ansys热学方面

1、 ANSYS热分析指南第一章 简 介41.1热分析的目的41.2 ANSYS中的热分析41.2.1对流41.2.2辐射41.2.3特殊的问题51.3热分析的类型51.4耦合场分析51.5关于菜单路径和命令语法5第二章 基础知识62.1符号与单位62.2传热学经典理论回顾62.3热传递的方式72.3.1热传导72.3.2热对流72.3.3热辐射72.4稳态传热72.5瞬态传热82.6线性与非线性82.7边界条件和初始条件92.8热分析误差估计9第三章 稳态热分析103.1稳态传热的定义103.2热分析的单元103.3热分析的基本过程123.4建模123.5施加荷载和求解133.5.1指定分析类型

2、133.5.2施加荷载143.5.3采用表格和函数边界条件163.5.4定义载荷步选项163.5.5通用选项183.5.6非线性选项183.5.7输出控制203.5.8定义分析选项203.5.9保存模型213.5.10求解213.5.11后处理223.5.12读入结果223.5.13查看结果223.6稳态热分析的实例1带接管的圆筒罐243.6.1问题描述243.6.2分析方法253.6.3菜单操作过程263.6.4等效的命令流方法313.7稳态热分析的实例2利用表格边界条件进行热分析343.7.1菜单操作过程343.7.2等效的命令流方法373.8ANSYS Verification Manu

3、al中与热分析相关的实例39第四章 瞬态热分析414.1瞬态传热的定义414.2瞬态热分析中使用的单元和命令414.3瞬态热分析的过程424.4建模424.5施加荷载和求解424.5.1指定分析类型424.5.2为分析建立初始条件434.5.3设置荷载步选项444.5.4非线性选项474.5.5输出控制494.5.6求解494.6后处理494.6.1通用后处理（POST1）494.6.2时间历程后处理（POST26）494.7相变问题504.8瞬态热分析的实例1514.8.1问题描述514.8.2菜单操作过程524.8.3等效的命令流方法554.9瞬态热分析的实例2584.9.1问题描述584

4、.9.2命令流方法584.10ANSYS Verification Manual中与瞬态热分析相关的实例60第五章 表面效应单元615.1简介615.2表面效应单元在热分析中的应用615.3表面效应单元的有关热分析设置选项615.4表面效应单元的实常数635.5表面效应单元的材料属性635.6创建无孤立节点的表面效应单元635.7创建带孤立节点的表面效应单元645.8管流单元热分析645.9表面效应单元的实例1冷却栅的热分析655.9.1问题描述655.9.2菜单操作过程655.9.3等效的命令流方法715.10表面效应单元的实例2圆管热分析755.10.1问题描述755.10.2命令流方法7

5、6第六章 热辐射分析806.1热辐射的定义806.2基本概念806.3分析热辐射问题826.4节点间的热辐射826.5点与面间的热辐射826.6 AUX12辐射矩阵生成器836.6.1定义辐射面分析类型846.6.2生成辐射矩阵856.6.3使用辐射矩阵进行热分析876.7使用空间节点的几点建议876.7.1对于非隐藏方法876.7.2对于隐藏方法886.8使用AUX12的几点注意事项886.9 Radiosity求解器方法896.9.1定义辐射面896.9.2设定分析选项906.9.3定义形状系数选项916.9.4计算并验证形状系数选项926.9.5设定载荷选项926.10静态热辐射分析的几

6、点建议926.11热辐射分析实例1936.11.1问题描述936.11.2菜单操作过程（接第五章实例1）936.11.3等效的命令流方法956.11.4等效的命令流方法976.12热辐射分析实例21026.12.1问题描述1026.12.2等效的命令流方法1026.13热辐射分析实例31036.13.1问题描述1036.13.2等效的命令流方法1046.14ANSYS Verification Manual中与热辐射分析相关的实例106第七章 热应力分析1077.1热应力分析的分类1077.2间接法进行热应力分析的步骤1077.3间接法热应力分析实例1087.3.1问题描述1087.3.2菜单

7、操作过程1097.3.3等效的命令流方法1117.4直接法热应力分析实例1147.4.1问题描述1147.4.2命令流方法114第一章 简 介1.1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，我们一般关心的参数有：l 温度的分布l 热量的增加或损失l 热梯度l 热流密度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、电子元件等等。通常在完成热分析后将进行结构应力分析，计算由于热膨胀或收缩而引起的热应力。1.2 ANSYS中的热分析ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Professional、ANS

8、YS/FLOTRAN四种产品中支持热分析功能。ANSYS热分析基于由能量守恒原理导出的热平衡方程，有关细节，请参阅ANSYS Theory Reference。ANSYS使用有限元法计算各节点的温度，并由其导出其它热物理参数。ANSYS可以处理所有的三种主要热传递方式：热传导、热对流及热辐射。1.2.1对流热对流在ANSYS中作为一种面载荷，施加于实体或壳单元的表面。首先需要输入对流换热系数和环境流体温度，ANSYS将计算出通过表面的热流量。如果对流换热系数依赖于温度，可以定义温度表，以及在每一个温度点处的对流换热系数。1.2.2辐射ANSYS提供了四种方法来解决非线性的辐射问题：1辐射杆单元

9、（LINK31）2使用含热辐射选项的表面效应单元（SURF151-2D,或SURF152-3D）3在AUX12中，生成辐射矩阵，作为超单元参与热分析4使用Radiosity求解器方法有关辐射的详细描述请阅读本指南第四章。1.2.3特殊的问题除了前面提到的三种热传递方式外，ANSYS热分析还可以解决一些诸如：相变（熔融与凝固）、内部热生成（如焦耳热）等的特殊问题。例如，可使用热质点单元MASS71模拟随温度变化的内部热生成。1.3热分析的类型ANSYS支持两种类型的热分析：1稳态热分析确定在稳态的条件下的温度分布及其他热特性，稳态条件指热量随时间的变化可以忽略。2瞬态热分析则计算在随时间变化的条

10、件下，温度的分布和热特性。1.4耦合场分析ANSYS中可与热分析进行耦合的方式有热结构、热电磁等。耦合场分析可以使用ANSYS中的矩阵耦合单元，或者在独立的物理环境中使用序惯荷载耦合。有关耦合场分析的详细描述，请参阅ANSYS Coupled-Field Analysis Guide。1.5关于菜单路径和命令语法在本指南中，您将会看到相关的ANSYS命令及其等效的菜单路径。这些参考的命令仅仅包括命令名，因为并不总是需要指定所有的参数，而且不同的参数组合会有不同的作用。有关ANSYS命令的更多的叙述，请参考ANSYS Commands Reference。菜单路径将近可能完整得列出。对于多数情况

11、，选择菜单就能够完成所需要的功能；但还有一些情况，选择文中所示菜单后会弹出一个菜单或是对话框，由此定义其他的选项来执行一些特定的任务。第二章 基础知识2.1符号与单位项目国际单位英制单位ANSYS代号长度mft时间ss质量Kglbm温度oFTEMP力Nlbf能量（热量）JBTU功率（热流率）WBTU/secHEAT热流密度W/m2BTU/sec-ft2HFLUX生热速率W/m3BTU/sec-ft3HGEN导热系数W/m-BTU/sec-ft-oFKXX对流系数W/m2-BTU/sec-ft2-oFHF密度Kg/m3lbm/ft3DENS比热J/Kg-BTU/lbm-oFC焓J/m3BTU/f

12、t3ENTH2.2传热学经典理论回顾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）：式中： Q 热量;W 作功;系统内能;系统动能；系统势能；对大多数工程传热问题：；通常不考虑做功：, 则：；对于稳态热分析：，即流入的热量等于流出的热量；对于瞬态热分析：，即流入流出的热传递速率q等于系统内能的变化。2.3热传递的方式2.3.1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。热传导遵循傅立叶定律：，式中为热流密度（W/m2），为导热系数（W/m-），“-”表示热量流向温度降低的方向。2.3.2热对流热对流是

13、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：，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）；为固体表面的温度，为周围流体的温度。2.3.3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：，式中为热流率，为辐射率（黑

14、度），为斯蒂芬波尔兹曼常数，约为5.6710-8W/m2.K4，A1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。2.4稳态传热如果系统的净流滤为0，即流入体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）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

15、边界条件，生成、以及。2.5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）：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，包括热生成；2.6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方程为：2.7边界条件和初始条件

16、ANSYS热分析的边界条件或初始条件可分为七种：温度，热流率、热流密度、对流、辐射、绝热、生热。在本指南中，您将会看到相关的ANSYS命令及其等效的菜单路径。这些参考的命令仅仅包括命令名，因为并不总是需要指定所有的参数，而且，不同的参数的组合会有不同的作用。有关ANSYS命令的更多的叙述，请参考ANSYS Commands Reference。菜单路径将近可能完整得列出，2.8热分析误差估计l 仅用于评估由于网格密度不够带来的误差；l 仅适用于SOLID或SHELL的热单元（只有一个温度自由度）；l 基于单元边界的热流密度的不连续；l 仅对一种材料、线性、稳态热分析有效；l 使用自适应网格划分

17、可对误差进行控制。第三章 稳态热分析3.1稳态传热的定义ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical，ANSYS/FLOTRAN和ANSYS/Professional这些产品支持稳态热分析。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。也可以在所有瞬态效应消失后，将稳态热分析作为瞬态热分析的最后一步进行分析。稳态热分析可以计算确定由于不随时间变化的热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数。这些热载荷包括：l 对流l 辐射l 热流率l 热流密度（单位面积热流）l 热生成率（单位体积热流）l 固定温度

18、的边界条件稳态热分析可用于材料属性固定不变的线性问题和材料性质随温度变化的非线性问题。事实上，大多数材料的热性能都随温度变化，因此在通常情况下，热分析都是非线性的。当然，如果在分析中考虑辐射，则分析也是非线性的。3.2热分析的单元ANSYS和ANSYS/Professional中大约有40种单元有助于进行稳态分析。有关单元的详细描述请参考ANSYS Element Reference，该手册以单元编号来讲述单元，第一个单元是LINK1。单元名采用大写，所有的单元都可用于稳态和瞬态热分析。其中SOLID70单元还具有补偿在恒定速度场下由于传质导致的热流的功能。这些热分析单元如下：表3-1二维实体

19、单元单元维数形状及特点自由度PLANE35二维六节点三角形单元温度（每个节点）PLANE55二维四节点四边形单元温度（每个节点）PLANE75二维四节点谐单元温度（每个节点）PLANE77二维八节点四边形单元温度（每个节点）PLANE38二维八节点谐单元温度（每个节点）表3-2三维实体单元单元维数形状及特点自由度SOLID70三维八节点六面体单元温度（每个节点）SOLID87三维十节点四面体单元温度（每个节点）SOLID90三维二十节点六单元温度（每个节点）表3-3辐射连接单元单元维数形状及特点自由度LINK31二维或三维二节点线单元温度（每个节点）表3-4传导杆单元单元维数形状及特点自由度L

20、INK32二维二节点线单元温度（每个节点）LINK33三维二节点线单元温度（每个节点）表3-5对流连接单元单元维数形状及特点自由度LINK34三维二节点线单元温度（每个节点）表3-6壳单元单元维数形状及特点自由度SHELL57三维四节点四边形单元温度（每个节点）表3-7耦合场单元单元维数形状及特点自由度PLANE13二维四节点热应力耦合单元温度、结构位移、电位、磁矢量位CONTACT48二维三节点热应力接触单元温度、结构位移CONTACT49三维热应力接触单元温度、结构位移FLUID116三维二或四节点热流单元温度、压力SOLID5三维八节点热应力和热电单元温度、结构位移、电位、磁标量位SOL

21、ID98三维十节点热应力和热电单元温度、结构位移、电位、磁矢量位PLANE67二维四节点热电单元温度、电位LINK68三维两节点热电单元温度、电位SOLID69三维八节点热电单元温度、电位SHELL157三维四节点热电单元温度、电位表3-8特殊单元单元维数形状及特点自由度MASS71一维到三维一个节点的质量单元温度COMBINE37一维四节点控制单元温度、结构位移、转动、压力SURF151二维二到四节点面效应单元温度SURF152三维四到九节点面效应单元温度MATRIX50由包括在超单元中的单元类型决定没有固定形状的矩阵或辐射矩阵超单元由包括在超单元中的单元类型决定INFIN9二维二节点无限边

22、界单元温度、磁矢量位INFIN47三维四节点无限边界单元温度、磁矢量位COMBINE14一维到三维两节点弹簧阻尼单元温度、结构位移、转动、压力COMBINE39一维两节点非线性弹簧单元温度、结构位移、转动、压力COMBINE40一维两节点组合单元温度、结构位移、转动、压力3.3热分析的基本过程ANSYS热分析包含如下三个主要步骤：l 前处理：建模l 求解：施加荷载并求解l 后处理：查看结果以下的内容将讲述如何执行上面的步骤。首先，对每一步的任务进行总体的介绍，然后通过一个管接处的稳态热分析的实例来引导读者如何按照GUI路径逐步完成一个稳态热分析。最后，本章提供了该实例等效的命令流文件。3.4建

23、模建立一个模型的内容包括：首先为分析指定jobname和title；然后在前处理器（PREP7）中定义单元类型，单元实常数，材料属性以及建立几何实体。ANSYS Modeling and Meshing Guide中对本部分有详细说明。对于热分析有：n 定义单元类型命令：ETGUI：Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Deleten 定义固定材料属性命令：MPGUI：Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsThermaln 定义温度相关的材料属性，首先要定义温度表，然后定义对应的材料属性

24、值。通过下面的方法定义温度表命令：MPTEMP或MPTEGN，然后定义对应的材料属性，使用MPDATAGUI：Main MenuPreprocessorMaterial Props Material ModelsThermal对于温度相关的对流换热系数也是通过上述的GUI路径和命令来定义的。注意 如果以多项式的形式定义了与温度相关的膜系数，则在定义其它具有固定属性的材料之前，必须定义一个温度表。创建几何模型及划分划分网格的过程，请参阅ANSYS Modeling and Meshing Guide3.5施加荷载和求解在这一步骤中，必须指定所要进行的分析类型及其选项，对模型施加荷载，定义荷载选项

25、，最后执行求解。3.5.1指定分析类型在这一步中，可以如下指定分析类型：GUI: Main MenuSolutionNew AnalysisSteady-state(static)命令：ANTYPE,STATIC,NEW如果是重新启动以前的分析，比如，附加一个荷载。命令：ANTYPE,STATIC,rest。（条件是先前分析的jobname.ESAV、jobname.DB等文件是可以利用的）3.5.2施加荷载可以直接在实体模型（点、线、面、体）或有限元模型（节点和单元）上施加载荷和边界条件，这些载荷和边界条件可以是单值的，也可以是用表格或函数的方式来定义复杂的边界条件，详见ANSYS基本分析过

26、程指南。可以定义以下五种热载荷：1、恒定的温度(TEMP)通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上。2、热流率（HEAT）热流率作为节点集中载荷，主要用于线单元（如传导杆、辐射连接单元等）模型中，而这些线单元模型通常不能直接施加对流和热流密度载荷。如果输入的值为正，表示热流流入节点，即单元获取热量。如果温度与热流率同时施加在一节点上，则温度约束条件优先。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应该密一些；特别是与该节点相连的单元的导热系数差别很大时，尤其要注意，不然可能会得到异常的温度值。因此，只要有可能，都应该使用热生成或热流密度边界条件，这些热荷载即使是在网格较为粗糙

27、的时候都能得到较好的结果。3、对流（CONV）对流边界条件作为面载施加于分析模型的外表面上，用于计算与模型周围流体介质的热交换，它仅可施加于实体和壳模型上。对于线单元模型，可以通过对流杆单元LINK34来定义对流。4、热流密度（HEAT）热流密度也是一种面载荷。当通过单位面积的热流率已知或通过FLOTRAN CFD的计算可得到时，可以在模型相应的外表面或表面效应单元上施加热流密度。如果输入的值为正，表示热流流入单元。热流密度也仅适用于实体和壳单元。单元的表面可以施加热流密度也可以施加对流，但ANSYS仅读取最后施加的面载进行计算。5、热生成率（HGEN）热生成率作为体载施加于单元上，可以模拟单

28、元内的热生成，比如化学反应生热或电流生热。它的单位是单位体积的热流率。下表总结了在热分析中的载荷类型：表3-9热荷载类型载荷类型类别命令族GUI路径温度 (TEMP)约束DMain MenuSolution-Loads-Apply -Thermal-Temperature热流率 (HEAT)力FMain MenuSolution-Loads-Apply -Thermal-Heat Flow对流 (CONV), 热流密度 (HFLUX)面载荷SFMain MenuSolution-Loads-Apply -Thermal-ConvectionMain MenuSolution-Loads-App

29、ly -Thermal-Heat Flux热生成率 (HGEN)体载荷BFMain MenuSolution-Loads-Apply -Thermal-Heat Generat下表详细列出了热分析中用于施加载荷，删除载荷，对载荷进行操作、列表的所以命令：表3-10热荷载相关的命令载荷类型实体或有限元模型实体施加删除列表显示运算设置温度实体模型关键点DKDKDELEDKLISTDTRAN-有限元模型节点DDDELEDLISTDSCALEDCUMTUNIF热流率实体模型关键点FKFKDELEFKLISTFTRAN-有限元模型节点FFDELEFLISTFSCALEFCUM对流, 热流密度实体模型线S

30、FLSFLDELESFLLISTSFTRANSFGRAD实体模型面SFASFADELESFALISTSFTRANSFGRAD有限元模型节点SFSFDELESFLISTSFSCALESFGRADSFCUM有限元模型单元SFESFEDELESFELISTSFSCALESFBEAMSFCUMSFFUNSFGRAD生热率实体模型关键点BFKBFKDELEBFKLISTBFTRAN-实体模型线BFLBFLDELEBFLLISTBFTRAN-实体模型面BFABFADELEBFALISTBFTRAN-实体模型体BFVBFVDELEBFVLISTBFTRAN-有限元模型节点BFBFDELEBFLISTBFSC

31、ALEBFCUM单元BFEBFEDELEBFELISTBFSCALEBFCUM3.5.3采用表格和函数边界条件除了一般的使用表格来定义边界条件的方法，本节讨论热分析中特有的一些问题。关于定义表参数的详细叙述，请参考ANSYS APDL Programmers Guide。本节内容对单元类型没有特别的限制。下表列出了热分析中能够用于每一种边界条件的自变量：表3-11荷载边界条件及其自变量热边界条件命令族自变量固定温度DTIME, X, Y, Z热流FTIME, X, Y, Z, TEMP对流换热系数 (对流)SFTIME,X, Y, Z, TEMP, VELOCITY环境温度 (对流)SFTIM

32、E, X, Y, Z热流密度SFTIME, X, Y, Z, TEMP热生成BFTIME, X, Y, Z, TEMP流体单元(FLUID116) 边界条件流率SFETIME压力DTIME, X, Y, Z后面有一个例题详细介绍在一个稳态热分析中如何采用表格边界条件。为了使用更加灵活的热传导系数，可以使用函数的方式来定义边界条件。有关这种用法的详细说明，可以参考ANSYS Basic Analysis Procedures Guide。除了上述自变量外，函数边界条件还可用下面的参数作为函数的自变量：l 表面温度（TS）（SURF151、SURF152单元的表面温度）l 密度（）（材料属性DEN

33、S）l 比热（材料属性C）l 导热率（材料属性kxx）l 导热率（材料属性kyy）l 导热率（材料属性kzz）l 粘度（材料属性）l 辐射率（材料属性）3.5.4定义载荷步选项对于一个热分析，可以确定通用选项、非线性选项以及输出控制。下表列出了热分析中可能用到的载荷步选项：表3-12分析中的载荷步选项选项命令GUI路径通用选项时间TIMEMain MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime-Time Step时间步数NSUBSTMain MenuSolution -Load Step Opts-Time/FrequencTime and Subs

34、tps时间步长DELTIMMainMenuSolution -Load Step Opts-Time /FrequencTime-Time Step阶跃或斜坡加载KBCMainMenuSolution -Load Step Opts-Time /FrequencTime -Time Step非线性选项最大平衡迭代数NEQITMain MenuSolution -Load Step Opts-NonlinearEquilibrium Iter自动时间步长AUTOTSMain MenuSolution -Load Step Opts-Time/FrequencTime-Time Step收敛容差C

35、NVTOLMain MenuSolution -Load Step Opts-NonlinearConvergence Crit求解中断选项NCNVMainMenuSolution -Load Step Opts -NonlinearCriteria to Stop线性搜索选项LNSRCHMainMenuSolution -Load Step Opts -NonlinearLine Search预测矫正因子PREDMainMenuSolution -Load Step Opts -NonlinearPredictor输出控制选项打印输出OUTPRMain MenuSolution-Load S

36、tep Opts-Output CtrlsSolu Printout数据库和结果文件输出OUTRESMain MenuSolution -Load Step Opts-OutputCtrlsDB/Results File结果外插ERESXMain MenuSolution -Load Step Opts-OutputCtrlsIntegration Pt3.5.5通用选项n 时间选项该选项定义载荷步的结束时间，虽然对于稳态热分析来说，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。缺省情况下，第一个荷载步结束的时间是1.0，此后的荷载步对应的时间强逐次加1.0。每

37、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。缺省情况下每个荷载步有一个子步。阶跃或斜坡加载如果定义阶跃载荷，则载荷值在这个载荷步内保持不变；如果为斜坡加载，则载荷值在当前载荷步的每一子步内线性变化。3.5.6非线性选项如果存在非线性则需要定义非线性荷载步选项，包括n 平衡迭代次数本选项设置每一子步允许的最大迭代次数，默认值为25，对大多数非线性热分析问题已经足够。n 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量，保证求解的稳定性和准确性。n 收敛容差只要运算满足所说明的收敛判据，程序就认为它收敛，收敛判据可以基于温度、也可以是热流率，或二者都有。在实际定义

38、时，需要说明一个典型值(CNVTOL命令的VALUE域)和收敛容差(TOLER域)，程序将VALUE*TOLER的值视为收敛判据。例如，如说明温度的典型值为500，容差为0.001，那么收敛判据则为0.5度。对于温度，ANSYS将连续两次平衡迭代之间节点上温度的变化量（）与收敛准则进行比较来判断是否收敛。就上面的例子来说，如果在某两次平衡迭代间，每个节点的温度变化都小于0.5度，则认为求解收敛。对于热流率，ANSYS比较不平衡载荷矢量与收敛标准。不平衡载荷矢量表示所施加的热流与内部（计算）热流之间的差值。ANSYS公司推荐VALUE值由缺省确定，TOLER的值缺省为1.0e-3。n 求解结束选

39、项假如在规定平衡迭代数内，其解并不收敛，那么ANSYS程序会根据用户设置的终止选项，来决定程序停止计算或是继续进行下一个载荷步。n 线性搜索设置本选项可使ANSYS用Newton-Raphson方法进行线性搜索n 预测矫正本选项在每一子步的第一次迭代时，对自由度求解进行预测矫正。1、用图形跟踪收敛进行非线性热分析时，ANSYS在每次平衡迭代完成后，都计算收敛范数，并与相应的收敛标准比较。不管是使用在批处理还是交互式方式的方法，都可以在计算过程中，使用图形求解跟踪（GST）来显示计算的收敛范数和收敛标准。在交互式时，缺省为图形求解跟踪（GST）打开，批处理运行时，缺省为GST关闭。使用下面的方法

40、可以，可打开或关闭GST：命令：/GSTGUI：Main MenuSolutionLoad Step Opts-Output CtrlsGrph Solu Track下图是一个典型的GST图形。图3-1使用GST追踪收敛范数3.5.7输出控制可以控制下列三种输出：n 控制打印输出本选项控制将何种结果数据输出到打印输出文件（jobname.out）中。n 控制数据库和结果文件输出该选项控制将何种结果数据输出到结果文件（jobname.rth）中。n 外推结果该选项可将单元积分点结果拷贝到节点上，而不是按常规的方式外推到节点上（缺省采用外推方式）。3.5.8定义分析选项可考虑的分析选项有：n Ne

41、wton-Raphson选项。该选项仅对非线性分析有用，用以定义在求解过程中切线矩阵的更新频率，有四种选择：1Program-chosen （程序选择，此为默认值，在热分析中建议采用）2Full（完全法）3Modified（修正法）4Initial Stiffness（初适刚度法）注意 对于单物理场非线性热分析，ANSYS通常采用全N-R算法。要定义该选项，或打开/关闭N-R自适应下降功能（只对全N-R法有效），方发如下：命令：NROPTGUI：Main MenuSolutionUnabridged MenuAnalysis Optionsn 选择求解器ANSYS中可以选择下列的求解器：1Sp

42、arse求解器（静态和全瞬态分析的默认求解器）2Frontal求解器3Jacobi Conjugate Gradient(JCG) 求解器4JCG out-of-memory求解器5Incomplete Cholesky Conjugate Gradient(ICCG) 求解器6Pre-Conditioned Conjugate Gradient (PCG) 求解器7PCG out-of-memory求解器8Algebraic Multigrid (AMG) 求解器9Distributed Domain Solver (DDS) 求解器10Iterative（程序自动选择求解器）注意 AMG和

43、DDS求解器属并行求解器，需要单独的ANSYS产品支持。在ANSYS Advanced Analysis Techniques Guide中对并行求解有更详细描述。选择求解器的方法如下：命令：EQSLVGUI: Main MenuSolutionAnalysis Options注意 对于不含超单元（辐射分析中用AUX12可产生超单元）的热分析模型，可选用Iterative（快速求解）求解器，但对于含相变的传热问题，则不建议采用（可用sparse或frontal求解器）。该求解器在解算过程中不生成Jobname.EMAT和Jobname.EROT文件。n 定义温度偏移温度偏移为当前所采用温度系统

44、的零度与绝对零度之间的差值。温度偏移包含在相关单元（诸如有辐射效应或蠕变特性的的单元）计算中。偏移温度输入可以是摄氏度，也可以是华氏度，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。在后处理中，不同的温度可以用同样的方法进行处理。设置温度偏移的方式如下：命令：TOFFSTGUI：Main MenuSolutionAnalysis Options3.5.9保存模型在完成了加载和指定分析类型后，通常建议保存数据库文件，以备在求解过程中由于计算机系统故障而导致数据丢失后能够恢复数据。命令: SAVEGUI: 点击A

45、NSYS工具条SAVE_DB3.5.10求解命令: SOLVEGUI: Main MenuSolutionCurrent LS3.5.11后处理ANSYS将热分析的结果写入热结果文件jobname.rth中，该文件包含如下数据:基本数据：l 节点温度导出数据：l 节点及单元的热流密度(TFX, TFY, TFZ, TFSUM)l 节点及单元的热梯度(TGX, TGY, TGZ, TGSUM)l 单元热流率l 节点的反作用热流率l 其它可以用通用后处理器POST1进行后处理，下面将讲述在热分析中典型的后处理功能。关于后处理的完整描述，可参阅ANSYS Basic Analysis Procedu

46、res Guide。注意 在通用后处理器中查看结果时，数据库必须与结果有相同的模型（可以使用命令RESUME恢复模型）。此外，结果文件jobname.rth必须可用。3.5.12读入结果进入POST1后，首先应读入想要看的载荷步和子步的计算结果：命令: SETGUI: Main MenuGeneral Postproc-Read Results-By Load Step可通过编号选择要读入的载荷步，可以直接读入第一载荷步、或最后载荷步、或下一载荷步等。如果是使用GUI，将会出现一个对话框提示选择要读入的荷载步。用SET命令的TIME域可读入指定时刻的计算结果，如在指定时刻无计算结果，则程序根据

47、附近时间点的值线性插值计算得到此时刻的结果。3.5.13查看结果图3-2结果显示云图n 彩色云图显示命令：PLESOL，PLETAB或PLNSOLGUI：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsElement SoluMain MenuGeneral PostprocPlot ResultsElem TableMain MenuGeneral PostprocPlot ResultsNodal Solun 矢量图显示命令：PLVECTGUI：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsPre-defined or Userdefi

48、ned图3-2矢量结果显示n 列表显示命令：PRESOL，PRNSOL，PRRSOLGUI：Main MenuGeneral PostprocList ResultsElement SolutionMain MenuGeneral PostprocList ResultsNodal SolutionMain MenuGeneral PostprocList ResultsReaction Solu3.6稳态热分析的实例1带接管的圆筒罐本例讲述了如何逐步对一个带接管的圆筒罐进行稳态热分析，包括批处理的方式和GUI的方式。3.6.1问题描述本例题的主要部分为一个圆筒形罐，其上沿径向有一材料一样的接

49、管（如图4所所示），罐内流动着450F（232C）的高温流体，接管内流动着100F（38 C）的低温流体，两个流体区域由薄壁管隔离。罐的对流换热系数为250Btu/hr-ft2-oF（1420watts/m2-K），接管的对流换热系数随管壁温度而变，它的热物理性能如表3-13所示。要求计算罐与接管的温度分布。注意 本例只是很多可能的热分析中的一个，并不是所有的热分析都完全按照与本例相同的步骤。材料属性及其周围的环境条件决定了一个分析应该包括哪些步骤。表3-13实例的材料属性温度70200300400500oF密度0.2850.2850.2850.2850.285lb/in3导热系数8.358.

50、909.359.810.23Btu/hr-ft-oF比热0.1130.1170.1190.1220.125Btu/lb-oF对流换热系数426405352275221Btu/hr-ft2-oF图3-3圆柱罐与接管的相接模型（所有单位均为英制）3.6.2分析方法取四分之一对称模型进行分析。假定罐体足够长，使其端部温度能保持常数华氏450度。同样的假设也用于Y=0的平面上。建模时，先定义两个圆柱体，再进行“overlap”布尔运算。采用映射网格划分（全六面体网格），分网时可能会出现警告信息说有扭曲单元存在，但可以不理会该警告，因为所产生的扭曲单元远离所关心的区域（两个柱体相交处）。由于材料性质与温

51、度相关，该分析需要多个子载荷步（本例用了50个子载荷步），同时，采用了自动时间步长功能。求解完毕后，温度云图和热流密度向量图详细显示了计算结果。3.6.3菜单操作过程1、设置分析标题 选择“Utility MenuFileChange Title”。 输入“Steady-State analysis of pipe junction”，点击“OK”。2、设置单位制在命令提示行输入/UNITS,BIN（该命令无法通过菜单完成）。3、定义单元类型 选择“Main MenuPreprocesorElement TypeAdd/Edit/Delete”。 点击Add,打开单元类型库对话框。 选择Thermal Solid，Brick 20 node 90号单元，点击OK和Close关闭单元选择菜单。4、定义材料属性 选择“Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models” 在弹出的材料定义窗口中顺序双击Thermal选项。 点击Density，弹出一个对话框，在DENS框中输入0.285，材料编号1出现在材料定义窗口的左边。 在材料定义窗口中顺序双击Conductivity，Isotropic，弹出一个对话框。 点击Add Temperature按钮四次，增加四列。 在T1到T5域，分别输入温度值： 70，200，300，400，50