温度场有限元模拟

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磨削温度的有限元仿真

足够小，这种线性插值函数的误差也就很小，即
Ｔ＝ａ＋ａｘ３＋ａ￣ｌ２＋ａｙ．ｚ（１
．
１）
式中ａ，，３４ｌ，是待定常数，它们可由节点上的温度值来决ａａａ定。将节点的坐标及温度值代入上式得：
了：ａ臻ｆｎｙＦｎＦ
元求解，由于其边界条件简单，因此可得到有限个热传导方程式求解这些数学方程式就可得到所需的温度场分布。由于每个单元都是由若干个节点组成，单元内部某一点的温度可由
ＭＭ｝【｛｛ｌ＝玎ｎ一Ｊ￡，
节点温度与形函数的乘积得到，这样整个温度场就可以用节点温度来表示。运用有限元法对磨削温度场进行分析，不需简
．
一
．
有限元方法在■黼江度炀研兜中的应用
则单元的形函数就可以确定。３确定单元算法，．引入载荷及边界条件，建立单元平衡方
有限单元法是利用离散化的概念，把弹性连续体划分为
一
个由若干有限单元组成的集合体。通过单元分析和组合，得
程并计算。单元的计算方法有变分求解法和加权余量法。将三 Fra bibliotek９４— ．
然后将所有节点上的温度值Ｔ、ｎ出来。有限单元法的Ｔ…Ｔ求合成与实现计算最终归结为求解一个大型线性代数方程组，在ＡＳＳ计算中，ＮＹ采用的是适用于求解大型矩阵线性方程组
逐次超松弛迭代法求解器。
类边界条件定义到单元上，可得到相应的变分形式，类边界三条件得到的解的形式相同，均为下式：

13教学3--多物理场有限元-温度场问题有限单元法

对稳态问题，由于温度不随时间变化，因此热平衡方程为：
x
k
x
T x
y
ky
T y
rQ
0
构造满足第一类边界条件的近似温度场函数 T ，并代入到热平衡方程以及第二和第三类边界条件式当中，将得到如下的余量:
RW
x
kx
T x
y
ky
T y
rQ
R2
kx
T x
nx
ky
T y
ny
q
T
T
R3 kx x nx k y y ny h(Ta T )
令余量的加权积分和为零（加权余量法）：
W RW1dΩ 2 R2 2dΓ 3 R3 3dΓ 0
使热平衡方程和第二、第三类边界条件在加权积分的意义上得到满足。
将余量的表达式代入上式，通过分部积分，可以得到：
-
W
1
x
kx
7、在ANSYS中施加温度载荷和边界条件的方法
（1）给定温度自由度对已知温度的节点，给定温度自由度约束。
D, NODE, LAB, VALUE
NODE——给定温度的节点号
ALL，所有选择的节点节点component名 LAB——TEMP，给定温度自由度
VALUE——温度值
（2）对流热交换对流边界条件作为面载荷施加于实体的表面，用于施加
z
系统从外界吸收的热量等于系统内能的增量和系统对外界做功之和。
对热传导问题，可以表示为：
s v
Q1 Q2 Q3
x
y
Q1 ——单位时间内，经外表面s传入微元体的热量 Q2 ——单位时间在微元体内的热源所产生的热量 Q3 ——单位时间内微元体热焓的增量

实心轮胎温度场的有限元分析

图２实心轮胎有限元模型
量较大，因此在轮胎内缘施加固定约束。由对称性可知，轮胎断面处应施加Ｚ向固定约束。轮胎材料选用Ｓｌ８超弹性单元，ｏｉ１５ｄ与轮胎相接触的
钢板采用Ｓｌ５单元，选用三维接触单元ｏｉ４ｄ并Ｃｎａ７ｏｔｔ１４和Ｔａｇｔ１０模拟轮胎与地面的接ｒｅ７触情况。载荷以压力形式施加于钢板下面。
１８Ｏ
橡
胶
工
业
２１第５卷０２年９
变，在使用式（）算节点生热率时，该将其转３计应
化成工程应变。２实心轮胎温度场有限元模拟
２１力学场建立．
由于实心轮胎的对称性，立力学场有限元建
模型时取轮胎的一半进行建模，图１示。橡如所胶材料参数采用ＭｏｎｙＲｉｌｏｅ－ｖｉ参数模型］ｎ二。轮胎内缘与轮盘接触，轮盘为金属材料，弹性模其
通过改变实心轮胎的载荷、速度、橡胶材料的
损耗因子和导热系数模拟计算轮胎的温度场（计
图１买心轮胎力学模型
算结果见图４，出实心轮胎最高温度与这些因）得素的关系，并进一步讨论这些因素对轮胎温升的影响。
从图４ａ～（）以看出，心轮胎的最高（）ｃ可实温度随着载荷、度和损耗因子的增大而升高。速

大体积混凝土热工计算及温度场有限元仿真分析

T = 0
0.92 (m T +mT T +mT ) +4.2 Tw(m ) −c1(ωsam +m −ωsam −ωgmg ) +cw(ωsamsaTsa +ωgmT +ωgmg ) ce ce s s sa sa g g w sa g g sa 4.2 mw +0.92 (m +m +m +mg ) ce s sa
λ β
当 1m 厚底板采用 1 层 3cm 阻燃草帘保温时，在 3d 龄期，代入数据可得：
β =
λ——混凝土的导热系数，取 2.33W/m·K； K——计算Байду номын сангаас减系数，可取 2/3； β——保温层的传热系数（W/m·K）；
β= 1 δi 1 ∑ λi + βq
∑
h/ = K λ = 2 × 2.33 = 0.4m β 3 3.88
水化热与温差计算（℃）入模温度 8 8 最高温度 32.6 26.2 表面温度 16.8 12.9 内外温差 15.8 13.3
Tb (t ) = Tq +
4 / h ( H − h/ )∆T(t ) 2 H 4 = −5 + × 0.733× (4.166 − 0.733) × 37.6 = 16.8o C 2 4.166
b
——泵管外保温材料导热系数[W/(m•K)]，草帘被取为 0.14 W/(m•K)；
ωsa—砂子的含水率（%）；ωg—石子的含水率（%）；
cw—水的比热容（kJ/kg·K）； c1—冰的溶解热（kJ/kg）。当骨料温度大于 0℃时，cw=4.2，c1=0；
第 250 页共 369 页
db——泵管外保温层厚度（m），计算时取为 3cm； Dl——混凝土泵管内径（m），计算时取为 122mm； Dw——混凝土泵管外围直径（包括外围保温材料）（m），计算时取为 155mm； ω——透风系数，计算时取 1.35；

温度场有限元法模拟

单元模型构造
插值函数一般都采用多项式函数，主要原因是:
采用多项式插值函数比较容易推导单元平衡方程，特别是易于进行微分和积分运算。
随着多项式函数阶次的增加，可以提高有限元法的计算精度。从理论上说，无限提高多项式的阶数，可以求得系统的精确解。
单元模型构造方法
整体坐标系法局部坐标系法
Lagrange插值方法 Hermite插值方法
Package Thermal analysis
SMD IC package (J lead) ¼ Symmetry
Analysis Example
Inertial Sensor - Accelerometer
Thermal Mechanical Simulation
Intel Pentium II Module
平面温度场有限元法求解
具有内热源和瞬态温度分布的固体导热微分方程（平面问题）：
c T
t
2T x2
2T y2
qV
第一类：第二类：
第三类：初始条件：
平面温度场有限元法求解
有限元计算的基本方程推导
由微分方程
c T
t
2T x2
2T y2
qV
得到，
D T x, y,t
主要参考书
王勖成，邵敏. 《有限单元法基本原理与数值方法》. 北京：清华大学出版社，1996.
R.D.库克著，程耿东等译. 《有限元分析的概念和应用》科学出版社.
上机实习软件
工程分析软件－ANSYS 上机地点：材料学院机房
Introduction
Successful Applications
直角坐标中导热微分方程式：

焊接过程中的温度场与应力场仿真

焊接过程中的温度场与应力场仿真焊接是一种常见的金属加工方法，通过加热和冷却的过程将两个或多个金属零件连接在一起。

在焊接过程中，温度场和应力场是两个重要的物理现象，对焊接质量和工件性能有着重要的影响。

本文将探讨焊接过程中温度场和应力场的仿真分析。

1. 焊接过程中的温度场仿真焊接过程中，电弧或激光等热源会将焊接区域加热到高温，使金属材料熔化并形成焊缝。

温度场仿真可以帮助我们了解焊接过程中的温度分布情况，进而优化焊接参数和工艺。

首先，我们可以使用有限元分析方法进行温度场仿真。

有限元分析是一种基于数值计算的方法，将复杂的物理问题离散化为有限个简单的子问题，通过求解这些子问题来获得整体的解。

在焊接过程中，我们可以将焊接区域离散化为一系列的小单元，然后根据热传导方程和边界条件，求解每个小单元的温度分布。

通过将这些小单元的温度场拼接起来，就可以得到整个焊接区域的温度场分布。

其次，我们还可以使用计算流体力学（CFD）方法进行温度场仿真。

CFD方法是一种基于流体力学原理的计算方法，可以模拟流体的运动和传热过程。

在焊接过程中，焊接区域的气体和熔池的流动对温度场分布有着重要的影响。

通过建立焊接区域的几何模型、设置边界条件和求解流动和传热方程，我们可以得到焊接过程中气体和熔池的温度分布情况。

温度场仿真可以帮助我们分析焊接过程中的热效应，进而优化焊接参数和工艺。

例如，通过仿真分析，我们可以确定合适的预热温度和焊接速度，以控制焊接区域的温度分布，避免产生焊接缺陷和变形。

2. 焊接过程中的应力场仿真焊接过程中的温度变化会引起金属材料的热膨胀和收缩，从而产生应力。

应力场仿真可以帮助我们了解焊接过程中应力的分布情况，预测焊接区域的变形和残余应力。

与温度场仿真类似，应力场仿真也可以通过有限元分析和CFD方法来实现。

在有限元分析中，我们可以将焊接区域离散化为一系列的小单元，并根据材料的本构关系和边界条件，求解每个小单元的应力分布。

通过将这些小单元的应力场拼接起来，就可以得到整个焊接区域的应力场分布。

Ansys有限元分析温度场模拟指导书

实验名称：温度场有限元分析一、实验目的1. 掌握Ansys分析温度场方法2. 掌握温度场几何模型二、问题描述井式炉炉壁材料由三层组成，最外一层为膨胀珍珠岩，中间为硅藻土砖构成，最里层为轻质耐火黏土砖，井式炉可简化为圆筒，筒内为高温炉气，筒外为室温空气，求内外壁温度及温度分布。

井式炉炉壁体材料的各项参数见表1。

表1 井式炉炉壁材料的各项参数三、分析过程1. 启动ANSYS，定义标题。

单击Utility Menu→File→Change Title菜单，定义分析标题为“Steady-state thermal analysis of submarine”2.定义单位制。

在命令流窗口中输入“/UNITS, SI”，并按Enter 键3. 定义二维热单元。

单击Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete 菜单，选择Quad 4node 55定义二维热单元PLANE554.定义材料参数。

单击Main Menu→Preprocessor→Material Props→Material Models菜单5. 在右侧列表框中依次单击Thermal→Conductivity→Isotropic，在KXX文本框中输入膨胀珍珠岩的导热系数0.04，单击OK。

6. 重复步骤4和5分别定义硅藻土砖和轻质耐火黏土砖的导热系数为0.159和0.08，点击Material新建Material Model菜单。

7.建立模型。

单击Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Circle→By Dimensions菜单。

在RAD1文本框中输入0.86，在RAD2文本框中输入0.86-0.065，在THERA1文本框中输入-3，在THERA2文本框中输入3，单击APPL Y按钮。

8.重复第7步，输入RAD1=0.86-0.065，RAD2=0.86-0.245，单击APPL Y；输入RAD1=0.86-0.245，RAD2=0.86-0.36，单击OK。

高速切削有限元模拟加工温度场

高速切削有限元模拟加工温度场分析黄晓华（苏州工业职业技术学院精密制造工程系江苏苏州 215008）摘要：以高速切削条件下的数控车刀为研究对象，利用ANSYS有限元仿真软件对刀具的温度场进行模拟和分析，得出温度场的分布规律，验证切削速度对温度场的影响，为优化切削参数，延长刀具寿命提供一定的依据。

关键词：切削热；切削温度；有限元中图分类号：TG506 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）1110012－010 引言切削过程中，由变形和摩擦所消耗功的98%～99%都转变为热能，即若切削热不及时传散，则切削区的平均温度将大幅度地上升。

切削温度的升高一方面会加剧刀具的磨损，影响刀具的使用寿命，另一方面会使工件和机床产生热变形，影响零件的加工精度，因此切削温度的研究至关重要。

高速切削加工状态下的切削温度和切削热不同于传统切削加工过程，利用有限元软件对高速切削状态下的温度场进行仿真模拟分析，为延长刀具使用寿命及刀具变形分析提供一定的数值依据。

1 刀具热变形的ANSYS计算步骤高速切削刀具热变形有限元仿真主要包括以下主要步骤：前处理（即三维建模）、定义单元类型并设定单元属性、定义单元实常数、定义材料热性能参数、创建几何模型并划分网格、热载荷计算、热载荷及边界条件加载。

2 高速切削刀具热变形有限元模型的建立2.1 刀具高速车削温度模型建立的假设条件1）假设刀具、工件组成的系统温度场不随时间变化，即达到了稳态传热。

2）第一变形区切削热是切削层的变形热，第二变形区的切削热是切屑与前刀面的摩擦热，假设刀具高速车削温度场分析属于平面热源传热模型。

2.2 刀具高速车削ANSYS分析试验条件选用GSK980TDb 型高速数控车床，确定载荷工况1：主轴转速V c =500m/min ，进给量f=0.5mm/r ，背吃刀量a p =3mm ；确定载荷工况2：主轴转速V c =200m/min ，进给量f=0.5mm/r ，背吃刀量a p =3mm 。

温度场数值模拟与分析

温度场数值模拟与分析一、引言温度场是工业制造、自然环境等领域中经常涉及到的现象，通过数值模拟和分析可以深入了解温度场的变化规律，并为后续的研究工作提供有效的参考。

本文将介绍温度场的数值模拟方法和分析技术，并结合实际案例进行分析和讨论。

二、数值模拟方法1.有限元方法有限元方法是数值模拟的一种常用方法，其核心思想是将复杂的物理问题抽象为有限个单元，通过单元之间的相对运动以及单元内部的运动来计算物理量的变化。

在温度场的数值模拟中，有限元方法可以通过建立合适的有限元模型、选择适当的数值方法和求解器来计算温度场的分布和变化规律。

2.计算流体力学方法计算流体力学方法是将物理问题建模为一系列守恒方程和运动方程的数学问题，通过求解这些方程来计算物理量的分布和变化。

在温度场的数值模拟中，计算流体力学方法可以通过建立流体系统的数值模型、指定流体系统的初始和边界条件以及选择适当的求解算法来计算温度场。

3.反向传播神经网络方法反向传播神经网络方法是在深度学习技术的支持下，将物理问题转化为神经网络的训练问题，通过优化网络的结构和参数，实现对物理问题的数值模拟。

在温度场的数值模拟中，反向传播神经网络方法可以通过建立网络模型、选择适当的损失函数和优化算法，来计算温度场的分布和变化规律。

三、分析技术1.可视化分析可视化分析是通过图表、图像和动画等可视化方式来展示温度场的分布和变化规律，通过可视化分析可以直观地了解温度场的变化情况，并且可以更好地理解温度场的复杂性。

2.数据挖掘分析数据挖掘分析是通过分析温度场数据中的模式和关联规则，来发现与温度场相关的重要信息和规律。

通过数据挖掘分析可以发现温度场的非线性规律、异常状态和趋势等信息，为后续的研究工作提供有效的参考。

3.时间序列分析时间序列分析是通过分析温度场数据的时间波动和趋势变化，来了解温度场的周期性和逐渐变化趋势。

通过时间序列分析可以发现温度场中的周期性波动规律和变化趋势，为后续的预测和控制工作提供有效的参考。

冻土非稳态温度场有限元模拟分析

四川建筑科学研究Sichuan Building Science 第35卷　第1期2009年2月收稿日期:2007206213作者简介:朱　明(1970-),男,湖南常德人,讲师,主要从事岩土工程方面的研究。

基金项目:西部交通建设科技项目《高原湿地郎川公路修筑及环境保护技术研究》资助项目(200431800054)E -ma il:zhum ing@home .s wjtu .edu .cn冻土非稳态温度场有限元模拟分析朱　明1,苏小勇1,宋琼瑶2,蒋　跃2(1.西南交通大学土木工程学院,四川成都　610031;2.国道213线郎木寺至川主寺公路改建工程指挥部,四川成都　610041)摘　要:在冻土工程领域,国内外已经展开了广泛的基础性研究,取得了丰硕的成果。

对冻土路基温度场问题,目前已有理论依据和计算方法,但大多只考虑了第一类边界条件。

本文利用有限元软件,同时考虑了辐射、蒸发、换热等各种边界条件,对冻土路基非稳态温度场进行了计算分析,根据计算与实测结果的对比分析,从而有力地验证了本文采用有限元计算方法的可靠性,并且进一步根据计算与实测结果,对冻土路基非稳态温度场进行了计算分析。

关键词:非稳态温度场;边界条件;AD I N A;可靠性中图分类号:T U47117 文献标识码:A 文章编号:1008-1933(2009)01-120-05The fi n ite ele ment si m ul ate analysis of transi ent te mperature fi eld of frozen soilZHU M ing 1,S U Xiaoyong 1,S ONG Q i ongyao 2,J I A NG Yao2(1.School of Civil Engineering,South west J iaot ong University,Chengdu 610031,China;2.Headquarter of Recoustructi on of Long mushi 2Chuanzhushi of 213State Road,Chengdu 610041,China )Abstract:I n the filed of fr ozen s oil engineering p r ojects,there are many basic research at home and abr oad and have get p lentiful results .Now,there are theoretical foundati on and computing methods,but,which only take the first boundary conditi on int o account .I n this paper the writer takes advantage of the finite element s oft w are and at the sa me ti m e takes the boundaries int o account such as radiati on,evaporizati on,heat transfer and s o on t o calculate and analyze the transient te mperature field of the fr ozen subgrade .According t o the contrastive analysis of the calculati on and the test results,it verified the reliability of the finite ele ment method which is adop ted in this paper,als o,the writer further calculate and analyze the transient te mperature field of the fr ozen subgrade,according t o the calculati on and the test results .Key words:the transient te mperature field;boundary conditi on;AD I N A;reliability1　概　述对冻土工程问题,可采用解析法或数值方法进行求解,但应用解析法求解冻土路基问题难以实现。

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• 给外部热对流边界加换热系数和外界温度 30℃(heat film coefficients with associated ambienttemperatures)Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Thermal →Convection → On Lines → 分别拾取外部两边, 输入：Film Coeffecient:20, Bulk Temperature:30 →OK
网格划分
• Main Menu: Preprocessor →Meshing →Mesh Tool→(Size Controls) lines: Set →分别拾取左边 2竖直边:OK→input NDIV: 10 和5 →Apply→拾取右条竖直边NDIV: 15 →； Set →拾取上直边:OK→input NDIV:15 →Apply→ 分别拾取下边的两条横直边:OK →input NDIV: 10 和 5 →OK →(back to the mesh toolwindow)Mesh: Areas, Shape: Quad, Free → Mesh → Close( the Mesh Tool window)
模型施加热约束
• 给内部边界加已知烟囱内表面的温度为 100℃Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Thermal →Temperature →On Lines → 分别拾取内部两边, 选 TEMP → TEMP Value:100 →OK
模型施加热约束
定义材料参数
• Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models →Thermal →Conductivity →IsotropicБайду номын сангаасinput KXX:1.4 → OK → Thermal →Convection or film Coefficient for Material Number 1 → T1:20 → OK
设置计算类型
• Main Menu: Preferences… →select Thermal → OK
选择单元类型
• Main Menu: Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete →Add →select Thermal Solid Quad 4node55 →OK (back to Element Types window) → Options… →select K3: Plane →OK→Close (the ElementType window)
网格划分
模型施加热约束
• 分别给两条对称边施加热流量 0 (对称边界)的约束Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Thermal → Heat Flux → On Lines → 拾取(对称边)左边, Heat Flux: 0 → Apply → 拾取(对称边)下边，Heat Flux: 0 →OK
受热载荷作用的正方形截面的烟囱的建模与温度场求解
题目
• 正方形截面的烟囱如图 4-1 所示，烟囱由混凝土建造，边长为 60cm，通道的边长为 20cm，混凝土的导热系数为 k =1.4 W /(m K )。假定烟囱内表面的温度为 100℃，烟囱外表面暴露在空气中，空气的温度为 30℃，换热系数为 h=20 W /(m 2 K )。计算烟囱截面内的稳态温度场。
生成几何模型
• 生成特征点 • Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Keypoints →In Active CS →依次输入 6 个点的坐标：input:1(0.1, 0, 0), 2(0.3, 0, 0), 3(0.3, 0.3, 0), 4(0, 0.3, 0), 5(0, 0.1, 0), 6(0.1, 0.1, 0)→OK • 生成截面 • Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Areas →Arbitrary →Through KPS →依次连接 6 个特征点: 1(0.1, 0, 0), 2(0.3, 0, 0), 3(0.3, 0.3, 0), 4(0, 0.3, 0), 5(0, 0.1, 0), 6(0.1, 0.1, 0)→OK
分析计算
• Main Menu: Solution →Solve →Current LS →OK(to close the solve Current Load Step window) →OK
结果显示
• Main Menu: General Postproc →Plot Results → Contour Plot → Nodal Solu… →select: DOF solution,Temperature →OK