热分析实例

模型[1]热传导问题：如图，110R cm =，220R cm =，密度为36000/kg m ，比热容为220/()J kg K ⋅，热传导率为6/()W m K ⋅，初始温度为300℃，突然放入30℃的液体中冷却，这种液体对流换热系数2120/()h W m K =⋅。

计算：（1）第1秒和第60秒这两个时刻温度分布情况；（2）内外边在60秒内温度变化。

1．设置环境① 设置分析模块。

本例是温度分布分析，所以只需要选择热分析模块，这样就可以把结构分析模块、电磁场分析模块和流体分析模块的菜单都过滤掉。

设置如图② 设置单位在命令行输入“/units,SI ”，SI 为设定为国际单位制。

必须注意：[1] 秦宇.ANSYS 11.0基础与实例教程[M]. 北京,化学工业出版社,2009:318-330ANSYS程序不会为你的分析假定一个单位制，除了磁场分析以外，你可以使用任何单位制，只要你能保证你输入的所有数据都是按照这个单位制进行的。

也就是说，单位制在所有输入数据中应该保持一致。

使用/UNITS命令，你可以在ANSYS数据库中进行标记来表示你使用的单位制。

但是请注意，这个命令并不将一个单位转化为另一个。

它仅仅只作为对分析的一个评论记录。

什么意思呢？就是/UNITS只是个标记，告诉别人程序的单位制，即使程序中没有使用这种单位制，它也不能将这种单位制转化为自己标记的那个单位制。

所以，如果你要让ANSYS的单位为国际单位制，你在输入物理量之前，先将所有的物理量转换为国际单位制，如：原先你的图纸上均为毫米，比如一个矩形截面尺寸是400mm*500mm，那么，你在建模之前先转化为0.4m*0.5m然后输入的长度为0.4和0.5，ANSYS只知道你输入的是0.4和0.5，它不知道你的单位是什么。

2．定义单元类型和材料属性①选择单元类型。

如图：我们选择【Quad 4node 55】即选择了PLANE55单元。

下面介绍一下PLANE55单元，我们直接从ANSYS帮助文档中摘录。

第33例瞬态热分析实例——水箱本例介绍了利用ANSYS进行瞬态热分析的方法和步骤、瞬态热分析时材料模型所包含的内容，以及模型边界条件和初始温度的施加方法。

33.1概述热分析是计算热应力的基础，热分析分为稳态热分析和瞬态热分析，稳态热分析将在后面两个例子中介绍，本例介绍瞬态热分析。

33.1.1 瞬态热分析的定义瞬态热分析用于计算系统随时间变化的温度场和其他热参数。

一般用瞬态热分析计算温度场，并找到温度梯度最大的时间点，将此时间点的温度场作为热载荷来进行应力计算。

33.1.2 嚼态热分析的步骤瞬态热分析包括建模、施加载荷和求解、查看结果等几个步骤。

1．建模瞬态热分析的建模过程与其他分析相似，包括定义单元类型、定义单元实常数、定义材料特性、建立几何模型和划分网格等。

注意：瞬态热分析必须定义材料的导热系数、密度和比热。

2.施加载荷和求解(1)指定分析类型，Main Menu→Solution→Analysis Type→New Analysis,选择Transient。

(2)获得瞬态热分析的初始条件。

定义均匀的初始温度场：Main Menu→Solution→Define Loads→Settings→Uniform Temp，初始温度仅对第一个子步有效，而用Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Thermal→Temperature命令施加的温度在整个瞬态热分析过程中均不变，应注意二者的区别。

定义非均匀的初始温度场：如果非均匀的初始温度场是已知的，可以用Main Menu→Solution→Define Loads →Apply→Initial Condit'n→Define即IC命令施加。

非均匀的初始温度场一般是未知的，此时必须先进行行稳态分析确定该温度场。

该稳态分析与一般的稳态分析相同。

注意：要设定载荷（如已知的温度、热对流等），将时间积分关闭，选择Main Menu→Solution→Load Step Opts →Time/Frequenc→Time Integration→Amplitude Decay;设定只有一个子步，时间很短（如(0.01s)的载荷步，Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequenc→Time→Time Step。

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。

实例1：某一潜水艇可以简化为一圆筒，它由三层组成，最外面一层为不锈钢，中间为玻纤隔热层，最里面为铝层，筒内为空气，筒外为海水，求内外壁面温度及温度分布。

几何参数：筒外径30 feet总壁厚2 inch不锈钢层壁厚0.75inch玻纤层壁厚 1 inch铝层壁厚0.25i nch筒长200 feet导热系数不锈钢8.27BTU/hr.ft. o F玻纤0.028 BTU/hr.ft. o F铝117.4 BTU/hr.ft. o F边界条件空气温度70 o F海水温度44.5 o F空气对流系数2.5 BTU/hr.ft 2.0F海水对流系数80 BTU/hr.ft 2.o F沿垂直于圆筒轴线作横截面，得到一圆环，取其中1度进行分析，如图示。

空气'玻璃纤维、1*:不锈钢:3/+M海水R15 feet/filename ，Steady1 /title ，Steady-state thermal analysis of submarine /units ，BFT Ro=15 !外径(ft)Rss=15-(0.75/12) ! 不锈钢层内径ft) Rins=15-(1.75/12) ! 玻璃纤维层内径(ft) Ral=15-(2/12) ! 铝层内径(ft) Tair=70 ! 潜水艇内空气温度Tsea=44.5 !海水温度Kss=8.27 ! 不锈钢的导热系数(BTU/hr.ft.oF) Kins=0.028 ! 玻璃纤维的导热系数(BTU/hr.ft.oF)Kal=117.4 ! 铝的导热系数(BTU/hr.ft.oF) Hair=2.5 ! 空气的对流系数(BTU/hr.ft2.oF) Hsea=80 ! 海水的对流系数(BTU/hr.ft2.oF) prep7et，1，plane55 !定义二维热单元mp，kxx ，1，Kss !设定不锈钢的导热系数mp，kxx ，2，Kins !设定玻璃纤维的导热系数mp，kxx ，3，Kal !设定铝的导热系数pcirc，Ro，Rss，-0.5，0.5 !创建几何模型pcirc ，Rss，Rins ，-0.5 ，0.5 pcirc ，Rins，Ral，-0.5 ，0.5 aglue，all numcmp，area lesize，1，，，16 !设定划分网格密度lesize，4，，，4 lesize，14，，，5 lesize，16，，，2 Mshape，2 ! 设定为映射网格划分mat，1 amesh，1 mat，2 amesh，2 mat，3 amesh，3 /SOLUSFL，11，CONV ，HAIR ，，TAIR ! 施加空气对流边界SFL，1，CONV ，HSEA ，，TSEA !施加海水对流边界SOLVE /POST1PLNSOL ！输出温度彩色云图finish实例2一圆筒形的罐有一接管，罐外径为 3英尺，壁厚为0.2英尺，接管外径为0.5英尺，壁厚为0.1英尺，罐与接管的轴线垂直且接管远离罐的端部。

最新热分析实验报告
在本次热分析实验中，我们旨在探究不同材料在受热条件下的物理和
化学性质变化。

实验采用了差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）两种技术，对选定的样品进行了全面的热稳定性和热分解特性分析。

实验一：差示扫描量热法（DSC）分析
样品：聚合物A
实验条件：在氮气氛围下，温度范围从室温至300°C，加热速率为
10°C/min。

结果：DSC曲线显示样品在约220°C时出现一个明显的吸热峰，表明
聚合物A在此温度下发生了相变。

进一步分析推测，这可能是由于分
子链间的相互作用能在此温度下被克服，导致结构的重组。

实验二：热重分析（TGA）分析
样品：陶瓷材料B
实验条件：在空气氛围下，温度范围从室温至1000°C，加热速率为
5°C/min。

结果：TGA曲线表明，陶瓷材料B在500°C之前质量变化不大，显示
出良好的热稳定性。

然而，在500°C至700°C之间，样品质量急剧
下降，对应的热分解产物通过质谱分析确认为氧化物和水蒸气，表明
材料在此温度区间发生了分解。

结论：
通过本次热分析实验，我们对聚合物A和陶瓷材料B的热性质有了更
深入的了解。

聚合物A的相变温度为其潜在应用提供了重要参数，而
陶瓷材料B的热分解特性则为其在高温环境下的使用提供了指导。

未
来的工作将集中在优化实验条件，以及扩展对更多材料的热分析研究，以便更全面地理解材料的热行为。