有限元分析-热分析.ppt

1、7.1有限元技术在热分析中的应用，主要是ANSYS热分析基础知识介绍稳态热分析实例瞬态热分析实例，7.1.1ANSYS热分析基础知识介绍ANSYS热分析功能介绍ANSYS热分析模块主要内容是ANSYS/multiphysics ANSYS/mechanical ANSYS其中ANSYS/flotran没有相变热分析。基于ANSYS热分析能量守恒原理的热平衡方程采用有限元法计算物体内部每个节点的温度，导出其他热物理参数。使用ANSYS软件分析热传导、热对流、热辐射、相变、热应力和接触热阻问题。ANSYS不仅解决了纯热分析问题，还解决了其他与热相关的问题，例如热-应力分析、热-电分析、热-磁分析等

2、。这种通常包含两个或多个物理场交互的问题称为联合场分析。ANSYS提供了分析两个耦合场的方法：直接耦合法和间接耦合法。第二，单位制问题：在ANSYS热分析过程中，不一定要使用国际单位制，但必须统一所有物理量的单位。ANSYS有5个单位(命令流方法：/units；或者，mainmenuveamsaterialpropsmateriallibraryselectunits:si(MKS)表示默认单位为m、kg、s、k的国际单位制。CGS表示厘米、克和秒单位制，其中默认单位为cm、g、s、c。BFT表示基于英尺的英制单位制，默认单位为FT、slug、s、BIN表示英制单位制(英寸)，默认单位为IN、

3、IBM、s、USER代表用户定制单位制。这意味着用户可以根据需要定义默认单位。第三，热分析时三类边界条件和初始条件：第一类边界条件：对象边界的温度函数已知；第二类边界条件：对象边界的热流密度已知。第三类边界条件：与物体接触的流体介质的温度和传热系数已知。初始条件：初始条件意味着在传热过程开始时，物体在整个区域的温度是已知值。4，热分析中的负载：ANSYS提供了总共6种可套用至实体或单位模型的负载。(1)温度：可以将温度作为第一种类型的边界条件应用于有限元模型的节点或实体模型的键、段和面。(2)热通量：热通量是仅适用于节点或关键点的节点集中负载，主要用于线单位模型。(3)对流：对流是计算流体和本

4、体热交换的面负载。可以应用于有限元模型的节点和单元，或应用于实体模型的线段和面。(4)热通量密度：也称为热通量单位，W/m2。热流密度是面负载，表示通过单位面积的热流。如果已知通过单位区域的热流，则可以将热流密度套用到模型的相应外部表面。输入正值表示热流流入单位。相反，它表示热流流出装置。可以应用于有限元模型的节点和单元，或应用于实体模型的线段和面。(5)热生产率：热生产率可视为材料的基本属性，并可作为载荷应用于设备。可以应用于有限元模型中的节点和单元，也可以应用于实体模型中的键、段、面和实体。(6)热发射率：热发射率也是一种面载荷，通常应用于实体的外表面。可以应用于有限元模型的节点和单元，或

5、应用于实体模型的线段和面。5，热分析中有三种传热方法和材料基本特性(1)热传导：如果有热梯度，则热从物体的高温部分传递到低温部分。而且不同温度的物体相互接触时，热量从高温的物体传递到低温的物体。这种传热的方式称为热传导。Q/t=KA(Thot-Tcold)/d类型：q是时间t中的传热或热流。k是热导率或热导率。(2)对流：热对流是固体表面与其周围接触的液体或气体(统称为流体)之间的温差存在而产生的热交换。在热物体的表面，如热物体表面，热物体表面附近的空气被加热膨胀，密度降低，向上流动，因此经常发生对流现象。与此同时，密集的冷空气下降，取代了原来加热的空气。热对流可分为自然对流和强制对流两类。Q

6、=h (ts-TB)样式：h是对流传热系数(或膜传热系数、进料热系数、膜系数等)。TS是固体表面的温度。TB是周围流体的温度。(3)辐射：热辐射是指物体释放电磁能量，被其他物体吸收，变成热的热交换过程。物体的温度越高，每小时发射的热量就越多。热传导和热对流都需要传热介质，热辐射不需要介质。本质上真空中热辐射效率最高。在工程中，如果考虑两个或多个对象之间的复制，并且系统中的每个对象同时发射并吸收热量，则两者之间的净传热可以通过Stephen bolz man方程计算，如下所示：q=a1 F12(T41-T42)表达式：q是热流。实际物体的发射率或黑度是0到1之间的值。-Stephen boltz

7、 man常数，约5.67108 w/m 2 . k4；A1是辐射面1的面积。F12是从发射曲面1到发射曲面2的几何系数。T1是辐射面1的绝对温度。T2是辐射面2的绝对温度。在ANSYS栏分析中，分析选项(即决定mainmenuvutilonanalysistypeanalysisoptions的对话方块)具有确定绝对零的选项，即需要将目前温度值转换为绝对温度的选项。如果热分析期间使用的温度单位是摄氏度，则此值必须设定为273。从上述可以看出，包含热辐射的热分析是非常非线性的。(4)比热容(SpecificHeat):单位质量的材料每次增加(或减少)1 时吸收(或释放)的热量，称为比热，该单位为

8、j/(kg)。)。计算格式为C=Q/(m.T)。T=TE-TB，TE是结束时间温度。TB是开始时间温度。q在该期间物体吸收或释放的总热量；m是质量。(5)焓：H=U PV，在样式中，H定义为焓，U定义为内部能量，p和v分别定义为压力和体积。对于大气压条件，自下而上可以表示为：H=U P.V=Q表示大气压条件下焓的变化是热的变化。(6)热生产率：热生产率可以定义材料特性的所有形式，并且可以将身体负荷的形式应用于单元，以模拟单位体积的热流量的化学反应热或电流热。6，稳态热分析和瞬态热分析：(1)稳态传热：如果系统的净热流速为零，即流入系统的热与系统本身产生的热与流出系统的热相同，则系统处于热稳态。

9、在稳态热分析中，节点的温度不随时间变化。(2)瞬态传热：瞬态传热过程表示一个系统的加热或冷却过程。在此过程中，随着系统的温度、热流、热边界条件和时间的推移，系统内可能会发生重大变化。7，线性和非线性热分析如果在ANSYS热分析期间出现以下一个或多个条件，则为非线性热分析：材料热性能取决于温度。温度的边界条件；包含非线性单位。考虑辐射传热。7.1.2稳态热分析示例1-长中空圆柱体传热过程的ANSYS分析，问题说明：有一个内部半径和外部半径分别为0.2m、0.6m、长度为10m的中空钢柱。钢的导热系数为70w/(m .)，现在假设柱的表面温度为固定值20c，将均匀温度负载80c套用至柱的外部表面。

10、寻找钢柱内部的温度场分布。简要分析：这是稳态热力学问题。由于圆柱体的长度大于直径，因此可以忽略末端效果，在根据问题的对称性进行解决的过程中，使用圆柱体横截面的四分之一对几何体进行建模。1 .设置作业文件名和作业标题，然后选择Preferences进行筛选：2 .定义储存格类型和材料性质、建立几何模型、塑型网面3.1几何图形、3.2网面：标注线并绘制线以使工作更轻松。选择4负载解决方案4.1分析类型：将温度负载套用至4.2线上的每个节点：首先将温度负载加入至1条线上的节点，4.3定义负载，4.4定义2条线上的温度负载，4.5定义温度负载值：4.6负载阶段和设定输出结果控制选项：4.7解决方案：5

11、。查看分析结果：7.1.3瞬态传热分析示例1-截面轮廓瞬态传热过程ANSYS分析，问题说明：存在横截面为矩形的各向异性截面轮廓，初始温度为500 ，突然温度为20 的空气中，并在一分钟后得出该截面轮廓温度场分布和中心温度随时间的变化。材料性质参数包括：密度为2400kg/m3，热导率kx为30w/(m. c)，KYY，KZZ的弹性系数为10w/(m. c)，比热为352j/(kg .c)，对流系数为110w/(m2 .c)。简单分析：这个问题是瞬态热传导问题。由于长度方向上的材料尺寸比其他两个方向上的尺寸大，因此简化为平面变形问题。分析期间，取钢横截面的四分之一并生成强度。1 .设置作业文件名

12、和作业标题，然后选择Preferences进行筛选：2。单元类型和材料属性定义：3 .产生几何图形模型，分割网格3.1几何图形模型：标注线并绘制线。结果如下图所示。3.2格线分割：先设定储存格标注(选取的1配线定义):结果为：3导线：类似于直线2:在“类似于直线4”操作(NDIV等于30，空间等于5)后：3.3使用MeshTool分割栅格。结果如下图所示。单击ChangeTitle:ELEMENTSINMODEL，然后单击PlotElements:4。分析4.1选择分析类型加载：4.2解决方案控制选择：“基本”选项(更改)和“过渡”选项(无更改)的设置：应用4.3温度载荷：应用所有连续温度载荷500 ，并对直线2和直线3上的每个节点应用温度和对流载荷。首先单击“SelectEntities:”(通过选择要添加对流和温度的线启用：)，单击要添加对流和温度的两条线，选择属于此线的所有节点，如图操作：对选定节点应用对流和温度载荷：单击“选择图”，然后选择“PickAll:”(对流和温度值的设置：“SelectEntities”)分析类型选项的设置：3.4求解，查看结果4.1首先单击ReadResults中的LastSet，4.2，然后按PlotResults并设置：最后一分钟后剖面横截面中的温度场等值线分布如下：4.3查看中央温度云纹。轴设置