熱分析34教材

1、第 10 章 熱分析10.1 熱分析概述熱分析用于計算一個系統(tǒng)或部件的溫度分布及其他熱物理參數(shù)， 如熱量的獲取或損失、 熱 梯度、熱流密度（熱通量）等。熱分析在許多工程應(yīng)用中扮演著重要角色， 如內(nèi)燃機(jī)、 渦輪機(jī)、 換熱器、管路系統(tǒng)、電子元件等。10.1.1 熱分析概述熱分析包括穩(wěn)態(tài)傳熱與瞬態(tài)傳熱兩種： 穩(wěn)態(tài)傳熱：系統(tǒng)的溫度場不隨時間變化。 瞬態(tài)傳熱：系統(tǒng)的溫度場隨時間明顯變化。ANSYS熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計算各節(jié)點(diǎn)的溫度，并導(dǎo)出其 它熱物理參數(shù)。ANSYS熱分析包括熱傳導(dǎo)、熱對流及熱輻射三種熱傳遞方式。此外，還可以分析相變、有 內(nèi)熱源、接觸熱阻等問題。10.1.2

2、熱分析基本原理1傳熱學(xué)經(jīng)典理論熱分析遵循熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律：對于一個封閉的系統(tǒng)（沒有質(zhì)量的流入或流出Q W U KE PE（ 10-1）式中 Q為熱量， W為做功， U 為系統(tǒng)內(nèi)能， KE 為系統(tǒng)動能， PE為系統(tǒng)勢能。（1）對于大多數(shù)工程傳熱問題：KE = PE =0；（2）通?？紤]沒有做功： W=0，則Q= U ；（ 3）對于穩(wěn)態(tài)熱分析： Q = U =0，即流入系統(tǒng)的熱量等于流出的熱量；（ 4）對于瞬態(tài)熱分析：dU ，即流入或流出的熱傳遞速率 等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化。dt2熱傳遞方式（1）熱傳導(dǎo) 熱傳導(dǎo)可以定義為完全接觸的兩個物體之間或一個物體的不同部分之間由于溫度梯度而 引起的

3、內(nèi)能的交換。熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律：10-2)式中 q為熱流密度（ W m2）， k為導(dǎo)熱系數(shù)（ W m2 Co）， “-”表示熱量流向溫度降低 的方向。（2）熱對流 熱對流是指固體的表面與它周圍接觸的流體之間， 由于溫差的存在引起的熱量的交換。 熱 對流可以分為兩類：自然對流和強(qiáng)制對流。熱對流用牛頓方程來描述：10-3)q h Ts TB式中 h 為對流換熱系數(shù) （或稱膜傳熱系數(shù)、 給熱系數(shù)、 膜系數(shù)等）， Ts為固體表面的溫度， TB 為周圍流體的溫度；3）熱輻射熱輻射指物體發(fā)射電磁能，并被其他物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過程。物體溫度越高， 單位時間輻射的熱量越多。熱傳導(dǎo)和熱對流都需要有傳熱

4、介質(zhì)，而熱輻射無須任何介質(zhì)。實(shí)質(zhì) 上，在真空中的熱輻射效率最高。在工程中通常考慮兩個或兩個以上物體之間的輻射，系統(tǒng)中每個物體同時輻射并吸收熱 量。它們之間的凈熱量傳遞可以用斯蒂芬-波爾茲曼方程來計算：10-4)A1F12 T14 T24式 中 為 熱 流 率 ， 為 輻 射 率 （ 黑 度 ）， 為 斯 蒂 芬 -波 爾 茲 曼 常 數(shù) ， 約 為5.67 10 8W m2 K 4，A1為輻射面 1 的面積， F12為由輻射面 1到輻射面 2的形狀系數(shù)， T1 為輻射面 1 的絕對溫度， T2 為輻射面 2 的絕對溫度。由上式可以看出，包含熱輻射的熱分析是高度非線性的。3穩(wěn)態(tài)傳熱 穩(wěn)態(tài)傳熱用于

5、分析穩(wěn)定的熱載荷對系統(tǒng)或部件的影響。 通常在進(jìn)行瞬態(tài)熱分析以前， 進(jìn)行 穩(wěn)態(tài)熱分析用于確定初始溫度分布。 穩(wěn)態(tài)熱分析可以通過有限元計算確定由于穩(wěn)定的熱載荷引 起的溫度、熱梯度、熱流率、熱流密度等參數(shù)。如果系統(tǒng)的凈熱流率為 0，即流入系統(tǒng)的熱量加上系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱量等于流出系統(tǒng)的熱 量： q1 q2 q3 0，q1、q2、 q3分別為流入、生成、流出熱量，在此狀態(tài)下，系統(tǒng)處于 熱穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)熱分析中，任一節(jié)點(diǎn)的溫度不隨時間變化。穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程為（以矩 陣形式表示） ：10-5)式中， K 為傳導(dǎo)矩陣， 包含導(dǎo)熱系數(shù)、 對流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)， T 為節(jié)點(diǎn)溫度向量， 為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，

6、包含熱生成。ANSYS利用模型幾何參數(shù)、材料熱性能參數(shù)以及所施加的邊界條件，生成K 、 T 以及。4瞬態(tài)傳熱瞬態(tài)熱分析用于計算系統(tǒng)隨時間變化的溫度場及其它熱參數(shù)。 在工程上一般用瞬態(tài)熱分析 計算溫度場，并將之作為熱載荷進(jìn)行應(yīng)力分析。瞬態(tài)熱分析的基本步驟與穩(wěn)態(tài)熱分析類似。 主要的區(qū)別是瞬態(tài)熱分析中的載荷是隨時間變 化的。為了表達(dá)隨時間變化的載荷，首先必須將載荷-時間曲線分為載荷步，載荷 -時間曲線中的每一個拐點(diǎn)為一個載荷步。瞬態(tài)傳熱過程常見于系統(tǒng)的加熱或冷卻過程。在該過程中系統(tǒng)的溫度、熱流率、熱邊界條 件以及系統(tǒng)內(nèi)能隨時間都有明顯變化。根據(jù)能量守恒原理，瞬態(tài)熱平衡可以表達(dá)為（以矩陣形 式表示）：

7、C T K T（10-6）式中為 K 為傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)，C 為比熱矩陣，考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加， T 為節(jié)點(diǎn)溫度向量， T 為溫度對時間的導(dǎo)數(shù)，為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含熱生成。5線性與非線性 如果有下列情況產(chǎn)生，則為非線性熱分析。（1）材料熱性能隨溫度變化，如 C T 、 K T 等；（ 2）邊界條件隨溫度變化，如 h T 等；（3）含有非線性單元；（4）考慮輻射傳熱。 非線性熱分析的熱平衡矩陣方程為：C T T K T T T（10-7）10.2 熱分析的基本步驟下面分別針對穩(wěn)態(tài)熱分析和瞬態(tài)熱分析兩種不同的情況，講述熱分析的基本過程。10.2.1 穩(wěn)態(tài)熱分析穩(wěn)態(tài)

8、熱分析用于研究穩(wěn)態(tài)的熱載荷對系統(tǒng)或部件的影響， 通常在進(jìn)行瞬態(tài)熱分析以前進(jìn)行 穩(wěn)態(tài)熱分析， 以確定初始溫度的分布。 穩(wěn)態(tài)熱分析可以通過有限元計算確定由穩(wěn)定的熱載荷產(chǎn) 生的溫度、熱梯度、熱流率、熱流密度等參數(shù)。 穩(wěn)態(tài)熱分析的基本過程一般可分為三步；建立模型、施加熱載荷并求解、查看結(jié)果，下面 分別進(jìn)行介紹。1建立模型建立模型主要包括以下幾個方面的內(nèi)容。（ 1）確定工作文件名（ Jobname ）、工作標(biāo)題（ Title ）與單位（ unit ）。（ 2）進(jìn)入前處理器（ PREP7，） 定義單元類型和單元選型。（3）設(shè)定單元實(shí)常數(shù)。（4）定義材料熱性能參數(shù)。穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱一般只需要定義導(dǎo)熱系數(shù)，它可以是恒

9、定的，也可 以隨溫度變化。（5）建立幾何模型并劃分網(wǎng)格生成有限元模型。2施加載荷并求解執(zhí)行主菜單中的 Solution 命令，進(jìn)入 ANSYS求解器，然后執(zhí)行 ANTYPE,STATIC,NEW命令（ GUI 菜單路徑： Main Menu Solution Analysis Type New Analysis Steady-State ）定義分析類型。 如果繼續(xù)上一次分析， 如增加邊界條件等， 可以執(zhí)行 ANTYPE,STATIC,RES命T令（GUI 菜單路徑： Main Menu Solution Analysis Type Restart ）。 ANSYS中施加的熱分析載荷可以是溫度、

10、熱流 率、對流、熱流密度和生熱率。（1）溫度。溫度載荷通常作為自由度約 束施加在已知的邊界上， 施加方法為 Main Menu Solution Define loads Apply Thermal Temperature 。（2）熱流率。熱流率作為節(jié)點(diǎn)集中載荷，主要用于線單元模型中（通常線單元模型不能 施加對流感熱流密度載荷） 。如果輸入的值為正，代表熱流流入節(jié)點(diǎn)，即單元獲取熱量。如果 溫度與熱流率同時施加在一個節(jié)點(diǎn)上， 則 ANSYS讀取溫度值進(jìn)行計算。 施加熱流率載荷的方法 為 Main Menu Solution Define loads Apply Thermal Heat Flow

11、 。（3）對流。對流作為面載荷施加在實(shí)體的外表面，計算與流體的熱交換，它僅可以施加 于實(shí)體和殼模型上。對于線模型，可以通過對流線單元 LINK34 考慮對流。施加熱流率載荷的 方法為 Main Menu Solution Define loads Apply Thermal Convection 。（ 4）熱流密度。熱流密度是通過單位面積的熱流率，作為面載荷施加在實(shí)體的外表面或 表面效應(yīng)單元上。輸入正值時，表示熱流流入單元。熱流密度僅適用于實(shí)體和殼單元，可以與 對流施加在同一外表面，但 ANSYS僅讀取最后施加的面載荷進(jìn)行計算。（ 5）生熱率。生熱率作為體載荷施加在單元上，可以模擬化學(xué)反應(yīng)生熱

12、或電流生熱， 是單位體積的熱流率。 GUI 方式為 Main Menu Solution Define loads Apply Thermal Heat Generat。3設(shè)定載荷步選項(xiàng) 對于一個熱分析，可以確定普通選項(xiàng)、非線性選項(xiàng)以及輸出控制選項(xiàng)。（1）普通選項(xiàng)。1）時間選項(xiàng)。對于穩(wěn)態(tài)熱分析，時間選項(xiàng)并沒有實(shí)際的物理意義，但它提供了一個方便 的設(shè)置載荷步和載荷子步的方法。2）每個載荷步中子步的數(shù)量或時間步大小。對于非線性分析，每一個載荷步需要多個子 步。 GUI 方式為 Main Menu Solution Load Step Opts Time/ Frequence Time and Su

13、bstep 或Main Menu Solution Load Step Opts Time/ Frequence Time-Time Step 。執(zhí)行上述命令后，彈出如圖 10-1 所示的“時間和時間步選項(xiàng)”對話框和圖 10-2 所示的 “時間和子步選項(xiàng)”對話框。3）遞進(jìn)或階躍選項(xiàng)。如果定義階躍選項(xiàng)，載荷值在這個載荷步內(nèi)保持不變：如果定義遞進(jìn) 選項(xiàng)，則載荷值由上一載荷步值到本載荷步值隨每一子步線性變化。 GUI方式為 Main Menu Solution Load Step Opts Time/ Frequence Time and Substep 或 Main Menu Solution L

14、oad Step Opts Time/ Frequence Time-Time Step 。圖 10-1 “時間和時間步選項(xiàng)”對話框圖 10-2 “時間和子步選項(xiàng)”對話框（2）非線性選項(xiàng)25，對于大多數(shù)1）迭代次數(shù)。本選項(xiàng)用于設(shè)置每一子步允許的最大迭代次數(shù)，默認(rèn)值是熱分析問題足夠。 GUI 方式為 Main Menu Solution Load Step Opts Nonlinear Equilibrium Iter 。 執(zhí)行命令后，彈出如圖 10-3 所示的“設(shè)置迭代次數(shù)”對話框。圖 10-3 “設(shè)置迭代次數(shù)”對話框2）自動時間步長。對于非線性問題，可以自動設(shè)定子步間載荷的增長率，保證求解的

15、穩(wěn) 定性和準(zhǔn)確性。 Main Menu Solution Load Step Opts Time/ Frequence Time and Substep 或 Main Menu Solution Load Step Opts Time/ Frequence Time-Time Step 。3）收斂誤差?？筛鶕?jù)溫度、熱流率等檢驗(yàn)熱分析的收斂性。GUI 方式為 Main Menu Solution Load Step Opts Nonlinear Convergence Crit 。彈出如圖 10-4 所示的 “設(shè)置收斂誤差” 對話框。圖 10-4 “設(shè)置收斂誤差”對話框4）求解結(jié)束選項(xiàng)。如果在規(guī)

16、定的迭代次數(shù)內(nèi)達(dá)不到收斂，ANSYS可以停止求解或到下一載荷步繼續(xù)求解。 GUI 方式為 Main Menu Solution Load Step Opts Nonlinear Criteria to Stop 。 執(zhí)行命令后，彈出如圖 10-5 所示“求解結(jié)束選項(xiàng)”對話框。圖 10-5 “求解結(jié)束選項(xiàng)”對話框5）線性搜索。設(shè)置本選項(xiàng)可使 ANSYS用 Newton-Raphson 方法進(jìn)行線性搜索。 GUI 方式為 Main Menu Solution Load Step Opts Nonlinear Line Search 。 執(zhí)行命令后，彈出如圖 10-6 所示的“線性搜索”對話框。圖

17、10-6 “線性搜索”對話框6）預(yù)測矯正。本選項(xiàng)可激活每一子步第一次迭代對自由度求解的預(yù)測矯正。GUI 方式為Main Menu Solution Load Step Opts Nonlinear Predictor 。執(zhí)行命令后， 彈出如圖 10-7 所示 的“預(yù)測矯正”對話框。圖 10-7 “預(yù)測矯正”對話框（3）輸出控制選項(xiàng)。1）控制打印輸出。 本選項(xiàng)可將任何結(jié)果數(shù)據(jù)輸出到 *.out 文件中。 GUI方式為 Main Menu Solution Load Step Opts Output Ctrls Solu Printout 。執(zhí)行命令后，彈出如圖 10-8 所示的“控 制打印輸出”

18、對話框。圖 10-8 “控制打印輸出”對話框2）控制結(jié)果文件。用于控制 *.rth 文件中的內(nèi)容。 GUI 方式為 Main Menu Solution Load Step Opts Output Ctrls DB/Results File 。 執(zhí)行命令后，彈出如圖 10-9 所示的“控制結(jié)果文件” 對話框。4求解執(zhí)行 NROPT命令（ GUI 菜單路徑： Main MenuSolutionAnalysis TypeAnalysis Options ）， 設(shè)置 Newton-Raphson 選項(xiàng) （僅對非線性分析有用） ?？蛇x擇的求解器有： Frontal Solver 、Jacobi Con

19、jugate Gradient Solver、 JCG out-of-memory Solver、 Incomplete CholesKy Conjugate GradienSolver、 Pre-Conditioned Conjugate Solver 和 Iterative 。圖 10-9 “控制結(jié)果文件”對話框在進(jìn)行熱輻射分析時， 要將目前的溫度值換算為絕對溫度。 如果使用的溫度單位是攝氏度， 此值應(yīng)設(shè)定為 273；如果使用華氏度，則該值為 460。執(zhí)行 SOLVE命令（ GUI菜單路徑： Main MenuSolutionCurrent LS ）開始求解，單擊 ANSYS 工具欄中的“

20、 SAVE DB”按鈕快速保存模型。5.查看結(jié)果（后處理）ANSYS將熱分析的結(jié)果寫入 *.rth 文件中，它包含如下數(shù)據(jù)。（1）基本數(shù)據(jù)，如節(jié)點(diǎn)溫度。（ 2）導(dǎo)出數(shù)據(jù)，如節(jié)點(diǎn)及單元的熱流密度、節(jié)點(diǎn)及單元的熱梯度、單元熱流率、節(jié)點(diǎn) 的反作用熱流率及其他數(shù)據(jù)。對于穩(wěn)態(tài)熱分析，可以使用 POST1進(jìn)行后處理。進(jìn)入 POST1后，讀入載荷步和子步的方 式如下： Main Menu General Postproc Read Results By Load Step?？梢酝ㄟ^如下三種方式查看結(jié)果。（ 1）彩色云圖顯示。 GUI方式為 Main Menu General Postproc Plot Re

21、sult Contour Plot Nadal Solu/Reaction Solu/ Elem Table 。（ 2）矢量圖顯示。 GUI 方式為 Main Menu General Postproc Plot Result Vector Plot Predefined 。（ 3）列表顯示。 GUI方式為 Main Menu General Postproc Plot Result List Results Nadal Solu/Reaction Solu/ Elem Table 。10.2.2 瞬態(tài)熱分析瞬態(tài)分析用于計算一個系統(tǒng)隨時間變化的溫度場及其他熱參數(shù)。 在工程上一般用瞬態(tài)熱分 析計

22、算溫度場，并將其作為熱載荷進(jìn)行應(yīng)力分析。瞬態(tài)分析的基本步驟與穩(wěn)態(tài)分析類似， 瞬態(tài)分析中使用的單元與穩(wěn)態(tài)熱分析相同， 主要的 區(qū)別是瞬態(tài)分析中的載荷是隨時間變化的。 為了表達(dá)隨時間變化的載荷， 首先必須將載荷一時 間曲線分為載荷步。載荷一時間曲線的每一個拐點(diǎn)為一個載荷步。對子每一個載荷步，必須定 義載荷值及時向值，同時必須選擇載荷步為漸變或階躍。1.建立模裂在瞬態(tài)熱分析中建立模型的具體步驟如下。（ 1）定義工作文件名（ Jobenarne）、標(biāo)題（ Title ）和單位（ Unit）。（2）進(jìn)入前處理器（ PREP7 ，） 定義單元類型，然后設(shè)定單元選型。（3）設(shè)定單元實(shí)常數(shù)。（4）定義材料熱性

23、能參數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、密度和比熱。它們可以是恒定的，也可以隨溫度 變化。（5）建立幾何模型并劃分網(wǎng)格生成有限元模型。 2.施加載荷并求解在瞬態(tài)熱分析中施加載荷并求解的具體操作步驟如下。（ 1）執(zhí)行主菜單中的 Solution 命令，進(jìn)入 ANSYS求解器。 （2）定義分析類型。如果是第一次進(jìn)行分析，或者重新進(jìn)行分析，可以按下述方式操作Main Menu Solution Analysis Type New Analysis 執(zhí)行上述命令后，彈出如圖 10-10 所示的 “新建分析”對話框。如果接著上次的分析繼續(xù)進(jìn)行。圖 10-10“新建分析”對話框（ 3）定義求解選項(xiàng)。執(zhí)行 THOPT,Refop

24、t,PEFORMTOL,NTABPOINTS,TEMPMR4,TEMPMA命X 令，確定非線性瞬態(tài)熱分析選項(xiàng)。其中， Refopt=FULL時，使用完全的 N-S 求解選項(xiàng)修改熱矩 陣（默認(rèn)值） ；Refopt=QUASI時，基于 REFORMTO，L 有選擇地修改熱矩陣； Refopt=LINEAR時， 使用線性求解選項(xiàng)，不修改熱矩陣。與一般的非線性分析類似。執(zhí)行EQSLV,Lab,TOLER,MUL命T 令選擇求解器，然后執(zhí)行TOFFST,VALU命E 令確定絕對零度，即可完成求解選項(xiàng)的定義。（4）獲得瞬態(tài)分析的初始條件。1）定義均勻溫度場。如果已經(jīng)模型的起始溫度是均勻的，可設(shè)置所有節(jié)點(diǎn)的

25、初始溫度。GUI 方式為 Main MenuSolution Define Loads Setting Uniform Temp 。執(zhí)行命令，彈出如圖 10-11 所示的“均勻溫度場”對話框。圖 10-11 “均勻溫度場”對話框如果不在對話框中輸入數(shù)據(jù)，則默認(rèn)為參考溫度，參考溫度的值默認(rèn)為零，但可通過如下方法設(shè)定參考溫度 Main MenuSolution Define Loads Setting Reference Temp 。執(zhí)行命令， 彈出如圖 10-12 所示的“參考溫度”對話框。圖 10-12“參考溫度”對話框2）設(shè)定非均勻的初始溫度。在瞬態(tài)分析中，節(jié)點(diǎn)溫度可以設(shè)定為不同的值?？赏ㄟ^

26、如下 方法設(shè)定溫度 Main MenuSolution Define Loads Apply Initial Condit n/Define 。 如果初始溫 度場是不均勻且未知的，必須首先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析確定初始條件。3）設(shè)定載荷（如已知的溫度、 熱對流等），將時間積分設(shè)置為 OFF。GUI方式為 Main Menu Proprocessor Loads Load Step Opts Time/Frequence Time Intergration 。4）設(shè)定一個只有一個子步的、時間很小的載荷步，如0.001。 GUI 方式為 Main Menu Proprocessor Loads Load

27、Step Opts Time/Frequence Time and Substps。5）寫入載荷步文件。 GUI 方式為 Main Menu Proprocessor Loads Load Step Opts Write LS File。執(zhí)行命令，彈出如圖 10-13 所示的“寫入載荷步文件”對話框。圖 10-13 “寫入載荷步文件”對話框6）求解。3設(shè)定載荷步選項(xiàng)（1）普通選項(xiàng)。1）時間。設(shè)置每載荷步結(jié)束時的時間。 GUI 方式為 Main Menu Solution Load Step Opts Time/ Frequence Time and Substep2）每個載荷步的載荷子步數(shù)或時

28、間增量。對于非線性分析，每個載荷步需要多個載荷子 步。時間步長大小關(guān)系到計算的精度，步長越小，計算精度越高，計算時間越長。根據(jù)線性傳 導(dǎo)熱，可按如下公式估計初始時間步長。ITS 2 4a （ 10-8）其中， 為沿?zé)崃鞣较驘崽荻茸畲筇幍膯卧L度； a 為導(dǎo)溫系數(shù)，等于導(dǎo)熱系數(shù)除以密度 與比熱的乘積，即 a k c， k 為導(dǎo)熱系數(shù)， 為密度， c為比熱。如果載荷在這個載荷步是恒定的，需要設(shè)為階躍選項(xiàng)；如果載荷值隨時間線性變化，則要 設(shè)置為漸變選項(xiàng)。 GUI 方式為 Main Menu Solution Load Step Opts Time/ Frequence Time and Subste

29、p（2）非線性選項(xiàng)。1）迭代次數(shù)。每個子步默認(rèn)的次數(shù)是25,這對大多數(shù)非線性熱分析已經(jīng)足夠。GUI 方式為Main Menu Solution Load Step Opts Nonlinear Equilibrium Iter 。2）自動時間步長。本選項(xiàng)為 ON 時，在求解過程中將自動調(diào)整時間步長。 GUI方式為 Main Menu Solution Load Step Opts Time/ Frequence Time and Substep3）時間積分效果。如果將此選項(xiàng)設(shè)定為OFF，將進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析。 GUI 方式為 MainMenu Solution Load Step Opts Tim

30、e/ Frequence Time Integration 。（ 3）輸出選項(xiàng)。1）控制打印輸出。 本選項(xiàng)可將任何結(jié)果數(shù)據(jù)輸出到 *.out 文件中。 GUI方式為 Main Menu Solution Load Step Opts Output Ctrls Solu Printout 。2）控制結(jié)果文件?？刂?*rth 文件的內(nèi)容。 GUI 方式為 Main Menu Solution Load Step Opts Output Ctrls DB/Results File 。4求解單擊 ANSYS工具欄中的“ SAVE DB”按鈕保存模型，然后執(zhí)行 SOLVE命令開始求解。 5查看計算結(jié)果（

31、后處理）ANSYS提供了兩種后處理方式： POST1和 POST2。其中， POST1可以對整個模型在某一載 荷步（時間點(diǎn)）的結(jié)果進(jìn)行后處理， POST26 可以對模型中特定點(diǎn)在所有載荷步（整個瞬態(tài)過 程）的結(jié)果進(jìn)行后處理。（ 1）用 POST1進(jìn)行后處理。1）讀出某一時間點(diǎn)的結(jié)果。 GUI 方式為 Main Menu General Postproc Read Results By Time/Freq 。執(zhí)行命令，彈出如圖 10-14 所示的“讀出某一時間點(diǎn)的結(jié)果”對話框。圖 10-14 “讀出某一時間點(diǎn)的結(jié)果”對話框 如果設(shè)定的時間不在任何一個子步的時間點(diǎn)上，ANSYS會進(jìn)行線性插值。2）

32、讀出某一載荷步的結(jié)果。 GUI 方式：Main Menu General Postproc Read ResultsBy Load Step。執(zhí)行上述命令，彈出如圖 10-15 所示的“讀出某載荷步的結(jié)果”對話框。圖 10-15 “讀出某載荷步的結(jié)果”對話框隨后可以采用與穩(wěn)態(tài)熱分析類似的方法，對結(jié)果進(jìn)行彩色云圖顯示、矢量顯示、打印列表等后處理。下：（ 2）用 POST26進(jìn)行后處理。1）定義變量。 GUI 方式為 Main Menu TimeHist Postproc/Define Variables 。2）繪制或列表輸出這些變量隨時間變化的曲線，對應(yīng)的命令方式和GUT 方式分別如Main M

33、enu TimeHist Postproc/Graph Variables 和 Main Menu TimeHist Postproc/ListVariables。10.3 穩(wěn)態(tài)熱分析示例換熱管的熱分析10.3.1 問題描述本實(shí)例確定一個換熱器中帶管板結(jié)構(gòu)的換熱管的溫度分布和應(yīng)力分布。如圖 10-16 所示， 某單程換熱器中的一根換熱管和與其相連的兩端管板結(jié)構(gòu)， 殼程介質(zhì)為熱蒸汽， 管程介質(zhì)為液 體操作介質(zhì)，換熱管材料為不銹鋼，熱膨脹系數(shù)為16.56 X 10-6/ OC，泊松比為 0.3，彈性模量為1.72 X 105MPa，熱導(dǎo)率為 15.1W/m OC；管板材料也為不銹鋼，熱膨脹系數(shù)為1

34、7.79 X10-6/ OC，泊松比為 0.3，彈性模量為 1.73 X105MPa，熱導(dǎo)率為 15.1 W/m OC ;殼程蒸汽溫度為 250OC，對流 換熱系數(shù)為 3000W/m 2 OC，殼程壓力為 8.1MPa；管程液體溫度 200 OC，對流換熱系數(shù)為 426W/m 2，管程壓力為 5.7MPa。換熱管內(nèi)徑 0.01295m，外徑 0.01905m ，管板厚度 0.05m， 換熱管長度為 0.5m ，部分管板長和寬均為 0.013m.圖 10-16 管及管板結(jié)構(gòu) 根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性，分析時取 1/4 建立有限元模型進(jìn)行研究即可。10.3.2 前處理1. 定義工作文件名及文件標(biāo)題（ 1）

35、定義工作文件名。執(zhí)行菜單欄中的FileChange Jobname 命令，彈出如圖 10-17 所示的“更改工作名稱”對話框，輸入文件名為“Pipe_thermal ”單擊“ OK”按鈕。圖 10-17 “更改工作名稱”對話框2）定義工作標(biāo)題。執(zhí)行菜單欄中的File Change Title命令，彈出如圖 10-18 所示的“更改標(biāo)題”對話框，輸入標(biāo)題名為“ Temperature Distribution in heat-exchange pipe ，單擊“ OK” 按鈕。圖 10-18 “更改標(biāo)題”對話框（ 3）關(guān)閉坐標(biāo)符號的顯示。 執(zhí)行菜單欄中的 Plot Ctrls Window Co

36、ntrols Window opti ons 命令，彈出“窗口選項(xiàng)”對話框，在“Location of triad ”下拉列表框中選擇“ Not Shown ”選項(xiàng)，單擊“ OK”按鈕。2定義單元類型及材料屬性（ 1）定義單元類型。執(zhí)行主菜單中的PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete 命令，彈出“單元類型”對話框；單擊“ Add”按鈕，彈出如圖 10-19 所示的“單元類型庫”對話框， 在兩個列表框中分別選擇“ Thermal Solid”和“ Brick 20node 90 ”選項(xiàng)，單擊“ OK”按鈕。圖 10-19 “單元類型庫”對話框（ 2）設(shè)置材

37、料屬性。執(zhí)行主菜單中的PreprocessorMaterial PropsMaterial Models 命令，彈出如圖 10-20 所示的“定義材料模型屬性”對話框；在“ Material Models Available”列表框 中依次選擇 StructuralLinearElasticIsotropic 選項(xiàng)，彈出如圖 10-21 所示的“線性各向同性材 料”對話框；在“ EX”文本框中輸入“ 1.73E11”，在“ PRXY”文本框中輸入“ 0.3”，單擊“ OK” 按鈕返回“定義材料模型屬性”對話框；然后再依次選擇 StructuralThermal ExpansionSecant

38、CoefficientIsotropic 選項(xiàng)，彈出如圖 10-22 所示的“熱膨脹系數(shù)”對話框，在“ ALPX”文本框 輸入“17.79E-6”，單擊“OK”按鈕返回 “定義材料模型屬性” 對話框；然后再依次選擇 ThermalConductivityIsotropic 選項(xiàng)，彈出如圖 10-23 所示的“熱導(dǎo)率”對話框，在“ KXX”文本框中輸 入“ 15.1”，單擊“ OK”按鈕，完成對材料 1 屬性的設(shè)置。（ 3）返回“定義材料模型屬性”對話框，執(zhí)行對話框菜單欄中的Material New Model命令，定義 2號材料；按照上面（2）中的方法設(shè)置 2號材料的 EX為 1.72E11，

39、PRXY為0.3， ALPX為 16.56E-6， KXX 為 15.1，設(shè)置完成后關(guān)閉對話框。圖 10-20 “定義材料模型屬性”對話框圖 10-22 “熱膨脹系數(shù)”對話框圖 10-21“線性各向同性材料”對話框圖 10-23 “熱導(dǎo)率”對話框3建立幾何模型Work Plane Display Working Plane 命令，即可顯示工（ 1）顯示工作平面。執(zhí)行菜單欄中的 作平面。2）創(chuàng)建 1/4 換熱管。執(zhí)行菜單欄中的Work Plane Offset WP by Increments 命令， 彈出如圖 10-24所示的“偏移工作平面” 對話框，在“XY,YZ,ZX Angle”s 文本

40、框中輸入 “ 0,0,90”，單擊“ OK” 按鈕；執(zhí)行主菜單中的 PreprocessorModelingCreateVolumesCylinderPartial Cylinder 命令， 彈出“局部圓柱”對話框，輸入如圖 10-25 所示的數(shù)據(jù)，單擊“ OK”按鈕，生成 1/4 換熱管幾 何模型。（ 3）生成管板部分模型。 執(zhí)行主菜單中的 PreprocessorModelingCreateVolumes Block By Dimensions，命令，彈出“通過尺寸創(chuàng)建體” 對話框，輸入如圖 10-26 所示的數(shù)據(jù)， 單擊“OK” 按鈕，生成左端管板幾何模型。 執(zhí)行主菜單中的 Prepro

41、cessor Modeling Copy Volumes 命令， 彈出如圖 10-27 所示的 “復(fù)制體” 拾取框， 拾取剛剛生成的管板左端部分模型， 彈出如圖 10-28 所示的“復(fù)制體”對話框，在“ DX”文本框中輸入“ 0.45”，單擊“ OK”按鈕，生成的換熱管和兩端管板部分如圖 10-29 所示。圖 10-24 “偏移工作平面”對話框圖 10-25 “局部圓柱”對話框圖 10-26 “通過尺寸創(chuàng)建體”對話框圖 10-27 “復(fù)制體”拾取框圖 10-28 “復(fù)制體”對話框圖 10-29 生成的換熱管和兩端管板部分（ 4）體布爾操作。執(zhí)行主菜單中的Preprocessor Modelin

42、g Operate Booleans Overlap Volumes 命令，彈出“重疊體”拾取框，單擊“Pick All”按鈕，然后單擊“ OK”按鈕。（5）打開體編號控制。執(zhí)行菜單欄中的Plot Ctrls Numbering 命令，彈出如圖 10-30 所示的“編號顯示控制”對話框，設(shè)置“Volume numbers ”選項(xiàng)為“ On”，單擊“ OK”按鈕。圖 10-30 “編號顯示控制”對話框（ 6）刪除多余的體。 執(zhí)行主菜單中的 Preprocessor Modeling Delete Volume and Below 命令，彈出“刪除體及其附屬”拾取框，拾取編號為 4和5的體，單擊“

43、 OK”按鈕，結(jié)果如圖 10-31 所示。圖 16-31 刪除多余的體4生成有限元模型（ 1 ）打開線、面編號控制。執(zhí)行菜單欄中的Plot Ctrls Numbering 命令，彈出“編號顯示控制，對話框，將“ Line numbers ”和“ Area numbers ”選項(xiàng)設(shè)置為“ On”，單擊“ OK”按鈕。（ 2）劃分網(wǎng)格。執(zhí)行主菜單中的 Preprocessor MeshingMesh Tool 命令，彈出如圖 10-32 所示的“網(wǎng)格工具”對話框，利用這個對話框可以對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分操作。1）單擊右上角的“ Set”按鈕，彈出如圖 10-33 所示的“網(wǎng)格劃分屬性”對話框， “

44、 MAT” 下拉列表框中顯示的致字是“ 1”，表示給第一種材料（本例中為管板部分）劃分網(wǎng)格，這樣就 可以把 1 號材料的屬性賦予管板部分，單擊“OK”按鈕關(guān)閉對話框。2）單擊“ Lines”選項(xiàng)右側(cè)的“ Set”按鈕，彈出如圖 10-34 所示的“線的單元尺寸”拾取 框，局部放大模型左端管板部分結(jié)構(gòu)，拾取編號為14， 15， 18， 19 的線，單擊“ OK”按鈕，彈出如圖 10-35 所示的“線的單元尺寸”對話框，在“NDIV”文本框中輸入“ 10”，即把所選擇的線劃分為 10 份：采用相同的方法將編號為65， 66， 67， 68 的線劃分為 5 份，將編號為 4，55 的線劃分為 20

45、份，將編號為 22，23， 24，51，53 的線劃分為 20 份。3）執(zhí)行主菜單中的 Preprocessor MeshingConcatenateAreas，彈出如圖 10-36 所示的“連 接面”拾取框，拾取編號為 10，12 的面，單擊“ OK”按鈕，返回“網(wǎng)格工具”對話框；選擇 “Hex”和“ Mapped ”單選鈕，然后單擊“ Mesh”按鈕，彈出如圖 10-37 所示的“網(wǎng)格劃分體” 拾取框，拾取編號為 9 的體，單擊“ OK”按鈕，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖 10-38 所示。圖 10-32 “網(wǎng)格工具”對話框圖 10-34 “線的單元尺寸”拾取框圖 10-36 “連接面”拾取框圖 10

46、-33 “網(wǎng)格劃分屬性”對話框圖 10-35 “線的單元尺寸”對話框圖 10-37 “網(wǎng)格劃分體”拾取框圖 10-38 網(wǎng)格劃分結(jié)果（ 3 ）刪除粘貼在一起的面10 和 12 。執(zhí)行主菜單中的 Preprocessor Meshing ConcatenateDel ConcatsAreas 命令，粘貼在一起的面自然分開。（ 4）劃分右端管板部分網(wǎng)格。執(zhí)行菜單欄中的Plot Volumes 命令顯示體，重復(fù)步驟（ 2）中的操作給編號為 10 的體進(jìn)行網(wǎng)格劃分：將編號為 26， 27，30， 31 的線劃分為 10 份，將 編號為 69， 70， 71， 72 的線劃分為 5 份，將編號為 5，

47、58 的線劃分為 20 份，將編號為 34， 35， 36，56，57的線劃分為 20 份，將編號為 16，18 的面通過 Concatenate Areas命令 粘貼在一起，對編號為 10 的體劃分網(wǎng)格。注意劃分完這部分網(wǎng)格后，要刪除粘貼在一起的面 16 和 18。（ 5）劃分換熱管模型網(wǎng)格。執(zhí)行菜單欄中的Plot Volumes 命令顯示體， 采用與上相同的方法，在“網(wǎng)格劃分屬性”對話框的“ MAT”下拉列表框中選擇“ 2 ”，如圖 16-39 所示，表示 給第二種材料劃分網(wǎng)格，把第二種材料的參數(shù)賦予其本身。（6）選擇編號為 6、 7、 8的體。執(zhí)行菜單欄中的 Select Entitie

48、s 命令，彈出“實(shí)體選 擇”對話框，按照如圖 10-40 所示的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，單擊“ OK”按鈕，彈出“實(shí)體選擇”拾取 框，拾取編號為 6、 7、 8 的體，單擊“ OK”按鈕；執(zhí)行菜單欄中的 Select Entities 命令，彈 出“實(shí)體選擇”對話框，按照如圖 10-41 （ a）的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，單擊“ Apply”按鈕，再按照 如圖 10-41 （ b）所示的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，單擊“ OK”按鈕；參照步驟 （2）中的方法，把編號為 42，43， 49， 50 的線分為 20份，把編號為 1， 3，6， 8， 52， 54， 59，60 的線分為 4 份，把編號為 61, 62, 63, 6

49、4 的線劃分為 80 份，劃分這三個體，劃分完畢后的有限元模型如圖 10-42 所示。圖 10-39 “網(wǎng)格劃分屬性”對話框圖 10-40 “實(shí)體選擇”對話框a）（ b）圖 10-41 “實(shí)體選擇”對話框圖 10-42 劃分網(wǎng)格后的有限元模型（部分）（ 7）合并項(xiàng)目并壓縮編號。執(zhí)行菜單欄中的Select Everything 命令，然后執(zhí)行主菜單中的 PreprocessorNumbering CtrlsMerge item 命令， 彈出如圖 10-43 所示的 “合并重合或相等項(xiàng) 目”對話框，在“ Label”下拉列表框中選擇“ ALL”選項(xiàng)，單擊“ OK”按鈕；執(zhí)行主菜單中的 Prepro

50、cessor Numbering Ctrls Compress Numbers 命令，彈出如圖 10-44 所示的“壓縮編號” 對話框，在“ Label”下拉列表框中選擇“ ALL”選項(xiàng)，單擊“ OK”按鈕。圖 10-43“合并重合或相等項(xiàng)目”對話框圖 10-44 “壓縮編號”對話框（ 8）保存網(wǎng)格結(jié)果。執(zhí)行菜單欄中的 Select Everything 命令，然后執(zhí)行菜單欄中的 FileSave as命令，彈出“保存數(shù)據(jù)庫” 對話框，在 Save Database to”文本框中輸入 “Pipe thermal Mesh.db ”，單擊“ OK”按鈕。5. 加載以及求解（ 1）施加管程對流載

51、荷。 執(zhí)行主菜單中的 SolutionDefine LoadsApplyThermalConvection On Areas命令，彈出一個拾取框， 在圖形窗口中拾取編號為 A23、A1、A7、 A17、A8、 A2、 A27 的面，單擊“ OK”按鈕，彈出如圖 10-45 所示的“對面施加管程對流載荷”對話框，在“ VALI Film coefficient ”文本框中輸入“ 426 ”，在“ VAL21 Bulk temperature ”文本框中輸入“ 200”，單 擊“ OK”按鈕；重復(fù)上述命令，拾取編號為A20，A24，A28 的面，單擊“ OK”按鈕，在“ VALIFilm coef

52、ficient 文本框中輸入“ 3000”，在“ VAL2I Bulk temperature ”文本框中輸入“ 250 ”，單 擊“ OK”按鈕。圖 16-45 “對面施加管程對流載荷”對話框（ 2）求解。執(zhí)行主菜單中的 Solution Solve Current LS 命令，彈出一個信息提示窗口和“求解當(dāng)前載荷步”對話框，瀏覽信息提示窗口中的內(nèi)容，確認(rèn)無誤后單擊對話框中的“OK”按鈕進(jìn)行求解；求解結(jié)束后，彈出提示窗，單擊“Close”按鈕將其關(guān)閉，然后保存結(jié)果文件。6. 查看結(jié)果（后處理）（ 1）繪制溫度分布云圖。 執(zhí)行主菜單中的 General PostprocPlot Results

53、Contour Plot Nodal Solu 命令，彈出如圖 10-46 所示的“輪廓節(jié)點(diǎn)解數(shù)據(jù)”對話框，在列表框中依次選擇 Nodal Solution DOF Solution，“ Nodal Temperature ”選項(xiàng)，單擊“ OK”按鈕，生成的溫度分布云圖如圖 10-47 所示。（ 2）繪制熱梯度分布云圖。 執(zhí)行主菜單中釣 General PostprocPlot ResultsContour PlotNodal, Solu 命令，彈出“輪廓節(jié)點(diǎn)解數(shù)據(jù)”對話框，在列表框中依次選擇 Nodal SolutionThermal GradientThermal Gradient vec

54、tor sum 選項(xiàng)，單擊“ OK”按鈕、生成的溫度梯度分布云圖如圖 10-48 所示。7. 保存計算結(jié)果，退出 ANSYS。圖 10-46 “輪廓節(jié)點(diǎn)解數(shù)據(jù)”對話框圖 10-47 溫度分布云圖圖 10-48 溫度梯度分布云圖10.4 鋼球淬火過程溫度分析示例一個直徑為 0.2m ，溫度為 500oC 的鋼球突然放入溫度為0oC 水中，對流傳熱系數(shù)為650W/m 2oC，計算 1分鐘后鋼球的溫度場分布和球心溫度隨時間的變化規(guī)律、鋼球材料的彈 性模量為 220GPa，泊松比為 0.28 密度為 7800kg/m 3熱膨脹系數(shù)為 1.3x10-6/ oC，導(dǎo)熱系數(shù)為 70，比熱為 448J/kg

55、oC。1. 定義工作文件名及文件標(biāo)題（1）定義工作文件名。 執(zhí)行菜單欄中的 FileChange Jobname命令，彈出“更改工作名稱” 對話框，輸入文件名為“ Ball_ thermal ”，單擊“ OK”按鈕。（2）定義工作標(biāo)題。執(zhí)行菜單欄中的File Change Title 命令，彈出“更改標(biāo)題”對話框，輸入標(biāo)題為“ Cooling of a steel ball ，單擊“ OK”按鈕。（ 3）關(guān)閉坐標(biāo)符號的顯示。執(zhí)行菜單欄中的Plot Ctrls Window ControlsWindow Options命令，彈出“窗口選項(xiàng)”對話框，在“ Location of triad ”下拉列表框中選擇“ Not Shown ”選項(xiàng) 單擊 “ OK”按鈕。2定義單元類型及材料屬性（1）定義單元類型 及單元 特性， 執(zhí) 行主菜單 中 的 Preprocessor Eleme