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-MechanicalIntroduction
第六章热分析
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6-1 实用标准文案
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•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 实用标准文案 精彩文档
•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 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 实用标准文案
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•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。 实用标准文案
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•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：
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• 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
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•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
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– 如果部件间初始就已经接触，那么就会出现热传导。
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1 / 29 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5.67×10-8
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。 文档供参考，可复制、编制，期待您的好评与关注！
2 / 29 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。
第六章 钢的热处理
1、什么是钢的热处理？钢的热处理的特点和目的是什么？
答：钢的热处理是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却,以获得所需的组织结构和性能的工艺。
钢的热处理的特点是在固态下，通过加热、保温和冷却，来改变零件或毛坯的内部组织,而不改变其形状和尺寸的热加工工艺.钢的热处理的目的是改善零件或毛坯的使用性能及工艺性能.
2、从相图上看，怎样的合金才能通过热处理强化?
答：通过热处理能强化的材料必须是加热和冷却过程中组织结构能够发生变化的材料，通常是指:（1)有固态相变的材料;(2）经受冷加工使组织结构处于热力学不稳定状态的材料；
(3）表面能被活性介质的原子渗入.从而改变表面化学成分的材料.
3、什么是退火？其目的是什么？
答：退火是将金属或合金加热到适当温度,保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。其目的可概括为“四化”,即软化(降低硬度适应切削加工和冷冲压要求）；均匀化(消除偏析使成分和组织均匀化)；稳定化（消除内应力、稳定组织保证零件的形状和尺寸）；细化（细化晶粒、提高力学性能）。
4、亚共析钢热处理时,快速加热可显著提高屈服强度和冲击韧性，为什么？
答:快速加热可获得较大的过热度，使奥氏体形核率增加,得到细小的奥氏体晶粒，冷却后的组织晶粒也细小。细晶粒组织可显著提高钢的屈服强度和韧性。
5、热轧空冷的45钢在正常加热超过临界点Ac3后再冷却下来,组织为什么能细化？
答:热轧空冷的45钢室温组织为F+P，碳化物弥散度较大,重新加热超过临界点Ac3后,奥氏体形核率大,起始晶粒细小，冷却后的组织可获得细化。
6、填写下表:
工艺名称 加热温度/℃ 冷却方法 组织 应用
均匀化退火 Ac3+150~250 炉冷 F+P 铸钢件
完全退火 Ac3+20～30 炉冷 F+P 亚共析钢
球化退火 Ac1+20~40 炉冷 球化组织 过共析钢
再结晶退火 680～720 空冷 等轴晶粒 冷塑性变形钢
第六章热量传热微分方程
一、单相对流传热的一般数学模型
对流传热是一种与流体运动及流体内部导热规律均有关的一种传热现象。所 以，对此过程的描述，需要同时采用描述流体流动和传热两方面的基本方程，即 传热微分方程、导热微分方程、运动微分方程、连续性方程以及相应的单值条件。 下面分别介绍。
1.传热微分方程
当流体流过固体壁面时，总存在一层很薄的流体粘附在表面上，这层流体总 是处于静止状态(u=0),则热量只能依靠导热在该表而层传递。因此，在此流体 层任一微元面积dA的传热量dq,可以根据付立叶定律计算：
dq = -lrf— dA —— (1)
和So
紧结固体壁面处(11=0)的流体层屮温度梯度,
kf——流体的导热系数。
另外，根据对流传热基木方程，壁面与流体之间的传热量dg乂可写为:
dq = h[ts -tf^dA = hAtdA (2)
式中：M = ts-tf——固体壁面与流体间的温差。 h
——对流传热系数。
由⑴,(2)两式相等得：
h亠並
丽n=0 (3)
此式即为传热微分方程。欲求出对流传热膜系数h,则应先得出在该流体中的温 度分布。其温度分布可由导热微分方程描述。
2.导热微分方程：
流体内导热微分方程在前面已有推导，在无内热源时为: 上式常称为能量方程。对于稳态的温度场，里=0。
oO
因此式包括有未知量代，仏，冬，因此，欲求解上式，必须知道流体内的速
度分布，这就需求解流体的运动微分方程。
3•运动微分方程：
粘性流体的运动微分方程，即是奈斯方程:
上述三个方程中有4个未知量：ux,uy,u:及P,所以述应引入一个方程，才能求解。
该方程就是连续性方程。
4.连续性方程：
一般流体的连续性方程在前而已经导出，即:
讪 | °（刊J |。（刊J | 讥以J 二° — （6）
dx dy dz
对于不可压缩性流体lp =常数），稳态流动（叟=0 ）时，有:
30
通过对上述四种方程求解，便可得出对流传热系数h的一般解。再加上单值 条件，便可求得具体问题的解。
