ANSYS熱分析詳解

1、僅供個(gè)人參考For personal use only in study and research; not forcommercial use第一章簡(jiǎn)介一、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。二、ANSYS的熱分析 在 ANSYS/Multiphysics 、 ANSYS/Mecha nical、 ANSYS/Thermal 、ANSYS/FLOTRAN 、ANSYS/ED 五 種產(chǎn)品 中包 含熱分 析功能，其中 ANSYS/

2、FLOTRAN不含相變熱分析。* 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。三、ANSYS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)間明顯變化四、耦合分析*熱一結(jié)構(gòu)耦合*熱-流體耦合*熱一電耦合* 熱磁耦合*熱電磁結(jié)構(gòu)耦合等第章基礎(chǔ)知識(shí)、符號(hào)與單位項(xiàng)目國(guó)際單位英制單位ANSYS代號(hào)長(zhǎng)度mft時(shí)間ss質(zhì)量Kglbm溫度CoF力NIbf能量（熱量）JBTU:功率（熱流率）WBTU/sec熱流密度W/

3、m 2BTU/sec-ft 2生熱速率3W/m3BTU/sec-ft導(dǎo)熱系數(shù)W/m- CBTU/sec-ft- oFKXX對(duì)流系數(shù)W/m2- CBTU/sec-ft 2-oFHF密度Kg/m 3lbm/ft 3DENS比熱J/Kg- CBTU/lbm- oFC焓3J/m3BTU/ftENTH二、傳熱學(xué)經(jīng)典理論回顧熱分析遵循熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律：對(duì)于一個(gè)封閉的系統(tǒng)（沒有質(zhì)量的流入或流出 式中：Q熱量；W 作功；U 系統(tǒng)內(nèi)能；-KE系統(tǒng)動(dòng)能；PE 系統(tǒng)勢(shì)能；對(duì)于大多數(shù)工程傳熱問題：KE = PE = 0 ;通?？紤]沒有做功：W =0，則：Q = / U ;對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱分析：Q=0，即流入系

4、統(tǒng)的熱量等于流出的熱量；dU對(duì)于瞬態(tài)熱分析：q，即流入或流出的熱傳遞速率q等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化。dt三、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：q - -k，式中q 為熱流dx密度（W/m2）, k為導(dǎo)熱系數(shù)（ W/m- C）, “ -”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：q：=：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)

5、等），Ts為固體表面的溫度，TB為周圍流體的溫度。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?？紤]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一波爾茲曼方程來計(jì)算： q - ；叭甩（!14 -丁24），式中q為熱流率，；為輻射率（黑度），二為斯蒂芬波爾 茲曼常數(shù)，約為5.67 X 10-8W/m2.K4, Ai為輻射面1的面積，F(xiàn)12為由輻射面1至峙畐射面2的形狀系數(shù)，T

6、1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。四、穩(wěn)態(tài)傳熱如果系統(tǒng)的凈熱流率為0, 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）式中：I.K 1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；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I.K 1、汁？以及d。五、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

7、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）：式中：l-K 1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)；C1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；T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。六、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，女口K（T）,C（T）等；h(T) 等; 、邊界條件隨溫度變化，如 、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:七、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

8、度、熱流率、熱流密度、 對(duì)流、輻射、絕熱、生熱。八、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。不得用于商業(yè)用途第三章穩(wěn)態(tài)傳熱分析一、穩(wěn)態(tài)傳熱的定義穩(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)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

9、有14種:線性:LINK32兩維二節(jié)點(diǎn)熱傳導(dǎo)單元LINK33LINK34LINK31 二維實(shí)體： PLANE55PLANE77PLANE35PLANE75PLANE78三維實(shí)體SOLID87SOLID70SOLID90殼SHELL57點(diǎn)MASS71三維二節(jié)點(diǎn)熱傳導(dǎo)單元 二節(jié)點(diǎn)熱對(duì)流單元 二節(jié)點(diǎn)熱輻射單元 四節(jié)點(diǎn)四邊形單元 八節(jié)點(diǎn)四邊形單元 三節(jié)點(diǎn)三角形單元 四節(jié)點(diǎn)軸對(duì)稱單元 八節(jié)點(diǎn)軸對(duì)稱單元 六節(jié)點(diǎn)四面體單元 八節(jié)點(diǎn)六面體單元 二十節(jié)點(diǎn)六面體單元 四節(jié)點(diǎn)有關(guān)單元的詳細(xì)解釋，請(qǐng)參閱ANSYS Eleme nt Refere nee Guide三、ANSYS穩(wěn)態(tài)熱分析的基本過程ANSYS熱分析可分

10、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1、建模 、確定 job name、 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，請(qǐng)參閱ANSYS Modeli ng and Meshi ng Guide 。僅供個(gè)人參考2、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, NEWGUI: Main menuSolution-Analysis Type-

11、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, RESTGUI: Main menuSolutionAnalysis Type-Restart、 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:DGUI ： Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-Temperatureb 、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)

12、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: FGUI ： Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-Heat Flowc 、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

13、，可以通過對(duì)流線單元 LINK34 考慮對(duì)流。Command Family: SFGUI ： Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-Convectiond 、熱流密度CFD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: FGUI ： Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal

14、-Heat Fluxe、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: BFGUI ： Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-Heat Generat、確定載荷步選項(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)不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考時(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: TIMEGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-Ti

15、me/FrequencTime-Time Step/Time and Substps每載荷步中子步的數(shù)量或時(shí)間步大?。簩?duì)于非線性分析，每一載荷步需要多個(gè)子步。Command: NSUBSTGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime and SubstpsCommand: DELTIMGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime-Time Step*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

16、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: KBCGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime-Time Step/Time and Substpsb. 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: NEQITGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-NolinearEquilibrium Iter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:

17、 AUTOTSGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime-Time Step/Time and Substps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: CNVTOLGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-NolinearConvergence Crit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: NCNVGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-NolinearCr

18、iteria to Stop 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: LNSRCHGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-NolinearLine Search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: PREDGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-NolinearPredictorc. 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: OUTPRGUI: Main MenuSoluti

19、on-Load Step Opts-Output CtrlsSolu Printout*控制結(jié)果文件：控制*.rth的內(nèi)容。Command: OUTRESGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-Output CtrlsDB/Results File 、確定分析選項(xiàng)a. Newt on-Raphson 選項(xiàng)(僅對(duì)非線性分析有用)Command: NROPTGUI: Main MenuSolutionAnalysis Optionsb. 選擇求解器：可選擇如下求解器中一個(gè)進(jìn)行求解： Fron tal solver(默認(rèn)) Jacobi Conjugate Gra

20、die nt(JCG) solver JCG out-of-memory solver In complete Cholesky Conjugate Gradie nt(ICCG) solver Pre-Co nditio ned Conjugate Gradie nt Solver(PCG) Iterative(automatic solver select ion opti on)Command: EQSLVGUI: 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SURF2

21、2或超單元；*熱輻射分析；*相變分析* 需要 restart an analysisc. 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460。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Command: TOFFSTGUI: Main MenuSolutionAnalysis Options 、保存模型：點(diǎn)擊ANSYS工具條 SAVE_DB 。 、求解Command: SOLVEGUI: Main MenuSolutionCurrent LS3、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)：

22、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*其它對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱分析，可以使用POST1進(jìn)行后處理，關(guān)于后處理的完整描述，可參閱ANSYS Basic Analysis Procedures Guide 。進(jìn)入POST1后，讀入載荷步和子步：Command: SETGUI: Main MenuGeneral Postproc-Read Results-By Load Step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 MenuGeneral PostprocPlot ResultsNod

23、al Solu, Element Solu, Elem Table4 矢量圖顯示Command: PLVECTGUI: Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsPre-defined or Userdefined4 列表顯示Command: PRNSOL, PRESOL, PRRSOL 等GUI: Main MenuGeneral PostprocList ResultsNodal Solu, Element Solu, Reaction Solu 詳細(xì)過程請(qǐng)參閱ANSYS Basic An alysis Procedures Guide 實(shí)例1：某一潛水艇可

24、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30feet總壁厚2inch不銹鋼層壁厚0.75 i nch玻纖層壁厚1inch鋁層壁厚0.25 i nch筒長(zhǎng)200 feet導(dǎo)熱系數(shù)不銹鋼8.27 BTU/hr.ft. F玻纖0.028BTU/hr.ft. oF鋁117.4BTU/hr.ft.oF邊界條件空氣溫度70 oF海水溫度o44.5 F空氣對(duì)流系數(shù)2.5 BTU/hr.ft2 o.F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

25、，如圖示。以下分別列出log文件和菜單文件。/filen ame, Steady1/title, Steady-state thermal an alysis of submari ne/units, BFTRo=15!外徑(ft)Rss=15-(0.75/12)Rin s=15-(1.75/12)Ral=15-(2/12)Tair=70!不銹鋼層內(nèi)徑ft)!玻璃纖維層內(nèi)徑(ft)!鋁層內(nèi)徑(ft)!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)Kin s=0.028!玻璃纖維的導(dǎo)熱系數(shù)(BTU/hr.ft.oF)Kal=117.4!

26、鋁的導(dǎo)熱系數(shù)(BTU/hr.ft.oF)不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考Hair=2.5 Hsea=80 /prep7 et,1,plane55 mp,kxx,1,Kss mp,kxx,2,Kins mp,kxx,3,Kal pcirc,Ro,Rss,-0.5,0.5 pcirc,Rss,Rins,-0.5,0.5 pcirc,Rins,Ral,-0.5,0.5 aglue,all numcmp,area lesize,1,16 lesize,4,4 lesize,14,5 lesize,16,2 eshape,2 mat,1 amesh,1 mat,2 amesh,2 mat,3 amesh,3

27、 /SOLU!空氣的對(duì)流系數(shù)!海水的對(duì)流系數(shù)(BTU/hr.ft2.oF)(BTU/hr.ft2.oF)!定義二維熱單元!設(shè)定不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)!設(shè)定玻璃纖維的導(dǎo)熱系數(shù)!設(shè)定鋁的導(dǎo)熱系數(shù)!創(chuàng)建幾何模型!設(shè)定劃分網(wǎng)格密度!設(shè)定為映射網(wǎng)格劃分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/POST1PLNSOL ！輸出溫度彩色云圖finish菜單操作 :1. U tility MenuFilechange jobename, 輸入 Steady1 ；2. U tility MenuFilechange tit

28、le, 輸入 Steady-state thermal analysis of submarine；3. 在 命令行輸入 :/units, BFT ；4. Main Menu: Preprocessor；5. Main Menu: PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete, 選擇 PLANE55 ；6. Main Menu: PreprocessorMaterial 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

29、號(hào)為 3,在 KXX 框中輸入 117.4；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；不得用于商業(yè)用途8. Main Menu:

30、Preprocessor-Modeling-Operate-Booleane-GlueArea,選擇 PICK ALL ;9. M ain 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,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；10. Ma in Me nu: Preprocessor-Attributes-Defi nePicked Area, 選擇不銹鋼層

31、，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 ；11. Main Menu: Preprocessor-Meshing-Mesh-Areas-Mapped3 or 4 sided,選擇 PICK ALL ；12. Ma in Me nu: Solutio n-Loads-Apply-Thermal-Co nvectio nOnlin es,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，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 ；

32、13. Main Menu: Solution-Solve-Current LS ；14. Main Me nu: Ge neral PostprocPlot Results-Co ntour Plot-Nodal Solu, 選擇 Temperature。實(shí)例2一圓筒形的罐有一接管，罐外徑為3英尺，壁厚為0.2英尺，接管外徑為0.5英尺，壁厚 為0.1英尺，罐與接管的軸線垂直且接管遠(yuǎn)離罐的端部。如圖所示：罐內(nèi)流體溫度為華氏450度,與罐壁的對(duì)流換熱系數(shù)年為250BUT/hr-ft 2-F,接管內(nèi)流體的溫度為華氏100度，與管壁的對(duì)流換熱系數(shù)隨管壁溫度而變。接管與罐為同一種材料，它 的熱物理性

33、能如下表所示：溫度70200300400500oF密度0.2850.2850.2850.2850.285lb m/in3導(dǎo)熱系數(shù)8.358.909.35；9.810.23Btu/hr-ft- oF比熱0.1130.1170.1190.1220.125oBtu/lbm- F對(duì)流系數(shù)*426405352275221Btu/hr-ft 2-oF*接管內(nèi)壁對(duì)流系數(shù)求罐與接管的溫度分布。以下分別列出LOG文件及菜單操作/prep7/title,Steady-state thermal an alysis of pipe jun cti on/uni ts,bi n!使用英制單位et,1,90!定義熱單元

34、mp,de ns,1,.285!密度mptemp,70,200,300,400,500!建立溫度表mpdata,kxx,1,8.35/12,8.90/12,9.35/12,9.80/12,10.23/12!導(dǎo)熱系數(shù)mpdata,c,1,0.133,0.177,0.119,0.122,0.125!比熱mpdata,hf,2,426/144,405/144,352/144,275/144,221/144!接管對(duì)流系數(shù)!定義幾何模型參數(shù)ri1=1.3!罐內(nèi)半徑ro仁1.5!罐外半徑z1=2!罐長(zhǎng)不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考ri2=0.4！接管內(nèi)半徑ro2=0.5！接管外半徑z2=2！接管長(zhǎng)！建立幾何

35、模型cylind,ri1,ro1,z1,90！ 1/4 罐體wprota,0,-90 cylind,ri2,ro2,z2,-90 wpstyl,defa vovlap,1,2 /pnum,volu,1 /view,-3,-1,1 /type,4！將工作平面旋轉(zhuǎn)到垂直于接管軸線！ 1/4 接管！將工作平面恢復(fù)到默認(rèn)狀態(tài) ！進(jìn)行 OVERLAP 布爾操作 ！打開實(shí)體編號(hào)！定義顯示角度/title, V olumes used in building pipe/tank junctionvplotvdele,3,4,1！劃分網(wǎng)格！顯示實(shí)體！刪除多余實(shí)體asel,loc,z,z1asel,a,loc,

36、y,0 cm,aremote,area /pnum,area,1/pnum,line,1！選擇罐上 Z=Z1 的面！添加選擇罐上 Y=0 的面！創(chuàng)建名為 AREMOTE 的面組/title,lines showing the portion being modeled aplot/noeraselplot/eraseaccat,all！組合罐遠(yuǎn)端的面及線，為映射劃分網(wǎng)！格作準(zhǔn)備lccat,12,7 lccat,10,5 lesize,20,4 lesize,40,6 lesize,6,4 allsel！在接管壁厚方向分 4 等分 ！在接管長(zhǎng)度方向分 6 等分 ！在罐壁厚方向分 4 等分 ！選擇

37、 EVERYTHINGesize,0.4 mshape,0,3d mshkey,1！設(shè)定默認(rèn)的單元大小！選擇 3D 映射網(wǎng)格save！保存數(shù)據(jù)文件vmesh,all/pnum,defa！劃分網(wǎng)格，產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)與單元/title, elements in portion being modeledeplot！顯示單元不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考finish ！加載求解 /soluantype,staticnropt,auto！定義為穩(wěn)態(tài)分析！設(shè)置求解選項(xiàng)為 Program-chosen！ Newton-Raphsontunif,450 csys,1 nsel,s,loc,x,ri1 sf,all,c

38、onv,250/144,450 cmsel,aremote nsla,1 d,all,temp,450 wprota,0,-90 cswpla,11,1 nsel,s,loc,x,ri2 sf,all,conv,-2,100 allsel！設(shè)定初始所有節(jié)點(diǎn)溫度！變?yōu)橹鴺?biāo) ！選擇罐內(nèi)表面的節(jié)點(diǎn) ！定義對(duì)流邊界條件！選擇 AREMOTE 面組 ！選擇屬于 AREMOTE 面組的節(jié)點(diǎn) ！定義節(jié)點(diǎn)溫度 ！將工作平面旋轉(zhuǎn)到垂直于接管軸線 ！創(chuàng)建局部柱坐標(biāo) ！選擇接管內(nèi)壁的節(jié)點(diǎn) ！定義對(duì)流邊界條件！選擇 EVERYTHING/pbc,temp,1/psf,conv,2 /title,Boundary c

39、onditions nplotwpstyle,defa csys,0 autots,on nsubst,50 kbc,0 outpr,nsol,last solve finish！顯示所有溫度約束 ！顯示所有對(duì)流邊界！顯示節(jié)點(diǎn) ！工作平面恢復(fù)默認(rèn)狀態(tài) ！變?yōu)橹苯亲鴺?biāo)！打開自動(dòng)步廠長(zhǎng)！設(shè)定子步數(shù)量！設(shè)定為階越！設(shè)置輸出！進(jìn)行求解！進(jìn)入后處理/post1/title,Temperature contrours at pipe/tank junctionplnsol,tempfinish！顯示溫度彩色云圖/exit,all菜單操作1、設(shè)定標(biāo)題 :Utility MenuFileChange Titl

40、e, 輸入 Steady-State analysis of pipe junction, 選擇 OK;2、設(shè)定單位制 :在命令提示行輸入 /UNITS,BIN;3、定義單元類型 :Main MenuPreprocesorElement TypeAdd/Edit/Delete, 選擇 Thermal Solid, Bricck 20 node 90 號(hào)單元 ;不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考4、定義材料屬性(1) Main MenuPreprocessorMaterial Props-Constant-Isotropic, 默認(rèn) 材料編號(hào) 1,在 DENSITY 框中輸入 0.285;(2) Ma

41、in MenuPreprocessorMaterial Props-Temp Dependent-Temp Table, 輸入溫度 70,200,300,400,500;(3) Main MenuPreprocessorMaterial Props-Temp Dependent-Prop Table, 選擇導(dǎo)熱系數(shù) KXX, 材 料 編 號(hào) 為 1, 輸 入 與 溫 度 表 對(duì) 應(yīng) 的 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 8.35/12,8.9/12,9.35/12,9.8/12,10.23/12, 選擇 APPLY;(4) 選擇比熱 C,材料編號(hào)為 1,輸入 0.113,0.117,0.119,0.122,0.

42、125,選擇 APPLY;(5) 選擇對(duì)流系數(shù) HF,材料編號(hào)為 2,輸入 426/144,405/144,352/144,275/144, 221/144 ,選擇 OK。5、定 義 幾 何 模 型 參 數(shù) ： Utility MenuParametersScalar Parameters, 輸 入 ri1=1.3,ro1=1.5,z1=2,ri2=0.4,ro2=0.5,z2=2;6、建立幾何模型(1) Main MenuPreprocessor-Modeling-Create-V olumes-CylinderByDimensions, Outer radius 框中輸入 ro1,Opti

43、onal inner radium 框中輸入 ri1,Z coordinates 框 中輸入 0和 Z1,Ending angle 框中輸入 90;(2) Utility MenuWorkPlaneOffset WP by Increments, 在 XY,YZ,ZX 框中輸入 0,-90;(3) Main MenuPreprocessor-Modeling-Create-V olumes-CylinderByDimensions; Outer radius 框中輸入 ro2, Optional inner radium 框中輸入 ri2, Z coordinates 框中輸入 0 和 Z2,

44、Starting angle 框中輸入 -90,Ending angle 框中輸入 0;(4) Utility MenuWorkPlaneAlign WP withGlobal Cartesian ；7、進(jìn)行布爾操作 :Main MenuPreprocessor-Modeling-Operate-Booleans- Overlap Volumes, 選擇 Pick All ；8、觀察幾何模型(1) Utility MenuPlotCtrlsNumbering, 打開 volumes;(2) Utility MenuPlotCtrlsView Direction, 在 Coords of vie

45、w point 框中輸入 -3,-1,1 ；9、刪除多余實(shí)體 Main MenuPreprocessor-Modeling-DeleteVolume and Below, 在命令輸 入行輸入 3,4回車；10、創(chuàng)建組 AREMOTE(1) Utility MenuSelectEntities, 選擇 Area, By location, Z Coordinates, 在 Min, Max 框中 輸入 Z1,選擇 APPLY,Y Coordinates,在 Min, Max 框中輸入 0,OK;(2) Utility MenuSelectComp/AssemblyCreate Component

46、,在 Component name 框中輸 入 AREMOTE, 在 Components is made of 菜單中選擇 AREA ；11、組合面及線(1) Main MenuPreprocessor-Meshing-Mesh-V olumes-Mapped -Concatenate-Area, 選擇 Pick all ；(2) Main MenuPreprocessor-Meshing-Mesh-V olumes-Mapped-Concatenate-Lines,在命令行中輸入12,7回車,選擇 APPLY,在命令行中輸入10,5回 車,0K ;12、設(shè)定網(wǎng)格密度(1) Main Men

47、uPreprocessor-Meshing-Size CntrlsPicked Lines, 選擇線 6 和 20,OK, 在 No. of element divisions 框中輸入 4,OK ；(2) Main MenuPreprocessor-Meshing-Size CntrlsPicked Lines ,選擇線 40,OK, 在 No. of element divisions 框中輸入 6,OK ；(3) Utility MenuSelectEverything ；(4) Main MenuPreprocessor-Meshing-Size Cntrls-Global-Size,

48、 在 element edge length 框中輸入 0.4,OK；13、劃分網(wǎng)格 :Main MenuPreprocessor-Meshing-Mesh-V olumes-Mapped4 to 6 sides, 選 擇 Pick All ；14、定義求解類型及選項(xiàng)(1) Main MenuSolution-Analysis Type-New Analysis, 選擇 Steady-State；(2) Main MenuSolution-Analysis Options, 選擇 Program-chosen；15、施加對(duì)流載荷(1) Utility MenuWorkPlaneChange A

49、ctive CS toGlobal Cylindrical ；(2) Utility MenuSelectEntities, 選擇 Nodes, By location, X, 在 Min, Max 框中輸入 ri1,OK ；(3) Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-ConvectionOn Nodes, 選擇 Pick All, 輸入 250/144 及 450,OK；16、在 AREMOTE 組上施加溫度約束(1) Utility MenuSelectComp/AssemblySelect Comp/Assembly, 選 aremote;(2)

50、Utility MenuSelectEntities, 選擇 Nodes, Attached to, On the Area all, OK ；(3) Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-TemperatureOn Nodes, 選擇 Pick all,輸入 45,OK;17、施加與溫度有關(guān)的對(duì)流邊界條件(1) Utility MenuWorkPlaneOffset WP by Increments ,在 XY,YZ,ZX Angles 框中輸入 0,-90,OK;(2) Utility MenuWorkPlaneLocal Coordinate Sys

51、temsCreate Local CSAt WP Origin, 在 Type of coordinate system 菜單中 ,選擇 Cylindrical 1,OK ；(3) Utility MenuSelect Entities, 選擇 Nodes, By location, X, 在 Min, Max 框中輸入 ri2,OK ；(4) Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-ConvectionOn Nodes, 選擇 Pick All, 在 Film coefficient 框中輸入 -2,在 Bulk temperature 框中輸入 100,

52、OK;(5) Utility MenuSelectEverything ；(6) Utility MenuPlotCtrlsSymbols, 在 Show pres and convect as 菜單中選擇 Arrow, OK;(7) Utility MenuPlotNodes ；18、恢復(fù)工作平面及坐標(biāo)系統(tǒng)(1) Utility MenuWorkPlaneChange Active CS toGlobal Cartesian ；(2) Utility MenuWorkPlaneAlign WP withGlobal Cartesian ；19、設(shè)定載荷步選項(xiàng) :Main MenuSoluti

53、on-Load Step Options-Time/FrequencTime and Substeps,在 Number of substeps框中輸入 50,設(shè)置 Automatic time stepping 為 On;20、求解 :Main MenuSolution-Solve-Current LS21、顯 示 溫 度 分 布 彩 色 云 圖 : Main MenuGeneral PostprocPlot Results-Contour Plot-Nodal Solu, 選擇 Temperature TEMP 。 ANSYS Verification Manual 中關(guān)于穩(wěn)態(tài)熱分析的實(shí)例：VM58Centerline temperature of a heat generating wireVM92Insulted wall temperatureVM93Temperature dependent conductivityVM94Heat generating plateVM95Heat transfer from a cooling spineVM96Temperature distribution in a short solid cylinderVM97Temperature distributio