（工程热物理专业论文）防护板法导热仪组合加热方式的数值模拟和试验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 论文对目前测量材料导热系数的各种方法进行了全面的介绍和分析，进而引 出了本论文研究的对象一防护平板法导热仪，在对目前该导热仪存在的优缺点分 析之后，提出了解决的方法。本论文首先针对该导热仪的不同加热方式进行数学 建模，并且根据不同的组合加热方式建立了不同的数学模型，进而利用a n s y s 软件对不同加热模式的数学模型进行了大量的模拟研究，从而找到了不同加热模 式对防护平板导热仪测试性能的影响，包括：恒功率加热具有测试时间过长，但 测试简单精度较高的特点；恒温加热具有测试时间短，控制复杂且精度较低的特 点；采用恒功率组合加热的模式可以明显的缩短整个测试的时间长度，具有很好 的应用潜力；采用恒功率与恒温结合的加热模式可以降低恒温控制时加热功率波 动较大的缺点；采用恒温与恒功率相结合的方式可以简化系统对稳态的判断且提 高测试的精度。在完成对加热方式的研究后，本论文还针对现有的测控系统做了 改进，设计了一套稳定性和集成度较高的测控系统，包括单片机控制系统，电源 电路，加热功率控制电路，信号放大电路，a 转化电路等。最后本论文在硬件 设计的基础上还设计了一套控制软件，并且针对恒温控制，由于温度量具有非线 性和滞后性的特点，专门设计了模糊与p i d 相结合的控制算法，取得了较好的效 果。再经过最后的试验研究本论文对不同的应用场合提出了不同的加热模式，从 而为防护板法导热仪在不同场合的设计提出了不同的指导思想。 关键词：导热系数；组合加热；a n s y s ；模糊控制；p i d 控制 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e rm a k e sac o m p r e h e n s i v ei n s t r u c t i o na n da n a l y s i st ot h em e t h o d so ft h e c o n d u c t i v i t yc o e f f i c i e n ta n de d u c e st h ei n s t r u c t i o no ft h ep l a t et h e r m a lc o n d u c t i v i t y a p p a r a t u s t h e nt h es t u d ya n a l y s e st h es h o r t c o m i n g so ft h ea p p a r a t u s ：o ri tn e e d st o o l o n gt i m e ，o ri t sp r e c i s i o ni sl o w e r a f t e rt h a t ，t h ew a y st os o l v et h ep r o b l e m sw e r e w o r k e do u t t h es t u d ym a d et h em a t h e m a t i cm o d e l so ft h ed i f f e r e n th e a t i n gw a y sa n d d i dal o to fs i m u l a t i o n sb ym e a n so ft h ea n s y s s o f t w a r e t h r o u g ht h es i m u l a t i o ni ti s f o u n do u tt h ee f f e c t so ft h ed i f f e r e n t h e a t i n gw a y s t ot h e a p p a r a t u s s c a p a b i l i t y 缸d u d i n g ：t h ec o n s t a n tp o w e rh e a t i n gn e e d st o ol o n gt i m eb u t h a st h eh i g h p r e c i s i o n t h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r eh e a t i n gc a nm e a s u r et h et h e r m a lc o n d u c t i v i t y c o e f f i c i e n tq u i c k l yb u ti t sp r e c i s i o ni sl o w e r t h ec o m b i n e dh e a t i n go ft h ec o n s t a n t p o w e r c a l lg r e a t l ys h o r t e nt h et i m eo ft h em e a s u r e m e n t t h ec o m b i n e dh e a t i n go ft h e c o n s t a n tp o w e ra n dc o n s t a n tt e m p e r a t u r ec a nc o n q u e rt h es h o r t c o m i n go ft h eh u g e c h a n g e t h ec o m b i n e dh e a t i n go ft h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r ea n dc o n s t a n tp o w e rc a l l p r o m o t et h ep r e c i s i o na n dm a k et h ej u d g et ot h eb a l a n c es t a t em o r ee a s i l y a f t e ra b o v e a l l ，t h es t u d yi n t r o d u c et h ed e s i g no ft h ea p p a r a t u s ，i n c l u d i n ge l e c t r i c a ls o u r c e ， c o n t r o l l i n gc i r c u i t ，t h es i g n a lm a g n i f y i n gc i r c u i t ，a dc o n v e r s i o nc i r c u i ta n ds oo n i n t h ee n dt h es t u d yd e s i g nt h es p e c i a lp r o g r a mt ot e s t i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h es i m u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h et e m p e r a t u r e ，i n c l u d i n gn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c a n dl a g ，t h ed e s i g nt o o kt h ea r i t h m e t i co f f u z z ya n dp i d ，a n dg o tag o o de f f e c t t h r o u g h t h ee x p e r i m e n t st h es t u d yf o u n do u tt h ed i f f e r e n tu s ef i e l d so ft h ed i f f e r e n t h e a t i n gw a y s ， a n d s u p p l yd i f f e r e n t d i r e c t i v ei d e a sf o r t h ed e s i g no ft h ea p p a r a t u s k e yw o r d s ：t h e r m a lc o n d u c t i v i t yc o e f f i c i e n t ；c o m b i n e dh e a t ：a n s y s ：f u z z y c o n t r o l ；p i dc o n t r o l 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：、丢馅咽 日期：知了年月膨日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论 文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密函。 学位论文作者签名：。参鹌明 指导教师签名： 工。3 年月舌日 嬲年多月，多日 江苏大学硕士学位论文 1 1 物质的导热特性 1 1 1 导热系数的定义 第一章概述 导热是一种建立在组成物质的基本微观粒子随机运动基础上的扩散行为，也 可以把它理解为具有较高能级的粒子向较低能级粒子传递能量的过程。当介质中 的两点存在温度差时，气体、液体和固体均具有一定的导热能力，当然它们各自 的导热机理并不完全相同。 导热是一种依赖直接接触的传热方式。导热系数表征物质导热能力的大小， 是所有物质都具有的一项基本宏观物理性质，在很多涉及导热和对流的工程计算 问题和传热测试中都是不可或缺的重要参数。导热系数的定义直接由傅立叶定律 给出： 允= q ( 1 1 ) 一g r a d t 、7 式中：a 一导热系数( 或称热导率) ，w ( m 均； 云一热流密度向量，w m 2 ； g r a d t 一温度梯度，。 由上式可见，导热系数在数值上等于单位温度梯度下，在垂直于热流密度的 单位面积上所传导的热流量，在s i 制中的单位是w ( m k ) 。 1 1 2 导热系数的特性 导热系数的数值取决于物质的种类和温度等因素。金属的导热系数很高，如 2 0 时纯铜的导热系数为3 9 9w ( m k ) 。气体的导热系数很小，如2 0 时空气的 导热系数为o 0 2 5 9 w ( m k ) ，液体的导热系数介于金属和气体之间，如2 0 时水 的导热系数为0 5 9 9 w ( m k ) 。导热系数一般都是和温度有着密切关系的，在工程 实用计算中，比较广阔的温度区域内大多数材料的a 都容许采用线性近似关系， 即k ( 1 + 叻，式中t 为温度，b 为常量，而l 是该直线段的延长线在纵坐标上 的截距。 江苏大学硕士学位论文 习惯上把导热系数小的材料称为保温材料( 又称隔热材料或绝热材料) 。致 于小到多少才算是保温材料则与各国的具体情况有关。我国国家标准规定凡平均 温度不高于3 5 0 。c 时导热系数不大于0 1 2 w ( m 妫的材料称为保温材料。近年 来，随着我国经济的快速发展，能源消耗越来越大，所以对节能的要求也越来越 高，从而对保温材料的要求也越来越高。 1 2 导热系数的测量 导热系数的确定总体说来可以通过理论计算【2 1 和实验测量1 3 1 1 4 1 这两种途径 来实现，理论分析的方法是根据物质的导热机理来确定其导热的物理模型，然后 做出较为复杂的数学分析和计算来获得导热系数。另一种方法是通过实验来测量 物质的导热系数，由于该方法具有直接且简单易行的优点，所以是目前确定物质 导热系数的主要途径。 经过国内外科技工作者的大量研究和实验，目前已经逐步形成了较为系统的 导热系数测量理论及可行的实验技术，在理论研究和工程领域中广为应用。但由 于实际中材料的多样性，还没有一种测量方法能适用于所有材料和所有温度范 围，通常对于不同性质的材料和工作温度，需要采用特定的测试方法。 1 2 1 测量的基本原理 测定导热系数的一般过程分如下几步，首先建立并求解测试系统的数学模型 ( 即描述测试系统传热性能的导热微分方程在单值性条件下的解) ，推导出测量 公式，然后测量出试样上某点或者某些点的温度、热流密度等参数，进而根据测 量公式确定材料的导热系数。 对于均质，各向同性，常物性物体，其内部温度场由以下的导热微分方程描 述【5 】： v 2 疵) + 扣1 力= ! a 掣以优 式中：q 一( r 一，力一内热源项w m 3 ； a = ) t p c - - 热扩散率或导温系数，m 2 s 。 v 2 r ( - ，f ) = ! a 掣o t 2 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 江苏大学硕士学位论文 在稳定导热的条件下，则有： v 2 t ( r ，t ) = o 0 - 4 ) 若稳定而有内热源，导热方程变为： 1 v 2 f ( ，t ) + i ，- - - ，f ) = 0 ( 1 - 5 ) 以 方程( 1 2 ) ( 1 - 5 ) 是各种导热系数测量方法的基本出发点。 1 2 2 测量方法的分类 导热系数的测量方法主要根据导热过程的宏观机理、热流在试样上的流向、 试样的形状、热流与时间的函数关系以及是否直接测量等进行分类，一般可分为 稳态法【6 】f 7 】和非稳态法两大类【8 1 1 9 。 1 稳态测量法 稳态法是指在待测试样上的温度分布达到稳定后才进行测量。当试样达到热 平衡以后，借助测量试样每单位面积的热流速率和温度梯度，就可测定试样的导 热系数，其出发点是稳态导热微分方程。该法原理简单，计算方便，较成熟也比 较容易实现，可以得到准确的结果，但实验时间长，需要测量多个点的温度，对 测量装置要求相对比较高。该法根据是否需要标准试样进行校准可分为绝对法和 比较法；根据热流方向不同可分为纵向热流法和径向热流法；根据试样形状不同 又有平板法【1 0 1 ，圆筒法【1 1 1 和球状法【1 2 】等实现方法。目前世界公认的稳态测试方 法的具体分类如图1 1 【1 3 】【1 4 】【1 5 】【1 q 所示： 3 江苏大学硕士学位论文 f 燃 篙：翟耄篡瓣a 一蝴 缴一 一0 黧 l 灌窘法 鼢曲铭黻ff 黼体竣 l 嚣蒙鬟一按黻黼一糊辩 翻黼b 一啾 l 燃 攀咽一黼一 ，簿倒鳓磁 l 鞠嘲隧径矧黝蹴 苴接宪细热2 蠹乙绸咝逝缎法 l 矩形擦缓 热宪缓 。绦比骏滚 图1 1 稳态测试方法分类 2 非稳态测量法 这种方法是指测量过程中，试样内的温度分布是随着时间而变化的非稳态温 度场，其分析的出发点是非稳态导热微分方程，借助测试温度变化的速率，测定 出试样的热扩散率，从而推出材料的导热系数。非稳态法以其快速准确的特点近 年来发展很快，具有温度范围大和量程广，样品制备简单等优点。 基于非稳态原理的测量方法有很多种，以下简单介绍一下几种近年来研究和 应用较多的方法：热线法、热丝法、热探针法、瞬态板热源法和闪光法。 ( 1 ) 热线法一种动态的，绝对的测量方法，对样品要求低，广泛用于液体 导热系数的测量【1 7 】【1 8 】，还可以测量气体19 1 ，粉末状固体【2 0 1 的导热率。无论是在 新型隔热材料的应用基础研究，还是在材料生产的质量检测方面，热线法均有广 阔的应用。目前该法已被推广到测量复合材料，含湿多孔介质以及高温下非透明 和半透明固体材料的导热系数【2 1 1 。 ( 2 ) 热丝法又称为铂电阻测温技术或t ( r ) 技术f 2 2 】。该法将热线同时作为热 源和温度传感器，由于热线的电阻值随温度的变化而变化，所以测出热线阻值的 变化即可得到温升数据。j u l i a 等人曾用此法于1 9 7 7 年测量了液体的导热系数。 这种方法的优点是，它测量的是整个热线的平均温度，因而避免了像热线法中由 于在测温点和其它点上热线和试样的接触情况存在差异而造成的误差。但此方法 4 江苏大学硕士学位论文 要求热线材料的电阻温度系数稳定而且准确，多用铂丝做为热线，由于铂金属价 格昂贵，这也在一定程度上限制了该法的应用。 ( 3 ) 热探针法热针法也是人们研究较多的一种瞬态热流法。所谓热针，是 将加热元件和测量元件封装在一个像医用注射针头那样的细管壳中，插入待测介 质进行测量，测温原理于热丝法相同，只是热感应探头不一样。有两种热针，一 种是电阻丝作为加热元件，用热电偶丝作为测温元件【2 3 1 1 2 4 1 ，这种热针得到的是 热线上一点的温度；另一种是把热敏电阻丝同时作为加热元件和测温元件，并封 装在针套内【2 5 1 1 2 6 1 ，这种热针克服了热针温度不均匀引起的的误差，但对热针的 制作工艺要求较高。 ( 4 ) 瞬态热缘法瞬态平面热源技术( t r a n s i e n tp l a n es o u r c em e t h o d ，t p s ) 是由瑞典c h a l m e r 理工大学的s i l a sg u s t a f s s o s 教授在热线法的基础上发展起来的 一项专利技术【2 7 1 【2 8 】，该法将热线法中拉直的热源弯曲成螺旋状，形成平面板热 源，大大增加了热源和介质之间的接触面，减小了接触热阻，可测量大块固体和 液体介质的导热系数例。 近年来t p s 技术越来越多地被研究人员应用于各种不同类型材料地热物性 参数测试。这种技术非常适合于测试固体材料地热扩散率和热导率。它不需要特 别地样品制备，与其它方法相比，不仅精度较高，而且测试速度比较快。 ( 5 ) 闪光法该法是由p a r k e r 和j e n k i n s 等人首先提出和研究成功的【3 0 1 ，并 于1 9 6 1 年正式发表。当采用激光作为热源时，又叫激光脉冲法。是一种用于测 量高导热材料与小体积样品的技术，近年来应用越来越多，使用该法可得到材料 地热扩散性能，不过要得到样品的导热系数，还需要知道样品的比热和密度。 1 2 3 选择测试方法应考虑的因素 针对不同的温度范围和具有不同导热系数范围的材料，需要采用不同的测试 方法。在选择测试方法时，必须重点考虑以下几个方面的因素：材料的物理性质， 试样加工所需要的几何形状的可能性和难易程度，所需的测试准确度和重复精 度，测试时间的长短，以及建立测试装置所需的时间和资金等。 1 3 稳态平板导热仪的发展现状 根据前面的介绍的，目前测量导热系数的方法一般分为两大类：稳态法和非 5 江苏大学硕士学位论文 稳态法。稳态平板导热仪采用稳态测试法，是基于纵向热流法中的平板法设计的， 由于该方法具有试样制作简单，测试原理清晰，测试精度高的特点成为目前世界 范围内应用最多的一种热物件测试方法。 平板法中的测试试样一般加工成圆盘形或方板形，其物理模型是一维导热， 即在圆形或方板形试样内产生一个纵向的一维热流。为维持试样内纵向的一维热 流，通常采用两条途径：( 1 ) 禾l j 用试样自身来防止热损失。该方式需要将试样加 工的大而薄，从而在试样的中心区域町以形成一个等温面。( 2 ) 通过加设热防护 板的方法实现热量的一维流动，因此也叫防护热板法。下面对基于稳态平板法导 热仪的发展现状作以如下介绍： 1 3 1 国外发展现状 美国国家标准局的1 0 1 6 m m 防护热板法导热仪，测试试样厚度在3 0 0 m m 时， 最大的不确定度达到0 7 9 。 意大利e d ep o n t e 建立的3 0 0 m m 防护热板法导热仪，其最大可能误差接近 1 。 英国国家物理试验所( n p l ) ，为了服务于英国建筑工业的发展，而致力于 低导热系数的测量。其研制的防护热板导热仪主要用来测量玻璃纤维板的导热系 数。英国国家物理实验所( n p l ) 所研制的几种平板导热仪的极板参数如表1 1 所示。 表1 1 英国国家物理实验所研制导热仪的基本参数 美国安特公司按照美国材料试验标准( a s t m ) 研制了防护型热流计法测量 材料导热系数。 美国国家标准技术研究所( n i s t ) 的建筑火灾实验室，针对9 0 k ，- - 9 0 0 k 温 4 度范围内的绝热材料，研制了一种新型热防护板导热仪。应用有限元软件 a n s y s ，证明了这种新型热防护板导热仪能满足内部的一维导热。 6 江苏大学硕士学位论文 1 3 2 国内发展状况 我国对导热仪也开展了积极的研究，尤其是基于稳态法的导热仪的研究， 在这方面出现了不少的研究成果，在这方面做的比较好如下所示： 1 9 9 0 年由黎明化工研究院的刘淑琴等人研制的r t m t 3 5 型稳态平板导热仪 【3 1 1 可以简易地测试绝热材料和复合材料的导热系数。 1 9 9 0 年东南大学的施明恒、薛宗荣3 2 1 采用准稳态恒流平板法实现了快速测 定烟丝的各项热物性。 1 9 9 4 年同济大学研制了高准确度防护热板法导热仪1 3 3 1 ，它由热板、冷板、 试样加紧机构和温度测量与控制系统等组成。其测定试样的厚度为2 0 - - 5 0 m m ， 测定的温度范围是常温, - , , 1 0 0o c 。该测控系统在传感器选择和布置上都比较的合 理，选用了热电偶和铂热电阻，加热器采用的是绝缘材料上绕制电阻丝的方法，并 配以铝制的平板作为匀温板，加热控制上采用控温仪，并且采用了直流稳压电源， 主加热器的压降通过由数字电压表测定，并在加热回路中采用串联标准电阻的方 法来测定电流。 1 9 9 5 年哈尔滨建筑大学自行研制了一套综合导热实验台，是集准稳态法、 常功率法和热脉冲法为一体平面热源测试装置 3 4 1 ，通过不同组合来实现测试热物 性参数的目的。 1 9 9 6 年东南大学研制的稳态平板热流计式导热仪3 5 1 ，其测控系统最大的特 点是在输入热量即加热功率的的测定上采用了热流计的方法，从而省去了利用其 它仪表再次测量的麻烦。并且在热板与冷板的结构上采用了封装在铜套内的恒温 水浴的方法，从而使得加热更加的均匀。该仪器的测试误差大约是2 8 1 。 2 0 0 0 年中国科学院低温技术试验中心【3 6 1 ，利用带防护热板的平板导热仪测 量了高分子聚合材料的导热系数，同年郑州大学的吕新广【3 7 1 等人应用稳态平板法 对弹性金属塑料瓦实际模型的导热系数进行了测定。 2 0 0 0 年浙江海洋学院沈雅钧网等人根据准稳态平板法测试材料热物性的原 理，建立了在3 0 。c 至室温范围内的导热系数和比热实验测试装置，测定了石棉， 岩棉板、硅棉板以及聚苯乙烯泡沫塑料等几种常见绝热保温材料的导热系数和比 热。其实验装置中的加热器采用= 0 1 m m 的康铜丝用无衬底的绕制方法绕制而 成，输入电流由直流稳压电源提供，用直流毫安表与交直流电压表测定加热电流 7 江苏大学硕士学位论文 和电压，加热面温度以及两表面间的温度差用两台直流温差计同时测定。 2 0 0 3 年天津大学研制的基于m s c l 2 1 0 单片机的嵌入式数字测控系统3 9 1 ，该 仪器的测试本体采用了圆柱形加防护套的结构3 5 1 ，组成了一个封闭型空间，使得 受n # t - 界的影响变小了，电源方面采用了开关电源来为加热板提供连续可调的电 压，并且在测量温度上使用了多组热电偶，就整体性能而言使得该系统具有了智 能控制的功能。该系统代表了导热仪发展的方向，即利用智能化的控制芯片来实 现测试。 1 4 本课题的研究内容和目的 1 4 1 本课题的研究内容 根据前面的介绍，我们可以知道导热仪是一种用来测定材料导热系数的仪 器，而防护热板法是一种标准的稳念测量方法，适合于测定导热系数较小的干燥 试件，被广泛用于工程、国防和高校教学实验中。防护热板法导热仪是基于我国 标准g b l 0 2 9 4 8 8 “绝热材料稳态热阻及有关特性的测定一防护热板法”的规定 f 3 6 】研制的。尽管该方法具有诸多的优点，但是由于目前的防护热板法导热仪在建 立一维稳态导热的加热过程中多采用单一的恒温加热或者恒定功率加热的方式， 从而造成了测试复杂，精度降低或测试时间过长的缺点；并且由于系统设计的集 成度不高，往往由多个独立的测试部分组成从而造成操作不够方便，且易引入各 种误差，从而影响整个测试系统的精度和可靠性。为此本课题主要就稳态平板法 导热仪的加热方式和系统整体设计进行研究，所需要完成的主要工作如下： ( 1 ) 对目前稳态平板测试方法中建立一维稳念导热的加热过程进行改进，尝 试采用预热一保持的组合加热方式，争取找到较优的预热一保持的加热方式来替 代目前普遍使用的单一加热的手段。 ( 2 ) 设计并且制作一套集成度较高的智能型导热仪，包括系统硬件和软件的 设计，硬件设计上将信号采集、功率输出、控制单元和工作电源集成一体从而提 高整个系统的集成度，软件中将传统的p i d 控制和模糊控制相结合以提高恒温加 热控制的精度和稳定性，从而为试验研究提供方便。 ( 3 ) 对研制成功的测控系统进行调试和实验测试，主要方法是对一些已知导 热系数的材料进行测试，并且对测试精度和测试时间进行记录，以此来验证各种 8 江苏大学硕士学位论文 加热方式的效果。 ( 4 ) 进行实验数据的分析，对组合加热方式的工作效果进行全面的分析，得 到各种加热方式的特点以及适用的场合。 根据该课题的研究内容，本文主要从以下几个方面展开研究： ( 1 ) 运用a n s y s 软件【3 7 1 对稳态防护板法中采用恒温和恒功率加热模式下建 立一维稳念导热状态过程中试样内部温度场和热流密度场的变化过程进行模拟， 从而为找到高效合理的加热方式提供依据。 ( 2 ) 对于测试系统的整体设计，在整合现有导热仪优点的基础上设计一套便 于操作，集成度较高的测试仪器，然后利用控制理论的分析找到合适的恒温控制 算法。 ( 3 ) 调试好设计的仪器进行试验。 ( 4 ) 通过筛选和数学运算的方法对试验数据进行分析，并且结合模拟研究的 结果和试验所得数据进行综合对比分析，从而得到不同加热方式的特点。 1 4 2 本课题的研究目的 本课题通过对防护板法导热仪的加热方式的研究，最终是要得到不同加热方 式对整个测试效果的影响，并且分析其各自的特点，为不同场合导热仪的设计提 供一种较优的加热模式。与此同时，本论文对基于稳态平板法的测试系统也进行 了整体的优化设计，包括系统的硬件构成和软件设计，从而为实现导热仪测试方 式的灵活多样性进行了探索。 1 5 本章小结 本章作为本文的概论，分别从物质的导热特性、导热系数的测量，稳态平板 导热仪的发展现状以及本文的研究内容和方法几个方面进行了总体的介绍，通过 本章我们可以对导热仪的用途，导热系数的测量方法，稳态平板导热仪的发展现 状有一个大概的了解，并且引出了本文研究的内容，即组合加热方式在稳态平板 导热仪中的应用和测控系统集成度的改进，最后从总体思路上给出了研究和解决 的方法。 9 江苏大学硕士学位论文 第二章a n s y s 软件在热分析中的应用 2 1a n s y s 软件介绍 a n s y s 是一种应用广泛的通用有限元工程分析软件。它具有功能完备的预 处理器和后处理器( 又称预处理模块和后处理模块) 。目前，a n s y s 已经广泛 应用于核工业、机械制造、能源、汽车交通、日用家电等工业及科学研究。 a n s y s 软件含有多种分析能力，包括简单线性静态分析和复杂非线性动态 分析。可用来求结构、流体、电力、温度场等问题的解答。它包含了预处理、解 题程序以及后处理和优化等模块，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结 合，已成为解决现代工程学问题必不可少的有力工具。本章主要就a n s y s 软件 在热分析网中的使用方法进行介绍，从而为第三章的模拟奠定基础。 2 2a n s y s 软件中的热分析 1 ) a n s y s m u l t i p h y s i c s ， a n s y s m e c h a n i c a l ，a n s y s t h e r m a l ， a n s y s f l o t r a n ，a n s y s e d 这五种产品中都包含热分析功能，其中 a n s y s f l o t r a n 不含相变分析。 2 1a n s y s 热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各级节 点的温度，并导出其它热物理参数。 3 1a n s y s 热分析包括热传导，热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还 可以相变，有内热源、接触热阻等问题。 4 1 热分析共分为两类：稳态传热，即系统的温度场不随时间变化；瞬态传 热，即系统的温度场随时间明显变化。 本文中需要用到的是a n s y s 肿e 咖a l 模块，采用的是瞬态热分析和稳态热 分析，因为尽管稳态平板法属于稳态测试方法，但是其加热的过程却是一个复杂 的非稳态的变化过程，为了对其加热工程中试样内部的一维导热温度场的建立过 程进行分析，所以需要用到其非稳态模块。同样为了分析不同条件下的稳态效果 也需要用到稳念分析。 l o 江苏大学硕士学位论文 2 2 1a n s y s 软件中的热分析单元 线性：l i n k 3 2二维二节点热传导单元 l i n k 3 3三维二节点热传导单元 l i n k 3 4二节点热对流单元 l i n k 3 5 二节点热辐射单元 二维实体：p i a n e 5 5四节点四边形单元 p ia n e 7 7 八节点四边形单元 p l a n e 3 5三节点三角形单元 p l a n e 7 5 四节点轴对称单元 p ia n e 7 8 八节点轴对称单元 三维实体：s o u d 8 7六节点四面体单元 s o l i d 7 0八节点六面体单元 s o l i d 9 0 二十节点六面体单元 壳：s h e l l 5 7四节点 点：螂s 7 1 由于本课题在后面的试验中采用的是矩形板状的试件，为了便于对比分析， 所以本文在进行数值模拟计算中选用的有限单元类型是p l a n e 5 5 ，p l a n e 5 5 为 具有二维导热能力的4 节点热分析单元，每个节点有一个温度自由度，这样可以 充分满足对一维稳态导热的建立过程进行分析的要求。下面对a n s y s 软件在稳 态分析和非稳态分析中的原理和设置过程作以介绍： 2 2 2 稳态热分析 如果系统的净热流率为0 ，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于 流出系统的热量：q 漉入+ g ，皇成+ 留漉出= o ，则系统处于热稳态。在稳态热分析中任 一节点的温度随时间变化。稳态热分析的能量平衡方程为( 以矩阵式表示) i q 玎= q ，( 2 - 1 ) 式中：阍一传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数； n 一节点温度向量； q ) 一节点热流量，包含热生成率。 a n s y s 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 1 1 江苏大学硕士学位论文 旧、 玎以及 q 。 通过查看参考文献和对a n s y s 软件的帮助文件进行翻译可知a n s y s 稳态 热分析的基本过程可分为以下三个步骤： 1 i j f 处理 在前处理步骤中的主要任务是建模，步骤如下： ( 1 ) 确定项目名称j o b n a m e 、标题t i t l e 及在分析过程所使用的单位u n i t , ( 2 ) 进入p r e p 7 前处理，定义单元类型，设定单元选项； ( 3 ) 如果需要，定义单元实常数； ( 4 ) 定义材料热性能参数，对于稳态传热，一般只需要定义导热系数，它可 以是恒定的，也可以随温度变化； ( 5 ) 创建几何模型并划分网格。 2 求解 在求解步骤中的主要任务是施加载荷并且计算出结果。 ( 1 ) 定义分析类型 如果进行新的热分析，其选择方法为： m a i nm e n u s o l u t i o n a n a l y s i st y p e n e wa n a l y s i s s t e a d y - s t a t e 如果继续上一次分析，比如增加边界条件等，其选择方法为： m a i nm e n u s o l u t i o n a n a l y s i st y p e a r e s t a r t ( 2 ) 施加载荷 在a n s y s 的热分析中可以直接在实体模型或单元模型施加五种载荷( 边界 条件) 。 载荷一：恒定的温度 通常作为自由度约束旌加于温度己知的边界上，其设定方法为： m a i nm e n u s o l u t i o n l o a d s - - a p p l y t h e r m a lt e m p e r a t u r e 载荷二：热流率 热流率作为节点集中载荷，主要用于线性单元模型中( 通常线单元模型不能 施加对流或热流密度载荷) ，如果输入的值为正，代表热流流入节点，即单元获 取热量，其设定方法为： m a i nm e n u s o l u t i o n l o a d s - - a p p l y t h e r m a lh e a tf l o w 1 2 江苏大学硕士学位论文 载荷三：对流 对流边界条件作为面载荷加于实体的外表面，其设定方法为： m a i nm e n u s o l u t i o n l o a d s - - a p p l y t h e r m a l - - c o n v e c t i o n 载荷四：热流密度 热流密度也是一种面载。如果输入的值为正，代表热流流入单元。热流密度 也仅用于实体和壳单元，其设定方法为： m a i nm e n u s o l u t i o n l o a d s - - a p p l y t h e r m a l - - h e a tf l u x 载荷五：生热率 生热率作为体载施加于单元上，可以模拟化学反应生热或电流生热。它的单 位是单位体积的热流率其设定方法为： m a i nm e n u s o l u t i o n l o a d s - - a p p l y t h e r m a l - - h e a tg e n e r a t ( 3 ) 确定载荷步选项 在a n s y s 中对于一个热分析，可以设定其普通选项、非线性选项以及输出 控制。 a 普通选项 时间选项：虽然对于稳态热分析，时间选项并没有实际的物理意义，但它提 供了一个方便的设置载步荷子步的方法，其设定方法为： m a i nm e n u s o l u t i o n l o a d s t e po p t s - t i m e f r e q u e n c y t i m e _ - t i m e s t e p t i m ea n ds u bs t e p s 每载荷步中子步的数量或时间大小；对于非线性分析，每一载荷步需要多个 子步。设定方法如下： m a i nm e n u s o l u t i o n l o a ds t e po p t s - - t i m e t i m ea n d s u b s t e p s m a i nm e n u s o l u t i o n l o a ds t e po p t s t i m e f r e q u e n c y t i m e t i m e t i m e s t e p 递进或阶跃选项：如果定义阶跃( s t e l ) p e d ) 选项，载荷值在这个载荷步内保持 不变；如果为递进( r a m p e d ) 选项，则载荷值由上一载荷步值到本载荷步值随每一 子步线性变化，其设定方法为： m a i nm e n u s o l u t i o n l o a ds t e po p t s - - t i m e f r e q u e n c y t i m e - - t i m es t e p b 非线性选项 1 3 江苏大学硕士学位论文 如果有下列情况产生，则为非线性热分析： 材料热性能随温度变化，如k ( r r ) ，c ( d 等； 边界条件随温度变化，如h 0 3 等； 含有非线性单元； 考虑辐射传热。 非线性热分析的热平衡矩阵方程为： 【c 口) 】口) + 瞵叮) 】f 2 q 仃) ) ( 2 2 ) 迭代次数：本选项设置每一子步允许的最多迭代次数。默认值为2 5 ，其 设定方法为： m a i nm e n u s o l u t i o n l o a ds t e po p t s - n o l i n e r e q u i l i b r i u mi t e r 自动时间步长：对于线性问题，可以自动设定子步间载荷的增长，保证 求解的稳定性和准确性，其设定方法为： m a i nm e n u s o l u t i o n l o a ds t e po p t s t i m e f r e q u e n c y t i m e t i m es t e p t i m e a n ds u b s t e p s 收敛误差：可根据温度、热流率等检验热分析的收敛性，其设定方法为： m a i nm e n u s o l u t i o n l o a ds t e po p t s - n o l i n e a r c o n v e r g e n c ec r i t 求解结束选项：如果在规定的迭代次数内，达不到收敛，a n s y s 可以停 止求解或到下一载荷步继续求解，其设定方法为： m a i nm e n u s o l u t i o n l o a ds t e po p t s - n o l i n e a r c d t e r i at os t o p 线性搜索：设置本选项可使a n s y s 用n e w t o n - - r a p h s o n 方法进行线性 搜索，其设定方法为： m a i nm e n u s o l u t i o n l o a ds t e po p t s - n o l i n e a r l i n es e a r c h 预测矫正：本选项可激活每一子步第一迭代对自由度求解的预测矫正， 其设定方法为： m a i nm e n u s o l u t i o n l o a ds t e po p t s - n o l i n e a r p r e d i c t o r c 输出控制 控制打印输出：本选项可将任何结果数据输出到木o u t 文件中，其设定方 法为： m a i nm e n u s o l u t i o n l o a ds t e po p t s - o u t p u tc t r l s s o l up r i n t o u t 1 4 江苏大学硕士学位论文 算。 控制结果文件：控制毒r t h 的内容，其设定方法为： m a i nm e n u s o l u t i o n l o a ds t e po p t s o u 印u tc t r l s d b r e s u l t sf i l e ( 4 ) 确定分析选项 n e w t o n r a p h s o n 选项( 仅对非线性分析有用) ，其设定方法为： m a i nm e n u s o l u t i o n a n a l y s i so p t i o n s 选择求解器：可选择如下求解器中一个进行求解： a f r o n t a ls o l v e r b j a c o b ic o n j u g a t eg r a d i e n t ( c g ) l s o l v e r c j c go u t - o f - m e m o r ys o l v e r d i n c o m p l e t ec h o l e s k yc o n j u g a t eg r a d i e n t ( i c c g ) s o l v e r e p r e - c o n d i t i o n e dc o n j u g a t eg r a d i e n ts o l v e r ( p c g ) f i t e r a t i v e ( a u t o m a t i cs o l v e rs e l e c t i o no p t i o n ) 其设定方法为： m a i nm e n u s o l u t i o n a n a l y s i so p t i o n ( 5 ) 保存模型 点击a n s y s 工具条s a v ed b 。 ( 6 ) 求解 根据之前的设置计算出来结果，其实现方法为： m a i nm e n u s o l u t i o n c u r r e n tl s 3 后处理 在后处理步骤中的主要任务是计算结果的显示以及对计算结果的进一步运 a n s y s 将热分析的结果写入宰r t h 文件中，它包含如下数据： 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 元热流率 节点的反作用热流率 15 江苏大学硕士学位论文 其它 对于稳态热分析，可以使用p o s t l 进行后处理 进入p o s t l 后，读入载荷步和子步，其设定方法为： m a i n m e n u g e n e r a lp o s t p r o c r e a dr e s u l t s b yl o a ds t e p 可以通过如下三种方式查看结果： 彩色云图显示 m a i