ANSYS瞬态热分析教程及实例

4 瞬态传热分析 4 瞬态传热分析 瞬态传热分析的基本步骤与稳态热分析类似 主要的区别是瞬态传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 如图3 9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Ramped方式变化或Stepped方式变化 如果需要知道系统受随时间变化 或不变 的载荷和边界条件时的响应 就需要进行 瞬态分析 4 瞬态传热分析 5 瞬态传热分析 ANSYS缺省是渐进加载的 渐进加载可以提高瞬态求解的适应性 如果有非线性时可以提高收敛性 5 瞬态传热分析 5 瞬态传热分析 在瞬态分析中 载荷步和子步的定义与非线性稳态分析十分类似 载荷定义的每个载荷步的终点 并可以随时间阶跃或渐进的施加 每个载荷步的求解是在子步上得到 子步长根据时间积分步长得到 自动时间步 ATS 同样适用于瞬态分析 可以简化ITS选择 ITS选择将影响到瞬态分析的精度和非线性收敛性 如果存在 均匀初始温度 如果整个模型的初始温度为均匀且非0 使用下列菜单指定 2 1 3 4 5 瞬态传热分析 非均匀的初始温度 如果模型的初始温度分布已知但不均匀 使用这些菜单将初始条件施加在特定节点上 5 瞬态传热分析 5 瞬态传热分析 ANSYS瞬态传热分析的主要步骤1 建立有限元模型2 施加载荷并求解3 求解4 查看分析结果 择分析类型进行瞬态传热分析需要首先需要定义分析类型及其相关选项 下面介绍分析类型及其选项的设定 进行第一次分析或者重新进行分析命令 ANTYPE TRANSIENT NEWGUI MainMenu Solution AnalysisType NewAnalysis Transient延续上一次分析命令 ANTYPE TRANSIENT RESTGUI MainMenu Solution AnalysisType Restart 定义瞬态传热分析的初始条件瞬态传热分析的初始条件分为两种情况 其一 初始温度场已知 其二 初始温度场未知 已知初始温度场如果初始温度场是已知的 则定义过程比较简单 定义过程如下 1 定义均匀温度场命令 TUNIFGUI MainMenu Solution DefineLoads Apply Structural Temperature UniformTemp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 2 设定参考温度命令 TREFGUI MainMenu Solution DefineLoads Settings ReferenceTemp如果不在对话框中键入数据 则默认为参考温度 参考温度的值默认为零 3 设置节点温度命令 DGUI MainMenu Solution DefineLoads Apply Thermal Temperature OnNodes 3 设定非均匀的初始温度命令 ICGUI MainMenu Solution DefineLoads Apply InitialCondit n Define在瞬态传热分析中 节点温度可以通过此项设定为不同的值 初始温度场未知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 下面介绍分析选项的设定 1 施加载荷 如已知的温度 热对流等 2 关闭时间积分命令 TIMINT OFFGUI MainMenu Solution LoadStepOpts Time Frequenc TimeIntegration 设定一个只有一个子步的 时间很小的载荷步 例如0 001 命令 TIMEGUI MainMenu Solution AnalysisType Sol nControls basic4 写入载荷步文件命令 LSWRITEGUI MainMenu Solution LoadStepOpts WriteLSFile或先求解 GUI MainMenu Solution Solve CurrentLS 非线性选项常用选项如下 迭代次数选项选项命令 NEQITGUI MainMenu Preprocessor Loads LoadStepOpts Nonlinear EquilibriumIter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 自动时间步长选项命令 AUTOTSGUI MainMenu Solution AnalysisType Sol nControls打开后求解过程中将自动调整时间步长 时间积分选项命令 TIMINTGUI MainMenu Solution LoadStepOpts Time Frequenc TimeIntegration如果将此选项设定为OFF 将进行稳态热分析 求解命令 SOLVEGUI MainMenu Solution CurrentLS POST1后处理读入结果数据命令 SETGUI MainMenu GeneralPostproc ReadResults ByTime Freq进入POST1后 可以读出某一时间点的结果 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 3 3瞬态传热分析实例1 问题描述实例类型 ANSYS结构分析 分析类型 瞬态传热分析 单元类型 PLANE55ANSYS功能示例 实体建模包括基本的建模操作 定义比热容 施加瞬态热载荷 设置瞬态热载荷分析选项 显示模型温度等值线图 显示节点温度随时间变化曲线 长方形的板 几何参数及其边界条件如图3 6所示 板的宽度为5cm 其中间有一个半径为1cm的圆孔 板的初始温度为20 将其右侧突然置于温度为20 且对流换热系数为100W M2 的流体中 左端置于温度为500 的温度场 试计算 1 第1s和第50s板内的温度分布情况 2 整个板在前50s内的温度变化过程 3 圆孔边缘A点处温度随时间变化曲线 2 建立有限元模型首先建立瞬态传热分析所需的有限元模型选择单元 1 选择热分析单元 操作如下 GUI MainMenu Preprocessor ElementType Add Edit Delete在弹出的对话框中 单击Add 在单元类型库对话框中选择Plane55单元 单击OK 命令 ET 1 PLANE55 2 定义材料属性首先进入DefineMaterialModelBehavior对话框 操作如下 GUI MainMenu Preprocessor MaterialProps下面定义瞬态热分析所需的材料参数 如热传导率 比热容及材料密度 定义热传导率GUI MainMenu Preprocessor MaterialProps Thermal Conductivity Isotropic在弹出的定义材料热传导率对话框中的KXX栏键入 5 命令 MPDATA KXX 1 5 定义比热容GUI MainMenu Preprocessor MaterialProps Thermal SpecificHeat在弹出的定义比热容对话框中的C栏键入 200 命令 MPDATA C 1 200 定义密度GUI MainMenu Preprocessor MaterialProps Thermal Density在弹出密度定义对话框中的DENS栏键入 5000 命令 MPDATA DENS 1 5000材料属性定义完毕 3 建立实体模型根据本例所用模型 首先需要创建矩形 然后是圆 最后在矩形板中央减去 Substract 圆 下面介绍建立实体模型的操作 创建矩形命令 RECTNG 0 0 15 0 0 05 创建圆面其操作如下 GUI MainMenu Preprocessor Modeling Create Circle Bydimensions在弹出对话框中 单击OK得到圆面 命令 CYL4 0 075 0 025 0 01 相减根据ANSYS建模过程中面序号赋值原理 直接可以肯定圆面序号为2 矩形序号为1 因此采用直接键入命令建实体模型 命令 asba 1 2 4 设定网格尺寸并划分网格下面介绍网格尺寸的设定 SmartSize方式 设定网格尺寸参数并划分网格 通过SmartSize控制网格密度 操作如下 GUI MainMenu Preprocessor Meshing MeshTool选择SmartSize 3 单击Mesh 单击拾取对话框中PickAll按钮 得到网格图 命令 SMRT 3AMESH All保存数据库 其操作如下 GUI Toolbar SAVE DB命令 SAVE 4 施加载荷并求解求解之前首先要选择分析类型 然后定义边界条件及其载荷步选项 最后计算 首先选择分析类型 1 选择分析类型选择Transient分析 操作如下 GUI MainMenu Preprocessor Loads AnalysisType NewAnalysis选择Transient分析 单击OK 采用ANSYS默认设置 在弹出的子对话框中单击OK 命令 ANTYPE 4TRNOPT FULLLUMPM 0 2 定义初始条件板的初始温度为20 设置初始温度操作如下 GUI MainMenu Solution DefineLoads Apply InitialCondit n Define在弹出的拾取对话框中 单击PickAll 弹出DefineInitialConditions对话框 命令 IC All TEMP 20 3 定义热约束瞬态传热分析中的载荷是随着时间发生变化的 对于每一个载荷步都需要指明载荷值及时间值 还需要指定载荷步选项 如加载方式是Ramped方式还是Stepped方式 需要施加流体载荷和板的传热载荷 首先定义对流载荷 定义对流边界为了便于设定对流边界 首先显示边框图 操作如下 GUI UtilityMenu Plot lines命令 LPLOT 定义对流载荷 边界首先进入ApplyConvonlines对话框 操作如下 GUI MainMenu Solution DefineLoads Apply Thermal Convection OnLines在弹出对话框中 键入Filmcoefficient和BulkTemperature值 命令 SFL L2 CONV 100 20 定义稳态热边界在边线上定义稳态热边界 操作如下 GUI MainMenu Solution DefineLoads Apply Thermal Temperature OnLines在弹出对话框中 键入边界温度为 500 单击OK 命令 DL L4 TEMP 500 1 4 设置时间及时间步进参数设定步进参数使ANSYS在较短的时间内达到可以接受的收敛精度 首先进入TimeandtimeStepOptios对话框 操作如下 GUI MainMenu Solution LoadStepOpts Time Frequenc Time timesteps在TimeandtimeStepOptios对话框中按照下图设置 其余选项不变 TIME 50AUTOTS 1DELTIM 1 0 1 2 5 1KBC 0 下面确认时间积分选项打开 操作如下 GUI MainMenu Solution LoadStepOpts Time Frequenc TimeIntegration保持默认设置 单击OK 命令 TIMINT 1TINTP 0 005 1 0 5 1 5 设置输出控制输出控制用于决定ANSYS要等多长时间向数据库文件写入一次结果 这里设时间间隔为1s 输出控制选项设置 操作如下 GUI MainMenu Solution LoadStepOpts OutputCtrls DB ResultsFile在FileWriteFrequency栏选项EverySubstep 命令 OUTRES ALL ALL 6 求解GUI MainMenu Solution Solve CurrentLS 命令 Solve 5 查看分析结果根据题目要求 首先在POST1后处理中查看第1s和50s时温度分布 然后动画显示温度场变化情况 最后是通过POST26查看A点处温度随时间变化曲线 下面解释查看分析结果的详细操作 1 POST1后处理显示第1s和和第50s时温度场首先读入分析结果文件 然后分别显示第1s和第50s时模型温度场 首先读入第1s时结果文件 操作如下 GUI MainMenu GeneralPostproc ByTime Freq在弹出的ReadResultsbytimeorFrequency对话框中进行如下图设置 单击OK 显示第1s时温度场 操作如下 GUI MainMenu GeneralPostproc PlotResults NodalSolu取ANSYS默认设置 单击OK 显示第1s时温度场 命令 PLNSOL TEMP 0 重复上述操作 读入第50s时结果并显示温度场 下图所示为第50s温度场 显示温度场变化动画显示1 50秒内温度变化情况 操作如下 GUI UtilityMenu PlotCtrls Animate AnimateOverTime设置显示1 50s内温度变化动画 命令 ANTIME 20 0 5 1 2 1 50动画如下transient1 avi 2 POST26后处理需要查看A点随时间变化的温度场 首先必须定义A点温度变量 然后才能显示A点处温度随时间变化曲线 下面介绍查看A点分析结果的详细操作 定义A点温度变量GUI MainMenu TimeHistPostpro DefineVariables 单击Add按钮 弹出AddTime HistoryVariable对话框 选择温度作为变量 选择一点A命令 NSOL 2 7 TEMP TEMP 2显示A点温度 时间变化曲线显示A点温度随时间变化曲线 单击 GRAPHVARIABLE按钮 得到A点温度随时间变化曲线 命令 PLVAR TEMP 2 3 3 5瞬态传热分析实例2 1 问题描述 一个直径为0 12m 温度为900摄氏度的钢球突然放入盛满了水的 完全绝热的横截面直径和孤傲度均为0 6m的圆柱体水箱中 水的温度为20 材料参数如图所示 求解10分钟后钢球与水的温度场分布 钢球置于水箱正中央 材料性能参数 2 问题分析属于瞬间热传导问题 研究对象为钢球和水 根据轴对称性 在求解过程中取钢球和水中心纵截面的1 4建立几何模型 选择PLANE55轴对称单元进行分析 几何模型 3 建立模型 1 添加标题添加标题 操作如下GUI UtilityMenu File ChangeTitle标题名 Transientthermalanalysistoasphere 命令 Title TransientslabProblem 简化菜单 过虑菜单 操作如下 GUI MainMenu Referenc在弹出的ReferencforGUIFiltering对话框中 选择Thermal 单击OK 命令 COM Thermal 2 选择单元选择热分析单元 操作如下 GUI MainMenu Preprocessor ElementType Add Edit Delete在弹出的对话框中 单击Add 在单元类型库对话框中选择Plane55单元 单击OK 命令 ET 1 PLANE55 单击ElementType对话框中的Options按钮 出现PLANE55ElementTypeoptions对话框 在ElementbehaviorK3下拉框中选择Axisymmetric选项 其余默认 单击 OK 3 定义材料属性1首先进入DefineMaterialModelBehavior对话框 操作如下 GUI MainMenu Preprocessor MaterialProps MaterialModels下面定义瞬态热分析所需的材料参数 如热传导率 比热容及材料密度 定义热传导率GUI MainMenu Preprocessor MaterialProps Thermal Conductivity Isotropic在弹出的定义材料热传导率对话框中的KXX栏键入 70 命令 MPDATA KXX 1 70 定义比热容GUI MainMenu Preprocessor MaterialProps Thermal SpecificHeat在弹出的定义比热容对话框中的C栏键入 448 命令 MPDATA C 1 448 定义密度GUI MainMenu Preprocessor MaterialProps Thermal Density在弹出密度定义对话框中的DENS栏键入 7800 命令 MPDATA DENS 1 7800材料属性定义完毕 4 定义材料属性2在首先进入DefineMaterialModelBehavior对话框 选择Material NewModel 出现DefineMaterialID对话框 在文本框中输入材料参考号2 单击 OK 定义热传导率GUI MainMenu Preprocessor MaterialProps Thermal Conductivity Isotropic在弹出的定义材料热传导率对话框中的KXX栏键入 0 61 命令 MPDATA KXX 1 0 61 定义比热容GUI MainMenu Preprocessor MaterialProps Thermal SpecificHeat在弹出的定义比热容对话框中的C栏键入 4185 命令 MPDATA C 1 4185 定义密度GUI MainMenu Preprocessor MaterialProps Thermal Density在弹出密度定义对话框中的DENS栏键入 1000 命令 MPDATA DENS 1 1000材料属性定义完毕 5 建立实体模型GUI Preprocessor Modeling Create Areas Rectangle ByDimensions创建矩形命令 RECTNG 0 0 3 0 0 3 创建圆面其操作如下 GUI MainMenu Preprocessor Modeling Create Arcs ByDimensions在弹出对话框中 单击OK得到圆面 命令 PCIRC 0 06 0 90 合并GUI MainMenu Preprocessor Modeling Operate Booleans overlap Areas出现overlapAreas对话框 单击PickAll关闭对话框 压缩编号GUI MainMenu Preprocessor NumberingCtrls CompressNumbers 在CompressNumbers对话框 在LabelItemtobecompressed下拉列表中选择All选择 单击 OK 关闭对话框 4 设定网格尺寸并划分网格设定网格尺寸参数 操作如下 GUI MainMenu Preprocessor Meshing SizeCntrls ManualSize Lines PickedLines在ElementSizeOn菜单中选择线4 5在ElementSizeOnPickedLines对话框中 在NDIV文本框中输入 30 在SPACESpacingratio文本框中输入 0 1 单击OK 在ElementSizeOn菜单中选择线6 7在ElementSizeOnPickedLines对话框中 在NDIV文本框中输入 32 在SPACESpacingratio文本框中输入 0 1 单击OK在ElementSizeOn菜单中选择线3在ElementSizeOnPickedLines对话框中 在NDIV文本框中输入 30 保存数据库 其操作如下 GUI Toolbar SAVE DB命令 SAVE 划分网格 操作如下 GUI MainMenu Preprocessor Meshing Mesh Volumes Mapped Concatenate Lines 出现ConcatenateLines菜单 在文本框中输入2 1 单击OKGUI MainMenu Preprocessor Meshing Meshattributes Defaultattribs 出现Meshingattributes菜单 在MAT下拉列表框中选择1 单击OKGUI MainMenu Preprocessor Meshing MeshTool 出现MeshTool菜单 在shape选项组中选中Quad和Mapped选项 单击Mesh 出现MeshAreas 在文本框中输入1 单击OK GUI UtilityMenu Select EverythingGUI MainMenu Preprocessor Meshing Meshattributes Defaultattribs 出现Meshingattributes菜单 在MAT下拉列表框中选择2 单击OK GUI MainMenu Preprocessor Meshing MeshTool 出现MeshTool菜单 单击Mesh 出现MeshAreas 在文本框中输入2 单击OK 添加标题 操作如下GUI UtilityMenu File ChangeTitle标题名 ElementinmodelGUI UtilityMenu File Saveas 输入文件名为 exercise11 db 5 加载求解之前首先要选择分析类型 然后定义边界条件及其载荷步选项 最后计算 首先选择分析类型 选择Transient分析 操作如下 GUI MainMenu Preprocessor Loads AnalysisType NewAnalysis 选择Transient分析 单击OK 采用ANSYS默认设置 在弹出的子对话框中单击OK 命令 ANTYPE 4TRNOPT FULLLUMPM 0 进入TimeandtimeStepOptios对话框 操作如下 GUI MainMenu Solution LoadStepOpts Time Frequenc TimeIntegration amplitudeDecay在TimeIntegrationControls对话框中 GAMMA 0 005Theta 1 OSLM 0 5 TOL 0 2 选择体在UI UtilityMenu Select Entities选择 Element ByAttributes MaterialNum 在文本框中输入1 单击OK 在UI UtilityMenu Select Everything选择 Nodes attachedto Element 单击OK GUI MainMenu Solution DefineLoads Apply Thermal Temperature OnLines 定义热约束GUI MainMenu Solution DefineLoads Apply Thermal Temperature OnNodes 在弹出对话框中 单击Pickall 在Applytemponnodes对话框中 在LAB2中 选择TEMP选项 在文本框中输入如900 单击OK 选择体在GUI UtilityMenu Select Everything在GUI UtilityMenu Select Entities选择 Element ByAttributes MaterialNum 在文本框中输入2 单击OK 在GUI UtilityMenu Select Everything选择 Nodes attachedto Element 单击OK GUI MainMenu Solution DefineLoads Apply Thermal Temperature OnNodes在弹出对话框中 单击Pickall 在Applytemponnodes对话框中 在LAB2中 选择TEMP选项 在文本框中输入如20 单击OK 在GUI UtilityMenu Select Everything 6 求解GUI MainMenu Solution Solve CurrentLS 进行求解 求解结束 点击OK 结束GUI MainMenu Solution LoadStepOpts Time Frequenc TimeIntegration Amplitudedecay 出现TimeIntegrationControls对话框 将TIMINT选项设置为 ON 单击OK按钮GUI MainMenu Solution AnalysisType Sol nControls 选择Basic选项 如图所示 GUI MainMenu Solution Solve CurrentLS 进行求解 求解结束 点击OK 结束 GUI UtilityMenu File SAVEas名称 exercise2 7 查看求解结果等值线查看GUI MainMenu GeneralPostproc Readresult lastsetGUI UtilityMenu Select Entities选择 Element ByAttributes MaterialNum 在文本框中输入1 单击OK GUI UtilityMenu Select Everything选择 Nodes attachedto Element 单击OK GUI MainMenu GeneralPostproc PlotResults ContourPlot NodalSolu 选择 Nodaltemperature 选项 单击OK 温度场等值线图 如图所示 GUI UtilityMenu Select Everything在GUI UtilityMenu Select Entities选择 Element ByAttributes MaterialNum 在文本框中输入2 单击OK 在GUI UtilityMenu Select Everything选择 Nodes attachedto Element 单击OK GUI MainMenu GeneralPostproc PlotResults ContourPlot NodalSolu 选择 Nodaltemperature 选项 单击OK 温度场等值线图 如图所示 曲线查看在GUI UtilityMenu PlotCtrls Graphs ModifyAxis如图进行设置 GUI UtilityMenu PlotCtrls Graphs ModifyCurves命令 在 GTHKThicknessofcurves下拉列表框中选择Triple选项 单击OK GUI UtilityMenu PlotCtrls Styles Colors GraphColors命令 在CurveGraphnumber1下拉列表框中选择黄色 单击OK GUI UtilityMenu select Everything命令 GUI MainMenu TimehistPostpro DefineVariable命令 出现definedTime historyvariable 单击Add按钮 出现AddTime historyvariable对话框 选中NodalDOFresult 单击OK 出现DefineNodalData菜单 在文本框中输入1 单击OK 出现DefineNodalData对话框 进行如下图的设置 GUI MainMenu TimehistPostpro GraphVariable命令 出现GraphTime historyVariable对话框 在NAVR11stvariabletograph文本框中输入2 单击OK 显示球心温度随时间的变化关系图 8 命令流文件 FILNAME EXERCISE1 TITLE TRANSIENTTHERMALANALYSISTOASPHEREKEYW PR THERM 指定分析类型为热分析 PREP7 进入前处理器ET 1 PLANE55 定义单元类型KEYOPT 1 3 1 定义单元关键项MP KXX 1 70 定义钢的导热系数MP DENS 1 7800 定义钢的密度MP C 1