CH稳态热传递

1、3-1稳态热传递稳态热传递(没有热质量交换没有热质量交换)3-2如果热能流动不随时间变化的话，热传递就称为是稳态的。如果热能流动不随时间变化的话，热传递就称为是稳态的。由于热能流动不随时间变化由于热能流动不随时间变化, 系统的温度和热载荷也都不随时间变化系统的温度和热载荷也都不随时间变化。由热力学第一定律，稳态热平衡可以表示为由热力学第一定律，稳态热平衡可以表示为:输入的能量输入的能量 输出的能量输出的能量 = 03-3对于稳态热传递，表示热平衡的微分方程为对于稳态热传递，表示热平衡的微分方程为:0.qzTkzyTkyxTkxzzyyxx QTK相应的有限元平衡方程为相应的有限元平衡方程为:3

2、-4温度温度 自由度约束，将确定的温度施加到模型的特定区域。自由度约束，将确定的温度施加到模型的特定区域。均匀温度均匀温度 可以施加到所有结点上，不是一种温度约束。一般只用于施加初始温度而非约束，可以施加到所有结点上，不是一种温度约束。一般只用于施加初始温度而非约束，在稳态或瞬态分析的第一个子步施加在所有结点上。它也可以用于在非线性分析中在稳态或瞬态分析的第一个子步施加在所有结点上。它也可以用于在非线性分析中估计随温度变化材料特性的初值。估计随温度变化材料特性的初值。热流率热流率 是集中结点载荷。正的热流率表示能量流入模型。热流率同样可以施加在关键点上是集中结点载荷。正的热流率表示能量流入模型

3、。热流率同样可以施加在关键点上。这种载荷通常用于对流和热流不能施加的情况下。施加该载荷到热传导率有很大。这种载荷通常用于对流和热流不能施加的情况下。施加该载荷到热传导率有很大差距的区域上时应注意差距的区域上时应注意。3-5对流对流 施加在模型外表面上的面载荷，模拟平面和周围流体之间的热量交施加在模型外表面上的面载荷，模拟平面和周围流体之间的热量交换。换。热流热流 同样是面载荷。使用在通过面的热流率已知的情况下。正的热流值同样是面载荷。使用在通过面的热流率已知的情况下。正的热流值表示热流输入模型。表示热流输入模型。热生成率热生成率 作为体载荷施加，代表体内生成的热，单位是单位体积内的热流率作为体

4、载荷施加，代表体内生成的热，单位是单位体积内的热流率。3-6ANSYS 热载荷分为四大类热载荷分为四大类:1. DOF 约束约束 - 指定的指定的 DOF (温度温度) 数值数值2. 集中载荷集中载荷 - 集中载荷集中载荷(热流热流)施加在点上施加在点上3. 面载荷面载荷 -在面上的分布载荷在面上的分布载荷(对流对流,热流热流)4. 体载荷体载荷 - 体积或区域载荷体积或区域载荷3-7施加的载荷施加的载荷载荷分类载荷分类实体模型载荷实体模型载荷有限元模型载荷有限元模型载荷温度温度约束在关键点上在线上在面上在结点上均匀热流率热流率集中力在关键点上在结点上对流对流面载荷在线上(2D)在面上(3D)

5、在结点上在单元上热流热流面载荷在线上(2D)在面上(3D)在结点上在单元上热生成率热生成率体载荷在关键点上在面上在体上在结点上在单元上均匀3-8热载荷和边界条件注意事项热载荷和边界条件注意事项 在在 ANSYS中中, 没有施加载荷的边界作为完全绝热处理。没有施加载荷的边界作为完全绝热处理。 对称边界条件的施加是使边界绝热得到的。对称边界条件的施加是使边界绝热得到的。 如果模型某一区域的温度已知，就可以固定为该数值。如果模型某一区域的温度已知，就可以固定为该数值。 响应热流率只在固定温度自由度时使用。响应热流率只在固定温度自由度时使用。3-9 建立模型建立模型 指定分析名称和工作文件名。指定分析

6、名称和工作文件名。 如果需要，记录单位制。如果需要，记录单位制。 进入前处理器进入前处理器 定义单元类型，检查基本设置。定义单元类型，检查基本设置。 如果需要，定义实参。如果需要，定义实参。 定义材料特性。定义材料特性。 生成或导入模型。生成或导入模型。 划分网格。划分网格。 3-10 求解器求解器 定义分析类型，检查分析选项。定义分析类型，检查分析选项。 施加载荷和边界条件。施加载荷和边界条件。 指定载荷步选项。指定载荷步选项。 执行求解。执行求解。3-11查看结果查看结果 进入通用处理器和进入通用处理器和/或时序后处理器。或时序后处理器。 使用列表使用列表, 绘图绘图, 等查看结果。等查看

7、结果。 查看误差估计。查看误差估计。 验证求解。验证求解。3-12ANSYS 是命令驱动程序。是命令驱动程序。ANSYS 命令可以手工输入，或用命令可以手工输入，或用GUI(Graphical User Interface)输入或输入或两种方法混用。两种方法混用。GUI提供了一种和提供了一种和ANSYS交流的简单的方法。交流的简单的方法。GUI根据用户操作自动生成根据用户操作自动生成ANSYS命令。命令。 所有使用的命令列表在所有使用的命令列表在jobname.log 文件中。文件中。3-13查看查看ANSYS输出输出窗口中命令执行窗口中命令执行和文字输出。和文字输出。3-14分析过程中的每一

8、步使用简单的例子说明。分析过程中的每一步使用简单的例子说明。高亮度的方框中标出了例子的步骤。基本描述一个带有举行肋骨的长钢管从管中流动的热气体通过对流吸收能量。外表面暴露在大气中，热流从肋骨端部释放。.ANSYS命令流文件在附录命令流文件在附录B中中3-15例题描述例题描述:热气体的温度是热气体的温度是600 F。内部的对流热内部的对流热交换系数是交换系数是0.40 BTU/hr-in2-F。外部大气温度是外部大气温度是100 F。外部的对流热外部的对流热交换系数为交换系数为0.025 BTU/hr-in2-F。每个肋骨端部热流为每个肋骨端部热流为 -20 BTU/in2 。分析目标分析目标:

9、分析其中最小的循环部分，要求得到如下分析其中最小的循环部分，要求得到如下结果结果:1) 温度场分布。温度场分布。2) 肋骨上下端面的对流热耗散。肋骨上下端面的对流热耗散。3-16下面是一个截面。下面是一个截面。建模说明建模说明:内部对流载荷使用平面效果内部对流载荷使用平面效果单元。单元。使用使用 “在线上施加对流在线上施加对流”施施加肋骨外表面上的对流载荷加肋骨外表面上的对流载荷。在肋骨短部施加热流。在肋骨短部施加热流。假设钢管是非常长的，不考假设钢管是非常长的，不考虑钢管端部的影响。虑钢管端部的影响。只对最小的循环部分建模。只对最小的循环部分建模。3-17绝热对称边界绝热对称边界肋骨端部的热

10、流对流面对流面简化成了最小的可重复2D几何模型。3-18稳态热传递例题的指导说明稳态热传递例题的指导说明:使用最小的可循环部分求解下列问题使用最小的可循环部分求解下列问题: 钢管钢管/肋骨中的温度场分布肋骨中的温度场分布 钢管钢管/肋骨的对流热损耗肋骨的对流热损耗 绘出钢管绘出钢管/肋骨面上的温度变化情况。肋骨面上的温度变化情况。使用轴对称的使用轴对称的PLANE55单元划分网格。单元划分网格。在钢管内荆使用带有附加结点的平面效果单元在钢管内荆使用带有附加结点的平面效果单元SURF151。假设为恒定的，各向同性的材料特性。假设为恒定的，各向同性的材料特性。没有随温度变化的特性。没有随温度变化的

11、特性。高亮度的方框中标出了例子的步骤。3-19热分析的第一阶段包括建模和划分网格。热分析的第一阶段包括建模和划分网格。在本部分，我们要在本部分，我们要: 指定文件名和标题。指定文件名和标题。 记录使用的单位。记录使用的单位。 进入前处理器进入前处理器 定义单元类型和基本选项。定义单元类型和基本选项。 查看实参定义。查看实参定义。 定义材料特性。定义材料特性。 生成几何模型。生成几何模型。 划分网格。划分网格。 3-20使用界面选项激活使用界面选项激活GUI菜单过滤菜单过滤; 只有与热分析有关的菜单项可以显只有与热分析有关的菜单项可以显示和使用。如果不设置，所有的菜单都可以看到并使用。示和使用。

12、如果不设置，所有的菜单都可以看到并使用。激活热菜单过滤并单激活热菜单过滤并单击击 “OK”。3-21定义单独的文件名与其他分析题目区别开来。所有文件名将为定义单独的文件名与其他分析题目区别开来。所有文件名将为jobname.ext，除了除了.log和和.err文件是初始文件的文件是初始文件的jobname.log 和和 .err。变换文件名为变换文件名为 “stltube” 3-22为分析指定一个描述性的标题。标题将打印在图形的底部，并在载为分析指定一个描述性的标题。标题将打印在图形的底部，并在载荷步文件和结果文件中显示。荷步文件和结果文件中显示。输入标题输入标题: “Example - St

13、eel Tube with Fins” 并单击并单击 “OK”。3-23使用使用/UNITS命令记录分析中使用的单位制。命令记录分析中使用的单位制。 本例中使用的单位制本例中使用的单位制记为记为British/Inches, 缩写为缩写为 “bin”除了电磁场分析，用户不需除了电磁场分析，用户不需“告诉告诉”ANSYS你所使用的单位制。但是，你所使用的单位制。但是，你可以使用你可以使用/UNITS命令记录你所使用的单位。命令记录你所使用的单位。一旦你决定了使用的单位制，一旦你决定了使用的单位制，请一直使用它。请一直使用它。ANSYS 不不提供任何单位转提供任何单位转换。换。选择的单位制将影响你

14、的模型，材料特性，实参和载荷。选择的单位制将影响你的模型，材料特性，实参和载荷。再次使用再次使用/UNITS并不完成单位制转换。并不完成单位制转换。3-24如要获得如要获得/UNITS命令的更多说明，请使用线上文档。命令的更多说明，请使用线上文档。要使用帮助，在输入窗口中输入要使用帮助，在输入窗口中输入“help,xxxxx”; “xxxxx” 可以是单元类型可以是单元类型(77), 命令命令(/units), 或单元类别或单元类别(solid)。或者或者，使用，使用UtilityMenuHelp下拉式菜单。下拉式菜单。在输入窗口输入在输入窗口输入 “help, /UNITS” 查看查看线上文

15、档。线上文档。3-253-26现在，我们准备开始前处理现在，我们准备开始前处理.请记住，高亮度的方框中标出了例子的步骤。请记住，高亮度的方框中标出了例子的步骤。稳态热传递的例子。3-27定义分析中使用的单元类型。定义分析中使用的单元类型。开始定义单元类型。注意现在还没有开始定义单元类型。注意现在还没有定义单元类型。单击定义单元类型。单击“Add.”开始开始添加。添加。3-28使用使用HELP按钮得到单元库中的更多信息。按钮得到单元库中的更多信息。缺省状态下，第一个定义的单元类型其缺省状态下，第一个定义的单元类型其单元类型号为单元类型号为1。 因为因为GUI菜单过滤为热分析，只有热单元类型显示出

16、来。菜单过滤为热分析，只有热单元类型显示出来。选择热实体单元选择热实体单元PLANE55作为单元类型作为单元类型, 单击单击“Apply”。然后选择本类别中的单元类型先选择一个类别3-29基本选项基本选项基本选项或基本选项或 KEYOPTs 是与单元类型相关的选项。是与单元类型相关的选项。查看或修改基本选项的方法是选择下图中的查看或修改基本选项的方法是选择下图中的“Options”: 查看查看PLANE55缺缺省的基本选项。省的基本选项。3-30使用下拉式菜单查看该单元的基本选项，并选择合适的数值。使用下拉式菜单查看该单元的基本选项，并选择合适的数值。改变单元特征。本例题需要轴对称改变单元特征

17、。本例题需要轴对称单元。缺省值为平面单元。单元。缺省值为平面单元。3-31平面效果单元平面效果单元 - 介绍介绍平面效果单元象平面效果单元象“皮肤皮肤”一样附着在实体单元的表面，经常用来施一样附着在实体单元的表面，经常用来施加载荷。加载荷。平面效果单元为施加面载荷提供了更多的方式，特别是当在同一区平面效果单元为施加面载荷提供了更多的方式，特别是当在同一区域施加对流和热流两种载荷时。域施加对流和热流两种载荷时。一个模型中附加的，离开模型表面一定距离的结点，可以用来代表一个模型中附加的，离开模型表面一定距离的结点，可以用来代表周围流体的介质温度。该周围流体的介质温度。该“附加附加”结点同样对结果评

18、估带来方便。结点同样对结果评估带来方便。3-32平面效果单元平面效果单元 - 介绍介绍平面效果单元可以用来施加热生成载荷。平面效果单元可以用来施加热生成载荷。当对流换热系数随温度变化时，平面效果单元很方便当对流换热系数随温度变化时，平面效果单元很方便; 基本选项的不基本选项的不同设置使得评估结果时选项也不相同。同设置使得评估结果时选项也不相同。注注: 平面效果单元在第平面效果单元在第7章中还有更详细的解释。章中还有更详细的解释。3-33平面效果单元和对流平面效果单元和对流对流载荷可以直接施加到平面效果单元，实体单元或几何模型实体对流载荷可以直接施加到平面效果单元，实体单元或几何模型实体上。上。

19、在在SURF151上使用上使用“附加结点附加结点”选项可以在选项可以在“附加结点附加结点”上指定结上指定结点温度，相当于周围介质的温度。点温度，相当于周围介质的温度。注注: 本例题实际上本例题实际上不需要不需要 使用平面效果单元，因为每个平面上只有均匀的对流使用平面效果单元，因为每个平面上只有均匀的对流(Hf和和Tb为已知为已知)。但是，在管的内径施加平面效果单元将使得我们在后处理中更方便地得到热。但是，在管的内径施加平面效果单元将使得我们在后处理中更方便地得到热能耗散数值。能耗散数值。3-34注意，第二个定义的单元自动定义为注意，第二个定义的单元自动定义为单元类型单元类型2 automati

20、cally。定义热平面效果单元定义热平面效果单元SURF151。这是本例中的第二这是本例中的第二种单元类型。种单元类型。3-35查看查看SURF151单元的缺省基本选项并单击单元的缺省基本选项并单击 “Options”。3-36将单元行为从平面改变为轴对称。注意将单元行为从平面改变为轴对称。注意 K4的改变的改变, 移去中间结点；移去中间结点；K5的改变的改变, 对对流计算中包含附加结点。结束后单击流计算中包含附加结点。结束后单击“Close” 。3-37实参实参实参是指定单元类型的几何特征。实参是指定单元类型的几何特征。并不是所有的单元类型都需要实参。并不是所有的单元类型都需要实参。有些单元

21、类型只有在选择了某些基本选项时才需要实参。有些单元类型只有在选择了某些基本选项时才需要实参。使用使用ANSYS在线帮助得到更多的关于实参的说明。在线帮助得到更多的关于实参的说明。第一个定义的实参缺省指定为第一个定义的实参缺省指定为 实参号实参号1。3-38检查需要的实参。注意现在检查需要的实参。注意现在没有定义任何实参。单击没有定义任何实参。单击“Add.”开始。开始。3-39定义实参定义实参: 首先选中要定义实参的单元类型首先选中要定义实参的单元类型 然后，在对话框中输入相应的数字以定义实参。然后，在对话框中输入相应的数字以定义实参。例题中的单元类型都不需要实参。例题中的单元类型都不需要实参

22、。注: 如果有HGEN载荷施加到平面效果单元上时，必须指定厚度。3-40稳态热分析中关于材料特性的总体说明稳态热分析中关于材料特性的总体说明 对于稳态分析，热材料特性必须输入热传导率对于稳态分析，热材料特性必须输入热传导率“k”-KXX, 和可和可选的选的KYY, KZZ。 如果用户不定义，如果用户不定义，KYY和和KZZ缺省等于缺省等于KXX。 密度密度(DENS)和比热和比热(C)或热焓或热焓(ENTH)在没有质量传递的稳态热在没有质量传递的稳态热分析中不需要。分析中不需要。 随温度变化的材料导热系数随温度变化的材料导热系数k, 使得热分析为非线性。使得热分析为非线性。 与温度有关的换热系

23、数也被处理为材料特性。与温度有关的换热系数也被处理为材料特性。3-41在在ANSYS中定义材料特性的选项中定义材料特性的选项: 在材料特性对话框中输入需要的数值。在材料特性对话框中输入需要的数值。 从从ANSYS材料库或用户自定义材料库中读入材料特性。材料库或用户自定义材料库中读入材料特性。在定义了材料特性以后，也可以将材料特性写到文件中以备后用在定义了材料特性以后，也可以将材料特性写到文件中以备后用。3-42要从材料库中读入材料特性，只要指定包含所需数据的文件路径和要从材料库中读入材料特性，只要指定包含所需数据的文件路径和文件名即可。文件名即可。3-43要手工输入材料特性，首先选择合适的材料

24、行为特性选项要手工输入材料特性，首先选择合适的材料行为特性选项( 均匀各向均匀各向同性，均匀各向异性，对温度变化同性，均匀各向异性，对温度变化) .本例中使用的材料特性是均匀各向同性本例中使用的材料特性是均匀各向同性的。第一种材料缺省的材料号为的。第一种材料缺省的材料号为1。3-44然后，在对话框中输入需要的数值然后，在对话框中输入需要的数值.对于均匀各向同性的稳态热对于均匀各向同性的稳态热分析，只需要分析，只需要KXX的数值。的数值。本例中使用钢的热传导率为本例中使用钢的热传导率为 0.75 BTU/hr-in-F3-45对于随时间变化的材料特性，先要定义指定数值所对应的温度对于随时间变化的

25、材料特性，先要定义指定数值所对应的温度.依次输入依次输入6个温度数值个温度数值只是举例，不要使用这些数据。只是举例，不要使用这些数据。3-46然后，指定特性标志并给出对应前面温度的数值然后，指定特性标志并给出对应前面温度的数值.输入的数值应该对应于温度表。输入的数值应该对应于温度表。只是举例，不要使用这些数值。只是举例，不要使用这些数值。3-47ANSYS如何使用这些数据如何使用这些数据?随温度变化的材料特性在每个单元中计入一次。在单元体内材料特随温度变化的材料特性在每个单元中计入一次。在单元体内材料特性假设为均匀的。性假设为均匀的。对于给定的单元，其温度为对于给定的单元，其温度为: res

26、temperatunodal elementfor that centroid at the evaluatedelement of functions shape done is evaluationproperty material heat which t re temperatuthe:0T0TNTwhereTNTcc3-48可以选择下列菜单列出材料特性可以选择下列菜单列出材料特性.对于均匀各向同性材料对于均匀各向同性材料: 对于随温度变化材料对于随温度变化材料:3-49除了列表，还可以绘制随温度变化的材料特性。选择要绘制的材料特性除了列表，还可以绘制随温度变化的材料特性。选择要绘制的

27、材料特性和温度数值范围和和温度数值范围和/或特性数值范围（可选）。或特性数值范围（可选）。只是举例，不要使用该数据。只是举例，不要使用该数据。3-50随温度变化的材料特性绘图示例。随温度变化的材料特性绘图示例。只是举例，不要使用该数据。只是举例，不要使用该数据。3-51材料特性可以单独删除，或使用下面的菜单删除多个材料特性材料特性可以单独删除，或使用下面的菜单删除多个材料特性:3-52几何模型可以从多种几何模型可以从多种CAD程序的标准图形文件输入到程序的标准图形文件输入到ANSYS。使用使用 FileImport菜单选项菜单选项:注: 下面的对话框是选择了IGES格式后弹出的。3-53几何模

28、型可以在几何模型可以在ANSYS中生成。在这里我们使用预选定义好的几何中生成。在这里我们使用预选定义好的几何体生成例题中的模型。体生成例题中的模型。使用预先定义的体生成两个面，并如使用预先定义的体生成两个面，并如例题中所示输入尺寸。例题中所示输入尺寸。3-54输入矩形角点坐标。输入矩形角点坐标。ANSYS将生成该矩形和其中的线和关键点。将生成该矩形和其中的线和关键点。选择选择“Apply”使对话框保持打开。选择使对话框保持打开。选择“OK”关闭对话框。关闭对话框。3-55画面。画面。ANSYS在生成两个矩形在生成两个矩形后会自动生成右面的图后会自动生成右面的图形。图形会自动形。图形会自动fit

29、到当到当前的图形窗口中。前的图形窗口中。3-56布尔操作如相交布尔操作如相交, 相加相加, 相减相减, 分割分割, 粘接粘接, 覆盖和分离等都能够用于覆盖和分离等都能够用于对几何模型进行操作。对几何模型进行操作。使用使用 Booleans OverlapAreas命令命令以生成需要的几何模型。以生成需要的几何模型。3-57“Pick All” 选择了两个面进行覆盖选择了两个面进行覆盖操作并执行该命令。操作并执行该命令。3-58使用使用PlotControlsNumbering 命令打开面号。显示颜色和号码命令打开面号。显示颜色和号码 (/NUM)。要清楚地看到每个实体，打开要清楚地看到每个实体

30、，打开Utility Menu中的号码控制。中的号码控制。3-59覆盖操作后绘制面，面号选项打开，号码和颜色都显示。覆盖操作后绘制面，面号选项打开，号码和颜色都显示。3-60缺省情况下，布尔操作的输入实体在操作完成后删除。缺省情况下，布尔操作的输入实体在操作完成后删除。删除的实体号码将为删除的实体号码将为“空空”。也就是说，它将会被重新赋值给布尔。也就是说，它将会被重新赋值给布尔操作新生成的实体，从最小可用号码开始。操作新生成的实体，从最小可用号码开始。对面进行覆盖操作时，在原来面的重合区域将生成一个新的面。然对面进行覆盖操作时，在原来面的重合区域将生成一个新的面。然后，其他新的面积将通过在原

31、来面积上挖去这一公共区域而形成。后，其他新的面积将通过在原来面积上挖去这一公共区域而形成。所有的面将共用边界线和关键点。所有的面将共用边界线和关键点。要复习布尔操作的步骤，请参看如下文档：要复习布尔操作的步骤，请参看如下文档： ANSYS 在线帮助在线帮助 ANSYS 建模和分网手册建模和分网手册3-61单元属性单元属性单元属性是在划分网格之前要定义的模型特性。包括单元属性是在划分网格之前要定义的模型特性。包括: 材料特性材料特性 单元类型单元类型 实参实参 单元坐标系单元坐标系每个特定的属性类型在一个模型中都有一个独立的参考号。每个特定的属性类型在一个模型中都有一个独立的参考号。3-62材料

32、特性材料特性 (续续)单元属性可以使用单元属性可以使用AttributesDefine或使用或使用MeshTool指定。指定。 MeshTool更方便，因为网格控制等后续的工作在更方便，因为网格控制等后续的工作在MeshTool中同样中同样可以设置。可以设置。当使用多个单元类型，材料或实参时，保证不同特性对应相应的模当使用多个单元类型，材料或实参时，保证不同特性对应相应的模型区域。型区域。单元属性可以列表和绘图以方便检查模型。单元属性可以列表和绘图以方便检查模型。属性可以全局的设置，也可以在划分网格之前设置给特定的体，面属性可以全局的设置，也可以在划分网格之前设置给特定的体，面，线和关键点。，

33、线和关键点。3-63使用使用MeshTool定义属性定义属性:选择要设置属性的实体。3-64设置属性时，使用下拉式菜单查看选项，并选择合适的数值。设置属性时，使用下拉式菜单查看选项，并选择合适的数值。注：在本步之前应该已经定义好了单元类型，材料和实参。注：ESYS主要用于各向异性材料的定义。3-65网格划分需要如下的步骤：网格划分需要如下的步骤：1) 设置单元属性。设置单元属性。 (单元类型，实参，材料特性单元类型，实参，材料特性)2) 设置网格控制。设置网格控制。 设置控制网格大小设置控制网格大小(网格密度网格密度)和网格形状的选项和网格形状的选项。3) 存储数据库存储数据库(可选可选)。4

34、) 生成网格。生成网格。3-66ANSYS网格划分网格划分(续续):如果不设置网格控制时划分网格，网格将具有如下特征如果不设置网格控制时划分网格，网格将具有如下特征: 将是自由划分，而不是映射划分。将是自由划分，而不是映射划分。 单元大小由单元大小由ANSYS确定确定( 可以满足普通的计算精度要求可以满足普通的计算精度要求)。 单元类型单元类型1，材料，材料1，实参，实参1将用来划分网格。将用来划分网格。有许多方法设置网格控制。参考有许多方法设置网格控制。参考ANSYS建模和分网手册以得到更多建模和分网手册以得到更多的解释。的解释。缺省状态下，网格属性设置为单元类型缺省状态下，网格属性设置为单

35、元类型1，材料，材料1和实参和实参1，因此在例题中不需要重新定义。，因此在例题中不需要重新定义。3-67下一步是设置划分网格的大小下一步是设置划分网格的大小(网格密度网格密度)。全局大全局大小是用于生成均匀大小的网格。小是用于生成均匀大小的网格。 例题中全局网格长度设置为例题中全局网格长度设置为0.06。3-68使用使用MeshTool, 指定指定:1) Mesh: areas2) Shape: quad3) Mesher: mapped; 3 or 4 sided4) 在选择菜单中选择在选择菜单中选择 “Pick All” 5) 关闭关闭MeshTool3-69得到的单元绘图如下。得到的单元

36、绘图如下。3-70继续划分网格继续划分网格; 生成平面效果单元生成平面效果单元生成平面效果单元中的注意事项生成平面效果单元中的注意事项: 在生成平面效果单元之前，需要先作一些另外的前处理工作在生成平面效果单元之前，需要先作一些另外的前处理工作: 设置属性为使用单元类型设置属性为使用单元类型 2, SURF151。 生成生成“附加结点附加结点” ( KEYOPT5)。平面效果单元将使用面上现有的结点生成，并且参考平面效果单元将使用面上现有的结点生成，并且参考“附加结点附加结点”。3-71定义划分网格的属性使用菜单定义划分网格的属性使用菜单AttributesDefine如下如下:单元类型号设置为

37、单元类型号设置为: 2 SURF1513-72绘制结点绘制结点 注注: 由于使用现有的结点定义平面效果单元，将图形转换到结点图可以方便选取由于使用现有的结点定义平面效果单元，将图形转换到结点图可以方便选取需要的结点。需要的结点。3-73生成生成 “附加结点附加结点”需要需要SURF151定义。定义。注注: 使用直接生成来生成附加结点。活动坐标系是全局笛卡儿坐标系。使用直接生成来生成附加结点。活动坐标系是全局笛卡儿坐标系。3-74注注: 这里，选择结点号这里，选择结点号1000, 比其他任意结点号码都大，以使得比其他任意结点号码都大，以使得“附加附加” 结点容易辨认。如果该域空白，则下一个可以使

38、用的结点容易辨认。如果该域空白，则下一个可以使用的结点号码将赋值给新的结点。结点号码将赋值给新的结点。注注: “附加附加” 结点的位置是可结点的位置是可选的，这里是选的，这里是x=1.0, y=2.5。3-75结点图将自动更新以包括新的结点。使用结点图将自动更新以包括新的结点。使用Use Box Zoom 或其他或其他 Zoom 命令查看需要命令查看需要看清的部分。看清的部分。3-76现在已经准备好生成平面效果单元。现在已经准备好生成平面效果单元。生成平面效果单元生成平面效果单元3-77使用使用Box选择选项只选择管内部的结选择选项只选择管内部的结点生成平面效果单元。点生成平面效果单元。3-7

39、8检查所有检查所有9个结点是否全部选中个结点是否全部选中; 单击单击“Apply”3-79 使用鼠标点取附加结点，或在输入窗口中使用鼠标点取附加结点，或在输入窗口中输入输入1000。然后，单击。然后，单击“OK”。3-80现在平面效果单元将自动绘制出来。现在平面效果单元将自动绘制出来。3-81可以打开可以打开Numbering Controls用绘图方法检查属性。用绘图方法检查属性。只需要打开特定实体的只需要打开特定实体的on/off开关并选择使用和种方式。开关并选择使用和种方式。要检查单元类型是正确指定要检查单元类型是正确指定的，只要打开基于单元类型的，只要打开基于单元类型号的号码显示即可。

40、号的号码显示即可。3-82在本例中，用绘图方法检查单元类型是否正确指定。在本例中，用绘图方法检查单元类型是否正确指定。注注: 在本例中，我们如果不在划分网格之前将单元属性改变的话，就无法得在本例中，我们如果不在划分网格之前将单元属性改变的话，就无法得到单元类型到单元类型 2, SURF151单元。单元。3-83使用使用/SHOW命令切换到向量绘图。要使得号码更容易阅读，设置命令切换到向量绘图。要使得号码更容易阅读，设置Plot ControlsDevice Options中的选项。中的选项。在此，切换到向量图将生成单元的边框图。在此，切换到向量图将生成单元的边框图。3-84单元以向量方式绘制，

41、单元类型用颜色和号码打开来单元以向量方式绘制，单元类型用颜色和号码打开来区别。区别。使用命令使用命令 /SHOW 重新设置绘图选项。重新设置绘图选项。3-85求解过程求解过程我们现在将要开始热分析的下一个分析过程；求解过程我们现在将要开始热分析的下一个分析过程；求解过程在本步，我们要在本步，我们要: 定义分析类型，检查定义分析类型，检查分析选项分析选项 施加载荷和边界条件施加载荷和边界条件 进行求解进行求解3-86指定这是一个新的分析，类型为稳态分指定这是一个新的分析，类型为稳态分析析(这是缺省值这是缺省值)。3-87分析选项分析选项对于只有一个载荷步的线性，稳态，热分析，只需要设置方程求解对

42、于只有一个载荷步的线性，稳态，热分析，只需要设置方程求解器。器。其他分析选项如牛顿其他分析选项如牛顿-拉夫森选项和温度偏移设置，只在非线性辐射拉夫森选项和温度偏移设置，只在非线性辐射问题中需要，在后面的章节中讨论。问题中需要，在后面的章节中讨论。注注: 在在ANSYS 5.5中中, 当求解控制打开，缺省求解器当求解控制打开，缺省求解器为稀疏矩阵求解器为稀疏矩阵求解器3-88改变到迭代求解器求解大改变到迭代求解器求解大的的3-D模型。模型。检查温度偏移检查温度偏移; 通常在辐通常在辐射问题中需要。射问题中需要。3-89求解器求解器下列求解器可以选择下列求解器可以选择*: 波前求解器波前求解器(缺

43、省缺省) 雅可比共轭梯度求解器雅可比共轭梯度求解器(JCG) JCG 超内存求解器超内存求解器 不完全的不完全的Cholesky共轭梯度求解器共轭梯度求解器(ICCG) 预条件共轭梯度求解器预条件共轭梯度求解器(PCG) PCG 超内存求解器超内存求解器 迭代迭代 (快速求解快速求解;自动求解器选择自动求解器选择)* provided there are no mass transport of heat effects3-90迭代迭代(快速求解快速求解)选项选项快速求解选项可以用于快速求解选项可以用于除了以下情况除了以下情况的任意线性，非线性，稳态或的任意线性，非线性，稳态或瞬态热分析：瞬态

44、热分析： 可能不能用于旧的平面效果单元可能不能用于旧的平面效果单元, SURF19和和SURF22。 可能不能用于辐射计算。可能不能用于辐射计算。 不推荐用于带相变的热传递问题。不推荐用于带相变的热传递问题。注注: 本选项不生成本选项不生成jobname.emat和和jobname.erot文件，可以节约机时文件，可以节约机时和硬盘空间。分析重启动在使用快速求解选项时不能使用。和硬盘空间。分析重启动在使用快速求解选项时不能使用。3-91使用快速求解选项时，必须指定精度级别。使用快速求解选项时，必须指定精度级别。3-92温度偏移温度偏移温度偏移是指绝对零度和所使用温度系统的零度之间的差值。温度偏

45、移是指绝对零度和所使用温度系统的零度之间的差值。温度偏移可以使用分析选项菜单指定，或使用命令温度偏移可以使用分析选项菜单指定，或使用命令TOFFST,value。温度偏移是可选的，但在下列情况下必须使用：温度偏移是可选的，但在下列情况下必须使用： 有辐射效果，并且使用了有辐射效果，并且使用了F 或或C。 使用了随温度变化的热生成率使用了随温度变化的热生成率(MASS71)。例题中使用了例题中使用了BIN单位，和华氏温度。华氏温度比列氏温度要偏移单位，和华氏温度。华氏温度比列氏温度要偏移460度。度。3-93几何模型载荷和有限元模型载荷几何模型载荷和有限元模型载荷 温度载荷可以施加到几何模型和温

46、度载荷可以施加到几何模型和/或有限元模型上。或有限元模型上。 几何模型载荷独立与网格划分。网格可以改变但载荷保持不变。几何模型载荷独立与网格划分。网格可以改变但载荷保持不变。 几何模型载荷比较容易施加，特别是在图形窗口选择时。几何模型载荷比较容易施加，特别是在图形窗口选择时。 在关键点上施加温度时要当心。使用扩展选项将温度扩展到线上的所有在关键点上施加温度时要当心。使用扩展选项将温度扩展到线上的所有结点上，而不是只施加到线段的终点上。结点上，而不是只施加到线段的终点上。 在在ANSYS 5.5中中, 温度可以直接施加到线上。温度可以直接施加到线上。 在同一区域内，几何模型载荷比有限元模型载荷优

47、先施加。在同一区域内，几何模型载荷比有限元模型载荷优先施加。3-94常量数值和表格输入常量数值和表格输入使用表格数组参数，同样使用相应的命令和菜单选项。但是，不使用表格数组参数，同样使用相应的命令和菜单选项。但是，不是指定实际的数值，而是指定表格数组的名字。是指定实际的数值，而是指定表格数组的名字。 新表格可以在交互施加载荷时选择新表格可以在交互施加载荷时选择 “new table” 选项。一系列的选项。一系列的对话框将引导用户定义表格。对话框将引导用户定义表格。这些特性同时适用于几何模型和有限元模型。这些特性同时适用于几何模型和有限元模型。表格输入的其它细节可以参考第表格输入的其它细节可以参

48、考第6章。章。3-95节点温度设置节点温度设置温度约束温度约束 (DOF 约束约束) 指定于模型中已知温度的部分。指定于模型中已知温度的部分。指定到几何模型指定到几何模型(关键点，线，面关键点，线，面)的温度在求解之前将转换到节点的温度在求解之前将转换到节点上。上。3-96注注: 当当GUI过滤设置到热时，只有热载过滤设置到热时，只有热载荷出现的荷出现的 “Apply” 菜单里。菜单里。节点温度指定节点温度指定温度约束温度约束 (DOF 约束约束) 指定于模型中已知温度的部分。指定于模型中已知温度的部分。3-97均匀初始温度均匀初始温度通用说明通用说明:均匀温度可以施加到没有温度约束的节点上。

49、均匀温度可以施加到没有温度约束的节点上。设置初始温度有两种基本原因设置初始温度有两种基本原因: 作为瞬态分析第一个载荷步的起始温度。作为瞬态分析第一个载荷步的起始温度。 在非线性分析中估计随温度变化的材料特性的初始值。在非线性分析中估计随温度变化的材料特性的初始值。 注注: 第第4，5章详细讨论了初始条件荷均匀初始温度的细节。章详细讨论了初始条件荷均匀初始温度的细节。3-98节点热流速率节点热流速率 热流速率代表节点上单位时间的热流。热流速率代表节点上单位时间的热流。 正的热流表示热能流入模型。正的热流表示热能流入模型。 热流速率主要用于线单元热流速率主要用于线单元 (传导杆件，对流单元等传导

50、杆件，对流单元等)热网络模型对流荷热热网络模型对流荷热流不能施加的情况下。流不能施加的情况下。 如果节点上既有温度又有热流速率，温度约束优先。如果节点上既有温度又有热流速率，温度约束优先。 热流可以施加在关键点上。热流可以施加在关键点上。 热流作为集中载荷处理。热流作为集中载荷处理。3-99节点热流速率节点热流速率3-100热流热流热流是面载荷，代表分布在平面上的热流热流是面载荷，代表分布在平面上的热流 (单位平面上的热量单位平面上的热量)。正的热流表示能量流入模型。正的热流表示能量流入模型。热流载荷只能用于体，壳和平面效果单元。热流载荷只能用于体，壳和平面效果单元。如果相同实体上既有热流又有

51、对流载荷，则如果相同实体上既有热流又有对流载荷，则最后最后施加的载荷被使用施加的载荷被使用。注：注： 要在相同区域同时施加热流和对流，就要使用平面效果单元。要在相同区域同时施加热流和对流，就要使用平面效果单元。(见平面效果单元说明见平面效果单元说明)。 3-101热流热流热流施加在例题的叶片顶端；作为线上的实体热流施加在例题的叶片顶端；作为线上的实体模型载荷施加。模型载荷施加。3-102施加在叶片顶端的热流。施加在叶片顶端的热流。3-103负值表示热量从模型中负值表示热量从模型中流出。流出。3-104绘制载荷和边界条件的说明绘制载荷和边界条件的说明:要显示色标，绘制载荷和边界条件时打开图例。要

52、显示色标，绘制载荷和边界条件时打开图例。在在 Utility MenuPlot ControlsSymbols, 施加的边界条件，响应和施加的边界条件，响应和其它项目的图形标记可以打开其它项目的图形标记可以打开/关闭。这在求解前后检查模型时很有用关闭。这在求解前后检查模型时很有用。特别地。特别地: 节点载荷标记可以显示节点载荷标记可以显示 几种面载荷可以使用箭头或平面轮廓线显示几种面载荷可以使用箭头或平面轮廓线显示 体载荷可以图形显示体载荷可以图形显示3-105打开图例。打开图例。 注注: 缺省情况下，图例在前处理时是关闭的缺省情况下，图例在前处理时是关闭的，可以得到更多图形区域。但是，在施加

53、，可以得到更多图形区域。但是，在施加/检检查载荷时图例非常有用，而且可以容易的开查载荷时图例非常有用，而且可以容易的开关。关。 3-106打开面载荷标记。选择热流，在施打开面载荷标记。选择热流，在施加区域以箭头方式显示。加区域以箭头方式显示。控制边界条控制边界条件的显示件的显示控制面边界控制面边界条件的显示条件的显示控制体载荷的控制体载荷的显示显示3-107显示标记，数值和载荷位置。显示标记，数值和载荷位置。3-108对流对流对流是面载荷，表示热从周围介质传入或传出。对流是面载荷，表示热从周围介质传入或传出。在定义对流时要输入换热系数和介质温度。在定义对流时要输入换热系数和介质温度。对流载荷只

54、适用于体，壳和平面效果单元。对流载荷只适用于体，壳和平面效果单元。如果同样的模型区域既有对流又有热流，则如果同样的模型区域既有对流又有热流，则最后最后施加的载荷被使用施加的载荷被使用。注注: 要在相同区域同时使用对流和热流，就要使用平面效果单元要在相同区域同时使用对流和热流，就要使用平面效果单元。(参考第参考第 2 & 7 章平面效果单元的讨论章平面效果单元的讨论)对流载荷可以通过表格施加。对流载荷可以通过表格施加。3-109随温度变化的换热系数随温度变化的换热系数换热系数换热系数 (HF)可能是随温度变化的。可能是随温度变化的。在在ANSYS中它们作为随温度变化的材料特性处理。中它们

55、作为随温度变化的材料特性处理。使用时，指定材料号码使用时，指定材料号码n, 并定义温度表格。然后对每个温度定义相并定义温度表格。然后对每个温度定义相应的换热系数。应的换热系数。施加对流载荷时，在加载命令的施加对流载荷时，在加载命令的HF数值域使用数值域使用-n ，其中其中n是定义随是定义随温度变化对流曲线的材料号码。温度变化对流曲线的材料号码。随温度变化的换热系数使得热分析成为非线性。随温度变化的换热系数使得热分析成为非线性。3-110例题需要在管和叶片外表面施加对流。这里，对流载荷施加在几何模型上。例题需要在管和叶片外表面施加对流。这里，对流载荷施加在几何模型上。3-111选择施加对流的两条

56、线，并点击选择施加对流的两条线，并点击 “Apply”。3-112例题中的换热系数和介质温度。输入如图例题中的换热系数和介质温度。输入如图数值，并点击数值，并点击 “OK” 关闭对话框。关闭对话框。如果使用随温度变如果使用随温度变化的对流载荷，在化的对流载荷，在此处输入此处输入-n3-113当图例打开时，我们可以清晰的看到载荷标记，数当图例打开时，我们可以清晰的看到载荷标记，数值和位置。注意，对流或热流值和位置。注意，对流或热流(不是全部不是全部)都可以在图都可以在图上显示因为上显示因为ANSYS使用同样的图形标记两者。使用同样的图形标记两者。3-114在内径平面效果单元上施加对流载荷。在内径

57、平面效果单元上施加对流载荷。注注: 由于这些单元覆盖载由于这些单元覆盖载PLANE55单元上，如果我们在施加载荷时单元上，如果我们在施加载荷时将平面效果单元分离会容易一些。使用选择技术选出所有将平面效果单元分离会容易一些。使用选择技术选出所有2号单元，号单元，然后点击然后点击 “OK”。3-115列出单元可以检查所有的平面效果单元列出单元可以检查所有的平面效果单元(类型类型2)都被选中。都被选中。3-116对流可以施加载线，面，节点和单元上。对流可以施加载线，面，节点和单元上。现在我们将均匀对流载荷直接施加在平面效果单元上。现在我们将均匀对流载荷直接施加在平面效果单元上。3-117“Pick

58、All” 在所有选中的单元上施在所有选中的单元上施加载荷。加载荷。 3-118输入管内部的换热系数，然后点击输入管内部的换热系数，然后点击 “OK”。注注: 介质温度保持空白。介质温度将在附加节点上作为温度约束指定。介质温度保持空白。介质温度将在附加节点上作为温度约束指定。3-119在附加节点上施加温度约束为在附加节点上施加温度约束为600 F, 介质温度。介质温度。3-120使用节点使用节点 1000。3-121输入输入 600。3-122在求解前要选择所有实体。在求解前要选择所有实体。选择所有实体进行分析。选择所有实体进行分析。3-123改变面载荷标记显示对流改变面载荷标记显示对流换热系数

59、。检查所加载荷换热系数。检查所加载荷。3-124画单元。单元图用来快速查看施加的对流载荷。它显示所有激活的单元，在附加节点上施加的画单元。单元图用来快速查看施加的对流载荷。它显示所有激活的单元，在附加节点上施加的温度，在平面效果单元上施加的对流载荷。温度，在平面效果单元上施加的对流载荷。3-125热生成热生成热生成是体载荷，代表单元内生成的热热生成是体载荷，代表单元内生成的热 (单位体积的热生成速率单位体积的热生成速率)。热生成速率可以施加在实体模型，有限元单元上。载荷将转换为单元热生成速率可以施加在实体模型，有限元单元上。载荷将转换为单元载荷。载荷。均匀热生成率均匀热生成率可以用一个命令可以

60、用一个命令(BFUNIF)施加在模型中所有节点上。施加在模型中所有节点上。热生成可以使用表格施加。热生成可以使用表格施加。 注: 使用BFA和BFK命令将载荷分布在单元上的结果不同。在使用前复习命令的使用方法。3-126使用合适的菜单施加热生成。使用合适的菜单施加热生成。这里显示理在面上施加热生成的方式。这里显示理在面上施加热生成的方式。3-127Transfer of solid model thermal loads and boundary conditions to the finite element model occurs automatically when a solution is