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1、 ANSYS WORKBENCH 11.0培训教程（DS） 第六章热 分 析本章概览 在本章中， 将讲述如何在DS中进行稳态和瞬态热分析：几何模型 接触以及支持的装配体类型热载荷 求解选项 结果和后处理Workshop 6.1 热瞬态启动 瞬态设置 瞬态载荷 瞬态结果 Workshop 6.2本部分讲述的一些功能通常适用于 ANSYS DesignSpace Entra及更高级的licenses ， 但 ANSYS Structural license除外。 稳态传热基础 对于一个DS中的稳态热分析， 温度 T 是由如下的矩阵求解： K(T)T= Q(T)这就导致了如下的一些假设： 在稳态热分

2、析中不考虑任何瞬态效应； K 可以是常量或是温度的函数； 每种材料属性中都可输入温度相关的热传导率； Q 也可是常量或是温度的函数； 在对流边界条件中可以输入温度相关的对流传热膜系数稳态传热基础 上述方程的基础是傅立叶定律（Fouriers Law）：这意味在DS中求解的热分析是基于传导方程。固体内部的热流（Fouriers Law）是 K的基础； 热通量, 热流率、以及对流 在Q中被认为是边界条件； 目前不考虑任何辐射； 目前不考虑任何时间相关的效应。 传热分析与 CFD（Computational Fluid Dynamics）分析不 同。 对流被处理成简单的边界条件，虽然对流传热膜系数有

3、可能与温度相关 如果需要分析共轭传热/流动问题，则需要用 ANSYS CFD 。 在DS中进行热分析时，记住这些假设是很重要的。 Physics Filters在进行热分析详细讨论前，有必要指出，如果只是一个热分析可以用 Physics Filter 来简化GUI.在 “View menu Physics Filter,”下去掉 “Structural” 选项. 现在在GUI中只剩下与热分析有关的选项.这只对“Environment” 和 “Solution”级别的选项有用.如果要进行热应力分析就不能关闭physics filters 中的任何选项因为结构和热的选项都需要。 ANSYS Lic

4、enseAvailabilityDesignSpace EntraxDesignSpacexProfessionalxStructural Mechanical/Multiphysicsx A.几何模型在热分析中，可以使用DS支持的大多数体素的类型。所有支持热分析的产品都支持实体和面。对于面，必须在“Geometry”分支的“Details view”中输入其厚度 对于线， 只有 ANSYS Professional 及更高级licenses 支持。线的截面和方向 在 DM 中定义， 并自动导入到 DS中。 虽然定义了线的截面和方向， 但这些信息仅对结构分析有意义，实际的热杆单元（link单元

5、） 将会有一个基于输入属性的“有效”的截面。 对于线，不会输出任何热通量或热通量矢量，仅能得到温度结果热分析不支持“Point Mass”ANSYS LicenseAvailabilityDesignSpace Entra/DesignSpace/ProfessionalxStructuralMechanical/Multiphysicsx 几何模型理解使用壳和线单元时的一些相关假设很重要：对于壳， 不考虑沿壳厚度方向的温度梯度。 壳体应当用于较薄的结构，此时，才能假设壳的上下表面温度相等。 表面的温度变化仍然要考虑，但不是厚度方向的。 对于线，不考虑截面厚度上的温度变化。线应当用于类似梁或桁

6、架的结构，此时可认为其截面上的温度是常量。 沿着线方向的温度变化仍然要考虑， 但不是沿着截面的。ANSYS LicenseAvailabilityDesignSpace Entra/DesignSpace/ProfessionalxStructuralMechanical/Multiphysicsx 材料属性唯一需要的材料属性是导热系数。材料输入在 “Engineering Data” 标签下，然后在 “Geometry” 分支下指定每个part的材料。 导热系数 作为材料属性的一个子分支输入。 温度相关的导热系数可以 用表输入。 比热 同样也可输入， 但目 前用不到。 其它的材料输入在热分析

7、中用不到。 ANSYS LicenseAvailabilityDesignSpace EntraxDesignSpacexProfe ssionalxStructural Mechanical/Multiphysicsx如果存在任何温度相关的材料属性，都将导致非线性求解。这是因为，温度是要求解的量，而材料又取决于温度，因此求解不再是线性。 B.装配体 实体接触当导入实体零件组成的装配体时，实体间的接触区将会被自动创建。 面面接触允许实体零件间的边界上不匹配的网格。接触实现了装配体中零件间的传热。Model shown is from a sample Inventor assembly.ANS

8、YS LicenseAvailabilityDesignSpace Entra DesignSpacexProfe ssiona lxStructural Mechanical/Multiphysicsx 装配体 接触区在DS中，每个接触区都用到接触面和目标面的概念。接触区的一侧由接触面组成，另一侧由目标面组成。 在接触的法向上允许有接触面和目标面间的热流。 当一侧为接触面而另一侧为目标面时，称为反对称接触。另一方 面，如果两侧都被指定成接触面或目标面，则称为对称接触。但是，在热分析中，指定哪一侧是接触面，哪一侧是目标面并不重要。 缺省时，DS对实体装配体使用对称接触。 对ANSYS Prof

9、essional 及更高级licenses ，用户可在需要时改为反对称接触。 ANSYS LicenseAvailabilityDesignSpace Entra DesignSpacexProfessionalxStructural Mechanical/Multiphysicsx 装配体 接触区正如前面的幻灯片所提到的，热量在接触区内沿着接触法向流动 在接触/目标 界面中，不考虑热量的扩散。 在壳或实体单元内的接触面或目标面上，由于傅立叶定律 （ Fouriers Law），需考虑热量扩散 。 在接触区内，热流仅在接触的法向方向上进行。 这就意味着，不管接触区定义如何，只要接触法向上有接触

10、单元，热量就会流动。 ANSYS LicenseAvailabilityDesignSpace Entra DesignSpacexProfe ssiona lxStructural Mechanical/MultiphysicsxIn the figure on the left, the solid green double-arrows indicate heat flow within the contact region. Heat flow only occurs if a target surface is normal to a contact surface.The ligh

11、t, dotted green arrows indicate that no heat transfer will occur between parts. 装配体 接触区在DS中， 存在不同的接触行为：通常， 接触类型仅对结构应用有意义 如果零件初始有接触，零件间就会发生传热，如果零件初始不接触，零件间将不会互相传热。 基于不同的接触类型，将热量是否会在接触面和目标面间传递总结如下： 接触的 pinball 区域 由程序自动定义并被设置一个相对较小的值，以 调和模型中可能出现的小间隙。pinball 区域将在下一 张幻灯片中讨论。 ANSYS LicenseAvailabilityDesi

12、gnSpace Entra DesignSpacexProfe ssiona lxStructural Mechanical/MultiphysicsxContact TypeHeat Transfer Between Parts in Contact Region?Initially TouchingInside Pinball RegionOutside Pinball RegionBondedYesYesNoNo SeparationYesYesNoRoughYesNoNoFrictionlessYesNoNo 装配体 接触区 pinball 区 域 可 以 在 ANSYS Profes

13、sional 及更高级 licenses中输入并看到。 如果目标节点落在pinball 区域内，并且接触是绑定的或者无分离的，则将发生传热（绿色实线） 否则，节点间将不会发生传热（绿色虚线） Pinball RadiusANSYS LicenseAvailabilityDesignSpace Entra DesignSpace Profe ssiona lxStructural Mechanical/MultiphysicsxIn this figure on the right, the gap between the two parts is bigger than the pinball

14、 region, so no heat transfer will occur between the parts 装配体 热传导缺省时，在装配体的零件间会定义一个高的接触导热系数（TCC） 两个零件间的热流量由接触热通量 q定义： q = TCC (T)-Tcontacttarget这里，Tcontact 是位于接触法向上某接触“节点”的温度，Ttarget 是相应的目标“节点”的温度。缺省时，TCC根据设定的模型中的最大KXX值和装配体总体外边界的对角线ASMDIAG， 被设为一个相对较“高”的值。 TCC = KXX 10,000 / ASMDIAG这最终提供了零件间完全的传热。 ANS

15、YS LicenseAvailabilityDesignSpace Entra DesignSpacexProfessionalxStructural Mechanical/Multiphysicsx 装配体 热传导理想的零件间的接触传热系数假定在接触界面上没有温度降。 但人们有可能想知道界面上的有限热传导。 接触的两个表面 （处于不同温度）在穿过界面上有温度降。这种下降是由于两表面间的不良接触产生的。这种不良接触，以及由此产生的有限热传导， 受到如下一些因素的影 响：表面的平面度表面磨光氧 化 物残存流体接触压力表面温度 导热脂的使用TTx 装配体 热传导在ANSYS Professiona

16、l 及更高级的licenses 中， 用户可以定义接触传热系数 (TCC)每个接触区都要在 “Details view”中输入单位面积的接触传热系数 ，如下所示： 若接触热阻已知，用接触面积除以这个值，可得到TCC值。当做完这些操作后，现在接触区域的接触面和目标面间就会 产生温度降了。 ANSYS LicenseAvailabilityDesignSpace Entra DesignSpace Profe ssiona lxStructural Mechanical/MultiphysicsxIf “Thermal Conductance” is left at “Program Chosen

17、,” near- perfect thermal contact conductance will be defined.The user can change this to “Manual” to input finite thermal contact conductance instead, which is the same as including thermal contact resistance at a contact interface. 装配体 热传导如果使用对称接触， 用户并不需要考虑双接触热阻。 正常输入该值就行 MPC 绑定接触允许完全接触传热。 此时，由于使用了

18、约束方程，就不需要定义或使用接触热传导系数。 使用这种完美的接触传导，接触 “节点” 以及相应的目标 “节点” 将会有相同的温度 ANSYS LicenseAvailabilityDesignSpace Entra DesignSpace Profe ssiona lxStructural Mechanical/MultiphysicsxDo not use “Normal Lagrange” formulation for thermal analyses. If selected, the ANSYS solver will actually use “Augmented Lagrange

19、” with aperfect thermal contact conductance. 装配体 面接触边接触是通用接触的一个子集。对包含壳面或实体边的接触，只能设置为绑 定或不分离类型。 对包含壳边的接触，只允许使用MPC算法的绑定接触行为。 对基于MPC的绑定接触，用户可以设置搜索方 向(记录多点约束的方向)以及目标法向或者 pinball 区。 如果存在间隙（这在壳装配体中很常见）， 在 搜索方向可使用pinball 区以检测间隙外的接触 MPC 可产生完全传热。 ANSYS LicenseAvailabilityDe signSpace Entra DesignSpace Profes

20、sionalx1Structural Mechanical/Multiphysicsx 装配体 点焊点焊为连接的壳装配体在离散点处传热提供了一种方法。 虽然 ANSYS DesignSpace licenses 支持结构分析点焊，但它不支持热分析的点焊。 点焊的定义在CAD软件中完成。 目前， 只有DM 和 Unigraphics 能定义DS支持的点焊。点焊也能在DS中手动创建， 但只能在离散定点处。 ANSYS LicenseAvailabilityDesignSpace Entra DesignSpace Structural DesignSpace Profe ssiona lxStru

21、ctural Mechanical/MultiphysicsxDesignModelerxPro/ENGINEER UnigraphicsxSolidWorks Inventor Solid Edge Mechanical Desktop CATIA V4 CATIA V5 ACIS (SAT) Parasolid IGES C.载荷在热分析中有三种类型的载荷：热载荷： 这类载荷往系统中输入能量 热负荷可以用已知的热流率或单位面积/体积上的热流率输入。 绝热条件： 这是自然产生的边界条件，此时没有热量从表面上流过。 热边界条件： 这些边界条件的作用如同已知温度条件下的热源或汇 这些边界条件可以

22、是确定的温度或已知环境温度下的对流边界条件 ANSYS LicenseAvailabilityDesignSpace EntraxDesignSpacexProfessionalxStructuralMechanical/Multiphysicsx 热载荷 热流量: 热流量可以施加到点、边、或表面上。当有多次选择时，载荷会分布到这些选择对象上。 热流量的单位是 能量/时间 (i.e., power).热流率: 热流率只能施加到表面上。 热流率的单位是： 能量/时间/面积 (i.e., power/area)内部生成热: 内部热生成速率只能施加到体上。 热生成的单位是： 能量/时间/体积 正的热

23、负荷值将会向系统中添加能量。 而且，如果有多个载荷存在，其效果是累加的。 ANSYS LicenseAvailabilityDesignSpace EntraxDesignSpacexProfe ssionalxStructural Mechanical/Multiphysicsx 绝热边界完全绝热：完全绝热条件施加到表面上； 可认为是零热流率加载 在热分析中，当不施加任何载荷时，它实际上是自然产生的边 界条件 通常，我们不需要给面上施加完全绝热条件，因为这是一个规则表面的默认状态。 因此，这种加载通常用于删除某个特定面上的载荷。例如，用户可以先在所有面上施加热通量或对流，然后用完全绝热条件选

24、择性地“删除”某些面上的载荷（比如与其它零件相接触的面等），此时要方便简单得多。 ANSYS LicenseAvailabilityDesignSpace EntraxDesignSpacexProfe ssionalxStructural Mechanical/Multiphysicsx 热边界条件热边界条件呈现为一个已知的局部或“偏远”的温度条件。 至少应存在一种类型的热边界条件，否则，如果热量源源不断地输入到系统中，稳态时的温度将会达到无穷大。 另外，给定的温度或对流载荷不能施加到已经施加了某种热载荷或热边界条件的表面上。 如果施加到已经承受热载荷的实体上，温度边界条件将忽略 完全绝热条

25、件将忽略其它的热边界条件 给定温度: 强加温度到点、线、或面上 温度是求解的自由度，但这种热边界条件却使选定的实体有固定的温度值。 ANSYS LicenseAvailabilityDesignSpace EntraxDesignSpacexProfe ssiona lxStructural Mechanical/Multiphysicsx 热边界条件对流： 只能施加到表面上对流使“环境温度”与表面温度相关： q = hA(T)- Tsurfaceambient这里，对流热通量 q 与膜系数 h,、表面积 A,、表面温差Tsurface以及 环境温度 Tbulk有关。提供了一种简化的考虑流体热

26、传输的方法。 “h” 和 “Tbulk” 是用户输入的值。 对流传热膜系数 h 可以是常量或从文件中输入（见下一张幻灯片） ANSYS LicenseAvailabilityDesignSpace EntraxDesignSpacexProfe ssiona lxStructural Mechanical/Multiphysicsx 热边界条件与温度相关的对流条件 :选择“Engineering Data” 并使用 “Convection” 工具栏添加或创建新的对流文件 首先确定h(T) 使用什么样的温度，对温度相关的膜系数， 温度可以是： 平均膜温度 T=(Tsurface+Tbulk)/2

27、表面温度T= Tsurface 环境温度T= Tbulk表面温度与环境温度温度的差 T=(Tsurface-Tbulk)ANSYS LicenseAvailabilityDesignSpace EntraxDesignSpacexProfe ssionalxStructural Mechanical/MultiphysicsxSelect the temperature- dependency from the pull-down menu 热边界条件 与温度相关的对流条件 (续): 温度相关的类型选定后，用户可以选择目录树上的 “Film Coefficient vs. Temperatur

28、e”分支，从表中输入膜系数和温度值。也可以画图显示曲线，如下图所示： ANSYS LicenseAvailabilityDesignSpace EntraxDesignSpacexProfessionalxStructural Mechanical/Multiphysicsx如果施加了任何温度相关的对流载荷，都将会导致非 线性求解，因为表面温度是要求解的量，而膜系数h又是表面温度的函数。 唯一的例外是：如果膜系数仅是环境温度（bulk temperature）的函数。在DS中， bulk temperature 是常量，由用户输入，因此载荷不会是非线性的。 热边界条件与温度相关的对流条件 (续

29、): 对流数据可以从文件中导入.ANSYS LicenseAvailabilityDesignSpace EntraxDesignSpacexProfessionalxStructural Mechanical/Multiphysicsx 热载荷总结对一些 structural 的用户，提供一些结构分析与热分析的类比将会很有用。 这是一些没有任何类比的载荷类型 对于像旋转速度、加速度之类的惯性载荷，没有热当量 对流边界条件的类比是一个结构分析中的“基础刚度”支撑， 类似于接地弹簧 StructuralThermalNatural ConditionNo external forcePerfec

30、tly Insulated (No heat flow rate)Boundary ConditionsDirectGiven DisplacementGiven TemperatureIndirectConvectionLoadDirectForceHeat FlowPer AreaPressureHeat FluxPer VolumeThermal ExpansionInternal Heat GenerationInertial LoadsAcceleration 热边界条件 辐射： 施加到表面（2D问题的边）这里： =斯蒂芬-波尔兹曼常数 = 热辐射率（黑度） A = 辐射面面积 F

31、= 辐射面的形状系数 仅提供向周围环境的辐射（不包 括两个面之间的相互辐射）。 形状系数假定为1； 斯蒂芬-波尔兹曼常数为定值，并且自动由采用的单位制决定； Q= seFA(T4-T 4)Rsurfaceambient D.求解选项求解选项可以在“Solutions” 分支中设置：如果设置了“Save ANSYS db” ，则将保存ANSYS 数据库 如果想在ANSYS中打开数据库，会很有用在DS中可使用两个求解器 缺省的求解器是程序自选的。在热分析中， 用户通常不需要改变求解器的类型。 在求解大模型时，“迭代” 求解器很有效， 而“直接” 求解器是更强大的求解器，可以处理任何情况。 改变缺省

32、求解器在“Tools Options Simulation: Solution Solver Type”“弱弹簧” 和“大变形”选项只对结构分析有意义， 因此在热分析时可以忽略。 ANSYS LicenseAvailabilityDesignSpace EntraxDesignSpacexProfe ssiona lxStructural Mechanical/Multiphysicsx 求解选项Informative settings 给用户显示了分析的状态:对一个常规的热分析， “Analysis Type”会被设置成 “Static Thermal.” 如果存在结构支撑和结果， 则分析类

33、型会变成 “Thermal Stress.”如果有温度相关的： (a) 材料属性 (b) 对流传热膜系数， 则需要非线性求解。这意味着要达到热平衡需要更多的 内部迭代。 求解器的工作路径就是方程求解过程中scratch文件保存的地方。 缺省时，将使用 Windows系统环境变量的临时路径，虽然这也可以在 “Tools Options Simulation: Solution Solver Working Directory”.下改变。 求解之后出现的任何求解信息都可在 “Solver Messages”下检查。ANSYS LicenseAvailabilityDesignSpace Entra

34、xDesignSpacexProfe ssiona lxStructural Mechanical/Multiphysicsx 求解模型 要求解模型，先要 request 结果 （见下一张幻灯 片），并点击标准工具栏上的 “Solve” 按钮。 缺省时，并行处理要用到两个处理器 (若存在)。 要设置处理器的个数，使用 “Tools Options Simulation: Solution Number of Processors to Use” 在“Solution” 分支的 “Worksheet” tab 下, 可以检查求解输出的详细信息 ANSYS LicenseAvailabilityD

35、esignSpace EntraxDesignSpacexProfe ssiona lxStructuralMechanical/Multiphysicsx 求解模型要执行热-应力求解，只要简单地添加结构支撑， 并request结构结果，然后求解模型即可。 结构载荷是可选的，但也可以施加。 DS将会知道一个热-应力分析将要执行， （在 Solution分支的 Details view 下）。以下的过程程序会自动执行： 稳态热分析 温度场映射到结构模型上结构分析 细节请查看结构分析的第四章 DS 自动执行这类耦合场分析，因此用户无需担心上面的细节。ANSYS LicenseAvailabilit

36、yDesignSpace EntraxDesignSpacexProfessionalxStructural Mechanical/Multiphysicsx E.结果和后处理 可得到各种结果用于后处理： 温度 热通量 “反作用” 热流率 在DS中，结果通常要在求解之前 request，但也可以在后来request。 如果你求解了一个模型，然后才request 结果，则点击 “Solve” ，就可以重新得到结果。要重新得到一个已求解的模型的输出，并不需要进行新的求解。 温度场可以请求温度场的云图显示:温度是求解的自由度，且是请求的最基本的输出温度是标量，因此，没有与之相关的方向.ANSYS L

37、icenseAvailabilityDesignSpace EntraxDesignSpacexProfessionalxStructuralMechanical/Multiphysicsx 热通量热通量云图或矢量显示也可得到：热通量 q 有下式定义： q = -KXX T 且与温度梯度T有关。热通量输出有三个分量， 可以帮助用户看到热量是如何流动的。 云图显示“Total Heat Flux”大小 矢量显示“Vector Heat Flux”的大小和方向在显示矢量时，用轮廓显示最清晰 热通量的分量可以用 “Directional Heat Flux”请求，并可映射到任意坐标系下。 ANSYS

38、 LicenseAvailabilityDesignSpace EntraxDesignSpacexProfessionalxStructural Mechanical/Multiphysicsx Reaction Heat Flow Rate对任何给定的温度或对流边界条件，可得到 Reaction heat flow rate 给定的温度和对流都能直接或非直接地补充 一个已知的温度， 因此，它就相当于一个热源/汇，流入（正）或流出 （负）热量就可以输出。 对每个单独的给定温度或对流载荷， Reaction heat flow rate会在求解之后在“Details view”中输出。 ANS

39、YS LicenseAvailabilityDesignSpace EntraxDesignSpacexProfe ssiona lxStructural Mechanical/Multiphysicsx Reaction Heat Flow Rate在“Environment” 分支的 “Worksheet”标签中，有一个reaction heat flow rates 的表格式总结。 如果某个热约束与另一个热约束或载荷共用一个点、边或 面，则报告的 reaction heat flow rate 可能会是错误的。这是因为下面的网格将会有多个约束施加到同一个节点上。求解仍然有效，但报告的值会因此而变得不准确。 ANSYS LicenseAvailabilityDesignSpace EntraxDesignSpacexProfessionalxStructural Mechanical/Multiph