第10章 热分析34

1、第10章 热分析10.1热分析概述 热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其他热物理参数，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着重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。10.1.1 热分析概述 热分析包括稳态传热与瞬态传热两种：² 稳态传热：系统的温度场不随时间变化。² 瞬态传热：系统的温度场随时间明显变化。 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。10.

2、1.2 热分析基本原理1传热学经典理论热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律： 对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出 （10-1）式中为热量，为做功，为系统内能，为系统动能，为系统势能。 （1）对于大多数工程传热问题：=0； （2）通常考虑没有做功：=0，则=； （3）对于稳态热分析：=0，即流入系统的热量等于流出的热量； （4）对于瞬态热分析：，即流入或流出的热传递速率等于系统内能的变化。 2热传递方式 （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。热传导遵循傅里叶定律： （10-2） 式中为热流密度（），为导热系数（），

3、“-”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。热对流用牛顿方程来描述： （10-3）式中为对流换热系数（或称膜传热系数、给热系数、膜系数等）， 为固体表面的温度，为周围流体的温度； （3）热辐射 热辐射指物体发射电磁能，并被其他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

4、热量传递可以用斯蒂芬-波尔兹曼方程来计算： （10-4）式中为热流率，为辐射率（黑度），为斯蒂芬-波尔兹曼常数，约为，为辐射面1的面积，为由辐射面1到辐射面2的形状系数，为辐射面1的绝对温度，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。 3稳态传热 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。 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：，、分别为流入、生成、流出热量，在

5、此状态下，系统处于热稳态。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）： （10-5） 式中，为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数，为节点温度向量，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、以及。 4瞬态传热 瞬态热分析用于计算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。 瞬态热分析的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

6、-时间曲线中的每一个拐点为一个载荷步。 瞬态传热过程常见于系统的加热或冷却过程。在该过程中系统的温度、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）： （10-6）式中为为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数，为比热矩阵，考虑系统内能的增加，为节点温度向量，为温度对时间的导数，为节点热流率向量，包含热生成。 5线性与非线性如果有下列情况产生，则为非线性热分析。（1）材料热性能随温度变化，如、等； （2）边界条件随温度变化，如等；（3）含有非线性单元； （4）考虑辐射传热。 非线性热分析的热平衡矩阵方程为： （10-7）1

7、0.2 热分析的基本步骤 下面分别针对稳态热分析和瞬态热分析两种不同的情况，讲述热分析的基本过程。10.2.1 稳态热分析 稳态热分析用于研究稳态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，以确定初始温度的分布。稳态热分析可以通过有限元计算确定由稳定的热载荷产生的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数。 稳态热分析的基本过程一般可分为三步；建立模型、施加热载荷并求解、查看结果，下面分别进行介绍。 1建立模型 建立模型主要包括以下几个方面的内容。 （1）确定工作文件名（Jobname )、工作标题（Title）与单位（unit）。 （2）进入前处理器（PREP7)，定义单元

8、类型和单元选型。 （3）设定单元实常数。 （4）定义材料热性能参数。稳态导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）建立几何模型并划分网格生成有限元模型。 2施加载荷并求解 执行主菜单中的Solution命令，进入ANSYS求解器，然后执行ANTYPE,STATIC,NEW命令（GUI菜单路径：Main Menu > Solution > Analysis Type > New Analysis > Steady-State）定义分析类型。如果继续上一次分析，如增加边界条件等，可以执行ANTYPE,STATIC,REST命令（GUI菜单路径：M

9、ain Menu > Solution > Analysis Type >Restart）。 ANSYS中施加的热分析载荷可以是温度、热流率、对流、热流密度和生热率。 （1）温度。温度载荷通常作为自由度约 束施加在已知的边界上，施加方法为Main Menu > Solution > Define loads > Apply > Thermal > Temperature。 （2）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感热流密度载荷）。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

10、施加在一个节点上，则ANSYS读取温度值进行计算。施加热流率载荷的方法为Main Menu > Solution > Define loads > Apply > Thermal > Heat Flow。 （3）对流。对流作为面载荷施加在实体的外表面，计算与流体的热交换，它仅可以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。施加热流率载荷的方法为Main Menu > Solution > Define loads > Apply > Thermal > Convection。 （4）热流密度。热流密度是通

11、过单位面积的热流率，作为面载荷施加在实体的外表面或表面效应单元上。输入正值时，表示热流流入单元。热流密度仅适用于实体和壳单元，可以与对流施加在同一外表面，但ANSYS仅读取最后施加的面载荷进行计算。 （5）生热率。生热率作为体载荷施加在单元上，可以模拟化学反应生热或电流生热，是单位体积的热流率。GUI方式为Main Menu > Solution > Define loads > Apply > Thermal >Heat Generat。 3设定载荷步选项 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选项。 （1）普通选项。 1）时间选项。对于稳态热

12、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。 2）每个载荷步中子步的数量或时间步大小。对于非线性分析，每一个载荷步需要多个子步。GUI方式为Main Menu > Solution > Load Step Opts > Time/ Frequence > Time and Substep 或Main Menu > Solution > Load Step Opts > Time/ Frequence > Time-Time Step。 执行上述命令后，弹出如图10-1所示的“时间和时间步选项”对话框和图10

13、-2所示的“时间和子步选项”对话框。 3)递进或阶跃选项。如果定义阶跃选项，载荷值在这个载荷步内保持不变：如果定义递进选项，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。GUI方式为Main Menu > Solution > Load Step Opts > Time/ Frequence > Time and Substep 或Main Menu > Solution > Load Step Opts > Time/ Frequence > Time-Time Step。图10-1“时间和时间步选项”对话框图10-2“时间和子步选项”

14、对话框 （2）非线性选项1）迭代次数。本选项用于设置每一子步允许的最大迭代次数，默认值是25，对于大多数热分析问题足够。GUI方式为Main Menu > Solution > Load Step Opts > Nonlinear > Equilibrium Iter。 执行命令后，弹出如图10-3所示的“设置迭代次数”对话框。图10-3 “设置迭代次数”对话框2）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率，保证求解的稳定性和准确性。Main Menu > Solution > Load Step Opts > Time/ Frequ

15、ence > Time and Substep 或Main Menu > Solution > Load Step Opts > Time/ Frequence > Time-Time Step。 3）收敛误差。可根据温度、热流率等检验热分析的收敛性。GUI方式为Main Menu > Solution > Load Step Opts > Nonlinear > Convergence Crit。弹出如图10-4所示的“设置收敛误差”对话框。图10-4 “设置收敛误差”对话框 4）求解结束选项。如果在规定的迭代次数内达不到收敛，ANSYS

16、可以停止求解或到下一载荷步继续求解。GUI方式为Main Menu > Solution > Load Step Opts > Nonlinear> Criteria to Stop。执行命令后，弹出如图10-5所示“求解结束选项”对话框。图10-5“求解结束选项”对话框5）线性搜索。设置本选项可使ANSYS用Newton-Raphson方法进行线性搜索。GUI方式为Main Menu > Solution > Load Step Opts > Nonlinear> Line Search。 执行命令后，弹出如图10-6所示的“线性搜索”对话框。

17、图10-6“线性搜索”对话框6）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。GUI方式为Main Menu > Solution > Load Step Opts > Nonlinear > Predictor。执行命令后，弹出如图10-7所示的“预测矫正”对话框。图10-7“预测矫正”对话框 （3）输出控制选项。 1）控制打印输出。本选项可将任何结果数据输出到*.out文件中。GUI方式为Main Menu > Solution > Load Step Opts >Output Ctrls > Solu Printout。执

18、行命令后，弹出如图10-8所示的“控制打印输出”对话框。图10-8“控制打印输出”对话框 2）控制结果文件。用于控制*.rth文件中的内容。GUI方式为Main Menu > Solution > Load Step Opts >Output Ctrls >DB/Results File。 执行命令后，弹出如图10-9所示的“控制结果文件”对话框。 4求解执行NROPT命令（GUI菜单路径：Main Menu>Solution>Analysis Type>Analysis Options），设置Newton-Raphson选项（仅对非线性分析有用）。可

19、选择的求解器有：Frontal Solver、Jacobi Conjugate Gradient Solver、JCG out-of-memory Solver、Incomplete CholesKy Conjugate Gradien Solver、Pre-Conditioned Conjugate Solver和Iterative。图10-9“控制结果文件”对话框 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；如果使用华氏度，则该值为460。 执行SOLVE命令（GUI菜单路径：Main Menu>Solution>Curr

20、ent LS）开始求解，单击ANSYS工具栏中的“SAVE DB”按钮快速保存模型。 5.查看结果（后处理） ANSYS将热分析的结果写入*.rth文件中，它包含如下数据。 （1）基本数据，如节点温度。 （2）导出数据，如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及其他数据。 对于稳态热分析，可以使用POST1进行后处理。进入POST1后，读入载荷步和子步的方式如下：Main Menu > General Postproc > Read Results > By Load Step。 可以通过如下三种方式查看结果。 （1）彩色云图显示。GUI方式

21、为Main Menu > General Postproc > Plot Result > Contour Plot > Nadal Solu/Reaction Solu/ Elem Table。 （2）矢量图显示。GUI方式为Main Menu > General Postproc > Plot Result > Vector Plot >Predefined。 （3）列表显示。GUI方式为Main Menu > General Postproc > Plot Result > List Results > Nadal

22、Solu/Reaction Solu/ Elem Table。10.2.2 瞬态热分析 瞬态分析用于计算一个系统随时间变化的温度场及其他热参数。在工程上一般用瞬态热分析计算温度场，并将其作为热载荷进行应力分析。 瞬态分析的基本步骤与稳态分析类似，瞬态分析中使用的单元与稳态热分析相同，主要的区别是瞬态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，首先必须将载荷一时间曲线分为载荷步。载荷一时间曲线的每一个拐点为一个载荷步。对子每一个载荷步，必须定义载荷值及时向值，同时必须选择载荷步为渐变或阶跃。 1.建立模裂 在瞬态热分析中建立模型的具体步骤如下。 （1）定义工作文件名（Jobenarne

23、）、标题（Title）和单位（Unit）。（2）进入前处理器（PREP7 )，定义单元类型，然后设定单元选型。 （3）设定单元实常数。 （4）定义材料热性能参数、导热系数、密度和比热。它们可以是恒定的，也可以随温度变化。 （5）建立几何模型并划分网格生成有限元模型。 2.施加载荷并求解 在瞬态热分析中施加载荷并求解的具体操作步骤如下。 （1）执行主菜单中的Solution命令，进入ANSYS求解器。（2）定义分析类型。如果是第一次进行分析，或者重新进行分析，可以按下述方式操作Main Menu > Solution > Analysis Type > New Analysis

24、执行上述命令后，弹出如图10-10所示的 “新建分析”对话框。如果接着上次的分析继续进行。图10-10“新建分析”对话框 （3）定义求解选项。执行THOPT,Refopt,PEFORMTOL,NTABPOINTS,TEMPMR4,TEMPMAX命令，确定非线性瞬态热分析选项。其中，Refopt=FULL时，使用完全的N-S求解选项修改热矩阵（默认值）；Refopt=QUASI时，基于REFORMTOL，有选择地修改热矩阵；Refopt=LINEAR时，使用线性求解选项，不修改热矩阵。 与一般的非线性分析类似。执行EQSLV,Lab,TOLER,MULT命令选择求解器，然后执行TOFFST,VA

25、LUE命令确定绝对零度，即可完成求解选项的定义。 （4）获得瞬态分析的初始条件。1）定义均匀温度场。如果已经模型的起始温度是均匀的，可设置所有节点的初始温度。GUI方式为Main Menu>Solution> Define Loads > Setting > Uniform Temp。执行命令，弹出如图10-11所示的“均匀温度场”对话框。图10-11“均匀温度场”对话框 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Main Menu>Solution> Define Loads > Setting &

26、gt; Reference Temp。执行命令，弹出如图10-12所示的“参考温度”对话框。图10-12“参考温度”对话框 2）设定非均匀的初始温度。在瞬态分析中，节点温度可以设定为不同的值。可通过如下方法设定温度Main Menu>Solution> Define Loads > Apply >Initial Conditn/Define。 如果初始温度场是不均匀且未知的，必须首先进行稳态热分析确定初始条件。 3）设定载荷（如已知的温度、热对流等），将时间积分设置为OFF。GUI方式为Main Menu > Proprocessor >Loads>

27、Load Step Opts >Time/Frequence > Time Intergration。 4）设定一个只有一个子步的、时间很小的载荷步，如0.001。GUI方式为Main Menu > Proprocessor >Loads> Load Step Opts >Time/Frequence > Time and Substps。5）写入载荷步文件。GUI方式为Main Menu > Proprocessor >Loads> Load Step Opts >Write LS File。执行命令，弹出如图10-13所示的

28、“写入载荷步文件”对话框。图10-13“写入载荷步文件”对话框6）求解。 3设定载荷步选项 （1）普通选项。 1）时间。设置每载荷步结束时的时间。GUI方式为Main Menu > Solution > Load Step Opts > Time/ Frequence > Time and Substep 2）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。时间步长大小关系到计算的精度，步长越小，计算精度越高，计算时间越长。根据线性传导热，可按如下公式估计初始时间步长。 （10-8） 其中，为沿热流方向热梯度最大处的单元长度；为导温系数，等

29、于导热系数除以密度与比热的乘积，即， 为导热系数，为密度，为比热。如果载荷在这个载荷步是恒定的，需要设为阶跃选项；如果载荷值随时间线性变化，则要设置为渐变选项。GUI方式为Main Menu > Solution > Load Step Opts > Time/ Frequence > Time and Substep （2）非线性选项。 1）迭代次数。每个子步默认的次数是25,这对大多数非线性热分析已经足够。GUI方式为Main Menu > Solution > Load Step Opts > Nonlinear > Equilibrium

30、 Iter。 2）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。GUI方式为Main Menu > Solution > Load Step Opts > Time/ Frequence > Time and Substep 3）时间积分效果。如果将此选项设定为OFF，将进行稳态热分析。GUI方式为Main Menu > Solution > Load Step Opts > Time/ Frequence > Time Integration。（3）输出选项。 1）控制打印输出。本选项可将任何结果数据输出到*.out文件中。GU

31、I方式为Main Menu > Solution > Load Step Opts >Output Ctrls > Solu Printout。 2)控制结果文件。控制*rth文件的内容。GUI方式为Main Menu > Solution > Load Step Opts >Output Ctrls >DB/Results File。 4求解 单击ANSYS工具栏中的“SAVE DB”按钮保存模型，然后执行SOLVE命令开始求解。 5查看计算结果（后处理）ANSYS提供了两种后处理方式：POST1和POST2。其中，POST1可以对整个模型在某

32、一载荷步（时间点）的结果进行后处理，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。 （1）用POST1进行后处理。1）读出某一时间点的结果。GUI方式为Main Menu > General Postproc > Read Results >By Time/Freq。执行命令，弹出如图10-14所示的“读出某一时间点的结果”对话框。图10-14“读出某一时间点的结果”对话框 如果设定的时间不在任何一个子步的时间点上，ANSYS会进行线性插值。2）读出某一载荷步的结果。GUI方式：Main Menu > General Postproc &g

33、t; Read Results>By Load Step。执行上述命令，弹出如图10-15所示的“读出某载荷步的结果”对话框。图10-15 “读出某载荷步的结果”对话框随后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、矢量显示、打印列表等后处理。 （2）用POST26进行后处理。 1）定义变量。GUI方式为Main Menu> TimeHist Postproc/Define Variables。 2）绘制或列表输出这些变量随时间变化的曲线，对应的命令方式和GUT方式分别如下：Main Menu> TimeHist Postproc/Graph Variables和

34、Main Menu> TimeHist Postproc/List Variables。10.3 稳态热分析示例换热管的热分析10.3.1问题描述本实例确定一个换热器中带管板结构的换热管的温度分布和应力分布。如图10-16所示，某单程换热器中的一根换热管和与其相连的两端管板结构，壳程介质为热蒸汽，管程介质为液体操作介质，换热管材料为不锈钢，热膨胀系数为16.56 X 10-6/OC，泊松比为0.3，弹性模量为1.72 X 105MPa，热导率为15.1W/mOC；管板材料也为不锈钢，热膨胀系数为17.79 X10-6/ OC，泊松比为0.3，弹性模量为1.73 X105MPa，热导率为1

35、5.1 W/mOC ;壳程蒸汽温度为250OC，对流换热系数为3000W/m2·OC，壳程压力为8.1MPa；管程液体温度200 OC，对流换热系数为426W/m2·，管程压力为5.7MPa。换热管内径0.01295m，外径0.01905m，管板厚度0.05m，换热管长度为0.5m，部分管板长和宽均为0.013m.图10-16管及管板结构根据结构的对称性，分析时取1/4建立有限元模型进行研究即可。10.3.2 前处理1. 定义工作文件名及文件标题 （1）定义工作文件名。执行菜单栏中的File>Change Jobname命令，弹出如图10-17所示的“更改工作名称”对

36、话框，输入文件名为“Pipe_thermal”单击“OK”按钮。图10-17“更改工作名称”对话框（2）定义工作标题。执行菜单栏中的File >Change Title命令，弹出如图10-18所示的“更改标题”对话框，输入标题名为“Temperature Distribution in heat-exchange pipe"，单击“OK”按钮。 图10-18“更改标题”对话框 （3）关闭坐标符号的显示。执行菜单栏中的Plot Ctrls > Window Controls >Window opti ons命令，弹出“窗口选项”对话框，在“Location of tr

37、iad”下拉列表框中选择“Not Shown”选项，单击“OK”按钮。 2定义单元类型及材料属性（1）定义单元类型。执行主菜单中的Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete命令，弹出“单元类型”对话框；单击“Add”按钮，弹出如图10-19所示的“单元类型库”对话框，在两个列表框中分别选择“Thermal Solid”和“Brick 20node 90”选项，单击“OK”按钮。图10-19“单元类型库”对话框 （2）设置材料属性。执行主菜单中的Preprocessor>Material Props>Material Models命

38、令，弹出如图10-20所示的“定义材料模型属性”对话框；在“Material Models Available”列表框中依次选择Structural>Linear>Elastic>Isotropic选项，弹出如图10-21所示的“线性各向同性材料”对话框；在“EX”文本框中输入“1.73E11”，在“PRXY”文本框中输入“0.3”，单击“OK”按钮返回“定义材料模型属性”对话框；然后再依次选择Structural>Thermal Expansion>Secant Coefficient>Isotropic选项，弹出如图10-22所示的“热膨胀系数”对话框，

39、在“ALPX”文本框输入“17.79E-6”，单击“OK”按钮返回“定义材料模型属性”对话框；然后再依次选择Thermal> Conductivity>Isotropic选项，弹出如图10-23所示的“热导率”对话框，在“KXX”文本框中输入“15.1”，单击“OK”按钮，完成对材料1属性的设置。（3）返回“定义材料模型属性”对话框，执行对话框菜单栏中的Material > New Model命令，定义2号材料；按照上面（2）中的方法设置2号材料的EX为1.72E11，PRXY为0.3， ALPX为16.56E-6， KXX为15.1，设置完成后关闭对话框。 图10-20“定

40、义材料模型属性”对话框 图10-21“线性各向同性材料”对话框 图10-22“热膨胀系数”对话框 图10-23“热导率”对话框3建立几何模型（1）显示工作平面。执行菜单栏中的Work Plane > Display Working Plane命令，即可显示工作平面。（2）创建1/4换热管。执行菜单栏中的Work Plane> Offset WP by Increments命令，弹出如图10-24所示的“偏移工作平面”对话框，在“XY,YZ,ZX Angles”文本框中输入“0,0,90”，单击“OK”按钮；执行主菜单中的Preprocessor>Modeling>Cre

41、ate>Volumes>Cylinder>Partial Cylinder命令，弹出“局部圆柱”对话框，输入如图10-25所示的数据，单击“OK”按钮，生成1/4换热管几何模型。（3）生成管板部分模型。执行主菜单中的Preprocessor>Modeling>Create>Volumes> Block > By Dimensions，命令，弹出“通过尺寸创建体”对话框，输入如图10-26所示的数据，单击“OK”按钮，生成左端管板几何模型。执行主菜单中的Preprocessor > Modeling > Copy > Volume

42、s命令，弹出如图10-27所示的“复制体”拾取框，拾取刚刚生成的管板左端部分模型，弹出如图10-28所示的“复制体”对话框，在“DX”文本框中输入“0.45”，单击“OK”按钮，生成的换热管和两端管板部分如图10-29所示。 图10-24“偏移工作平面”对话框 图10-25“局部圆柱”对话框 图10-26“通过尺寸创建体”对话框 图10-27 “复制体”拾取框图10-28“复制体”对话框图10-29生成的换热管和两端管板部分（4）体布尔操作。执行主菜单中的Preprocessor > Modeling> Operate> Booleans > Overlap >

43、Volumes命令，弹出“重叠体”拾取框，单击“Pick All”按钮，然后单击“OK”按钮。（5）打开体编号控制。执行菜单栏中的Plot Ctrls > Numbering命令，弹出如图10-30所示的“编号显示控制”对话框，设置“Volume numbers”选项为“On”，单击“OK”按钮。图10-30“编号显示控制”对话框（6）删除多余的体。执行主菜单中的Preprocessor > Modeling > Delete > Volume and Below命令，弹出“删除体及其附属”拾取框，拾取编号为4和5的体，单击“OK”按钮，结果如图10-31所示。图16-

44、31删除多余的体4生成有限元模型（1）打开线、面编号控制。执行菜单栏中的Plot Ctrls > Numbering命令，弹出“编号显示控制，对话框，将“Line numbers”和“Area numbers”选项设置为“On”，单击“OK”按钮。（2）划分网格。执行主菜单中的Preprocessor > Meshing>Mesh Tool命令，弹出如图10-32所示的“网格工具”对话框，利用这个对话框可以对几何模型进行网格划分操作。 1）单击右上角的“Set”按钮，弹出如图10-33所示的“网格划分属性”对话框，“MAT”下拉列表框中显示的致字是“1”，表示给第一种材料（本

45、例中为管板部分）划分网格，这样就可以把1号材料的属性赋予管板部分，单击“OK”按钮关闭对话框。 2)单击“Lines”选项右侧的“Set”按钮，弹出如图10-34所示的“线的单元尺寸”拾取框，局部放大模型左端管板部分结构，拾取编号为14， 15，18，19的线，单击“OK”按钮，弹出如图10-35所示的“线的单元尺寸”对话框，在“NDIV”文本框中输入“10”，即把所选择的线划分为10份：采用相同的方法将编号为65， 66， 67， 68的线划分为5份，将编号为4，55的线划分为20份，将编号为22，23， 24，51，53的线划分为20份。 3）执行主菜单中的Preprocessor >

46、; Meshing>Concatenate>Areas，弹出如图10-36所示的“连接面”拾取框，拾取编号为10，12的面，单击“OK”按钮，返回“网格工具”对话框；选择“Hex”和“Mapped”单选钮，然后单击“Mesh”按钮，弹出如图10-37所示的“网格划分体”拾取框，拾取编号为9的体，单击“OK”按钮，网格划分结果如图10-38所示。 图10-32“网格工具”对话框 图10-33 “网格划分属性”对话框 图10-34“线的单元尺寸”拾取框 图10-35“线的单元尺寸”对话框 图10-36“连接面”拾取框 图10-37“网格划分体”拾取框图10-38网格划分结果 （3）删除

47、粘贴在一起的面10和12。执行主菜单中的Preprocessor > Meshing > Concatenate>Del Concats>Areas命令，粘贴在一起的面自然分开。（4）划分右端管板部分网格。执行菜单栏中的Plot > Volumes命令显示体，重复步骤（2）中的操作给编号为10的体进行网格划分：将编号为26， 27，30， 31的线划分为10份，将编号为69， 70， 71， 72的线划分为5份，将编号为5， 58的线划分为20份，将编号为34， 35， 36，56，57的线划分为20份，将编号为16，18的面通过Concatenate Areas

48、命令粘贴在一起，对编号为10的体划分网格。注意划分完这部分网格后，要删除粘贴在一起的面16和18。（5）划分换热管模型网格。执行菜单栏中的Plot > Volumes命令显示体，采用与上相同的方法，在“网格划分属性”对话框的“MAT”下拉列表框中选择“2 ”，如图16-39所示，表示给第二种材料划分网格，把第二种材料的参数赋予其本身。 （6）选择编号为6、 7、 8的体。执行菜单栏中的Select > Entities命令，弹出“实体选择”对话框，按照如图10-40所示的参数进行设置，单击“OK”按钮，弹出“实体选择”拾取框，拾取编号为6、 7、 8的体，单击“OK”按钮；执行菜单

49、栏中的Select > Entities命令，弹出“实体选择”对话框，按照如图10-41 （a）的参数进行设置，单击“Apply”按钮，再按照如图10-41 （b）所示的参数进行设置，单击“OK”按钮；参照步骤(2）中的方法，把编号为42，43， 49， 50的线分为20份，把编号为1， 3，6， 8， 52， 54， 59，60的线分为4份，把编号为61, 62, 63, 64的线划分为80份，划分这三个体，划分完毕后的有限元模型如图10-42所示。 图10-39 “网格划分属性”对话框 图10-40“实体选择”对话框 （a） （b）图10-41“实体选择”对话框图10-42 划分网格

50、后的有限元模型（部分） （7）合并项目并压缩编号。执行菜单栏中的Select > Everything命令，然后执行主菜单中的Preprocessor>Numbering Ctrls>Merge item命令，弹出如图10-43所示的“合并重合或相等项目”对话框，在“Label”下拉列表框中选择“ALL”选项，单击“OK”按钮；执行主菜单中的Preprocessor> Numbering Ctrls > Compress Numbers命令，弹出如图10-44所示的“压缩编号”对话框，在“Label”下拉列表框中选择“ALL”选项，单击“OK”按钮。 图10-43

51、“合并重合或相等项目”对话框 图10-44“压缩编号”对话框 （8）保存网格结果。执行菜单栏中的Select > Everything命令，然后执行菜单栏中的File>Save as命令，弹出“保存数据库”对话框，在"Save Database to”文本框中输入“Pipe thermal Mesh.db”，单击“OK”按钮。5. 加载以及求解（1）施加管程对流载荷。执行主菜单中的Solution>Define Loads>Apply>Thermal>Convection > On Areas命令，弹出一个拾取框，在图形窗口中拾取编号为A23

52、、A1、A7、 A17、A8、 A2、 A27的面，单击“OK”按钮，弹出如图10-45所示的“对面施加管程对流载荷”对话框，在“VALI Film coefficient”文本框中输入“426”，在“VAL21 Bulk temperature”文本框中输入“200”，单击“OK”按钮；重复上述命令，拾取编号为A20，A24，A28的面，单击“OK”按钮，在“VALI Film coefficient文本框中输入“3000”，在“VAL2I Bulk temperature”文本框中输入“250”，单击“OK”按钮。图16-45“对面施加管程对流载荷”对话框 （2）求解。执行主菜单中的Sol

53、ution> Solve > Current LS命令，弹出一个信息提示窗口和“求解当前载荷步”对话框，浏览信息提示窗口中的内容，确认无误后单击对话框中的“OK”按钮进行求解；求解结束后，弹出提示窗，单击“Close”按钮将其关闭，然后保存结果文件。6. 查看结果（后处理） （1）绘制温度分布云图。执行主菜单中的General Postproc>Plot Results>Contour Plot > Nodal Solu命令，弹出如图10-46所示的“轮廓节点解数据”对话框，在列表框中依次选择Nodal Solution> DOF Solution，“Nod

54、al Temperature”选项，单击“OK”按钮，生成的温度分布云图如图10-47所示。 （2）绘制热梯度分布云图。执行主菜单中钓General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal, Solu命令，弹出“轮廓节点解数据”对话框，在列表框中依次选择Nodal Solution>Thermal Gradient>Thermal Gradient vector sum选项，单击“OK”按钮、生成的温度梯度分布云图如图10-48所示。7. 保存计算结果，退出ANSYS。图10-46“轮廓节点解数据”对话框 图10-47温度

55、分布云图图10-48温度梯度分布云图10.4 钢球淬火过程温度分析示例一个直径为0.2m，温度为500oC的钢球突然放入温度为0oC水中，对流传热系数为650W/m2·oC，计算1分钟后钢球的温度场分布和球心温度随时间的变化规律、钢球材料的弹性模量为220GPa，泊松比为0.28密度为7800kg/m3热膨胀系数为1.3x10-6/ oC，导热系数为70，比热为448J/kg· oC。1. 定义工作文件名及文件标题 （1）定义工作文件名。执行菜单栏中的File>Change Jobname命令，弹出“更改工作名称”对话框，输入文件名为“Ball_ thermal”，单

56、击“OK”按钮。 （2）定义工作标题。执行菜单栏中的 File >Change Title命令，弹出“更改标题”对话框，输入标题为“Cooling of a steel ball"，单击“OK”按钮。 （3）关闭坐标符号的显示。执行菜单栏中的Plot Ctrls > Window Controls>Window Options命令，弹出“窗口选项”对话框，在“Location of triad”下拉列表框中选择“Not Shown”选项单击 “OK”按钮。 2定义单元类型及材料属性 （1）定义单元类型及单元特性，执行主菜单中的Preprocessor > El

57、ement Type> Add/Edit/Delete命令，弹出如图10-49所示的“单元类型”对话框；单击“Add ”按钮，弹出如图10-50所示的“单元类型库”对话框，在列表框中分辨选择Thermal Solid > Quad 4node 55”选项，单击“OK”按钮，返回“单元类型”对话框；单击“Options”按钮，弹出如图10-51所示的“PLANE55单元类型选项”对话框；在“K3”下拉列表框中选择“Axisymmetric”选项，单击“OK”按钮返回“单元类型”对话框，然后单击“Close”按钮关闭对话框。图10-49“单元类型”对话框 图10-50“单元类型库”对话框 图10-51 “PLANE55单元类型选项”对话框 （2）设置材料属性。执行主菜单中的Preprocessor > Material Props > Material Models命令，弹出如图10-52所示