第三章 热分析

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。

大于104g/mol以上的聚合物的Tg 几乎不变
增塑剂使Tg降低
残留溶剂和水的作用如同增塑剂
不相容混合物有两个Tg，相容混 合物有一个Tg
单体相容或统计分布的嵌段和接 枝共聚物呈现单个Tg，其他呈现 两个Tg
可能变化
Tg和转变宽度与相互作用有关
台阶高度随填料含量增加而降低
a. 化学结构对Tg的影响
参数的选择： 升温速率、开始和结束温度、调制的振幅和周期
例如：开始温度：比第一个热效应低升温速率数值的3倍 结束温度：实验结束温度可以高于最后一个热效应升温速率数值的2倍。
对于未知样品，测试的温度范围要尽量宽，以免丢掉某些重要的热效应。
升温速率越小，测试的分辨率越好 升温速率越大，热效应越明显
3.气氛的选择
• 什么是玻璃化转变温度？ • 玻璃化转变的影响因素？
• 原理：测量比热容随温度的变化-在玻璃化转变以下，运动
基本冻结，到达Tg后，运动活跃，热容量大，基线向吸热方 向移动。
• 在DSC中怎么测量玻璃化转变温度？
GB/T 19466.2-2004/ISO 11357-2 1999
影响玻璃化转变的因素
g. 形态历史对Tg的影响
•当样品的表面积与体积之比很大时，样品的形态与样品的导 热快慢有关。因此测定粉末样品时，须注意样品的形态效应。
368nm 322nm 86nm
样品尺寸越小，Tg开始 的温度降低，结束温度 不变，转变区变宽，Tg 减小。
三种尺寸粉末聚苯乙烯的DSC曲线
若样品尺寸较大，受热外部 软化，内部仍是玻璃态，当 温度达到Tg，链运动使自 由体积突然增加，内部大量 吸热，出现吸热峰。
对曲线的干扰，并有助于
不同样品间的比较（使其

6. 不同之间的晶型转变温度、晶型转变热（ 材料随温度变化，新相的生成、相变、磁 性转变、铁电相变等等）
7. 晶体的熔点、金属及其合金的熔点？
8. 炸药爆炸的温度、煤的高温裂解？过程的 热量？
9. 金属氮化物、碳化物等的合成过程动力学 研究、动力学参数等。
STA 449C同步热分析仪结构简图
3.1.4 对仪器的共同要求
1. 炉子和冷却系统 great variability in temperature programming 升温速率变化范围要大
wide temperature ranges 温度范围宽
the temperature are monitored and precisely maintained in accordance with the calibration by on-line computers. 温度可由在线计算机控制、记录
物理性质 尺寸 力学特性
导热
电学特性 磁学特性
分析技术名称 热膨胀 热机械分析
动态热机械分析 热扩散系数测试 热导率常数测试 热电学法 热磁学法
4.1.2热分析方法分类
依据检测信号的传感器可分为 : 1、TG——Thermogravity(TG)——measures
changes of the sample’s mass when the temperature is changed; 测量试样的质量随其温度的变化关系； 2、DSC——Differential Scanning Calorimetry--measures the amount of heat absorbed or emitted by the sample;
1. 脱水（温度？水量？）（如化学药剂中 的水、化学法制备的粉、原料中的结晶 水、吸附水等）

精选ppt
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wii(Tg - Tg i) = 0
两组分体系
w11(Tg - Tg1) + w22(Tg - Tg2) = 0
Tg (w11 + w22)= w11Tg1 + w22Tg2
T gw 1w 1 T 1g1 1 w w 2 22 2 T g2w 1 T w g1 1 K K2 2 T w w g2
体积收缩过程是一级过程： 即排出速率与待排出自由体积分数成正比：
ddVt1Vt V1
Vt-V1
V0、V1分为T0、T1下的平衡体积
1 为速率常数
精选ppt
V0 T0 Vt V1 T1
17
ddVt1Vt V1
dVVt V1
dt
dV dt
Vt V1
lnV(t
V)Vt V1 1 V0V1
t
t 0
其数学表达式为：P = f (T)，式中P为物质的一种物理量， T是物质的温度。所谓程序控制温度就是把温度看作时间的函 数：T = φ (t), 其中 t 是时间，则 P = f (T or t)。
精选ppt
2
上述物理性质主要包括质量、温度、能量、尺寸、力学、 声、光、热、电等。根据物理性质的不同，可使用相应的热分 析技术，例如：
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Tg, c = 164 K (-109C)
Tg, t = 179 K (-94C) K1 = 0.75
Tg, v = 257 K (-16C)
K2 = 0.50
T g(B) R 16 w c w 4 1 c 0 7 .0 7 .7 w 9 t5 w 5 t0 .5 2 w v 0 5 0 .5 7 w v