然后，需要定义材料参数，如热导率、比热等。

最后，需要定义边界条件，包括外界温度、边界热流、边界散热系数等。

接下来，进行热传导分析。

热传导分析是热分析的基础，用于计算物体内部的温度分布。

在ANSYS中，可以选择稳态或者瞬态分析。

对于稳态分析，需要设置收敛准则，使计算结果达到稳定状态。

对于瞬态分析，需要设置时间步长和总的仿真时间。

在进行计算时，ANSYS会利用有限元法对物体的几何形状进行离散化处理，并通过求解热传导方程来计算温度分布。

在得到物体内部的温度分布后，可以进行热应力分析。

热应力分析是在热传导分析的基础上引入力学应力计算的过程。

在ANSYS中，可以通过多物理场耦合分析的功能来实现。

首先，需要定义材料的线性热膨胀系数和弹性模量等力学参数。

然后，可以选择求解热固结方程和弹性平衡方程，来计算物体在温度变化条件下的应力分布。

除了热应力分析，还可以进行热辐射分析。

热辐射分析是在热传导分析的基础上引入辐射传热计算的过程。

在ANSYS中，可以选择不同的辐射模型来计算物体在温度变化条件下的辐射传热。

常用的辐射模型包括黑体辐射模型和灰体辐射模型等。

通过热辐射分析可以得到物体的辐射换热通量和辐射热功率等重要参数。

最后，进行结果分析和后处理。

在ANSYS中，可以对热分析的结果进行可视化和数据分析。

可以绘制温度云图、热应力云图等，从而更好地理解物体在热变形条件下的行为。

此外，还可以导出计算结果，并进行后续的工程设计和优化。

ANSYS热分析简介1⽬录1. ANSYS热分析简介1. ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡⽅程，⽤有限元的⽅法计算各节点的温度，并导出其他物理参数。

2. ANSYS热分析包括热传导、热对流和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。

3. ANSYS中耦合场的分析种类有热-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。

4. 对于不同的零件，之间可以采⽤GLUE进⾏粘接，或者采⽤Overlap等⽅法，也可以建⽴接触。

1.1 传导传导：两个良好接触的物体之间的能量交换或⼀个物体内由于温度梯度引起的内部能量交换。

对流：在物体和周围介质之间发⽣的热交换。

由温差存在⽽引起的热量交换，可以分为⾃然对流和强对流。

对流⼀般作为⾯边界条件施加。

热对流⽤⽜顿冷却⽅程来描述。

辐射：⼀个物体或者多个物体之间通过电磁波进⾏能量交换。

热辐射指物体发射电磁能，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，单位时间辐射的热量越多。

热传导和热对流都需要传热介质，⽽热辐射⽆需任何介质，且在真空中的效率最⾼。

可以看出辐射分析是⾼度⾮线性的。

1.2 热载荷分类（1）DOF约束：温度（2）集中载荷：热流（3）⾯载荷：热流，对流（4）体载荷：体积或者区域载荷。

1.2.1 载荷施加序号APDL含义备注1TUNIF施加均匀初始温度2IC施加⾮均匀的初始温度1.3 热分析分类1.3.1 稳态热分析如果热能的流动不随时间变化的话，热传递就成为是稳态的。

由于热能流动不随时间变化，系统的温度和热载荷也都不随时间变化。

稳态热平衡满⾜热⼒学第⼀定律。

通常在进⾏瞬态分析前，进⾏稳态分析⽤于确定初始温度分布。

对于稳态传热，⼀般只需要定义导热系数，他可以是恒定的，也可是是随温度变化的。

1.3.2 瞬态热分析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他热参数。

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。

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。

6.9.4计算并验证形状系数选项然后可以计算形状系数，并验证和得到平均值。

计算并存储形状系数：命令：VFCALCGUI：Main Menu>Radiation>Compute可用如下命令列出所选择单元对的形状系数并计算平均系数：命令：VFQUERYGUI:Main Menu>Radiation>Query用如下命令可将平均系数提取出来：*GET,Par,RAD,VFAVG6.9.5设定载荷选项如果模型有均匀的温度，本步将设定初始温度。

还需要定义载荷步并将边界条件的变化形式设定为渐变。

对所有节点设定初始的均匀温度命令：TUNIFGUI:Main Menu>Solution>Settings>Uniform Temp设定载荷步数量或时间步命令： SUBST或DELTIMGUI:Main Menu>Preprocessor>Loads>-Load StepOpts-Time/Frequenc>Freq and Substps or Time and Substps Main Menu>Preprocessor>Loads>-Load StepOpts-Time/Frequenc>Time-Time Step由于热辐射是高度非线性的，应设定渐变的边界条件命令： KBCGUI:Main Menu>Preprocessor>Loads>-Load StepOpts-Time/Frequency>Time-Time Step6.10静态热辐射分析的几点建议对于只有热流密度(HFLUX)或热流率（HEAT）边界条件的热辐射问题，或热辐射作为热传递主导方式的问题（即低导热系数），应采用“伪瞬态”求解方法来求解静态问题。

主要有如下三个步骤：1．在定义材料属性时，定义材料的密度和比热为常值。

设定这两个材料值的大小并不重要，因为最终是求解稳态问题；2．将求解类型设定为瞬态问题命令：ANTYPTGUI:Main Menu>Solution>New Analysis3．将准静态辐射分析求解为稳态问题命令：QSOPTGUI:Main Menu>Preprocessor>-Load StepOptions->Time/Frequency>Quasi-Static只有当SOLCONTROL,ON时，QSOPT命令才有效。

ANSYS热分析指南(第六章)第六章热辐射分析6.1热辐射的定义热辐射是一种通过电磁波传递热能的方式。

电磁波以光的速度进行传递，而能量传递与辐射物体之间的介质无关。

热辐射只在电磁波的频谱中占小部分的带宽。

由于辐射产生的热流与物体表面的绝对温度的四次方成正比，因此热辐射有限元分析是高度非线性的。

物体表面的辐射遵循Stefan-Boltzmann定律：式中：—物体表面的绝对温度；—Stefan-Boltzmann常数，英制为0.119×10-10 BTU/hr-in-R，公制为5.67×10-86.2基本概念下面是对辐射分析中用到的一些术语的定义：黑体黑体被定义为在任意温度下，吸收并发射最大的辐射能的物体；通常的物体为“灰体”，即ε< 1；在某些情况下，辐射率（黑度）随温度变化；辐射率（黑度）物体表面的辐射率（黑度）定义为物体表面辐射的热量与黑体在同一表面辐射热量之比。

式中：－辐射率（黑度）－物体表面辐射热量－黑体在同一表面辐射热量形状系数形状系数用于计算两个面之间的辐射热交换，在ANSYS中，可以用隐藏/非隐藏的方法计算2维和三维问题，或者用半立方的方法来计算3维问题。

表面I与表面J之间的形状系数为：形状系数是关于表面面积、面的取向及面间距离的函数；由于能量守恒，所以：根据相互原理：由辐射矩阵计算的形状系数为：式中：－单元法向与单元I,J连线的角度－单元I,J重心的距离有限单元模型的表面被处理为单元面积dAI 及dAJ，然后进行数字积分。

辐射对在辐射问题中，辐射对由一些相互之间存在辐射的面组成，可以是开放的或是闭合的。

在ANSYS中，可以定义多个辐射对，它们相互之间也可以存在辐射ANSYS使用辐射对来计算一个辐射对中各面间的形状系数；每一个开放的辐射对都可以定义自己的环境温度，或是向周围环境辐射的空间节点。

Radiosity 求解器当所有面上的温度已知时，Radiosity 求解器方法通过计算每一个面上的辐射热流来得到辐射体之间的热交换。

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－结构耦合等第二章 基础知识一、符号与单位W/m 2—℃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〕PE KE U W Q ∆+∆+∆=-式中：Q —— 热量; W —- 作功；∆U ——系统内能; ∆KE —-系统动能; ∆PE ——系统势能；● 对于大多数工程传热问题：0＝＝PE KE ∆∆； ● 通常考虑没有做功：0=W , 则:U Q ∆=；●对于稳态热分析：0=∆=U Q ,即流入系统的热量等于流出的热量； ●对于瞬态热分析：dtdUq =，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化. 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：dxdT k q -=''，式中''q 为热流密度(W/m 2），k 为导热系数（W/m-℃），“—”表示热量流向温度降低的方向。

第六章热辐射分析6.1热辐射的定义热辐射是一种通过电磁波传递热能的方式。

电磁波以光的速度进行传递，而能量传递与辐射物体之间的介质无关。

热辐射只在电磁波的频谱中占小部分的带宽。

由于辐射产生的热流与物体表面的绝对温度的四次方成正比，因此热辐射有限元分析是高度非线性的。

物体表面的辐射遵循Stefan-Boltzmann定律：式中：—物体表面的绝对温度；—Stefan-Boltzmann常数，英制为0.119×10-10 BTU/hr-in-R，公制为5.67×10-8 6.2基本概念下面是对辐射分析中用到的一些术语的定义：黑体黑体被定义为在任意温度下，吸收并发射最大的辐射能的物体；通常的物体为“灰体”，即ε< 1；在某些情况下，辐射率（黑度）随温度变化；辐射率（黑度）物体表面的辐射率（黑度）定义为物体表面辐射的热量与黑体在同一表面辐射热量之比。

式中：－辐射率（黑度）－物体表面辐射热量－黑体在同一表面辐射热量形状系数形状系数用于计算两个面之间的辐射热交换，在ANSYS中，可以用隐藏/非隐藏的方法计算2维和三维问题，或者用半立方的方法来计算3维问题。

表面I与表面J之间的形状系数为：形状系数是关于表面面积、面的取向及面间距离的函数；由于能量守恒，所以：根据相互原理：由辐射矩阵计算的形状系数为：式中：－单元法向与单元I,J连线的角度－单元I,J重心的距离有限单元模型的表面被处理为单元面积dA I及dA J，然后进行数字积分。

辐射对在辐射问题中，辐射对由一些相互之间存在辐射的面组成，可以是开放的或是闭合的。

在ANSYS中，可以定义多个辐射对，它们相互之间也可以存在辐射ANSYS使用辐射对来计算一个辐射对中各面间的形状系数；每一个开放的辐射对都可以定义自己的环境温度，或是向周围环境辐射的空间节点。

Radiosity 求解器当所有面上的温度已知时，Radiosity 求解器方法通过计算每一个面上的辐射热流来得到辐射体之间的热交换。

ANSYS基础教程—热分析关键字：ANSYS ANSYS教程ANSYS热分析信息化调查找茬投稿收藏评论好文推荐打印社区分享本文简述了进行稳态热分析的过程.有两方面的目的:重申第4章所介绍的典型分析步骤；介绍热荷载与边界条件.包括的主题有：概述、分析过程、专题讨论。

A. 概述·热分析用于确定结构中温度分布、温度梯度、热流以及其它类似的量.·热分析可能是稳态的或瞬态的.–稳态是指荷载条件已被“设置”成稳定状态，几乎不随时间变化. 如: 铁获得了预先设置的温度.–瞬态* 指条件随时间变化而变化. 如: 铸造中金属从熔融状态变为固态的冷却过程.·热荷载条件可能是:温度模型区温度已知.对流表面的热传递给周围的流体通过对流。

输入对流换热系数h和环境流体的平均温度Tb热通量* 单位面积上的热流率已知的面.热流率* 热流率已知的点.热生成率* 体的生热率已知的区域.热辐射* 通过辐射产生热传递的面. 输入辐射系数, Stefan-Boltzmann常数, “空间节点”的温度作为可选项输入.绝热面“完全绝热”面，该面上不发生热传递.B. 分析过程·稳态热分析过程和静力分析类似:–分析过程·几何尺寸（模型）·划分网格–求解·荷载条件·求解–后处理·查看结果·检查结果是否正确·通过(Main Menu > Preferences)把图形用户界面的优先级设置成热分析. 前处理几何尺寸（模型）·既可用ANSYS建立模型，也可用其它方法建好模型后导入.·模型建好后，以上两种建模方法的具体过程将不再显示.-划分网格·首先定义单元属性: 单元类型, 实常数, 材料属性.-单元类型·下表给出了常用的热单元类型.·每个结点只有一个自由度: 温度常用的热单元类型-材料属性–必须输入导热系数, KXX.–如果施加了内部热生成率，则需指定比热(C).–ANSYS提供的材料库(/ansys57/matlib)包括几种常用材料的结构属性和热属性, 但是建议用户创建、使用自己的材料库.–把优先设置为“热分析”，使材料模型图形用户界面只显示材料的热属性.-实常数–主要应用于壳单元和线单元.·划分网格.–存储数据文件.–使用MeshTool划分网格. 使用缺省的智能网格划分级别6可以生成很好的初始网格.·至此完成前处理，下面开始求解.求解荷载·指定的温度–热分析的自由度约束–Solution > -Loads-Apply > Temperature–或D命令系列(DA, DL, D)·热流–这些是面荷载–Solution > -Loads-Apply > Convection–或SF命令系列(SFA, SFL, SF, SFE)·绝热面–“完全绝热”面，该面上不发生热传递.–这是缺省条件, 如,没有指定边界条件的任何一个面都被自动作为绝热面处理.·其它可能的热荷载:–热通量(BTU / (hr-in2)–热流(BTU / hr)–热生成率(BTU / (hr-in3)–热辐射(BTU / hr)求解·首先存储数据库文件.·然后输入SOLVE命令或点击菜单Solution > -Solve-Current LS.–结果被写入结果文件, jobname.rth, 该结果文件同时也写入内存中的数据库文件.·至此完成求解过程. 下面进入后处理部分.后处理查看结果·典型的等值线绘图包括温度等值线，温度梯度等值线和热通量等值线–General Postproc> Plot Results > Nodal Solu…(或Element Solu…)–或用PLNSOL(或PLESOL)·对3-D 实体模型绘制云图时，选项isosurfaces(等值面)是非常有用的. 用/CTYPE命令或Utility Menu > PlotCtrls> Style > Contours > Contour Style.·检查结果是否正确·温度是否在预期的范围内?–在指定温度和热流边界的基础上，估计预期的范围.·网格大小是否满足精度?–和受力分析一样，可以画出非均匀分布的温度梯度(单元解) 并找出高梯度的单元. 这些区域可作为重新定义网格时的参考.–若节点温度梯度（平均的）和单元温度梯度（非平均的）之间的差别很大，则可能是网格划分太粗糙.。