ANSYS热分析详解.doc

1、No Boundaries ANSYS热 分 析 指 南第一章 简 介一、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 ， 如 热 量 的 获 取 或损 失 、 热 梯 度 、 热 流 密 度 （ 热 通 量 等 。热 分 析 在 许 多 工 程 应 用 中 扮 演 重 要 角 色 ， 如 内 燃 机 、 涡 轮 机 、 换 热 器 、 管 路 系 统 、电 子 元 件 等 。二、ANSYS的热分析 在ANSYS/Multiphysics、 ANSYS/Mechanical、 ANSYS/Thermal、 ANSYS/F

2、LOTRAN、 ANSYS/ED 五 种 产 品 中 包 含 热 分 析 功 能 ,其 中 ANSYS/FLOTRAN不 含 相 变 热 分 析 。 ANSYS 热 分 析 基 于 能 量 守 恒 原 理 的 热 平 衡 方 程 ， 用 有 限 元 法 计 算 各 节 点 的 温度 ， 并 导 出 其 它 热 物 理 参 数 。 ANSYS 热 分 析 包 括 热 传 导 、 热 对 流 及 热 辐 射 三 种 热 传 递 方 式 。 此 外 ， 还 可以 分 析 相 变 、 有 内 热 源 、 接 触 热 阻 等 问 题 。三、ANSYS 热分析分类 稳 态 传 热 ： 系 统 的 温 度

3、场 不 随 时 间 变 化 瞬 态 传 热 ： 系 统 的 温 度 场 随 时 间 明 显 变 化四、耦合分析 热 结 构 耦 合 热 流 体 耦 合 热 电 耦 合 热 磁 耦 合 热 电 磁 结 构 耦 合 等No Boundaries ANSYS热 分 析 指 南第二章 基础知识一、符号与单位项 目 国 际 单 位 英 制 单 位 ANSYS 代 号长 度 m ft时 间 s s质 量 Kg lbm温 度 oF力 N lbf能 量 （ 热 量 ） J BTU功 率 （ 热 流 率 ） W BTU/sec热 流 密 度 W/m2 BTU/sec-ft2生 热 速 率 W/m3 BTU/se

4、c-ft3导 热 系 数 W/m- BTU/sec-ft-oF KXX对 流 系 数 W/m2- BTU/sec-ft2-oF HF密 度 Kg/m3 lbm/ft3 DENS比 热 J/Kg- BTU/lbm-oF C焓 J/m3 BTU/ft3 ENTH二、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 PEKUWQ式 中 : Q 热 量 ;W 作 功 ;系 统 内 能 ;系 统 动 能 ；KE系 统 势 能 ；P 对 于 大 多 数 工 程 传 热 问 题

5、 ： ；0PEK 通 常 考 虑 没 有 做 功 ： , 则 ： ；0UQ 对 于 稳 态 热 分 析 ： ， 即 流 入 系 统 的 热 量 等 于 流 出 的 热 量 ； 对 于 瞬 态 热 分 析 ： ， 即 流 入 或 流 出 的 热 传 递 速 率 q 等 于 系 统 内 能 的 变 化 。dtq三、热传递的方式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No Boundaries ANSYS热 分 析 指 南梯 度 而 引 起 的 内 能 的 交 换 。 热 传 导 遵 循 付

6、里 叶 定 律 ： ， 式 中 为 热 流dxTkqq密 度 （ W/m2） ， 为 导 热 系 数 （ W/m- ） ， “-”表 示 热 量 流 向 温 度 降 低 的 方 向 。k2、热对流热 对 流 是 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 ）

7、，)(BSThq为 固 体 表 面 的 温 度 ， 为 周 围 流 体 的 温 度 。B3、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

8、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 度 ） ， 为 斯 蒂 芬 波 尔qAFT1242()q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F12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T2可 以 看 出 ， 包 含 热 辐 射 的 热 分 析 是 高 度 非 线 性

9、 的 。四、稳态传热如果系统的净热流率为，即流入系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，则系统处于热稳态。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）KTQ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 ；K为 节 点 温 度 向 量 ；T为 节 点 热 流 率 向 量 ， 包 含 热 生 成 ；QANSYS 利 用 模 型 几 何 参 数 、 材 料 热 性 能 参 数 以 及 所 施 加 的 边 界 条 件 ， 生 成 、K以 及

10、 。五、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）： CTKQ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 ；K为 比 热 矩 阵 ,考 虑 系 统 内 能 的 增 加 ;CNo Boundaries ANSYS热 分 析 指 南为 节 点 温 度 向 量 ；T为 温 度 对 时 间 的 导 数 ;为 节 点 热 流 率 向 量 ， 包 含 热 生 成 。Q六、线性与非线性如 果 有 下

11、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 ；4、 考 虑 辐 射 传 热非 线 性 热 分 析 的 热 平 衡 矩 阵 方 程 为 ：CTKTQ七、边界条件、初始条件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 。八、热分析误差估计 仅 用 于 评 估 由 于 网 格 密 度

12、 不 够 带 来 的 误 差 ； 仅 适 用 于 SOLID 或 SHELL 的 热 单 元 （ 只 有 温 度 一 个 自 由 度 ） ； 基 于 单 元 边 界 的 热 流 密 度 的 不 连 续 ； 仅 对 一 种 材 料 、 线 性 、 稳 态 热 分 析 有 效 ； 使 用 自 适 应 网 格 划 分 可 以 对 误 差 进 行 控 制 。No Boundaries ANSYS热 分 析 指 南第三章 稳态传热分析一、稳态传热的定义稳 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

13、稳 态 热 分 析 用 于 确 定 初 始 温 度 分 布 。稳 态 热 分 析 可 以 通 过 有 限 元 计 算 确 定 由 于 稳 定 的 热 载 荷 引 起 的 温 度 、 热 梯 度 、 热流 率 、 热 流 密 度 等 参 数二、热分析的单元热 分 析 涉 及 到 的 单 元 有 大 约 40 种 ， 其 中 纯 粹 用 于 热 分 析 的 有 14 种 ：线 性 ： LINK32 两 维 二 节 点 热 传 导 单 元LINK33 三 维 二 节 点 热 传 导 单 元LINK34 二 节 点 热 对 流 单 元LINK31 二 节 点 热 辐 射 单 元二 维 实 体 ： PL

14、ANE55 四 节 点 四 边 形 单 元PLANE77 八 节 点 四 边 形 单 元PLANE35 三 节 点 三 角 形 单 元PLANE75 四 节 点 轴 对 称 单 元PLANE78 八 节 点 轴 对 称 单 元三 维 实 体 SOLID87 六 节 点 四 面 体 单 元SOLID70 八 节 点 六 面 体 单 元SOLID90 二 十 节 点 六 面 体 单 元壳 SHELL57 四 节 点点 MASS71有 关 单 元 的 详 细 解 释 ， 请 参 阅 ANSYS Element Reference Guide三、ANSYS稳态热分析的基本过程ANSYS 热 分 析 可

15、 分 为 三 个 步 骤 ： 前 处 理 ： 建 模 求 解 ： 施 加 载 荷 计 算 后 处 理 ： 查 看 结 果1、建模 、 确 定 jobname、 title、 unit； 、 进 入 PREP7 前 处 理 ， 定 义 单 元 类 型 ， 设 定 单 元 选 项 ； 、 定 义 单 元 实 常 数 ； 、 定 义 材 料 热 性 能 参 数 ， 对 于 稳 态 传 热 ， 一 般 只 需 定 义 导 热 系 数 ， 它 可 以 是 恒 定 的 ，也 可 以 随 温 度 变 化 ； 、 创 建 几 何 模 型 并 划 分 网 格 ， 请 参 阅 ANSYS Modeling and

16、 Meshing Guide 。No Boundaries ANSYS热 分 析 指 南2、施加载荷计算1、 定 义 分 析 类 型 如 果 进 行 新 的 热 分 析 ：Command: ANTYPE, STATIC, NEWGUI: Main menuSolution-Analysis Type-New AnalysisSteady-state 如 果 继 续 上 一 次 分 析 ， 比 如 增 加 边 界 条 件 等 ：Command: ANTYPE, STATIC, RESTGUI: Main menuSolutionAnalysis Type-Restart2、 施 加 载 荷可 以

17、 直 接 在 实 体 模 型 或 单 元 模 型 上 施 加 五 种 载 荷 (边 界 条 件 ) ：a、 恒 定 的 温 度通 常 作 为 自 由 度 约 束 施 加 于 温 度 已 知 的 边 界 上 。Command Family: DGUI： Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-Temperatureb、 热 流 率热 流 率 作 为 节 点 集 中 载 荷 ， 主 要 用 于 线 单 元 模 型 中 (通 常 线 单 元 模 型 不 能 施 加 对流 或 热 流 密 度 载 荷 )， 如 果 输 入 的 值 为 正 ， 代 表 热 流 流 入

18、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 ANSYS 读 取 温 度 值 进 行 计 算 。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 要 密 一 些 ， 在两 种 导 热 系 数 差 别 很 大 的 两 个 单 元 的 公 共 节 点 上 施 加 热 流 率 时 ， 尤 其 要 注 意 。 此 外 ，尽 可 能 使 用 热 生 成 或 热 流 密 度 边 界 条 件 ， 这 样 结 果 会 更 精 确 些 。Command Family: F

19、GUI： Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-Heat Flowc、 对 流对 流 边 界 条 件 作 为 面 载 施 加 于 实 体 的 外 表 面 ， 计 算 与 流 体 的 热 交 换 ， 它 仅 可 施 加于 实 体 和 壳 模 型 上 ， 对 于 线 模 型 ， 可 以 通 过 对 流 线 单 元 LINK34 考 虑 对 流 。Command Family: SFGUI： Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-Convectiond、 热 流 密 度热 流 密 度 也 是 一 种 面 载 。 当 通 过

20、单 位 面 积 的 热 流 率 已 知 或 通 过 FLOTRAN CFD计 算 得 到 时 ， 可 以 在 模 型 相 应 的 外 表 面 施 加 热 流 密 度 。 如 果 输 入 的 值 为 正 ， 代 表 热 流流 入 单 元 。 热 流 密 度 也 仅 适 用 于 实 体 和 壳 单 元 。 热 流 密 度 与 对 流 可 以 施 加 在 同 一 外 表面 ， 但 ANSYS 仅 读 取 最 后 施 加 的 面 载 进 行 计 算 。Command Family: FGUI： Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-Heat Fluxe、 生 热

21、率生 热 率 作 为 体 载 施 加 于 单 元 上 ， 可 以 模 拟 化 学 反 应 生 热 或 电 流 生 热 。 它 的 单 位 是单 位 体 积 的 热 流 率 。Command Family: BFGUI： Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-Heat Generat 、 确 定 载 荷 步 选 项对 于 一 个 热 分 析 ， 可 以 确 定 普 通 选 项 、 非 线 性 选 项 以 及 输 出 控 制 。No Boundaries ANSYS热 分 析 指 南a. 普 通 选 项 时 间 选 项 ： 虽 然 对 于 稳 态 热 分 析

22、， 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 。Command: TIMEGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime-Time Step/Time and Substps 每 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 。Command: NSUBSTGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-T

23、ime/FrequencTime and SubstpsCommand: DELTIMGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime-Time Step 递 进 或 阶 越 选 项 ： 如 果 定 义 阶 越 (stepped)选 项 ， 载 荷 值 在 这 个 载 荷 步 内 保 持不 变 ； 如 果 为 递 进 (ramped)选 项 ， 则 载 荷 值 由 上 一 载 荷 步 值 到 本 载 荷 步 值 随 每 一子 步 线 性 变 化 。Command: KBCGUI: Main MenuSolution-Load Ste

24、p Opts-Time/FrequencTime-Time Step/Time and Substpsb. 非 线 性 选 项 迭 代 次 数 ： 本 选 项 设 置 每 一 子 步 允 许 的 最 多 的 迭 代 次 数 。 默 认 值 为 25， 对大 数 热 分 析 问 题 足 够 。Command: NEQITGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-NolinearEquilibrium Iter 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 长 ， 保 证 求解 的 稳 定 性 和

25、准 确 性 。Command: AUTOTSGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime-Time Step/Time and Substps 收 敛 误 差 ： 可 根 据 温 度 、 热 流 率 等 检 验 热 分 析 的 收 敛 性 。Command: CNVTOLGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-NolinearConvergence Crit 求 解 结 束 选 项 ： 如 果 在 规 定 的 迭 代 次 数 内 ， 达 不 到 收 敛 ， ANSYS 可 以 停 止求 解 或

26、 到 下 一 载 荷 步 继 续 求 解 。Command: NCNVGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-NolinearCriteria to Stop 线 性 搜 索 ： 设 置 本 选 项 可 使 ANSYS 用 Newton-Raphson 方 法 进 行 线 性 搜 索 。Command: LNSRCHGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-NolinearLine Search 预 测 矫 正 ： 本 选 项 可 激 活 每 一 子 步 第 一 次 迭 代 对 自 由 度 求 解 的 预 测 矫 正 。Co

27、mmand: PREDGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-NolinearPredictorc. 输 出 控 制 控 制 打 印 输 出 ： 本 选 项 可 将 任 何 结 果 数 据 输 出 到 *.out 文 件 中 。Command: OUTPRGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-Output CtrlsSolu PrintoutNo Boundaries ANSYS热 分 析 指 南 控 制 结 果 文 件 ： 控 制 *.rth 的 内 容 。Command: OUTRES GUI: Main MenuS

28、olution-Load Step Opts-Output CtrlsDB/Results File 、 确 定 分 析 选 项a. Newton-Raphson 选 项 （ 仅 对 非 线 性 分 析 有 用 ）Command: NROPT GUI: Main MenuSolutionAnalysis Optionsb. 选 择 求 解 器 ： 可 选 择 如 下 求 解 器 中 一 个 进 行 求 解 ： Frontal solver(默 认 ） Jacobi Conjugate Gradient(JCG) solver JCG out-of-memory solver Incomplet

29、e Cholesky Conjugate Gradient(ICCG) solver Pre-Conditioned Conjugate Gradient Solver(PCG) Iterative(automatic solver selection option)Command: EQSLV GUI: Main MenuSolutionAnalysis Options注 意 ： 热 分 析 可 选 用 Iterative 选 项 进 行 快 速 求 解 ， 但 如 下 情 况 除 外 ： 热 分 析 包 含 SURF19 或 SURF22 或 超 单 元 ； 热 辐 射 分 析 ； 相 变

30、 分 析 需 要 restart an analysisc. 确 定 绝 对 零 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。Command: TOFFSTGUI: Main MenuSolutionAnalysis Options5、 保 存 模 型 : 点 击 ANSYS 工 具 条 SAVE_DB。 、 求 解Command: SOLVEGUI: Main MenuSolutio

31、nCurrent LS3、后处理ANSYS 将 热 分 析 的 结 果 写 入 *.rth 文 件 中 ， 它 包 含 如 下 数 据 ：基 本 数 据 ： 节 点 温 度导 出 数 据 ： 节 点 及 单 元 的 热 流 密 度 节 点 及 单 元 的 热 梯 度 单 元 热 流 率 节 点 的 反 作 用 热 流 率 其 它对 于 稳 态 热 分 析 ， 可 以 使 用 POST1 进 行 后 处 理 ， 关 于 后 处 理 的 完 整 描 述 ， 可 参阅 ANSYS Basic Analysis Procedures Guide 。进 入 POST1 后 ， 读 入 载 荷 步 和 子

32、 步 ：Command: SET No Boundaries ANSYS热 分 析 指 南GUI: Main MenuGeneral Postproc-Read Results-By Load Step可 以 通 过 如 下 三 种 方 式 查 看 结 果 ： 彩 色 云 图 显 示Command: PLNSOL, PLESOL, PLETAB等GUI: Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsNodal Solu, Element Solu, Elem Table 矢 量 图 显 示Command: PLVECTGUI: Main MenuGeneral P

33、ostprocPlot ResultsPre-defined or Userdefined 列 表 显 示Command: PRNSOL, PRESOL, PRRSOL等GUI: Main MenuGeneral PostprocList ResultsNodal Solu, Element Solu, Reaction Solu详 细 过 程 请 参 阅 ANSYS Basic Analysis Procedures Guide 。实例1：某 一 潜 水 艇 可 以 简 化 为 一 圆 筒 ， 它 由 三 层 组 成 ， 最 外 面 一 层 为 不 锈 钢 ， 中 间 为 玻纤 隔 热 层

34、， 最 里 面 为 铝 层 ， 筒 内 为 空 气 ， 筒 外 为 海 水 ， 求 内 外 壁 面 温 度 及 温 度 分 布 。几 何 参 数 ： 筒 外 径 30 feet总 壁 厚 2 inch不 锈 钢 层 壁 厚 0.75inch玻 纤 层 壁 厚 1 inch铝 层 壁 厚 0.25inch筒 长 200 feet导 热 系 数 不 锈 钢 8.27BTU/hr.ft.oF玻 纤 0.028 BTU/hr.ft.oF铝 117.4 BTU/hr.ft.oF边 界 条 件 空 气 温 度 70 oF海 水 温 度 44.5oF空 气 对 流 系 数 2.5 BTU/hr.ft2.oF

35、海 水 对 流 系 数 80 BTU/hr.ft2.oF沿 垂 直 于 圆 筒 轴 线 作 横 截 面 ， 得 到 一 圆 环 ， 取 其 中 1 度 进 行 分 析 ,如 图 示 。No Boundaries ANSYS热 分 析 指 南不R15 fet不以 下 分 别 列 出 log 文 件 和 菜 单 文 件 。/filename, Steady1/title, Steady-state thermal analysis of submarine /units, BFTRo=15 !外径 (ft)Rss=15-(0.75/12) !不锈钢层内径 ft)Rins=15-(1.75/12)

36、!玻璃纤维层内径 (ft)Ral=15-(2/12) !铝层内径 (ft)Tair=70 !潜水艇内空气温度Tsea=44.5 !海水温度Kss=8.27 !不锈钢的导热系数 (BTU/hr.ft.oF)Kins=0.028 !玻璃纤维的导热系数 (BTU/hr.ft.oF)Kal=117.4 !铝的导热系数 (BTU/hr.ft.oF)Hair=2.5 !空气的对流系数 (BTU/hr.ft2.oF)Hsea=80 !海水的对流系数 (BTU/hr.ft2.oF)/prep7et,1,plane55 !定义二维热单元mp,kxx,1,Kss !设定不锈钢的导热系数mp,kxx,2,Kins !设定玻璃纤维的导热系数mp,kxx,3,Kal !设定铝的导热系数pcirc,Ro,Rss,-0.5,0.5 !创建几何模型pcirc,Rss,Rins,-0.5,0.5pcirc,Rins,Ral,-0.5,0.5aglue,allnumcmp,arealesize,1,16 !设定划分网格密度lesize,4,4lesize,14,5