ANSYS非稳态热分析及实例详解

1、第7章非稳态热分析和实例的详细说明本章向读者介绍非稳态热分析的基本知识，主要包括非稳态热分析的应用、非稳态热分析单元以及非稳态热分析的基本步骤。本章的要点非稳态热传导的基本概念非稳态热分析的应用非稳态热分析装置分析的基本步骤本章中的案例钢球非稳态传热过程分析不同材料金属块水冷非稳态传热过程分析高温铜导线冷却过程分析7.1非稳态热分析概述物体温度随时间变化的热传导过程称为不稳定热传导。根据物体的温度随时间变化的特点，可以分为两种不稳定的热传导：物体的温度随着时间的推移逐渐趋于恒定值，物体的温度随着时间的推移周期性地变化。无论在自然界还是在工程实践中，大多数传热过程都是不稳定的。许多实际工程问题需

2、要确定物体内部温度场随时间的变化或其内部温度达到某一极限值所需的时间。例如，当机器启动、停止和改变工作条件时，急剧的温度变化会由于热应力而对部件造成损坏，因此有必要确定物体内部的瞬时温度场。钢制工件的热处理是典型的非稳态热传导过程，掌握工件的温度变化率是控制工件热处理质量的重要因素。另一个例子是，当金属在加热炉中加热时，有必要确定其在加热炉中的停留时间，以确保达到规定的中心温度。可见，非稳态热分析具有相当大的应用价值。ANSYS 11.0及其相关附属产品支持非稳态热分析。非稳态热分析确定温度和其他随时间变化的热参数。7.1.1非稳态热分析特性瞬态热分析用于计算系统的时变温度场和其他热参数。在工

3、程中，瞬态热分析通常用于计算温度场，温度场作为热负荷用于应力分析。瞬态热分析的基本步骤类似于稳态热分析。主要区别在于瞬态热分析中的负载随时间而变化。为了表达负荷随时间的变化，负荷-时间曲线必须分成负荷阶段。对于每个负载步骤，必须定义负载值和时间值，并且负载步骤必须选择为渐变或步进交叉。7.1.2非稳态热分析的控制方程蓄热项的计算将稳态系统转化为非稳态系统。蓄热项中控制方程的矩阵形式如下：其中，它是一种蓄热物品。在非定常分析中，载荷是一个随时间变化的函数，因此控制方程可以表示如下：如果分析是次线性的，参数与温度和时间有关。非线性控制方程可以表示如下：7.1.3时间积分和时间步长1.时间积分从求解

4、方法来看，稳态分析和非稳态分析的区别在于时间积分。在使用ANSYS 11.0分析问题时，只要在后续的加载步骤中开启时间积分效应，稳态分析就会变为非稳态分析。同样，只要时间积分在随后的载荷步骤中关闭，非定常分析也可以转换为定常分析。2.时间步两种解决方案之间的时间称为时间步长。一般来说，时间步长越小，计算结果越准确。有两种方法可以确定时间步长：(1)大幅度指定初始时间步长，然后使用自动时间步长增加时间步长。(2)粗略估计初始时间步长。在非稳态热分析中，毕奥数和傅立叶数可以用来估计初始时间步长。毕奥数是一个热电阻对流和传导比例因子，与尺寸无关，定义为：其中：标称电池宽度；平均表面传热系数；平均导热

5、系数为。Fourie时间步长的预测精度随单元宽度、平均方法和比例因子的不同而不同。7.1.4数值求解过程假设当前温度矢量是已知的，并且可以是初始温度或从先前的解中获得。定义下一个时间点的温度矢量是：该参数称为欧拉参数，默认值为1，下一时间点的温度为：可以从以上两种类型中获得：其间欧拉参数值介于0.5和1之间。在此范围内，时间积分算法不明显且不稳定。因此，ANSYS 11.0总是忽略时间积分步长的幅度来计算。然而，这种计算结果并不总是准确的。以下是选择集成参数的一些建议：当=0.5时，时间积分法采用“曲柄-梁君诺”技术。该设置对于大多数热瞬态问题都是准确有效的。当=1时，时间积分法采用“后向欧拉

6、”技术。这是默认且最稳定的设置，因为它消除了可能导致严重非线性或高阶元素的异常振动。这种技术通常需要相对于曲轴梁君诺相对较小的时间积分步骤来获得精确的结果。7.2不稳定热分析装置非稳态热分析和稳态热分析使用相同的分析单元。详情请参阅本书第六章。7.3非稳态热分析的基本步骤非稳态热分析的基本步骤主要包括建模、加载求解和后处理。下面详细描述了三个基本步骤。7.3.1有限元模型的建立就这一步而言，稳态和非稳态之间没有区别，可以参照稳态分析的建模方法进行。因此，这里不再重复。7.3.2负载解决方案1.定义分析类型如果第一次或再次执行分析，操作步骤如下：Command: ANTYPE，TRANSIENT

7、，NEW图形用户界面：主菜单解决方案分析类型新分析瞬态如果之前的分析继续进行(例如增加其他负载)，操作步骤如下：命令： ANTYPE，TRANSIENT，REST图形用户界面：主菜单解决方案分析类型重启2.获得非稳态热分析的初始条件(1)定义均匀的温度场如果已知模型的初始温度是均匀的，则可以设置所有节点的初始温度，操作步骤如下：Command: TUNIFGUI:主菜单解决方案加载设置统一温度如果不在对话框中输入数据，参考温度默认为零，但参考温度可以通过以下方法设置：命令： TREFGUI:主菜单解决方案加载设置参考温度注意：设置统一的初始温度不同于设置节点温度(自由度)，如下所示。设置节点温

8、度的操作步骤如下：命令： DGUI:主菜单解决方案加载热温度传感器节点初始均匀温度仅对分析的第一个子步骤有效。设定的节点温度将在整个瞬态分析过程中保持不变，除非通过以下方法消除该约束：Command: DDELEGUI:主菜单解决方案加载删除温度节点(2)设定不均匀的初始温度在瞬态热分析中，节点温度可以设置为不同的值，操作步骤如下：Command: CGUI:主菜单解决方案加载初始条件定义如果初始温度场不均匀且未知，必须进行稳态热分析以确定初始条件，步骤如下：设定负载(例如已知温度、热对流等。)将时间积分设置为关闭：命令：时间，关闭GUI:主菜单程序加载步进优化时间/频率集成仅用一个子步骤和很

9、少的时间设置加载步骤(例如0.001):命令：时间GUI:主菜单程序加载步进优化时间/频率时间和子步骤写入加载步骤文件：命令： LSWRITEGUI:主菜单更新进程加载写入文件或者先解决它：命令： SOLVEGUI:主菜单解决方案当前最小二乘3、设置加载步骤选项(1)一般选项按如下步骤设置时间和时间：命令：时间GUI:主菜单解决方案加载步骤时间/频率时间步骤为每个加载步骤设置加载子步骤的数量或时间增量Command: NSUBST或DELTIMGUI:主菜单解决方案加载步骤时间/频率时间和子步骤(2)非线性选择设置迭代次数：(每个子步骤的默认迭代次数为25次，这对于大多数非线性热分析来说已经足

10、够了)指令： NEQITGUI:主菜单解决方案加载步骤优化非线性平衡项自动时间步长：(当此选项打开时，时间步长将在解决过程中自动调整)Command: AUTOTSGUI:主菜单解决方案加载步骤时间/频率时间和子步骤时间积分效应：(如果该选项设置为关闭，将执行稳态热分析)命令： TIMINTGUI:主菜单解决方案加载步骤时间/频率集成(3)输出选项控制打印输出：(该选项可以将任何结果数据输出到*。输出文件)Command: OUTPRGUI:主菜单解决方案加载步骤选项输出控制解决方案打印输出控制结果文件：(控制*。rth内容)Command: OUTRESGUI:主菜单解决方案加载步骤选项输出

11、控制数据库/结果文件(4)保存并解决7.3.3后处理ANSYS提供了两种后处理方法：POST1，它可以在某个负载步骤(时间点)对整个模型的结果进行后处理；命令： POST1GUI:主菜单常规后处理。POST26，它可以在模型中的特定点对所有负载步骤(整个瞬态过程)的结果进行后处理。命令： POST26GUI:主菜单菜单列表后处理1.使用POST1进行后处理进入POST1后，可以读出某个时间点的结果：命令：设置GUI:主菜单常规后处理结果(按时间/频率)如果设定时间点不在任何子步骤时间点，ANSYS将执行线性插值。此外，可以读出某个加载步骤的结果：GUI:主菜单常规后处理结果按加载步骤然后通过彩

12、云图像显示、矢量图像显示、打印列表等类似稳态热分析的方法对结果进行后处理。2.用POST26进行后处理首先定义变量：命令： NSOL或ESOL或RFORCE主菜单列表后定义变量这些变量可以随时间绘制：Command: PLVAR主菜单列表后图表变量或列表输出：Command: PRVAR主菜单列表后处理变量此外，POST26还提供许多其他功能，如变量的数学运算等。请参考ANSYS Basic Analysis Procedures Guide例7-1:钢球非稳态传热过程分析将一个直径为12厘米、温度为1000的小钢珠突然放入一个圆柱形水箱中，水箱中装满水，水箱的横截面直径和高度完全绝热，为60

13、厘米(钢珠放在水箱的中央)。水温为18，材料参数表见表7.1。试着找出10分钟后钢球和水的温度场分布。表7.1物理性质参数热特性单位制熨斗水导热性W/m700.60密度千克/立方米78001000比热J/kg4484200这是一个典型的瞬态传热问题，研究对象是钢球和水。由于对称性，求解过程中取1/4的钢球纵截面和水心建立几何模型，如图7-1所示。在本例中，选择PLANE55轴对称元素进行求解。图7-1几何模型附带光盘“Ch7示例7-1 _ START”附带光盘“Ch7示例7-1 _结束”附带光盘“AVI CH7 7-1。AVI”1.定义工作文件名选择实用程序菜单文件更改作业名称，打开更改作业名称对话框。在对话框中将工作名称更