ANSYS工程应用教程_热与电磁学篇
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ANSYS工程应用教程_热与电磁学篇
随着ANSYS版本的不断更新，ANSYS的应用领域也日益广泛。作为融结构、热、流体、电磁、声学为一体的大型通用有限元分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电、等一般工业及科学研究领域。
热分析包括稳态热分析、瞬态热分析、热辐射、相变、热应力等，电磁场分析包括二维静态、谐性、瞬态磁场分析，三维静态、谐性、瞬态磁场分析，高频电磁场分析和电场分析等。
ANSYS热分析简介：图形用户界面方式（GUI）或命令流方式进行计算。
ANSYS如何进行热分析：实际上，其基本原理是先将所处理的对象划分成有限个单元（包含若干节点），然后根据能量守恒原理求解一定边界条件和初始条件下每一节点处的热平衡方程，由此计算出各节点温度，继而进一步求解出其他相关量。
耦合场分析：这类涉及两个和多个物理场相互作用的问题为耦合场分析。主要方法有直接耦合和间接耦合。直接耦合解法的耦合单元包含所有的自由度，仅仅通过一次求解就能得出耦合场分析结果。这种方法实际上是通过计算包含所有必须项的单元矩阵或单元载荷向量来实现的。间接耦合法又称为序贯耦合法，通过把第一磁场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现良种场的耦合。
三种基本传热方式：
传导：当物理内部存在温度差时，热量将从高温部分传递到低温部分；而且不同温度的物体相互接触时热量会从高温物体传递到低温物体。傅立叶定律，又称导热基本定律
hotcoldA(TT)tdQ，Q为时间t内的传热量，为热传导率，T为温度，A为面积，d为两平面之间的距离。
对流：温度不同的各部分流体之间发生相对运动所引起的热量传递方式。
流体被加热时：wfqh(tt)
流体被冷却时：fwqh(tt)，wt和ft分别为壁面温度和流体温度，h为对流热系数。
热辐射是通过电磁波的方式传递能量的过程。Stefan-Boltzmann定律：4ST，T黑体的热力学温度，S辐射面积，黑体辐射常熟。4ST，实际物体的辐射率，黑度。
热分析基本材料属性：
热传导率（Thermal Conductivity）,比热容(Specific Heat), 焓(Enthalpy)，对流换热系数(Convection film coefficient), 辐射系数(Emissivity)，生热率(Heat generation rate)。
三类边界条件：
第一类边界条件是指物体边界上的温度函数为已知，wTT，或者T(x,y,t)f
第二类边界条件是指物体边界上的热流密度已知，Tkqn，或者Tkg(x,y,t)n
第三类边界条件是指与物体相接触流体介质的温度Tf和换热系数已知。fT(TT)nk
稳态热分析
稳态热分析单元：
ANSYS稳态热分析共提供了约四十种单元，其中包括辐射单元、对流单元、特殊单元以及前面所介绍的耦合场单元等。这里着重介绍最为常用的2维平面和3维实体单元。
名称 纬度 节点数 自由度 备注
PLANE35 2-D 6 温度
PLANE55 2-D 4 温度
PLANE75 2-D 4 温度
PLANE77 2-D 8 温度 适用于模拟曲面边界
PLANE78 2-D 8 温度
SOLID70 3-D 8 温度
SOLID90 3-D 20 温度 适用于模拟曲面边界
SOLID87 3-D 10 温度 适用于不规则几何形状的网络划分
稳态热分析公式：
若用公式表述稳态热分析，则系统自身产生的热量加上流入系统的热量应等于流出系统的热量，即qqq0生成流入流出。在稳态分析中，任何一点的温度不随时间变化。稳态热分析的能量平衡方程用矩阵形式表示为：[]{}={}KTQ，[K]为传导矩阵，包含热导系数，对流系数及辐射率和形状系数；{T}为节点温度向量，{}Q节点热流率向量，包含热生成。ANSYS利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件，生成[K]，{T}和{Q}
稳态热分析基本步骤：
构建模型：（1）确定作业名、标题与单位制；（2）进入PREP7前处理；（3）设置单元类型，设定单元选项，定义单元是常数；（4）设置材料属性；（5）创建几何模型并划分网络。
施加载荷计算：（1）定义热分析类型；常见的热分析类型有两种，稳态热分析与瞬态热分析
Mian menu>solution>Analysis Type>New Analysis
ANTYPE, STATIC, NEW或ANTYPE, 0, NEW
添加载荷：Main Menu>Solution>Analysis Type>Restart
ANTYPE, STATIC, REST或ANTYPE, 0, REST
（2）施加载荷：ANSYS共提供了5种载荷，包括温度、热流率、对流、热流
密度和生成热率。
温度：
热流率
对流
热流密
生成热率
求解：在对一个稳态热分析问题求解时，通常需要设定Time/Frequenc选项、非线性选项以及输出控制等载荷步选项。
后处理：ANSYS将热分析的结果写入*.rth文件中，他包含如下数据：
基本数据：节点温度；
导出数据：节点及单元的热流密度；节点及单元的热梯度；单元热流率；节点的反作用热流率；其他
可以通过三种方式察看结果：
彩色云图显示：Main Menu>General Postproc>Plot Results>Nodal Solu, Element Solu,
ElemTable
PLNSOL，PLESOL，PLETAB
矢量图显示：Main Menu>General Postproc>Plot Results>Pre-defined or Userdefined
PLVECT
列表显示：Main Menu>General Postproc>Plot Results> Nodal Solu, Element Solu,
Reaction Solu
PRNSOL，PRESOL，PRRSO瞬态热分析
瞬态热分析的应用
温度场随时间而发生变化的传热过程称为非稳态传热。这类传热按照其过程进行的特点，可分为周期性传热和非周期性传热两种。瞬态传热过程中，因为外加载荷如温度、对流等都是随时间变化，所以ANSYS在进行瞬态传热求解前必须明确载荷与时间的关系。
瞬态热分析公式
对于瞬态传热过程，系统地温度，热流率，热边界条件以及内能都将随时间发生变化。根据能量守恒原理，瞬态传热可以用公式表达为：
&[C]{T}[K]{T}{}Q
[K]为传导矩阵，包括导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；
[C]为比热容矩阵；{T}为节电温度向量；&{T}温度对时间的导数；{}Q为节点热流率向量，包括热生成。
在具体的传热过程中，可能材料的性能、边界条件等会随温度发生变化，此时上述公式将更换为：
&[C(T)]{T}[K(T)]{T}[(T)]Q
这类问题由称为非线性热分析。非线性热分析包括如下情况：材料性能是温度的函数，
瞬态分析基本步骤：
构建模型：（1）确定作业名、标题与单位制；（2）进入PREP7前处理；（3）设置单元类型，设定单元选项，定义单元是常数；（4）设置材料属性；（5）创建几何模型并划分网络。
若材料属性随温度变化的，则需要定义不同温度下对应的材料的属性表。Main
Menu>Preprocessor>Material Props>Temp Dependent-Temp Table.
施加载荷计算：（1）定义分析类型：
若进行新的瞬态热分析：Main Menu>Solution>Analysis Type>New
Analysis>Transient
ANTYPE, TRANSIENT, NEW或ANTYPE, 4, NEW
若接着上次的计算继续进行分析：Main Menu>Solution>Analysis
Type>Restart
ANTYPE, TRANSIENT, REST或ANTYPE, 4, REST
（2）设置瞬态热分析的初始条件：
A）设置均匀温度场：如果已知模型的初始温度是均匀的，可设定所有节点的初始温度值；Main Menu>Solution>-Loads-Settings>Uniform Temp
TUNIF
B）设置参考温度：定义参考温度是用于热应变的计算，热应变在数值上等于a*(T-TREF)，其中a为热膨胀系数，TREF为参考温度。Main
Menu>Solution>-Loads-Settings>Reference Temp
TREF
C）设置节点温度：Main Menu>Solution>-Loads-Settings>Thermal Temp-
erature>On Nodes；
D 删除节点温度：Main Menu>Solution>-Loads-Delete>Thermal Temp-
erature>On Nodes；
DDELE
D）设置节点初始温度：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>InitialCondit'n>
Define
IC
E）通过稳态热分析获取初始温度场基本参数：如果初始温度不均匀且是未知的，就必须首先作稳态热分析建立初始条件：设定载荷（如已知的温度、热对流等）；写入载荷步文件：Main Menu>Preprocessor>Loads>Write LS
File
LSWRITE
或先求解：Main Menu>Solution>Solve>Current Ls
SOLVE
求解：在对一个瞬态热分析问题进行求解时，与稳态热分析类似通常也需要指定一些关键的载荷步选项。其中包括：Time/Frequenc选项、非线性选项以及输出选项。
后处理：对于瞬态热分析问题，ANSYS提供了两种后处理方式，即POST1和POST26。POST1用于对整个模型在某一载荷步（时间点）的结果进行后处理：General Postproc；POST26用于对模型中特定点在所有载荷步（整个瞬态过程）的结果进行后处理：TimeHist
Prostproc
