ANSYS 热分析培训 第三章

1、第 3 章,稳态热传递(无质量传输),稳态热传递,如果热量流动不随时间变化的话，热传递就称为是稳态的。 由于热量流动不随时间变化, 系统的温度和热载荷也都不随时间变化。 由热力学第一定律，稳态热平衡可以表示为: 输入能量 输出能量 = 0,March 30, 2002,稳态热传递控制方程,对于稳态热传递，表示热平衡的微分方程为:,相应的节点处的有限元平衡方程为:,March 30, 2002,热载荷和边界条件的类型,温度 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 可以施加到没有温度约束的所有节点上。可以在稳态或瞬态分析的第一个子步对所有节点施加初始温度而非约束。它也可以在非线性

2、分析中用于估计随温度变化材料特性的初值。 热流率 是集中节点载荷。正的热流率表示热量流入模型。热流率同样可以施加在关键点上。此载荷通常用于不能施加对流和热通量的情况下。施加该载荷到热传导率相差很大的区域上时应注意。,March 30, 2002,热载荷和边界条件的类型,对流 施加在模型外表面上的面载荷，模拟模型表面与周围流体之间的热量交换。 热通量(热流密度) 同样是面载荷。当通过面的热流率已知的情况下使用。正的热流密度值表示热量流入模型。 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。,March 30, 2002,热载荷和边界条件的类型,ANSYS 热载荷分为四大类

3、: 1. DOF 约束 - 指定的 DOF (温度) 数值 2. 集中载荷 - 施加在点上的集中载荷(热流) 3. 面载荷 - 在面上的分布载荷(对流、热流密度) 4. 体载荷 - 体积或场载荷（热生成）,March 30, 2002,热载荷和边界条件的类型,March 30, 2002,热载荷和边界条件的类型,热载荷和边界条件注意事项 在 ANSYS中, 没有施加载荷的边界作为完全绝热处理。 通过施加绝热边界条件（缺省条件）得到对称边界条件。 如果模型某一区域的温度已知，就可以固定为该数值。 反作用热流率只在固定了温度自由度时才具有。,March 30, 2002,热分析模板,建立模型 指定

4、分析名称和工作文件名。 如果需要，记录单位制。 进入前处理器 定义单元类型，检查单元关键选项。 如果需要，定义实常数。 定义材料特性。 生成或导入几何模型。 划分网格。,March 30, 2002,热分析模板,求解器 定义分析类型，检查分析选项。 施加载荷和边界条件。 指定载荷步选项。 进行求解。,March 30, 2002,热分析模板,查看结果 进入通用处理器和/或时间历程后处理器。 使用列表, 绘图 等查看结果。 查看误差估计。 验证求解。,March 30, 2002,GUI 和 ANSYS 命令,ANSYS 是命令驱动程序。 ANSYS 命令可以手工输入，或用GUI(Graphic

5、al User Interface)输入或两种方法混用。 GUI提供了一种和ANSYS程序交流的简单方法。 GUI根据用户操作自动生成ANSYS命令。,所有使用的命令可以在jobname.log 文件中看到。,March 30, 2002,GUI 和 ANSYS 命令,查看ANSYS输出窗口以查看命令执行情况和输出文本。,March 30, 2002,稳态热传导分析实例,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 一个带有矩形翅片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，翅片的顶端通过热流密度释放热量。,本例题的ANSYS命令流文件

6、在附录B中,March 30, 2002,稳态热传导分析实例,例题描述: 热气体的温度是600 F。内部对流换热系数是0.40BTU/hr-in2-F。 外部大气温度是100 F。外部对流换热系数为0.025BTU/hr-in2-F。 每个翅片端部热流量为-20BTU/in2 。 分析目标: 由于模型是循环对称结构，故可分析其中最小的循环部分，要求得到如下结果: 1) 温度场分布。 2) 翅片上下端面的对流热耗散。,March 30, 2002,稳态热传导分析实例,下面是截面图。,建模说明: 内部对流载荷使用表面效应单元。 使用 “在线上施加对流载荷”的方式在翅片的外表面上加对流载荷。 在翅片

7、端部施加热流密度。 假设钢管是非常长的，不考虑钢管端部的影响。 只对最小的循环部分建模。,March 30, 2002,稳态热传导分析实例,绝热对称边界,绝热对称边界,翅片端部的热流密度,对流面,对流面,简化成最小的可重复的2D几何模型。,March 30, 2002,稳态热传导分析实例,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: 钢管/翅片中的温度场分布 钢管/翅片的对流热损耗 绘出钢管/翅片面上的温度变化情况。 使用轴对称的PLANE55单元划分网格。 在钢管内表面使用带有附加节点的表面效应单元SURF151。 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。

8、,高亮度的方框中标出了例子的步骤。,March 30, 2002,建模,热分析的第一阶段包括建模和网格划分。 在本部分，我们要: 指定文件名和标题。 记录使用的单位。 进入前处理器 定义单元类型和单元关键选项。 定义实常数。 定义材料特性。 生成几何模型。 划分网格。,March 30, 2002,建模设置GUI的菜单过滤选项,使用界面选项激活GUI菜单过滤；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。,激活热分析菜单并单击 “OK”。,March 30, 2002,建模指定文件名,定义新的文件名以便与其它分析进行区分。所有文件名将为jobname.ext，

9、点取“YES”将重写文件名分别为jobname.log 和 jobname.err的命令记录文件和错误文件。,将文件名变换为 “stltube”,March 30, 2002,建模指定标题,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。,输入标题: “Example - Steel Tube with Fins” 并单击 “OK”。,March 30, 2002,使用/UNITS命令记录分析中使用的单位制。,本例中使用的单位制记为British/Inches, 缩写为 “bin”,除了电磁场分析外，在其它分析类型中，用户不需“告诉”ANSYS你所使用的单位

10、制。但是，你可以使用/UNITS命令记录你所使用的单位。一旦你决定了使用的单位制，请一直使用它。ANSYS 不提供任何单位转换。 选择的单位制将影响你的模型、材料特性、实常数和载荷的数值。 再次使用/UNITS并不完成单位制转换。,建模单位,March 30, 2002,建模单位,如要获得/UNITS命令的更多说明，请使用在线帮助。,在输入窗口输入 “help, /UNITS” 查看在线文档。,要使用帮助，在输入窗口中输入“help,xxxxx”; “xxxxx” 可以是单元类型号(如：77)、命令(如：/units)、或单元类别(如：solid)。或者，使用UtilityMenuHelp下拉

11、式菜单。,March 30, 2002,建模单位,March 30, 2002,建模,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。,稳态热传递的例子。,March 30, 2002,建模定义单元类型,定义分析中使用的单元类型。,开始定义单元类型。注意现在还没有已定义好的单元类型。请单击“Add.”开始添加。,March 30, 2002,建模定义单元类型,使用HELP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单元类型号为1。 因为GUI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PLANE55作为单元类型1, 单击“Apply”。,然

12、后选择本类别中的单元类型,先选择一个类别,March 30, 2002,建模查看并选择关键选项,关键选项 关键选项或 KEYOPTs 是与单元类型相关的选项。 查看或修改关键字选项的方法是选择下图中的“Options”:,查看PLANE55缺省的关键字选项。,March 30, 2002,建模查看并选择关键选项,使用下拉式菜单查看该单元的关键选项，并选择合适的数值。,改变单元特性设置。本例题需要轴对称特性。缺省特性为平面。,March 30, 2002,建模表面效应单元,表面效应单元 - 介绍 表面效应单元象“皮肤”一样附着在实体单元的表面，经常用来施加载荷。 表面效应单元为施加面载荷提供了更

13、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。 偏离模型表面一定距离的可选离散节点，可以用来代表周围流体介质的温度。该“附加”节点同样对结果评估带来方便。,March 30, 2002,建模表面效应单元,表面效应单元 - 介绍 表面效应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，用表面效应单元来处理就很方便; 关键选项的不同设置使得结果评估也不相同。,注：表面效应单元在第7章中还有更详细的解释。,March 30, 2002,建模表面效应单元,表面效应单元和对流 对流载荷可以直接施加到表面效应单元、实体单元或几何模型实体上。 在SURF151上使用“附加节点”选项可以在“

14、附加节点”上指定节点温度，它代表周围流体介质的温度。,注: 本例题实际上并不需要 使用表面效应单元，因为每个平面上只有均匀的对流(Hf和Tb为已知)。但是，在管的内径施加表面效应单元将使得我们在后处理中更方便地得到对流引起的热能耗散数值。,March 30, 2002,建模定义单元类型,注意，第二个定义的单元自动定义为单元类型2。,定义热表面效应单元SURF151。这是本例中的第二种单元类型。,March 30, 2002,建模查看并选择关键选项,查看SURF151单元的缺省关键选项，选择TYPE 2并单击 “Options”。,March 30, 2002,建模查看并选择关键选项,将单元选项

15、从平面变为轴对称；注意要改变K4（移走中间节点）和K5（对流计算中包含附加节点）； 改变K8，将在面效应单元上施加的荷载定为对流； 结束后单击“Close” 。,March 30, 2002,建模定义并检查实常数,实常数 实常数用来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常数。 有些单元类型只有在选择了某些关键选项时才需要实常数。 使用ANSYS在线帮助得到更多的关于实常数的说明。 第一个定义的实常数缺省指定为 实常数号1。,March 30, 2002,建模定义并检查实常数,检查需要的实常数。注意现在还没有定义任何实常数。单击“Add.”开始。,March 30, 2002,建

16、模定义并检查实常数,定义实常数: 首先选中要定义实常数的单元类型 然后，在对话框中输入相应的数字以定义实常数。,例题中的单元类型都不需要实常数。,注：如果有热生成载荷(HGEN)施加到表面效应单元上时，必须指定厚度。,March 30, 2002,建模定义并查看材料特性,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“k”：KXX和可选的KYY、KZZ。 如果用户不定义，KYY和KZZ缺省等于KXX。 密度(DENS)和比热(C)或热焓(ENTH)，在没有质量传递的稳态热分析中不需要。 随温度变化的材料导热系数k, 使得热分析为非线性。 与温度有关的换热系数也被处

17、理为材料特性。,March 30, 2002,建模定义并查看材料特性,在ANSYS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。 从ANSYS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。,March 30, 2002,建模定义并查看材料特性,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。,March 30, 2002,建模定义并查看材料特性,要手工输入材料特性，首先选择Material Models菜单，并双击树状结构以获得该分析所需的材料行为方式(Thermal, Conductivity, Isot

18、ropic) .,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1。,March 30, 2002,建模定义并查看材料特性,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分析，只需要KXX的数值。,本例中使用钢的热传导率为 0.75 BTU/hr-in-F,March 30, 2002,建模随温度变化的材料特性,对于随温度变化的材料特性，点取Add Temperature按钮以定义多个所需的温度值.,只是举例，不要使用这些数据。,March 30, 2002,建模随温度变化的材料特性,然后，点击“Graph”按钮，可画出材料特性随温度变化的图形。,只是举例，不要使用

19、 这些数值。,March 30, 2002,建模使用随温度变化的材料特性,ANSYS如何使用这些数据? 随温度变化的材料特性在每个单元中只计算一次。在单元体内材料特性假设为均匀的。 对于给定的单元，其温度为:,March 30, 2002,建模列出材料特性,可以选择下列菜单列出材料特性.,与温度相关的材料属性也可列出,March 30, 2002,建模删除材料特性,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:,March 30, 2002,建模使用输入的几何模型,几何模型可以从多种CAD程序的部件文件或标准数据交换格式文件输入到ANSYS。使用 FileImport 菜单选项:,注

20、: 下面的对话框是选择了IGES格式后弹出的。,March 30, 2002,建模生成几何模型,几何模型可以在ANSYS中生成。在这里我们使用基本图素来生成例题中的模型。,使用图素生成两个面，并如例题中所示输入尺寸。,March 30, 2002,建模生成几何模型,输入矩形角点坐标。ANSYS将生成该矩形和与之相联系的线和关键点。 选择“Apply”使对话框保持打开。选择“OK”关闭对话框。,March 30, 2002,建模生成几何模型,图示面。 ANSYS在生成两个矩形后会自动生成右面的图形。图形会自动缩放到当前的图形窗口中。,March 30, 2002,建模生成几何模型,布尔操作如相交

21、、相加、相减、分割、叠分、和分离等都能够用于对几何模型进行操作。,使用 Booleans OverlapAreas命令 以生成需要的几何模型。,March 30, 2002,建模生成几何模型,“Pick All” 选择了两个面进行叠分 操作并执行该命令。,March 30, 2002,建模生成几何模型,使用PlotControlsNumbering 命令打开面号。同时显示颜色和号码 (/NUM)。,要清楚地看到每个实体，打开Utility Menu中的号码控制。,March 30, 2002,建模生成几何模型,在叠分运算完成后图示面，面号选项打开，号码和颜色都显示。,March 30, 200

22、2,建模布尔操作的总体说明,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“空”。也就是说，它将会被重新赋给布尔操作新生成的实体，从最小可用号码开始。 对面进行叠分操作时，在原来面的重合区域将生成一个新的面。然后，其他新的面将通过在原来面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。 要复习布尔操作的步骤，请参看如下文档： ANSYS 在线帮助 ANSYS 建模和分网手册,March 30, 2002,建模定义属性,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: 材料特性 单元类型 实常数 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

23、号。,March 30, 2002,建模定义属性,单元属性(续) 单元属性可以使用AttributesDefine或使用MeshTool指定。 MeshTool更方便，因为网格控制等后续的工作在MeshTool中同样可以设置。 当使用多个单元类型、材料或实常数时，应保证各特性与模型特定区域的对应关系。 单元属性可以列表和图示以方便检查模型。 属性可以进行全局设置，也可在划分网格之前设置给特定的体、面、线和关键点。,March 30, 2002,建模定义属性,使用MeshTool定义属性:,选择要设置属性的实体类型。,March 30, 2002,建模定义模型属性,设置属性时，使用下拉式菜单查看

24、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，材料和实常数。,注：ESYS主要用于各向异性材料的定义。,March 30, 2002,建模设置网格控制,网格划分需要如下的步骤： 1) 设置单元属性。 (单元类型、实常数、材料特性) 2) 设置网格控制。 设置控制网格大小(网格密度)和网格形状的选项。 3) 存储数据库(可选)。 4) 生成网格。,March 30, 2002,建模设置网格控制,ANSYS网格划分(续): 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。 单元大小由ANSYS自动确定（基本可以满足普通的计算精度要求）。 单元类

25、型将根据几何结构和所定义单元类型的维数来确定，缺省为单元类型1 单元属性将缺省为：材料1、实常数1。 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的解释。,缺省状态下，网格属性设置为单元类型1、材料1和实常数1，因此在例题中不需要重新定义。,March 30, 2002,建模设置网格控制,下一步是设置划分网格的大小（网格密度）。全局尺寸控制常用于生成大小均匀的网格。,例题中全局单元边长设置为0.06。,March 30, 2002,建模划分模型,使用MeshTool, 指定: 1) Mesh: areas 2) Shape: quad 3) Mesher: mapped; 3

26、 or 4 sided 4) 在选择菜单中选择 “Pick All” 5) 关闭MeshTool,March 30, 2002,建模划分模型,得到的单元图示如下。,March 30, 2002,建模划分模型,继续划分网格; 生成表面效应单元 生成表面效应单元中的注意事项: 在生成表面效应单元之前，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 2, SURF151。 生成“附加节点” ( KEYOPT5)。 表面效应单元将使用面上现有的节点生成，并且参考“附加节点”。,March 30, 2002,建模划分模型,定义划分网格的属性使用菜单AttributesDefine如下:,单元类型

27、号设置为: 2 SURF151,March 30, 2002,建模划分模型,图示节点 注: 由于使用现有的节点定义表面效应单元，将图形转换到节点图可以方便选取需要的节点。,March 30, 2002,建模划分模型,生成定义SURF151单元所需要的 “附加节点” 。 注: 使用直接生成来生成附加节点。当前坐标系是全局笛卡尔坐标系。,March 30, 2002,建模划分模型,注: 在此选择节点号1000, 比其它任意节点号都大，以使得“附加” 节点容易辨认。如果该域空白，则下一个可以使用的节点号码将赋值给新的节点。,注: “附加” 节点的位置是可选的，这里是x=1.0, y=2.5。,Mar

28、ch 30, 2002,建模划分模型,节点图将自动更新以包括新的节点。使用Box Zoom 或其他 Zoom 命令查看需要看清的部分。,March 30, 2002,建模划分模型,现在已经准备好生成表面效应单元。,生成表面效应单元,March 30, 2002,建模划分模型,使用Box选择选项只选择管内部的节点生成表面效应单元。,March 30, 2002,建模划分模型,检查所有9个节点是否全部选中; 单击“Apply”,March 30, 2002,建模划分模型,使用鼠标拾取附加节点，或在输入窗口中输入1000。然后，单击“OK”。,March 30, 2002,建模用绘图方法检查属性,可

29、以打开Numbering Controls用绘图方法检查属性。 只需要打开特定实体的on/off开关并选择使用哪种方式。,要检查单元类型是否被正确指定，只要打开基于单元类型号的号码显示即可。,March 30, 2002,建模用绘图方法检查属性,在本例中，用绘图方法检查单元类型是否正确指定。 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，就无法得到单元类型 2, SURF151单元。,March 30, 2002,建模用绘图方法检查属性,在此，切换到向量模式将生成单元的边框图。,March 30, 2002,建模用绘图方法检查属性,单元以向量方式绘制，单元类型用颜色和号码打开来区

30、别。,使用命令 /SHOW 重新设置绘图选项。,March 30, 2002,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。 在本步中，我们要: 定义分析类型，检查分析选项 施加载荷和边界条件 进行求解,March 30, 2002,求解过程定义分析类型,指定这是一个新的分析，类型为稳态分析(这是缺省值)。,March 30, 2002,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器。 其它分析选项，比如，在非线性辐射问题中需要的Newton-Raphson选项和温度偏移设置等，将在后面的章节中讨论。,注: 在ANSYS 5.5及以上版本中中，当求解

31、控制打开时，缺省求解器为稀疏矩阵求解器,求解过程定义分析选项,March 30, 2002,求解过程定义分析选项,改变到迭代求解器求解大的3-D模型。,检查温度偏移; 通常在辐射问题中需要。,March 30, 2002,求解过程定义分析选项,求解器 下列求解器可以选择*: 波前求解器(缺省) 雅可比共轭梯度求解器(JCG) JCG 外存求解器 不完全的Cholesky共轭梯度求解器(ICCG) 预条件共轭梯度求解器(PCG) PCG 外存求解器 迭代 (快速求解;自动选择求解器),* 假设没有具有热效应的质量传输,March 30, 2002,求解过程定义分析选项,迭代（快速求解）选项 快速

32、求解选项可以用于除了以下情况的任意线性，非线性，稳态或瞬态热分析： 不能用于辐射计算。 不推荐用于带相变的热传递问题。,注: 本选项不生成jobname.emat和jobname.erot文件，从而节约机时和硬盘空间。在使用快速求解选项时不能进行重启动分析。,March 30, 2002,求解过程定义分析选项,使用快速求解选项时，必须指定精度级别。,March 30, 2002,求解过程定义分析选项,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： 有辐射效果，并

33、且使用了F 或C。 使用了随温度变化的热生成率(MASS71)。,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460度。,March 30, 2002,求解过程施加热载荷和边界条件,几何模型载荷和有限元模型载荷 热载荷可以施加到几何模型和/或有限元模型上。 几何模型载荷独立于网格划分，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。 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节点上，而不是只施加到线段的端点上。 在同一区域内，几何模型载荷比有限元模型载荷优先施加。,March 30, 2002,求解过程施加热载荷和边界条件,常值

34、和表格输入 当使用表格数组参数来定义载荷时，同样使用相应的命令和菜单选项。但是，指定的不是某个特定载荷的实际数值，而是表格数组的名字。 新表格可以在交互施加载荷时选择 “new table” 选项。一系列的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。 表格输入的其它细节可以参考第6章。,March 30, 2002,求解过程施加热载荷和边界条件,节点温度设置 温度约束 (DOF 约束) 指定于模型中已知温度的部分。 指定到几何模型（关键点、线、面）的温度在求解之前将转换到节点上。,March 30, 2002,求解过程施加热载荷和边界条件,注: 当GUI过滤设置到热分析

35、时，只有热载荷出现在 “Apply” 菜单里。,节点温度指定 温度约束 (DOF 约束) 指定于模型中已知温度的部分。,March 30, 2002,求解过程施加热载荷和边界条件,均匀初始温度 使用说明: 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: 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。,注: 第4、5章详细讨论了初始条件和均匀初始温度的细节。,March 30, 2002,求解过程施加热载荷和边界条件,节点热流率 热流率代表节点上单位时间内流过的热流。 正的热流表示热能流入模型。 热流率主要用于不能施加热流密度和对流

36、载荷的线单元 (传导杆件，对流单元等) 。 如果节点上既有温度又有热流率，温度约束优先。 热流可以施加在关键点上。 热流作为集中载荷处理。,March 30, 2002,求解过程施加热载荷和边界条件,节点热流率,March 30, 2002,求解过程施加热载荷和边界条件,热流密度 热流密度是面载荷，代表通过平面上的均布热流（单位平面上的热量）。 正的热流密度表示能量流入模型。 热流密度载荷只能用于体、壳和表面效应单元。 如果相同实体上既有热流密度又有对流载荷，则最后施加的载荷被使用。 注： 要在相同区域同时施加热流密度和对流，就要使用表面效应单元。(见表面效应单元说明)。,March 30,

37、2002,求解过程施加热载荷和边界条件,热流密度,热流密度施加在例题的叶片顶端；作为线上的实体模型载荷施加。,March 30, 2002,求解过程施加热载荷和边界条件,施加在翅片端部的热流密度。,March 30, 2002,求解过程施加热载荷和边界条件,负值表示热量从模型中流出。,March 30, 2002,求解过程施加热载荷和边界条件,图示载荷和边界条件的说明: 在 Utility MenuPlot ControlsSymbols菜单中, 施加的边界条件、反力和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。特别注意: 节点载荷标记可以显示 几种面载荷可以使用箭头或平面

38、轮廓线显示 体载荷可以图形显示,March 30, 2002,求解过程施加热载荷和边界条件,打开面载荷标记。选择热流密度，在施加区域以箭头方式显示。,March 30, 2002,求解过程施加热载荷和边界条件,显示标记、数值和载荷位置。,March 30, 2002,求解过程施加热载荷和边界条件,对流 对流是面载荷，表示热量从周围流体介质传入或传出。 在定义对流时要输入换热系数和流体介质温度（环境温度）。 对流载荷只适用于体、壳和表面效应单元。 如果同样的模型区域既有对流又有热流密度，则最后施加的载荷被使用。 注: 要在相同区域同时使用对流和热流密度，就要使用表面效应单元。(参考第 2 和第

39、7 章中对表面效应单元的讨论) 对流载荷可以通过表格施加。,March 30, 2002,随温度变化的换热系数 换热系数 (HF)可以是随温度变化的。 在ANSYS中它们作为随温度变化的材料特性处理。 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应的换热系数。 施加对流载荷时，在加载命令的HF数值域使用-n ，其中n是定义随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。,求解过程施加热载荷和边界条件,March 30, 2002,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。,求解过程施加热载荷和边界条件,March 30, 20

40、02,选择施加对流的两条线，并点击 “Apply”。,求解过程施加热载荷和边界条件,March 30, 2002,例题中的换热系数和介质温度。输入如图数值，并点击 “OK” 关闭对话框。,如果使用随温度变化的对流载荷，在此处输入-n,求解过程施加热载荷和边界条件,March 30, 2002,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，对流或热流密度(不是全部)都可以在图上显示，因为对于这两种载荷，ANSYS使用同样的图形标记。,求解过程施加热载荷和边界条件,March 30, 2002,在管道内径表面效应单元上施加对流载荷。 注: 由于这些单元覆盖在PLANE55单元上，如果

41、将表面效应单元从模型中分离出来，在施加载荷时会容易一些。使用选择技术选出所有2号单元，然后点击 “OK”。,求解过程施加热载荷和边界条件,March 30, 2002,列示单元可以检查是否所有的表面效应单元（类型2）都被选中。,求解过程施加热载荷和边界条件,March 30, 2002,求解过程表面效应单元的注意事项,选择需要加载的SURF151单元； Apply - convection - uniform - on elements（见下页） 不要在实体线上施加对流： SURF151单元与实体模型（线）无对应关系 如果在实体线上施加对流，则这些对流载荷将转换到与之相连的实体单元上（ PLA

42、NE55单元） 不要在节点上施加对流： SURF151单元和下面的实体单元都与表面上的节点相关； 这样将施加2倍的对流载荷！,March 30, 2002,对流可以施加在线、面、节点和单元上。,现在我们将均匀对流载荷直接施加在表面效应单元上。,求解过程施加热载荷和边界条件,March 30, 2002,“Pick All” 在当前选择了的所有单元上施加载荷。,求解过程施加热载荷和边界条件,March 30, 2002,输入管内部的换热系数，然后点击 “OK”。 注: 环境温度保持空白，环境流体温度将在附加节点上作为温度约束指定。,求解过程施加热载荷和边界条件,March 30, 2002,在附

43、加节点上施加温度约束为600 F, 也就是环境流体温度。,求解过程施加热载荷和边界条件,March 30, 2002,使用节点 1000。,求解过程施加热载荷和边界条件,March 30, 2002,输入 600。,求解过程施加热载荷和边界条件,March 30, 2002,记住：在求解前要选择所有实体。,选择所有实体进行分析。,求解过程施加热载荷和边界条件,March 30, 2002,改变面载荷标记，显示对流换热系数。检查所加载荷。,求解过程施加热载荷和边界条件,March 30, 2002,图示单元。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，在表面效

44、应单元上施加的对流载荷。,求解过程施加热载荷和边界条件,March 30, 2002,热生成 热生成率是体载荷，代表单元内生成的热（单位体积的热流率）。 热生成率可以施加在实体模型和有限元单元上。载荷将转换为单元载荷。 均匀热生成率可以用一个命令(BFUNIF)施加在模型中所有节点上。 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。 在使用前复习这些命令的使用方法。,求解过程施加热载荷和边界条件,March 30, 2002,使用合适的菜单施加热生成。 这里显示在面上施加热生成的方式。,求解过程施加热载荷和边界条件,March 30, 2002,在进行求解

45、时(SOLVE命令 ) ，实体模型上的热载荷和边界条件将自动传递到有限元模型上。 实体模型上的热载荷和边界条件也可以进行手工传递，既可以根据载荷类别进行传递，也可以一次传递所有的实体模型载荷。例如，可以选择下列方式进行手工传递: 只传递 DOF 约束 (温度) 只传递集中载荷(热流率) 只传递面载荷 (对流/热流密度) 只传递体载荷 ( 热生成) 所有的实体模型载荷 手工传递的目的一般是为了进行模型检查.,求解过程施加热载荷和边界条件,March 30, 2002,注意将实体载荷传递给有限元模型的选项。选中的选项传递所有实体模型载荷。,载荷也可以根据载荷类别传递。,求解过程传递实体模型载荷和边

46、界条件,March 30, 2002,求解过程删除热载荷和边界条件,可以使用下列菜单删除载荷:,用于删除整个模型上某种类型的载荷。,用于删除特定体素上的载荷。,用与施加载荷相同的方式删除载荷 ( 例如线上的热流密度)。,March 30, 2002,求解过程列表显出热载荷和边界条件,载荷可以使用下列菜单列出。,这里，列表显示了例题中作用在管和翅片外表面所有线上的对流和热流密度载荷。 注: 回忆一下第二个对流载荷，在管的内部，是施加在表面效应单元上，因此不在这个列表中显示。,March 30, 2002,求解过程准备求解,在定义好所有载荷和载荷选项后，求解过程的最后一步就是开始求解。 求解之前存

47、储数据库。 要查看ANSYS求解过程和程序信息，将ANSYS输出窗口在求解时放在前面。,March 30, 2002,求解过程求解单个载荷步,要求解单个载荷步: 使用菜单 SolveCurrent LS 检查状态窗口中求解和载荷步选项是否正确。 如果可以开始求解，点击 “OK” 开始求解过程。,使用 SolveCurrent LS 开始求解。,March 30, 2002,求解过程求解单个载荷步,查看状态窗口，点击 “OK” 开始求解。,March 30, 2002,求解过程载荷步,载荷步 是一系列边界条件和载荷选项，至少需要进行一次求解。 ANSYS 分析可以包括: 一个单独载荷步 或 多个

48、载荷步。 我们将讨论定义和求解多个载荷步的两种方法: 多重求解 方法 载荷步文件 方法,March 30, 2002,求解过程多重求解方法,最容易理解的方法 缺点 - 使用GUI时必须等到一步求解结束才能开始定义下一载荷步。,使用多重求解方法: 1. 指定第一个载荷步的分析控制、载荷和选项。 2.进行求解 (见前面) ，如需要进行后处理。 3.按需要改变标题和下一步求解使用的载荷。 4.如果在上一载荷步求解完成后离开了求解器 (如做了后处理)，则指定RESTART可以避免新的分析覆盖前面的结果文件。 5.求解和后处理。 6.重复步骤 3, 4, 和 5 直到所有载荷步完成。,March 30,

49、 2002,求解过程载荷步文件方法,对于GUI用户，使用载荷步文件方法求解多载荷步很方便。 需要将载荷和选项写入载荷步文件且使用一个命令读入每个文件并求解。,使用载荷步文件的方法: 1. 指定第一载荷步的分析控制、载荷和选项，改变标题。 2.写载荷步文件。 3.根据需要改变下一个载荷步中的载荷和选项，改变标题。 4.写下一个载荷步文件。 5.对于剩余的载荷步重复步骤 3和4 。 6. 从载荷步文件求解。 7. 后处理,注: 如果求解控制是打开的，LSWRITE 文件可能需要编辑。,March 30, 2002,求解过程求解中生成的文件,对于线性，静态单载荷步分析，缺省情况下在求解执行时写出热结

50、果文件jobname.rth ，结果同时存储在数据库内存中。 缺省情况下，ANSYS只存储载荷步的最后结果。使用Output Controls 可以控制写出其它子步的结果。 如果需要jobname.out 文件 (ASCII) ，也可以写出。,March 30, 2002,后处理：查看结果,求解完成后，开始后处理查看结果。 结果可以使用 通用后处理器 (POST1)和/或 时间历程后处理器(POST26)查看。,POST1,POST26,March 30, 2002,后处理: 查看结果通用后处理器 (POST1),通用后处理器, POST1, 用于查看整个模型或选中的体素在特定载荷步或子步的结

51、果。 对于单载荷步、单子步的分析，使用POST1 。 POST1 的常用输出包括: 云图显示 向量显示 结果列表显示 误差估计 载荷工况组合 结果数据计算 路径操作,March 30, 2002,后处理: 查看结果时间历程后处理器(POST26),时间历程后处理器, POST26, 用于查看模型特殊点在多个时间步中结果随时间的变化。 时间历程后处理器用于: 生成结果随时间变化的曲线。 生成结果随时间变化的列表。 数据表格操作。 关于 POST26的更多细节可参考第5章瞬态分析。,March 30, 2002,后处理: 查看结果后处理 101 - 基础,jobname.rth 文件中存储了哪些信

52、息? 基本数据项 节点温度 (TEMP) 节点的反力热流率 (HEAT) 导出数据项 热流密度(TFX, TFY, TFZ) 温度梯度(TGX, TGY, TGZ) 特殊数据项 单元表格项 求解摘要项 其它,March 30, 2002,后处理: 查看结果后处理 101 - 基础,绘制结果云图时，可以选择节点 或单元 数据: 节点DOF 结果 是求得的节点温度数值。温度云图在单元边界上是连续的。 单元梯度/热流密度结果 是由温度求解(如热流的x分量)导出的项。这些数据先由单元积分点计算并在单元节点上插值。由于这些数据是基于单元计算的，没有在公共节点上平均，这些项目的云图通常是不连续的。 节点梯

53、度/热流结果 是在公共节点平均的单元项。因为在每个节点上只有一个平均值 (象节点DOF解), 节点数值的云图显示是连续的。,March 30, 2002,后处理: 查看结果后处理 101 - 基础,在 jobname.rth 文件中得到载荷步的求解摘要:,进入通用后处理器查看例题的摘要。使用 结果摘要列出结果文件中的载荷步和标题的求解摘要。,对于非线性或瞬态分析，可能有多个求解可用于查看。,March 30, 2002,后处理: 查看结果后处理 101 - 基本操作,云图可以基于节点解或单元解显示各种结果或其分量。,March 30, 2002,后处理: 查看结果后处理 101 - 基本操作,

54、画温度,画节点解，温度,March 30, 2002,后处理: 查看结果后处理 101 - 基本操作,温度云图,注: 本图显示了所有体素，包括附加节点。,March 30, 2002,后处理: 查看结果后处理 101 - 基本操作,画温度云图,生成温度云图 选择所有1号单元(PLANE55) 进行后处理 选择单元下的所有体素,March 30, 2002,后处理: 查看结果后处理 101 - 基本操作,注意温度比例已经重新设置。,March 30, 2002,后处理: 查看结果后处理 101 - 基本操作,绘制TFSUM, 热流密度幅值。,画热流密度,March 30, 2002,后处理: 查

55、看结果后处理 101 - 基本操作,注: 由于模型的不连续性，角部区域的热流密度和梯度结果不准确（存在奇异） 。,March 30, 2002,后处理: 查看结果后处理 101 - 基本操作,画TGSUM, 温度梯度幅值。注意分量选项也可以使用。,March 30, 2002,后处理: 查看结果后处理 101 - 基本操作,注:由于模型的不连续性，角部区域的热流密度和梯度结果不准确（存在奇异） 。,March 30, 2002,后处理: 查看结果后处理 101 - 基本操作,单元解(未平均) 同样可以绘制。画TFSUM - 未平均数值。,March 30, 2002,后处理: 查看结果后处理

56、101 - 基本操作,注意单元解的云图与节点解云图相比不光滑。这是一种估计网格划分误差的方法。(见第2章)。,注:由于模型的不连续性，角部区域的热流密度和梯度结果不准确（存在奇异） 。,March 30, 2002,后处理: 查看结果后处理 101 - 基本操作,画TGSUM, 未平均。,March 30, 2002,后处理: 查看结果后处理 101 - 基本操作,注意单元解的云图与节点解云图相比不光滑。这是一种估计网格划分误差的方法。(见第2章)。,注:由于模型的不连续性，角部区域的热流密度和梯度结果不准确（存在奇异） 。,March 30, 2002,后处理: 查看结果后处理 101 -

57、基本操作,温度梯度的向量绘制,预定义的向量绘制包括热流密度向量和温度梯度向量。,March 30, 2002,后处理: 查看结果后处理 101 - 基本操作,注:由于模型的不连续性，角部区域的热流密度和梯度结果不准确（存在奇异）。,March 30, 2002,后处理: 查看结果后处理 101 - 基本操作,生成热流密度的向量绘图,热流密度,March 30, 2002,后处理: 查看结果后处理 101 - 基本操作,注:由于模型的不连续性，角部区域的热流密度和梯度结果不准确（存在奇异） 。,March 30, 2002,后处理: 查看结果后处理 101 - 基本操作,对于外表面，由于我们没有

58、使用表面效应单元，因此要使用单元表。 包括以下步骤: 选择单元 (PLANE55实 体单元) 建立单元表，每项存放的是选定的单元每个单元面上的对流热流率。(PLANE55有四个面，因此要做四次)。 将单元表相加得到总值。,下面，我们使用两种不同的方法检查结果。首先，我们得到从管/翅片外表面流入周围流体的热量损失。然后我们检查从内部管面流入的热。这些数值应该是相等的。,March 30, 2002,后处理: 查看结果后处理 101 - 基本操作,要得到内部表面上表面效应单元的类似结果，只需要一个步骤 : 列出附加节点的反力结果。,March 30, 2002,后处理: 查看结果后处理 101 -

59、 基本操作,单元表 - 简介 在ANSYS中, 单元表格主要有两个功能： 首先，它提供结果数据间的算术运算。 其次，可以得到不能直接得到的单元结果数据。 单元表可以看作表格，每行代表特定的单元，每列包括该单元的一个特定数据项。 对于一些单元，ETABLE是得到结果数据的唯一方式(比如：COMBIN, LINK, 等单元)。,March 30, 2002,后处理: 查看结果后处理 101 - 基本操作,查看PLANE55单元帮助得到ETABLE项目列表。记住热流率项只用于对流。 注: FC1 表示单元面 1, FC2 表示面 2等。所有PLANE55单元的所有面上的数据必须收集起来。,March 30, 2002,后处理: 查看结果后处理 101 - 基本操作,开始定义单元表，收集所需数据。,March 30, 2002,后处理: 查看结果后处理 101