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第19章 熱分析,熱分析的目的 熱分析用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)或部件的溫度分布及其它熱物理參數(shù)，如熱量的獲取或損失、熱梯度、熱流密度(熱通量)等 熱分析在許多工程應(yīng)用中扮演重要角色，如內(nèi)燃機(jī)、渦輪機(jī)、換熱器、管路系統(tǒng)、電子元件等,19.1 ANSYS的熱分析,在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五種產(chǎn)品中包含熱分析功能 ANSYS熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度，并導(dǎo)出其它熱物理參數(shù) ANSYS熱分析包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射三種熱傳遞方式。此外，還可以分析相變、有內(nèi)熱源、接觸熱阻等問題,19.2 ANSYS的熱分析分類,ANSYS的熱分析分類 穩(wěn)態(tài)傳熱：系統(tǒng)的溫度場(chǎng)不隨時(shí)間變化 瞬態(tài)傳熱：系統(tǒng)的溫度場(chǎng)隨時(shí)間明顯變化 與熱有關(guān)的耦合分析 熱結(jié)構(gòu)耦合 熱流體耦合 熱電耦合 熱磁耦合 熱電磁結(jié)構(gòu)耦合等,19.3 熱分析的符號(hào)與單位,表征物體吸收的熱量，為一個(gè)體系的內(nèi)能與體系的體積和外界施加于體系的壓強(qiáng)的乘積之和,19.4 傳熱學(xué)經(jīng)典理論回顧,19.5 熱傳遞的方式,1、熱傳導(dǎo) 熱傳導(dǎo)可以定義為完全接觸的兩個(gè)物體之間或一個(gè)物體的不同部分之間由于溫度梯度而引起的內(nèi)能的交換。熱傳導(dǎo)遵循付里葉定律：qn=-k*(dT/dx)，式中qn為熱流密度（W/m2），k為導(dǎo)熱系數(shù)(W/m-)，“-”表示熱量流向溫度降低的方向。 2、熱對(duì)流 熱對(duì)流是指固體的表面與它周圍接觸的流體之間，由于溫差的存在引起的熱量的交換。熱對(duì)流可以分為兩類：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。熱對(duì)流用牛頓冷卻方程來描述： qn= h*(TS-TB)，式中h為對(duì)流換熱系數(shù)(或稱膜傳熱系數(shù)、給熱系數(shù)、膜系數(shù)等)，TS為固體表面的溫度， TB為周圍流體的溫度。,19.5 熱傳遞的方式(續(xù)),3、熱輻射 熱輻射指物體發(fā)射電磁能，并被其它物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過程。物體溫度越高，單位時(shí)間輻射的熱量越多。熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流都需要有傳熱介質(zhì)，而熱輻射無須任何介質(zhì)。實(shí)質(zhì)上，在真空中的熱輻射效率最高。 在工程中通常考慮兩個(gè)或兩個(gè)以上物體之間的輻射，系統(tǒng)中每個(gè)物體同時(shí)輻射并吸收熱量。它們之間的凈熱量傳遞可以用斯蒂芬波爾茲曼方程來計(jì)算：q=A1F12(T14-T24)，式中q為熱流率， 為輻射率（黑度）， 為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)，約為5.6710-8W/m2.K4，A1為輻射面1的面積，F(xiàn)12為由輻射面1到輻射面2的形狀系數(shù)，T1為輻射面1的絕對(duì)溫度，T2為輻射面2的絕對(duì)溫度。由上式可以看出，包含熱輻射的熱分析是高度非線性的。,19.6 穩(wěn)態(tài)傳熱,如果系統(tǒng)的凈熱流率為，即流入系統(tǒng)的熱量加上系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱量等于流出系統(tǒng)的熱量：q流入+q生成-q流出=0，則系統(tǒng)處于熱穩(wěn)態(tài)。在穩(wěn)態(tài)熱分析中任一節(jié)點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化。穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程為(以矩陣形式表示):KT=Q 式中： K為傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；T為節(jié)點(diǎn)溫度向量；Q為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含熱生成； ANSYS利用模型幾何參數(shù)、材料熱性能參數(shù)以及所施加的邊界條件，生成K 、 T以及Q 。,19.7 瞬態(tài)傳熱,瞬態(tài)傳熱過程是指一個(gè)系統(tǒng)的加熱或冷卻過程。在這個(gè)過程中系統(tǒng)的溫度、熱流率、熱邊界條件以及系統(tǒng)內(nèi)能隨時(shí)間都有明顯變化。根據(jù)能量守恒原理，瞬態(tài)熱平衡可以表達(dá)為(以矩陣形式表示)：C +KT=Q 式中:K為傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)； C為比熱矩陣,考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加; T為節(jié)點(diǎn)溫度向量； 為溫度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù); Q為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含熱生成。,19.8 線性與非線性,如果有下列情況產(chǎn)生，則為非線性熱分析： 材料熱性能隨溫度變化，如K(T),C(T)等； 邊界條件隨溫度變化，如h(T)等； 含有非線性單元； 考慮輻射傳熱 非線性熱分析的熱平衡矩陣方程為： C(T) +K(T)T=Q (T),19.9 邊界條件、初始條件,ANSYS熱分析的邊界條件或初始條件可分為七種： 溫度：模型區(qū)溫度已知 熱流率：熱流率已知的點(diǎn) 對(duì)流：表面的熱傳遞給周圍的流體通過對(duì)流。輸入對(duì)流換熱系數(shù)h和環(huán)境流體的 平均溫度Tb 熱輻射：通過輻射產(chǎn)生熱傳遞的面. 輸入輻射系數(shù)，Stefan-Boltzmann常數(shù)，“空間節(jié)點(diǎn)”的溫度作為可選項(xiàng)輸入 絕熱面： “完全絕熱”面，該面上不發(fā)生熱傳遞 熱通量：?jiǎn)挝幻娣e上的熱流率已知的面 熱生成率：體的生熱率已知的區(qū)域,19.10 熱分析誤差估計(jì),僅用于評(píng)估由于網(wǎng)格密度不夠帶來的誤差； 僅適用于SOLID或SHELL的熱單元(只有溫度一個(gè)自由度)； 基于單元邊界的熱流密度的不連續(xù)； 僅對(duì)一種材料、線性、穩(wěn)態(tài)熱分析有效； 使用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分可以對(duì)誤差進(jìn)行控制。,19.11 穩(wěn)態(tài)傳熱分析,穩(wěn)態(tài)傳熱用于分析穩(wěn)定的熱載荷對(duì)系統(tǒng)或部件的影響。通常在進(jìn)行瞬態(tài)熱分析以前，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析用于確定初始溫度分布。 穩(wěn)態(tài)熱分析可以通過有限元計(jì)算確定由于穩(wěn)定的熱載荷引起的溫度、熱梯度、熱流率、熱流密度等參數(shù),19.11.1 熱分析的單元,熱分析涉及到的單元有大約40種，其中純粹用于熱分析的有14種： 線性：LINK32 兩維二節(jié)點(diǎn)熱傳導(dǎo)單元 LINK33 三維二節(jié)點(diǎn)熱傳導(dǎo)單元 LINK34 二節(jié)點(diǎn)熱對(duì)流單元 LINK31 二節(jié)點(diǎn)熱輻射單元 二維實(shí)體：PLANE55 四節(jié)點(diǎn)四邊形單元 PLANE77 八節(jié)點(diǎn)四邊形單元 PLANE35 三節(jié)點(diǎn)三角形單元 PLANE75 四節(jié)點(diǎn)軸對(duì)稱單元 PLANE78 八節(jié)點(diǎn)軸對(duì)稱單元,19.11.1 熱分析的單元(續(xù)),三維實(shí)體：SOLID87 六節(jié)點(diǎn)四面體單元 SOLID70 八節(jié)點(diǎn)六面體單元 SOLID90 二十節(jié)點(diǎn)六面體單元 殼： SHELL57 四節(jié)點(diǎn) 點(diǎn)： MASS71,19.11.2 穩(wěn)態(tài)熱分析的基本過程,ANSYS熱分析可分為三個(gè)步驟： 前處理：建模 求解：施加載荷計(jì)算 后處理：查看結(jié)果,19.11.3 建模,確定jobname、title、unit； 進(jìn)入PREP7前處理，定義單元類型，設(shè)定單元選項(xiàng)； 定義單元實(shí)常數(shù)； 定義材料熱性能參數(shù)，對(duì)于穩(wěn)態(tài)傳熱，一般只需定義導(dǎo)熱系數(shù)，它可以是恒定的，也可以隨溫度變化； 創(chuàng)建幾何模型并劃分網(wǎng)格。,19.11.3.1 幾何尺寸(模型),既可用ANSYS建立模型，也可用其它方法建好模型后導(dǎo)入 模型建好后，以上兩種建模方法的具體過程將不再顯示,19.11.3.2 劃分網(wǎng)格,首先定義單元屬性: 單元類型, 實(shí)常數(shù), 材料屬性. 單元類型 下表給出了常用的熱單元類型 每個(gè)結(jié)點(diǎn)只有一個(gè)自由度: 溫度,19.11.3.2 劃分網(wǎng)格(續(xù)),材料屬性 必須輸入導(dǎo)熱系數(shù), KXX 如果施加了內(nèi)部熱生成率，則需指定比熱 (C) ANSYS提供的材料庫(kù) (/ansys57/matlib)包括幾種常用材料的結(jié)構(gòu)屬性 和熱屬性, 但是建議用戶創(chuàng)建、使用自己的材料庫(kù) 把優(yōu)先設(shè)置為 “熱分析” ，使材料模型圖形用戶界面只顯示材料的熱屬性 實(shí)常數(shù) 主要應(yīng)用于殼單元和線單元,19.11.3.2 劃分網(wǎng)格(續(xù)),劃分網(wǎng)格 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件 使用 MeshTool 劃分網(wǎng)格，使用缺省的智能網(wǎng)格劃分級(jí)別6可以生成很好的初始網(wǎng)格 至此完成前處理，下面開始求解,19.11.4 施加載荷計(jì)算, 定義分析類型 如果進(jìn)行新的熱分析： Command: ANTYPE, STATIC, NEW GUI: Main menuSolution-Analysis Type-New AnalysisSteady-state 如果繼續(xù)上一次分析，比如增加邊界條件等： Command: ANTYPE, STATIC, REST GUI: Main menuSolutionAnalysis Type-Restart,19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù)), 施加載荷 可以直接在實(shí)體模型或單元模型上施加五種載荷(邊界條件) ： a、恒定的溫度 通常作為自由度約束施加于溫度已知的邊界上。 Command Family: D GUI：Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-Temperature,19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù)),b、熱流率 熱流率作為節(jié)點(diǎn)集中載荷，主要用于線單元模型中(通常線單元模型不能施加對(duì)流或熱流密度載荷)，如果輸入的值為正，代表熱流流入節(jié)點(diǎn)，即單元獲取熱量。如果溫度與熱流率同時(shí)施加在一節(jié)點(diǎn)上則ANSYS讀取溫度值進(jìn)行計(jì)算。 注意：如果在實(shí)體單元的某一節(jié)點(diǎn)上施加熱流率，則此節(jié)點(diǎn)周圍的單元要密一些，在兩種導(dǎo)熱系數(shù)差別很大的兩個(gè)單元的公共節(jié)點(diǎn)上施加熱流率時(shí)，尤其要注意。此外，盡可能使用熱生成或熱流密度邊界條件，這樣結(jié)果會(huì)更精確些。 Command Family: F GUI：Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-Heat Flow,19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù)),c、對(duì)流 對(duì)流邊界條件作為面載施加于實(shí)體的外表面，計(jì)算與流體的熱交換，它僅可施加于實(shí)體和殼模型上，對(duì)于線模型，可以通過對(duì)流線單元LINK34考慮對(duì)流。 Command Family: SF GUI：Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-Convection,19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù)),d、熱流密度 熱流密度也是一種面載。當(dāng)通過單位面積的熱流率已知或通過FLOTRAN CFD計(jì)算得到時(shí)，可以在模型相應(yīng)的外表面施加熱流密度。如果輸入的值為正，代表熱流流入單元。熱流密度也僅適用于實(shí)體和殼單元。熱流密度與對(duì)流可以施加在同一外表面，但ANSYS僅讀取最后施加的面載進(jìn)行計(jì)算。 Command Family: F GUI：Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-Heat Flux,19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù)),e、生熱率 生熱率作為體載施加于單元上，可以模擬化學(xué)反應(yīng)生熱或電流生熱。它的單位是單位體積的熱流率。 Command Family: BF GUI：Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-Heat Generat,19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù)),定載荷步選項(xiàng) 對(duì)于一個(gè)熱分析，可以確定普通選項(xiàng)、非線性選項(xiàng)以及輸出控制。 a. 普通選項(xiàng) 時(shí)間選項(xiàng)：雖然對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱分析，時(shí)間選項(xiàng)并沒有實(shí)際的物理意義，但它提供了一個(gè)方便的設(shè)置載荷步和載荷子步的方法。 Command: TIME GUI: Main MenuSolution -Load Step Opts- Time/Frequenc Time-Time Step/ Time and Substps,19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù)), 每載荷步中子步的數(shù)量或時(shí)間步大小：對(duì)于非線性分析，每一載荷步需要多個(gè)子步。 Command: NSUBST GUI: Main MenuSolution-Load Step Opts- Time/Frequenc Time and Substps Command: DELTIM GUI: Main MenuSolution-Load Step Opts- Time/Frequenc Time-Time Step,19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù)), 遞進(jìn)或階越選項(xiàng)：如果定義階越(stepped)選項(xiàng)，載荷值在這個(gè)載荷步內(nèi)保持不變；如果為遞進(jìn)(ramped)選項(xiàng)，則載荷值由上一載荷步值到本載荷步值隨每一子步線性變化。 Command: KBC GUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime-Time Step/Time and Substps,19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù)),b. 非線性選項(xiàng) 迭代次數(shù)：本選項(xiàng)設(shè)置每一子步允許的最多的迭代次數(shù)。默認(rèn)值為25，對(duì)大數(shù)熱分析問題足夠。 Command: NEQIT GUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-NolinearEquilibrium Iter,19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù)),自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng): 對(duì)于非線性問題，可以自動(dòng)設(shè)定子步間載荷的增長(zhǎng)，保證求解的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。 Command: AUTOTS GUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime-Time Step/Time and Substps,19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù)), 收斂誤差：可根據(jù)溫度、熱流率等檢驗(yàn)熱分析的收斂性。 Command: CNVTOL GUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-NolinearConvergence Crit,19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù)),求解結(jié)束選項(xiàng)：如果在規(guī)定的迭代次數(shù)內(nèi)，達(dá)不到收斂，ANSYS可以停止求解或到下一載荷步繼續(xù)求解。 Command: NCNV GUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-NolinearCriteria to Stop,19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù)),線性搜索：設(shè)置本選項(xiàng)可使ANSYS用Newton-Raphson方法進(jìn)行線性搜索。 Command: LNSRCH GUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-NolinearLine Search,19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù)),預(yù)測(cè)矯正：本選項(xiàng)可激活每一子步第一次迭代對(duì)自由度求解的預(yù)測(cè)矯正。 Command: PRED GUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-NolinearPredictor,19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù)),c. 輸出控制 控制打印輸出：本選項(xiàng)可將任何結(jié)果數(shù)據(jù)輸出到*.out 文件中。 Command: OUTPR GUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-Output CtrlsSolu Printout,19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù)), 控制結(jié)果文件：控制*.rth的內(nèi)容。 Command: OUTRES GUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-Output CtrlsDB/Results File,19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù)),確定分析選項(xiàng) a. Newton-Raphson選項(xiàng)(僅對(duì)非線性分析有用) Command: NROPT GUI: Main Menu Solution Analysis Options,19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù)),b. 選擇求解器：可選擇如下求解器中一個(gè)進(jìn)行求解： Frontal solver(默認(rèn)） Jacobi Conjugate Gradient(JCG) solver JCG out-of-memory solver Incomplete Cholesky Conjugate Gradient(ICCG) solver Pre-Conditioned Conjugate Gradient Solver(PCG) Iterative(automatic solver selection option),19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù)),Command: EQSLV GUI: Main MenuSolutionAnalysis Options 注意：熱分析可選用Iterative選項(xiàng)進(jìn)行快速求解，但如下情況除外： 熱分析包含SURF19或SURF22或超單元； 熱輻射分析； 相變分析 需要restart an analysis,19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù)),c. 確定絕對(duì)零度：在進(jìn)行熱輻射分析時(shí)，要將目前的溫度值換算為絕對(duì)溫度。如果使用的溫度單位是攝氏度，此值應(yīng)設(shè)定為273；如果使用的是華氏度，則為460。 Command: TOFFST GUI: Main Menu Solution Analysis Options,19.11.4 施加載荷計(jì)算(續(xù)),保存模型: 點(diǎn)擊ANSYS工具條SAVE_DB。 求解 Command: SOLVE GUI: Main MenuSolutionCurrent LS,19.11.5 后處理,ANSYS將熱分析的結(jié)果寫入*.rth文件中，它包含如下數(shù)據(jù)： 基本數(shù)據(jù)： 節(jié)點(diǎn)溫度 導(dǎo)出數(shù)據(jù)： 節(jié)點(diǎn)及單元的熱流密度 節(jié)點(diǎn)及單元的熱梯度 單元熱流率 節(jié)點(diǎn)的反作用熱流率 其它,19.11.5 后處理(續(xù)),對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱分析，可以使用POST1進(jìn)行后處理，進(jìn)入POST1后，讀入載荷步和子步： Command: SET GUI: Main MenuGeneral Postproc-Read Results-By Load Step,19.11.5 后處理(續(xù)),可以通過如下三種方式查看結(jié)果： 彩色云圖顯示 Command: PLNSOL, PLESOL, PLETAB等 GUI: Main Menu General Postproc Plot ResultsNodal Solu, Element Solu, Elem Table,19.11.5 后處理(續(xù)),對(duì)3-D 實(shí)體模型繪制云圖時(shí)，選項(xiàng)isosurfaces (等值面)是非常有用的. 用 /CTYPE 命令或 Utility Menu PlotCtrls Style Contours Contour Style.,19.11.5 后處理(續(xù)), 矢量圖顯示 Command: PLVECT GUI: Main Menu General Postproc Plot ResultsPre-defined or Userdefined,19.11.5 后處理(續(xù)), 列表顯示 Command: PRNSOL, PRESOL, PRRSOL等 GUI: Main Menu General Postproc List ResultsNodal Solu, Element Solu, Reaction Solu,19.11.5 后處理(續(xù)),檢查結(jié)果是否正確 溫度是否在預(yù)期的范圍內(nèi)? 在指定溫度和熱流邊界的基礎(chǔ)上，估計(jì)預(yù)期的范圍 網(wǎng)格大小是否滿足精度? 和受力分析一樣，可以畫出非均勻分布的溫度梯度 (單元解) 并找出高梯度的單元. 這些區(qū)域可作為重新定義網(wǎng)格時(shí)的參考 若節(jié)點(diǎn)溫度梯度（平均的）和單元溫度梯度（非平均的）之間的差別很大，則可能是網(wǎng)格劃分太粗糙,19.12 練習(xí)-穩(wěn)態(tài)傳熱分析,某一潛水艇可以簡(jiǎn)化為一圓筒，它由三層組成，最外面一層為不銹鋼，中間為玻纖隔熱層，最里面為鋁層，筒內(nèi)為空氣，筒外為海水，求內(nèi)外壁面溫度及溫度分布。 幾何參數(shù)：筒外徑 30 feet 總壁厚 2 inch 不銹鋼層壁厚 0.75 inch 玻纖層壁厚 1 inch 鋁層壁厚 0.25 inch 筒長(zhǎng) 200 feet 導(dǎo)熱系數(shù)：不銹鋼 8.27 BTU/hr.ft.oF 玻纖 0.028 BTU/hr.ft.oF 鋁 117.4 BTU/hr.ft.oF,19.12.1 邊界條件,邊界條件 ： 空氣溫度 70oF 海水溫度 44.5oF 空氣對(duì)流系數(shù) 2.5 BTU/hr.ft2.oF 海水對(duì)流系數(shù) 80 BTU/hr.ft2.oF 沿垂直于圓筒軸線作橫截面，得到一圓環(huán)，取其中1度進(jìn)行分析，如圖示。,19.12.2 log文件,/filename, Steady1 /title, Steady-state thermal analysis of submarine /units, BFT Ro=15 !外徑(ft) Rss=15-(0.75/12) !不銹鋼層內(nèi)徑ft) Rins=15-(1.75/12) !玻璃纖維層內(nèi)徑(ft) Ral=15-(2/12) !鋁層內(nèi)徑 (ft) Tair=70 !潛水艇內(nèi)空氣溫度 Tsea=44.5 !海水溫度 Kss=8.27 !不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù) (BTU/hr.ft.oF) Kins=0.028 !玻璃纖維的導(dǎo)熱系數(shù) (BTU/hr.ft.oF),19.12.2 log文件(續(xù)),Kal=117.4 !鋁的導(dǎo)熱系數(shù)(BTU/hr.ft.oF) Hair=2.5 !空氣的對(duì)流系數(shù)(BTU/hr.ft2.oF) Hsea=80 !海水的對(duì)流系數(shù)(BTU/hr.ft2.oF) /prep7 et,1,plane55 !定義二維熱單元 mp,kxx,1,Kss !設(shè)定不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù) mp,kxx,2,Kins !設(shè)定玻璃纖維的導(dǎo)熱系數(shù) mp,kxx,3,Kal !設(shè)定鋁的導(dǎo)熱系數(shù) pcirc,Ro,Rss,-0.5,0.5 !創(chuàng)建幾何模型 pcirc,Rss,Rins,-0.5,0.5 pcirc,Rins,Ral,-0.5,0.5 aglue,all,19.12.2 log文件(續(xù)),numcmp,area lesize,1,16 !設(shè)定劃分網(wǎng)格密度 lesize,4,4 lesize,14,5 lesize,16,2 eshape,2 !設(shè)定為映射網(wǎng)格劃分 mat,1 amesh,1 mat,2 amesh,2 mat,3 amesh,3,19.12.2 log文件(續(xù)),/SOLU SFL,11,CONV,HAIR,TAIR !施加空氣對(duì)流邊界 SFL,1,CONV,HSEA,TSEA !施加海水對(duì)流邊界 SOLVE /POST1 PLNSOL ！輸出溫度彩色云圖 finish,19.12.3 菜單操作,菜單操作: 1.Utility MenuFilechange jobname, 輸入Steady1； 2.Utility MenuFilechange title,輸入Steady-state thermal analysis of submarine； 3.在命令行輸入:/units, BFT； 4.Main Menu: Preprocessor；,19.12.3 菜單操作(續(xù)),5.Main Menu: Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete ,選擇PLANE55； 6.Main Menu: Preprocessor Material Prop -Constant - Isotropic,默認(rèn)材料編號(hào)為1,在KXX框中輸入8.27,選擇APPLY,輸入材料編號(hào)為2,在KXX框中輸入0.028,選擇APPLY,輸入材料編號(hào)為3,在KXX框中輸入117.4；,19.12.3 菜單操作(續(xù)),7.Main Menu: Preprocessor-Modeling-Create-Areas-CircleBy Dimensions 在RAD1中輸入15,在RAD2中輸入15-(.75/12),在THERA1中輸入-0.5,在THERA2中輸入0.5,選擇APPLY; 在RAD1中輸入15-(.75/12),在RAD2中輸入15-(1.75/12),選擇APPLY; 在RAD1中輸入15-(1.75/12),在RAD2中輸入15-2/12,選擇OK；,19.12.3 菜單操作(續(xù)),8.Main Menu: Preprocessor-Modeling-Operate-Booleane-GlueArea,選擇PICK ALL；,19.12.3 菜單操作(續(xù)),9.Main Menu: Preprocessor-Meshing-Size Contrls-Lines-Picked Lines 選擇不銹鋼層短邊,在NDIV框中輸入4,選擇APPLY;,19.12.3 菜單操作(續(xù)),選擇玻璃纖維層的短邊,在NDIV框中輸入5,選擇APPLY; 選擇鋁層的短邊,在NDIV框中輸入2,選擇APPLY; 選擇四個(gè)長(zhǎng)邊,在NDIV中輸入16；,19.12.3 菜單操作(續(xù)),10.Main Menu: Preprocessor-Attributes-Define Picked Area 選擇不銹鋼層,在MAT框中輸入1,選擇APPLY; 選擇玻璃纖維層,在MAT框中輸入2,選擇APPLY; 選擇鋁層,在MAT框中輸入3,選擇OK；,19.12.3 菜單操作(續(xù)),11.Main Menu: Preprocessor-Meshing-Mesh-Areas-Mapped3 or 4 sided,選擇PICK ALL；,19.12.3 菜單操作(續(xù)),12.Main Menu: Solution-Loads-Apply-Thermal-Convection On lines 選擇不銹鋼外壁,在VALI框中輸入80,在VAL2I框中輸入44.5,選擇APPLY;,19.12.3 菜單操作(續(xù)),選擇鋁層內(nèi)壁,在VALI框中輸入2.5,在VAL2I框中輸入70,選擇OK；,19.12.3 菜單操作(續(xù)),13.Main Menu: Solution-Solve-Current LS； 14.Main Menu: General PostprocPlot Results-Contour Plot-Nodal Solu,選擇Temperature。,19.13ANSYS Verification Manual中關(guān)于穩(wěn)態(tài)熱分析的實(shí)例,VM58 Centerline temperature of a heat generating wire VM92 Insulted wall temperature VM93 Temperature dependent conductivity VM94 Heat generating plate VM95 Heat transfer from a cooling spine VM96 Temperature distribution in a short solid cylinder VM97 Temperature distribution along a straight fin VM98 Temperature distribution along a tapered fin VM99 Temperature distribution in a trapezoidal fin VM100 Heat conductivity across a chimney section,19.13ANSYS Verification Manual中關(guān)于穩(wěn)態(tài)熱分析的實(shí)例(續(xù)),VM101 Temperature distribution in a short solid cylinder VM102 Cylinder with temperature dependent conductivity VM103 Thin plate with a central heat source VM105 Heat generation coil with temperature dependent conductivity VM108 Temperature gradient across a solid cylinder VM118 Centerline temperature of a heat generating wire VM160 Solid cylinder with harmonic temperature load VM161 Heat flow from a insulated pipe VM162 Cooling of a circular fin of rectangular profile VM193 Adaptive analysis of two-dimensional heat transfer with convection,19.14 瞬態(tài)傳熱分析,瞬態(tài)熱分析用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)及其它熱參數(shù)。在工程上一般用瞬態(tài)熱分析計(jì)算溫度場(chǎng)，并將之作為熱載荷進(jìn)行應(yīng)力分析。 其基本步驟與穩(wěn)態(tài)熱分析類似。主要的區(qū)別是瞬態(tài)熱分析中的載荷是隨時(shí)間變化的。為了表達(dá)隨時(shí)間變化的載荷，首先必須將載荷時(shí)間曲線分為載荷步。載荷時(shí)間曲線中的每一個(gè)拐點(diǎn)為一個(gè)載荷步，如下圖所示。對(duì)于每一個(gè)載荷步，必須定義載荷值及時(shí)間值，同時(shí)必須選擇載荷步為漸變或階越。,19.14.1 瞬態(tài)熱分析中的單元、命令及步驟,瞬態(tài)熱分析中使用的單元與穩(wěn)態(tài)熱分析相同。 要了解每個(gè)單元的詳細(xì)說明，請(qǐng)參閱ANSYS Element Reference Guide。 要了解每個(gè)命令的詳細(xì)功能，請(qǐng)參閱ANSYS Command Reference Guide。 瞬態(tài)熱分析的步驟 建模 加載求解 后處理,19.14.2 建模,確定jobname、title、units, 進(jìn)入PREP7； 定義單元類型并設(shè)置選項(xiàng)； 如果需要，定義單元實(shí)常數(shù)； 定義材料熱性能：一般瞬態(tài)熱分析要定義導(dǎo)熱系數(shù)、密度及比熱； 建立幾何模型； 對(duì)幾何模型劃分網(wǎng)格。 關(guān)于建模及劃分網(wǎng)格，請(qǐng)參閱ANSYS Modeling and Meshing Guide。,19.14.3 加載求解,a、定義分析類型 如果第一次進(jìn)行分析，或重新進(jìn)行分析 GUI: Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis Transient Command: ANTYPE,TRANSIENT,NEW,19.14.3 加載求解(續(xù)), 如果接著上次的分析繼續(xù)進(jìn)行(例如增加其它載荷) GUI: Main MenuSolutionAnalysis TypeRestart Command: ANTYPE,TRANSIENT,REST,19.14.3 加載求解(續(xù)),b、獲得瞬態(tài)熱分析的初始條件 定義均勻溫度場(chǎng) 如果已知模型的起始溫度是均勻的，可設(shè)定所有節(jié)點(diǎn)初始溫度 Command: TUNIF GUI: Main Menu Solution-Loads-Settings Uniform Temp,19.14.3 加載求解(續(xù)),如果不在對(duì)話框中輸入數(shù)據(jù)，則默認(rèn)為參考溫度，參考溫度的值默認(rèn)為零，但可通過如下方法設(shè)定參考溫度： Command: TREF GUI: Main Menu Solution-Loads-SettingsReference Temp,19.14.3 加載求解(續(xù)),注意：設(shè)定均勻的初始溫度，與如下的設(shè)定節(jié)點(diǎn)的溫度(自由度)不同 Command: D GUI: Main Menu Solution -Loads- Apply -Thermal- Temperature On Nodes,19.14.3 加載求解(續(xù)),初始均勻溫度僅對(duì)分析的第一個(gè)子步有效；而設(shè)定節(jié)點(diǎn)溫度將保持貫穿整個(gè)瞬態(tài)分析過程，除非通過下列方法刪除此約束： Command: DDELE GUI: Main Menu Solution-Loads-Delete-Thermal-Temperature On Nodes,19.14.3 加載求解(續(xù)),設(shè)定非均勻的初始溫度 在瞬態(tài)熱分析中，節(jié)點(diǎn)溫度可以設(shè)定為不同的值： Command: IC GUI: Main Menu SolutionLoadsApply-Initial Conditn Define,19.14.3 加載求解(續(xù)),如果初始溫度場(chǎng)是不均勻的且又是未知的，就必須首先作穩(wěn)態(tài)熱分析確定初始條件： 設(shè)定載荷（如已知的溫度、熱對(duì)流等） 將時(shí)間積分設(shè)置為OFF： Command: TIMINT, OFF GUI: Main Menu Preprocessor Loads-Load Step Opts-Time/Frequenc Time Integration,19.14.3 加載求解(續(xù)),19.14.3 加載求解(續(xù)), 設(shè)定一個(gè)只有一個(gè)子步的，時(shí)間很小的載荷步(例如0.001)： Command: TIME GUI: Main Menu PreprocessorLoads-Load Step Opts-Time/Frequenc Time and Substps,19.14.3 加載求解(續(xù)), 寫入載荷步文件： Command: LSWRITE GUI: Main Menu PreprocessorLoadsWrite LS File 或先求解： Command: SOLVE GUI: Main Menu SolutionSolveCurrent LS 注意：在第二載荷步中，要?jiǎng)h去所有設(shè)定的溫度，除非這些節(jié)點(diǎn)的溫度在瞬態(tài)分析與穩(wěn)態(tài)分析相同。,19.14.3 加載求解(續(xù)),c、設(shè)定載荷步選項(xiàng) 、普通選項(xiàng) 時(shí)間：本選項(xiàng)設(shè)定每一載荷步結(jié)束時(shí)的時(shí)間： Command: TIME GUI: Main Menu Solution-Load Step Opts-Time/Frequenc Time and Substps,19.14.3 加載求解(續(xù)),c、設(shè)定載荷步選項(xiàng) 普通選項(xiàng) 每個(gè)載荷步的載荷子步數(shù)，或時(shí)間增量 對(duì)于非線性分析，每個(gè)載荷步需要多個(gè)載荷子步。時(shí)間步長(zhǎng)的大小關(guān)系到計(jì)算的精度。步長(zhǎng)越小，計(jì)算精度越高，同時(shí)計(jì)算的時(shí)間越長(zhǎng)。根據(jù)線性傳導(dǎo)熱傳遞，可以按如下公式估計(jì)初始時(shí)間步長(zhǎng)： ITS=2/4 其中為沿?zé)崃鞣较驘崽荻茸畲筇幍膯卧拈L(zhǎng)度， 為導(dǎo)溫系數(shù)，它等于導(dǎo)熱系數(shù)除以密度與比熱的乘積（ k/c)。 Command: NSUBST or DELTIM GUI: Main Menu Solution-Load Step Opts- Time/Frequenc Time and Substps,19.14.3 加載求解(續(xù)),如果載荷在這個(gè)載荷步是恒定的，需要設(shè)為階越選項(xiàng)；如果載荷值隨時(shí)間線性變化，則要設(shè)定為漸變選項(xiàng)： Command: KBC GUI: Main Menu Solution-Load Step Opts- Time/Frequenc Time and Substps,19.14.3 加載求解(續(xù)),非線性選項(xiàng) 迭代次數(shù)：每個(gè)子步默認(rèn)的次數(shù)為25，這對(duì)大多數(shù)非線性熱分析已經(jīng)足夠。 Command: NEQIT GUI: Main Menu Solution-Load step opts Nonlinear Equilibrium Iter,19.14.3 加載求解(續(xù)),自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)：本選項(xiàng)為ON時(shí)，在求解過程中將自動(dòng)調(diào)整時(shí)間步長(zhǎng)。 Command: AUTOTS GUI: Main Menu Solution-Load Step Opts- Time/Frequenc Time and Substps,19.14.3 加載求解(續(xù)),時(shí)間積分效果：如果將此選項(xiàng)設(shè)定為OFF，將進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析。 Command: TIMINT GUI: Main Menu Solution-Load Step Opts- Time/Frequenc Time Integration,19.14.3 加載求解(續(xù)),輸出選項(xiàng) 控制打印輸出：本選項(xiàng)可將任何結(jié)果數(shù)據(jù)輸出到*.out 文件中 Command: OUTPR GUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-Output CtrlsSolu Printout,19.14.3 加載求解(續(xù)), 控制結(jié)果文件：控制*.rth的內(nèi)容 Command: OUTRES GUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-Output Ctrls DB/Results File 存盤求解,19.14.4 后處理,ANSYS提供兩種后處理方式： POST1，可以對(duì)整個(gè)模型在某一載荷步(時(shí)間點(diǎn))的結(jié)果進(jìn)行后處理； Command: POST1 GUI: Main MenuGeneral Postproc. POST26，可以對(duì)模型中特定點(diǎn)在所有載荷步(整個(gè)瞬態(tài)過程)的結(jié)果進(jìn)行后處理。 Command: POST26 GUI: Main MenuTimeHist Postproc,19.14.4 后處理(續(xù)),1、用POST1進(jìn)行后處理 進(jìn)入POST1后，可以讀出某一時(shí)間點(diǎn)的結(jié)果： Command: SET GUI: Main MenuGeneral PostprocRead ResultsBy Time/Freq 如果設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)不在任何一個(gè)子步的時(shí)間點(diǎn)上，ANSYS會(huì)進(jìn)行線性插值。 此外還可以讀出某一載荷步的結(jié)果： GUI: Main MenuGeneral PostprocRead ResultsBy Load Step 然后就可以采用與穩(wěn)態(tài)熱分析類似的方法，對(duì)結(jié)果進(jìn)行彩色云圖顯示、矢量圖顯示、打印列表等后處理。,19.14.4 后處理(續(xù)),2、用POST26進(jìn)行后處理 首先要定義變量： Command: NSOL or ESOL or RFORCE GUI: Main MenuTimeHist PostprocDefine Variables,19.14.4 后處理(續(xù)), 然后就可以繪制這些變量隨時(shí)間變化的曲線： Command: PLVAR GUI: Main MenuTimeHist PostprocGraph Variables,19.14.4 后處理(續(xù)),或列表輸出： Command: PRVAR GUI: Main MenuTimeHist PostprocList Variables 此外，POST26還提供許多其它功能，如對(duì)變量進(jìn)行數(shù)學(xué)操作等,19.15 相變問題,ANSYS熱分析最強(qiáng)大的功能之一就是可以分析相變問題，例如凝固或熔化等。含有相變問題的熱分析是一個(gè)非線性的瞬態(tài)的問題。 相變問題需要考慮熔融潛熱，即在相變過程吸收或釋放的熱量。ANSYS通過定義材料的焓隨溫度變化來考慮熔融潛熱(如圖所示)。 焓的單位是J/m3，是密度與比熱的乘積對(duì)溫度的積分,19.15 相變問題(續(xù)),求解相變問題，應(yīng)當(dāng)設(shè)定足夠小的時(shí)間步長(zhǎng)，并將自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為ON； 選用低階的熱單元，例如PLANE55或SOLID70。如果必須選用高階單元，請(qǐng)將單元選項(xiàng)KEYOPT(1)設(shè)置為1: Command: keyopt(1)=1 GUI: Main MenuPrepocessorElement Type Add/Edit/Delete Options -Specific heat matrix- Diagonalized,19.15 相變問題(續(xù)),在設(shè)定瞬態(tài)積分參數(shù)時(shí)，請(qǐng)將THETA值設(shè)置為1(默認(rèn)為0.5): Command: TINTP GUI: Main Menu Solution-Load and Step Opts- Time/Frequence Time intergration THETA,19.15 相變問題(續(xù)),線性搜索將有助于加速相變問題的求解。 Command: LNSRCH GUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-NonlinearLine Search,19.16 練習(xí)-瞬態(tài)傳熱分析,一個(gè)30公斤重、溫度為70的銅塊,以及一個(gè)20公斤重、溫度為80的鐵塊，突然放入溫度為20、盛滿了300升水的、完全絕熱的水箱中,如圖所示。過了一個(gè)小時(shí)，求銅塊與鐵塊的最高溫度(假設(shè)忽略水的流動(dòng))。 材料熱物理性能如下:,19.16 練習(xí)-瞬態(tài)傳熱分析(續(xù)),19.16.1 log文件,/filename,transient1 /title, Thermal Transient Exercise 1 !進(jìn)入前處理 /prep7 et,1,plane77 ! 定義單元類型 mp,kxx,1,383 ! 定義材料熱性能參數(shù) mp,dens,1,8889 !1銅，2鐵，3水 mp,c,1,390 mp,kxx,2,70 mp,dens,2,7837 mp,c,2,448 mp,kxx,3,0.61 mp,dens,3,996 mp,c,3,4185,19.16.1 log文件(續(xù)),rectnag,0,0.6,0,0.5 !創(chuàng)建幾何實(shí)體 rectang,0.15,0.225,0.225,0.27 rectang,0.6-0.2-0.058,0.6-0.2,0.225,0.225+0.044 aovlap,all !布爾操作 /pnum,area,1 aplot aatt,1,1,1 !劃分網(wǎng)格 eshape,2 esize,0.02 amesh,2 aatt,2,1,1 amesh,3 aatt,3,1,1 eshape,3 esize,0.05 amesh,4,19.16.1 log文件(續(xù)),/pnum,mat,1 eplot finish !加載求解 /solu antype,trans timint,off !先作穩(wěn)態(tài)分析,確定初始條件 time,0.01 !設(shè)定只有一個(gè)子步的時(shí)間很小的載荷步 deltim,0.01 esel,s,mat,3 nsle,s d,all,temp,20 esel,s,mat,2 nsle,s d,all,temp,80,19.16.1 log文件(續(xù)),esel,s,mat,1 nsle,s d,all,temp,70 allsel solve !得到初始溫度分布 time,3600 !進(jìn)行瞬態(tài)分析 timint,on !打開時(shí)間積分 deltim,26,2,200 !設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)，最大及最小時(shí)間步長(zhǎng) autots,on !打開自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng) ddelet,all,temp !刪除穩(wěn)態(tài)分析中定義的節(jié)點(diǎn)溫度 outres,all,1 !將每個(gè)子步的值寫入數(shù)據(jù)庫(kù)文件 solve finish save,19.16.1 log文件(續(xù)),!進(jìn)入POST26后處理 /post26 solu,2,dtime,dtime !2每一子步采用的時(shí)間步長(zhǎng) nsol,3,node(0.1875,0.2475,0),temp,T_Copper !3銅塊的中心點(diǎn) nsol,4,node(0.371,0.247,0),temp,T_Iron !4鐵塊的中心點(diǎn) nsol,5,node(30,0,0),temp,T_H2O_Bot !5水箱的底部 nsol,6,node(30,50,0),temp,T_H2O_Top !6水箱的頂部 nsol,7,node(0,25,0),temp,T_H2O_Left !7水箱的左部 nsol,8,node(60,25,0),temp,T_H2O_Right !8水箱的右部 Plvar,2 plvar,3,4,5,6,7,8 finish,19.16.1 log文件(續(xù))