热分析(ansys教程).ppt

第19章热分析 热分析的目的热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数 如热量的获取或损失 热梯度 热流密度 热通量 等热分析在许多工程应用中扮演重要角色 如内燃机 涡轮机 换热器 管路系统 电子元件等 19 1ANSYS的热分析 在ANSYS Multiphysics ANSYS Mechanical ANSYS Thermal ANSYS FLOTRAN ANSYS ED五种产品中包含热分析功能ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程 用有限元法计算各节点的温度 并导出其它热物理参数ANSYS热分析包括热传导 热对流及热辐射三种热传递方式 此外 还可以分析相变 有内热源 接触热阻等问题 19 2ANSYS的热分析分类 ANSYS的热分析分类稳态传热 系统的温度场不随时间变化瞬态传热 系统的温度场随时间明显变化与热有关的耦合分析热 结构耦合热 流体耦合热 电耦合热 磁耦合热 电 磁 结构耦合等 19 3热分析的符号与单位 表征物体吸收的热量 为一个体系的内能与体系的体积和外界施加于体系的压强的乘积之和 19 4传热学经典理论回顾 19 5热传递的方式 1 热传导热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换 热传导遵循付里叶定律 qn k dT dx 式中qn为热流密度 W m2 k为导热系数 W m 表示热量流向温度降低的方向 2 热对流热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间 由于温差的存在引起的热量的交换 热对流可以分为两类 自然对流和强制对流 热对流用牛顿冷却方程来描述 qn h TS TB 式中h为对流换热系数 或称膜传热系数 给热系数 膜系数等 TS为固体表面的温度 TB为周围流体的温度 19 5热传递的方式 续 3 热辐射热辐射指物体发射电磁能 并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程 物体温度越高 单位时间辐射的热量越多 热传导和热对流都需要有传热介质 而热辐射无须任何介质 实质上 在真空中的热辐射效率最高 在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射 系统中每个物体同时辐射并吸收热量 它们之间的净热量传递可以用斯蒂芬 波尔兹曼方程来计算 q A1F12 T14 T24 式中q为热流率 为辐射率 黑度 为斯蒂芬 波尔兹曼常数 约为5 67 10 8W m2 K4 A1为辐射面1的面积 F12为由辐射面1到辐射面2的形状系数 T1为辐射面1的绝对温度 T2为辐射面2的绝对温度 由上式可以看出 包含热辐射的热分析是高度非线性的 19 6稳态传热 如果系统的净热流率为 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流入 q生成 q流出 0 则系统处于热稳态 在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变化 稳态热分析的能量平衡方程为 以矩阵形式表示 K T Q 式中 K 为传导矩阵 包含导热系数 对流系数及辐射率和形状系数 T 为节点温度向量 Q 为节点热流率向量 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 以及 Q 19 7瞬态传热 瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程 在这个过程中系统的温度 热流率 热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化 根据能量守恒原理 瞬态热平衡可以表达为 以矩阵形式表示 C K T Q 式中 K 为传导矩阵 包含导热系数 对流系数及辐射率和形状系数 C 为比热矩阵 考虑系统内能的增加 T 为节点温度向量 为温度对时间的导数 Q 为节点热流率向量 包含热生成 19 8线性与非线性 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 T C T 等 边界条件随温度变化 如h T 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 T K T T Q T 19 9边界条件 初始条件 ANSYS热分析的边界条件或初始条件可分为七种 温度 模型区温度已知热流率 热流率已知的点对流 表面的热传递给周围的流体通过对流 输入对流换热系数h和环境流体的平均温度Tb热辐射 通过辐射产生热传递的面 输入辐射系数 Stefan Boltzmann常数 空间节点 的温度作为可选项输入绝热面 完全绝热 面 该面上不发生热传递热通量 单位面积上的热流率已知的面热生成率 体的生热率已知的区域 19 10热分析误差估计 仅用于评估由于网格密度不够带来的误差 仅适用于SOLID或SHELL的热单元 只有温度一个自由度 基于单元边界的热流密度的不连续 仅对一种材料 线性 稳态热分析有效 使用自适应网格划分可以对误差进行控制 19 11稳态传热分析 稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响 通常在进行瞬态热分析以前 进行稳态热分析用于确定初始温度分布 稳态热分析可以通过有限元计算确定由于稳定的热载荷引起的温度 热梯度 热流率 热流密度等参数 19 11 1热分析的单元 热分析涉及到的单元有大约40种 其中纯粹用于热分析的有14种 线性 LINK32两维二节点热传导单元LINK33三维二节点热传导单元LINK34二节点热对流单元LINK31二节点热辐射单元二维实体 PLANE55四节点四边形单元PLANE77八节点四边形单元PLANE35三节点三角形单元PLANE75四节点轴对称单元PLANE78八节点轴对称单元 19 11 1热分析的单元 续 三维实体 SOLID87六节点四面体单元SOLID70八节点六面体单元SOLID90二十节点六面体单元壳 SHELL57四节点点 MASS71 19 11 2稳态热分析的基本过程 ANSYS热分析可分为三个步骤 前处理 建模求解 施加载荷计算后处理 查看结果 19 11 3建模 确定jobname title unit 进入PREP7前处理 定义单元类型 设定单元选项 定义单元实常数 定义材料热性能参数 对于稳态传热 一般只需定义导热系数 它可以是恒定的 也可以随温度变化 创建几何模型并划分网格 19 11 3 1几何尺寸 模型 既可用ANSYS建立模型 也可用其它方法建好模型后导入模型建好后 以上两种建模方法的具体过程将不再显示 19 11 3 2划分网格 首先定义单元属性 单元类型 实常数 材料属性 单元类型下表给出了常用的热单元类型每个结点只有一个自由度 温度 19 11 3 2划分网格 续 材料属性必须输入导热系数 KXX如果施加了内部热生成率 则需指定比热 C ANSYS提供的材料库 ansys57 matlib 包括几种常用材料的结构属性和热属性 但是建议用户创建 使用自己的材料库把优先设置为 热分析 使材料模型图形用户界面只显示材料的热属性实常数主要应用于壳单元和线单元 19 11 3 2划分网格 续 划分网格存储数据文件使用MeshTool划分网格 使用缺省的智能网格划分级别6可以生成很好的初始网格至此完成前处理 下面开始求解 19 11 4施加载荷计算 定义分析类型如果进行新的热分析 Command ANTYPE STATIC NEWGUI Mainmenu Solution AnalysisType NewAnalysis Steady state如果继续上一次分析 比如增加边界条件等 Command ANTYPE STATIC RESTGUI Mainmenu Solution AnalysisType Restart 19 11 4施加载荷计算 续 施加载荷可以直接在实体模型或单元模型上施加五种载荷 边界条件 a 恒定的温度通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上 CommandFamily DGUI MainMenu Solution Loads Apply Thermal Temperature 19 11 4施加载荷计算 续 b 热流率热流率作为节点集中载荷 主要用于线单元模型中 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 如果温度与热流率同时施加在一节点上则ANSYS读取温度值进行计算 注意 如果在实体单元的某一节点上施加热流率 则此节点周围的单元要密一些 在两种导热系数差别很大的两个单元的公共节点上施加热流率时 尤其要注意 此外 尽可能使用热生成或热流密度边界条件 这样结果会更精确些 CommandFamily FGUI MainMenu Solution Loads Apply Thermal HeatFlow 19 11 4施加载荷计算 续 c 对流对流边界条件作为面载施加于实体的外表面 计算与流体的热交换 它仅可施加于实体和壳模型上 对于线模型 可以通过对流线单元LINK34考虑对流 CommandFamily SFGUI MainMenu Solution Loads Apply Thermal Convection 19 11 4施加载荷计算 续 d 热流密度热流密度也是一种面载 当通过单位面积的热流率已知或通过FLOTRANCFD计算得到时 可以在模型相应的外表面施加热流密度 如果输入的值为正 代表热流流入单元 热流密度也仅适用于实体和壳单元 热流密度与对流可以施加在同一外表面 但ANSYS仅读取最后施加的面载进行计算 CommandFamily FGUI MainMenu Solution Loads Apply Thermal HeatFlux 19 11 4施加载荷计算 续 e 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 CommandFamily BFGUI MainMenu Solution Loads Apply Thermal HeatGenerat 19 11 4施加载荷计算 续 定载荷步选项对于一个热分析 可以确定普通选项 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荷步和载荷子步的方法 Command TIMEGUI MainMenu Solution LoadStepOpts Time Frequenc Time TimeStep TimeandSubstps 19 11 4施加载荷计算 续 每载荷步中子步的数量或时间步大小 对于非线性分析 每一载荷步需要多个子步 Command NSUBSTGUI MainMenu Solution LoadStepOpts Time Frequenc TimeandSubstpsCommand DELTIMGUI MainMenu Solution LoadStepOpts Time Frequenc Time TimeStep 19 11 4施加载荷计算 续 递进或阶越选项 如果定义阶越 stepped 选项 载荷值在这个载荷步内保持不变 如果为递进 ramped 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 Command KBCGUI MainMenu Solution LoadStepOpts Time Frequenc Time TimeStep TimeandSubstps 19 11 4施加载荷计算 续 b 非线性选项 迭代次数 本选项设置每一子步允许的最多的迭代次数 默认值为25 对大数热分析问题足够 Command NEQITGUI MainMenu Solution LoadStepOpts Nolinear EquilibriumIter 19 11 4施加载荷计算 续 自动时间步长 对于非线性问题 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 Command AUTOTSGUI MainMenu Solution LoadStepOpts Time Frequenc Time TimeStep TimeandSubstps 19 11 4施加载荷计算 续 收敛误差 可根据温度 热流率等检验热分析的收敛性 Command CNVTOLGUI MainMenu Solution LoadStepOpts Nolinear ConvergenceCrit 19 11 4施加载荷计算 续 求解结束选项 如果在规定的迭代次数内 达不到收敛 ANSYS可以停止求解或到下一载荷步继续求解 Command NCNVGUI MainMenu Solution LoadStepOpts Nolinear CriteriatoStop 19 11 4施加载荷计算 续 线性搜索 设置本选项可使ANSYS用Newton Raphson方法进行线性搜索 Command LNSRCHGUI MainMenu Solution LoadStepOpts Nolinear LineSearch 19 11 4施加载荷计算 续 预测矫正 本选项可激活每一子步第一次迭代对自由度求解的预测矫正 Command PREDGUI MainMenu Solution LoadStepOpts Nolinear Predictor 19 11 4施加载荷计算 续 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 out文件中 Command OUTPRGUI MainMenu Solution LoadStepOpts OutputCtrls SoluPrintout 19 11 4施加载荷计算 续 控制结果文件 控制 rth的内容 Command OUTRESGUI MainMenu Solution LoadStepOpts OutputCtrls DB ResultsFile 19 11 4施加载荷计算 续 确定分析选项a Newton Raphson选项 仅对非线性分析有用 Command NROPTGUI MainMenu Solution AnalysisOptions 19 11 4施加载荷计算 续 b 选择求解器 可选择如下求解器中一个进行求解 Frontalsolver 默认 JacobiConjugateGradient JCG solver JCGout of memorysolver IncompleteCholeskyConjugateGradient ICCG solver Pre ConditionedConjugateGradientSolver PCG Iterative automaticsolverselectionoption 19 11 4施加载荷计算 续 Command EQSLVGUI MainMenu Solution AnalysisOptions注意 热分析可选用Iterative选项进行快速求解 但如下情况除外 热分析包含SURF19或SURF22或超单元 热辐射分析 相变分析 需要restartananalysis 19 11 4施加载荷计算 续 c 确定绝对零度 在进行热辐射分析时 要将目前的温度值换算为绝对温度 如果使用的温度单位是摄氏度 此值应设定为273 如果使用的是华氏度 则为460 Command TOFFSTGUI MainMenu Solution AnalysisOptions 19 11 4施加载荷计算 续 保存模型 点击ANSYS工具条SAVE DB 求解Command SOLVEGUI MainMenu Solution CurrentLS 19 11 5后处理 ANSYS将热分析的结果写入 rth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单元热流率节点的反作用热流率其它 19 11 5后处理 续 对于稳态热分析 可以使用POST1进行后处理 进入POST1后 读入载荷步和子步 Command SETGUI MainMenu GeneralPostproc ReadResults ByLoadStep 19 11 5后处理 续 可以通过如下三种方式查看结果 彩色云图显示Command PLNSOL PLESOL PLETAB等GUI MainMenu GeneralPostproc PlotResults NodalSolu ElementSolu ElemTable 19 11 5后处理 续 对3 D实体模型绘制云图时 选项isosurfaces 等值面 是非常有用的 用 CTYPE命令或UtilityMenu PlotCtrls Style Contours ContourStyle 19 11 5后处理 续 矢量图显示Command PLVECTGUI MainMenu GeneralPostproc PlotResults Pre definedorUserdefined 19 11 5后处理 续 列表显示Command PRNSOL PRESOL PRRSOL等GUI MainMenu GeneralPostproc ListResults NodalSolu ElementSolu ReactionSolu 19 11 5后处理 续 检查结果是否正确温度是否在预期的范围内 在指定温度和热流边界的基础上 估计预期的范围网格大小是否满足精度 和受力分析一样 可以画出非均匀分布的温度梯度 单元解 并找出高梯度的单元 这些区域可作为重新定义网格时的参考若节点温度梯度 平均的 和单元温度梯度 非平均的 之间的差别很大 则可能是网格划分太粗糙 19 12练习 稳态传热分析 某一潜水艇可以简化为一圆筒 它由三层组成 最外面一层为不锈钢 中间为玻纤隔热层 最里面为铝层 筒内为空气 筒外为海水 求内外壁面温度及温度分布 几何参数 筒外径30feet总壁厚2inch不锈钢层壁厚0 75inch玻纤层壁厚1inch铝层壁厚0 25inch筒长200feet导热系数 不锈钢8 27BTU hr ft oF玻纤0 028BTU hr ft oF铝117 4BTU hr ft oF 19 12 1边界条件 边界条件 空气温度70oF海水温度44 5oF空气对流系数2 5BTU hr ft2 oF海水对流系数80BTU hr ft2 oF沿垂直于圆筒轴线作横截面 得到一圆环 取其中1度进行分析 如图示 19 12 2log文件 filename Steady1 title Steady statethermalanalysisofsubmarine units BFTRo 15 外径 ft Rss 15 0 75 12 不锈钢层内径ft Rins 15 1 75 12 玻璃纤维层内径 ft Ral 15 2 12 铝层内径 ft Tair 70 潜水艇内空气温度Tsea 44 5 海水温度Kss 8 27 不锈钢的导热系数 BTU hr ft oF Kins 0 028 玻璃纤维的导热系数 BTU hr ft oF 19 12 2log文件 续 Kal 117 4 铝的导热系数 BTU hr ft oF Hair 2 5 空气的对流系数 BTU hr ft2 oF Hsea 80 海水的对流系数 BTU hr ft2 oF prep7et 1 plane55 定义二维热单元mp kxx 1 Kss 设定不锈钢的导热系数mp kxx 2 Kins 设定玻璃纤维的导热系数mp kxx 3 Kal 设定铝的导热系数pcirc Ro Rss 0 5 0 5 创建几何模型pcirc Rss Rins 0 5 0 5pcirc Rins Ral 0 5 0 5aglue all 19 12 2log文件 续 numcmp arealesize 1 16 设定划分网格密度lesize 4 4lesize 14 5lesize 16 2eshape 2 设定为映射网格划分mat 1amesh 1mat 2amesh 2mat 3amesh 3 19 12 2log文件 续 SOLUSFL 11 CONV HAIR TAIR 施加空气对流边界SFL 1 CONV HSEA TSEA 施加海水对流边界SOLVE POST1PLNSOL 输出温度彩色云图finish 19 12 3菜单操作 菜单操作 1 UtilityMenu File changejobname 输入Steady1 2 UtilityMenu File changetitle 输入Steady statethermalanalysisofsubmarine 3 在命令行输入 units BFT 4 MainMenu Preprocessor 19 12 3菜单操作 续 5 MainMenu Preprocessor ElementType Add Edit Delete 选择PLANE55 6 MainMenu Preprocessor MaterialProp Constant Isotropic 默认材料编号为1 在KXX框中输入8 27 选择APPLY 输入材料编号为2 在KXX框中输入0 028 选择APPLY 输入材料编号为3 在KXX框中输入117 4 19 12 3菜单操作 续 7 MainMenu Preprocessor Modeling Create Areas Circle ByDimensions在RAD1中输入15 在RAD2中输入15 75 12 在THERA1中输入 0 5 在THERA2中输入0 5 选择APPLY 在RAD1中输入15 75 12 在RAD2中输入15 1 75 12 选择APPLY 在RAD1中输入15 1 75 12 在RAD2中输入15 2 12 选择OK 19 12 3菜单操作 续 8 MainMenu Preprocessor Modeling Operate Booleane Glue Area 选择PICKALL 19 12 3菜单操作 续 9 MainMenu Preprocessor Meshing SizeContrls Lines PickedLines选择不锈钢层短边 在NDIV框中输入4 选择APPLY 19 12 3菜单操作 续 选择玻璃纤维层的短边 在NDIV框中输入5 选择APPLY 选择铝层的短边 在NDIV框中输入2 选择APPLY 选择四个长边 在NDIV中输入16 19 12 3菜单操作 续 10 MainMenu Preprocessor Attributes Define PickedArea选择不锈钢层 在MAT框中输入1 选择APPLY 选择玻璃纤维层 在MAT框中输入2 选择APPLY 选择铝层 在MAT框中输入3 选择OK 19 12 3菜单操作 续 11 MainMenu Preprocessor Meshing Mesh Areas Mapped 3or4sided 选择PICKALL 19 12 3菜单操作 续 12 MainMenu Solution Loads Apply Thermal Convection Onlines选择不锈钢外壁 在VALI框中输入80 在VAL2I框中输入44 5 选择APPLY 19 12 3菜单操作 续 选择铝层内壁 在VALI框中输入2 5 在VAL2I框中输入70 选择OK 19 12 3菜单操作 续 13 MainMenu Solution Solve CurrentLS 14 MainMenu GeneralPostproc PlotResults ContourPlot NodalSolu 选择Temperature 19 13 ANSYSVerificationManual 中关于稳态热分析的实例 VM58CenterlinetemperatureofaheatgeneratingwireVM92InsultedwalltemperatureVM93TemperaturedependentconductivityVM94HeatgeneratingplateVM95HeattransferfromacoolingspineVM96TemperaturedistributioninashortsolidcylinderVM97TemperaturedistributionalongastraightfinVM98TemperaturedistributionalongataperedfinVM99TemperaturedistributioninatrapezoidalfinVM100Heatconductivityacrossachimneysection 19 13 ANSYSVerificationManual 中关于稳态热分析的实例 续 VM101TemperaturedistributioninashortsolidcylinderVM102CylinderwithtemperaturedependentconductivityVM103ThinplatewithacentralheatsourceVM105HeatgenerationcoilwithtemperaturedependentconductivityVM108TemperaturegradientacrossasolidcylinderVM118CenterlinetemperatureofaheatgeneratingwireVM160SolidcylinderwithharmonictemperatureloadVM161HeatflowfromainsulatedpipeVM162CoolingofacircularfinofrectangularprofileVM193Adaptiveanalysisoftwo dimensionalheattransferwithconvection 19 14瞬态传热分析 瞬态热分析用于计算一个系统随时间变化的温度场及其它热参数 在工程上一般用瞬态热分析计算温度场 并将之作为热载荷进行应力分析 其基本步骤与稳态热分析类似 主要的区别是瞬态热分析中的载荷是随时间变化的 为了表达随时间变化的载荷 首先必须将载荷 时间曲线分为载荷步 载荷 时间曲线中的每一个拐点为一个载荷步 如下图所示 对于每一个载荷步 必须定义载荷值及时间值 同时必须选择载荷步为渐变或阶越 19 14 1瞬态热分析中的单元 命令及步骤 瞬态热分析中使用的单元与稳态热分析相同 要了解每个单元的详细说明 请参阅 ANSYSElementReferenceGuide 要了解每个命令的详细功能 请参阅 ANSYSCommandReferenceGuide 瞬态热分析的步骤建模加载求解后处理 19 14 2建模 确定jobname title units 进入PREP7 定义单元类型并设置选项 如果需要 定义单元实常数 定义材料热性能 一般瞬态热分析要定义导热系数 密度及比热 建立几何模型 对几何模型划分网格 关于建模及划分网格 请参阅 ANSYSModelingandMeshingGuide 19 14 3加载求解 a 定义分析类型 如果第一次进行分析 或重新进行分析GUI MainMenu Solution AnalysisType NewAnalysis TransientCommand ANTYPE TRANSIENT NEW 19 14 3加载求解 续 如果接着上次的分析继续进行 例如增加其它载荷 GUI MainMenu Solution AnalysisType RestartCommand ANTYPE TRANSIENT REST 19 14 3加载求解 续 b 获得瞬态热分析的初始条件 定义均匀温度场如果已知模型的起始温度是均匀的 可设定所有节点初始温度Command TUNIFGUI MainMenu Solution Loads Settings UniformTemp 19 14 3加载求解 续 如果不在对话框中输入数据 则默认为参考温度 参考温度的值默认为零 但可通过如下方法设定参考温度 Command TREFGUI MainMenu Solution Loads Settings ReferenceTemp 19 14 3加载求解 续 注意 设定均匀的初始温度 与如下的设定节点的温度 自由度 不同Command DGUI MainMenu Solution Loads Apply Thermal Temperature OnNodes 19 14 3加载求解 续 初始均匀温度仅对分析的第一个子步有效 而设定节点温度将保持贯穿整个瞬态分析过程 除非通过下列方法删除此约束 Command DDELEGUI MainMenu Solution Loads Delete Thermal Temperature OnNodes 19 14 3加载求解 续 设定非均匀的初始温度在瞬态热分析中 节点温度可以设定为不同的值 Command ICGUI MainMenu Solution Loads Apply InitialCondit n Define 19 14 3加载求解 续 如果初始温度场是不均匀的且又是未知的 就必须首先作稳态热分析确定初始条件 设定载荷 如已知的温度 热对流等 将时间积分设置为OFF Command TIMINT OFFGUI MainMenu Preprocessor Loads LoadStepOpts Time Frequenc TimeIntegration 19 14 3加载求解 续 19 14 3加载求解 续 设定一个只有一个子步的 时间很小的载荷步 例如0 001 Command TIMEGUI MainMenu Preprocessor Loads LoadStepOpts Time Frequenc TimeandSubstps 19 14 3加载求解 续 写入载荷步文件 Command LSWRITEGUI MainMenu Preprocessor Loads WriteLSFile或先求解 Command SOLVEGUI MainMenu Solution Solve CurrentLS注意 在第二载荷步中 要删去所有设定的温度 除非这些节点的温度在瞬态分析与稳态分析相同 19 14 3加载求解 续 c 设定载荷步选项 普通选项时间 本选项设定每一载荷步结束时的时间 Command TIMEGUI MainMenu Solution LoadStepOpts Time Frequenc TimeandSubstps 19 14 3加载求解 续 c 设定载荷步选项 普通选项每个载荷步的载荷子步数 或时间增量对于非线性分析 每个载荷步需要多个载荷子步 时间步长的大小关系到计算的精度 步长越小 计算精度越高 同时计算的时间越长 根据线性传导热传递 可以按如下公式估计初始时间步长 ITS 2 4 其中 为沿热流方向热梯度最大处的单元的长度 为导温系数 它等于导热系数除以密度与比热的乘积 k c Command NSUBSTorDELTIMGUI MainMenu Solution LoadStepOpts Time Frequenc TimeandSubstps 19 14 3加载求解 续 如果载荷在这个载荷步是恒定的 需要设为阶越选项 如果载荷值随时间线性变化 则要设定为渐变选项 Command KBCGUI MainMenu Solution LoadStepOpts Time Frequenc TimeandSubstps 19 14 3加载求解 续 非线性选项迭代次数 每个子步默认的次数为25 这对大多数非线性热分析已经足够 Command NEQITGUI MainMenu Solution Loadstepopts Nonlinear EquilibriumIter 19 14 3加载求解 续 自动时间步长 本选项为ON时 在求解过程中将自动调整时间步长 Command AUTOTSGUI MainMenu Solution LoadStepOpts Time Frequenc TimeandSubstps 19 14 3加载求解 续 时间积分效果 如果将此选项设定为OFF 将进行稳态热分析 Command TIMINTGUI MainMenu Solution LoadStepOpts Time Frequenc TimeIntegration 19 14 3加载求解 续 输出选项 控制打印输出 本选项可将任何结果数据输出到 out文件中Command OUTPRGUI MainMenu Solution LoadStepOpts OutputCtrls SoluPrintout 19 14 3加载求解 续 控制结果文件 控制 rth的内容Command OUTRESGUI MainMenu Solution LoadStepOpts OutputCtrls DB ResultsFile 存盘求解 19 14 4后处理 ANSYS提供两种后处理方式 POST1 可以对整个模型在某一载荷步 时间点 的结果进行后处理 Command POST1GUI MainMenu GeneralPostproc POST26 可以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 Command POST26GUI MainMenu TimeHistPostproc 19 14 4后处理 续 1 用POST1进行后处理 进入POST1后 可以读出某一时间点的结果 Command SETGUI MainMenu GeneralPostproc ReadResults ByTime Freq如果设定的时间点不在任何一个子步的时间点上 ANSYS会进行线性插值 此外还可以读出某一载荷步的结果 GUI MainMenu GeneralPostproc ReadResults ByLoadStep然后就可以采用与稳态热分析类似的方法 对结果进行彩色云图显示 矢量图显示 打印列表等后处理 19 14 4后处理 续 2 用POST26进行后处理 首先要定义变量 Command NSOLorESOLorRFORCEGUI MainMenu TimeHistPostproc DefineVariables 19 14 4后处理 续 然后就可以绘制这些变量随时间变化的曲线 Command PLVARGUI MainMenu TimeHistPostproc GraphVariables 19 14 4后处理 续 或列表输出 Command PRVARGUI MainMenu TimeHistPostproc ListVariables此外 POST26还提供许多其它功能 如对变量进行数学操作等 19 15相变问题 ANSYS热分析最强大的功能之一就是可以分析相变问题 例如凝固或熔化等 含有相变问题的热分析是一个非线性的瞬态的问题 相变问题需要考虑熔融潜热 即在相变过程吸收或释放的热量 ANSYS通过定义材料的焓随温度变化来考虑熔融潜热 如图所示 焓的单位是J m3 是密度与比热的乘积对温度的积分 19 15相变问题 续 求解相变问题 应当设定足够小的时间步长 并将自动时间步长设置为ON 选用低阶的热单元 例如PLANE55或SOLID70 如果必须选用高阶单元 请将单元选项KEYOPT 1 设置为1 Command keyopt 1 1GUI MainMenu Prepocessor ElementType Add Edit Delete Options Specificheatmatrix Diagonalized 19 15相变问题 续 在设定瞬态积分参数时 请将THETA值设置为1 默认为0 5 Command TINTPGUI MainMenu Solution LoadandStepOpts Time Frequence Timeintergration THETA 19 15相变问题 续 线性搜索将有助于加速相变问题的求解 Command LNSRCHGUI MainMenu Solution LoadStepOpts Nonlinear LineSearch 19 16练习 瞬态传热分析 一个30公斤重 温度为70 的铜块 以及一个20公斤重 温度为80 的铁块 突然放入温度为20 盛满了300升水的 完全绝热的水箱中 如图所示 过了一个小时 求铜块与铁块的最高温度 假设忽略水的流动 材料热物理性能如下 19 16练习 瞬态传热分析 续 19 16 1log文件 filename transient1 title ThermalTransientExercise1 进入前处理 prep7et 1 plane77 定义单元类型mp kxx 1 383 定义材料热性能参数mp dens 1 8889 1 铜 2 铁 3 水mp c 1 390mp kxx 2 70mp dens 2 7837mp c 2 448mp kxx 3 0 61mp dens 3 996mp c 3 4185 19 16 1log文件 续 rectnag 0 0 6 0 0 5 创建几何实体rectang 0 15 0 225 0 225 0 27rectang 0 6 0 2 0 058 0 6 0 2 0 225 0 225 0 044aovlap all 布尔操作 pnum area 1aplotaatt 1 1 1 划分网格eshape 2esize 0 02amesh 2aatt 2 1 1amesh 3aatt 3 1 1eshape 3esize 0 05amesh 4 19 16 1log文件 续 pnum mat 1eplotfinish 加载求解 soluantype transtimint off 先作稳态分析 确定初始条件time 0 01 设定只有一个子步的时间很小的载荷步deltim 0 01esel s mat 3nsle sd all temp 20esel s mat 2nsle sd all temp 80 19 16 1log文件 续 esel s mat 1nsle sd all temp 70allselsolve 得到初始温度分布time 3600 进行瞬态分析timint on 打开时间积分deltim 26 2 200 设置时间步长 最大及最小时间步长autots on 打开自动时间步长ddelet all temp 删除稳态分析中定义的节点温度outres all 1 将每个子步的值写入数据库文件solvefinishsave 19 16 1log文件 续 进入POST26后处理 post26solu 2 dtime dtime 2 每一子步采用的时间步长nsol 3 node 0 1875 0 2475 0 temp T Copper 3 铜块的中心点nsol 4 node 0 371 0 247 0 temp T Iron 4 铁块的中心点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 水箱的顶部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 2plvar 3 4 5 6 7 8finish 19 16 1log文件 续 进入POST1后处理 post1 设置为最后一个载荷子步set lastesel s mat 1nsle splnsol tempesel s mat 2nsle splnsol tempfinish 19 16 2菜单操作 1 UtilityMenu File ChangeJobname 输入文件名Transient1 2 UtilityMenu File ChangeTitle 输入ThermalTransientExercise1 19 16 2菜单操作 续 3 MainMenu Preprocessor 进入前处理 4 MainMenu Preprocessor ElementType Add Edit Delete 选择单元plane77 19 16 2菜单操作 续 5 MainMenu Preprocessor MaterialProps Isotropic 定义材料1 铜 的KXX等于383 DENS等于8889 C等于1390 19 16 2菜单操作 续 6 MainMenu Preprocessor MaterialProps Isotropic 定义材料2 铁 的KXX等于70 DENS等于7837 C等于448 7 MainMenu Preprocessor MaterialProps Isotropic 定义材料3 水 的KXX等于0 61 DENS等于996 C等于4185 19 16 2菜单操作 续 8 MainMenu Preprocessor Modeling Create Areas Retangle ByDimensions输入X1 0 Y1 0 X2 0 6 Y2 0 5 选择Apply 19 16 2菜单操作 续 输入X1 0 15 Y1 0 225 X2 0 225 Y2 0 27 选择Apply 输入X1 0 6 0 2 0 058 Y1 0 225 X2 0 6 0 2 Y2 0 225 0 044 选择OK 19 16 2菜单操作 续 9 MainMenu Preprocessor Modeling Operate Booleans Overlap 选择PickAll 10 UtilityMenu Plotctrls Numbering Areas on 11 UtilityMenu Plot Areas 19 16 2菜单操作 续 12 MainMenu Preprocessor Attributes Define AllAreas 选择材料1 13 MainMenu Preprocessor Meshing SizeCntrls Manualsize Global Size 输入单元大小0 02 14 MainMenu Preprocessor Meshing Mesh Areas Mapped 3or4sided 选择铜块 19 16 2菜单操作 续 15 MainMenu Preprocessor Attributes Define AllAreas 选择材料2 16 MainMenu Preprocessor Meshing Mesh Areas Mapped 3or4sided 选择铁块 17 MainMenu Preprocessor Attributes Define AllAreas 选择材料3 18 MainMenu Preprocessor Meshing SizeCntrls Manualsize Global Size 输入单元大小0 05 19 MainMenu Preprocessor Meshing Mesh Areas Free 选择水箱 19 16 2菜单操作 续 19 16 2菜单操作 续 20 UtilityMe