有限元分析熱分析

有限元分析熱分析第1頁/共96頁主要講授三方面內(nèi)容：

ANSYS熱分析基礎(chǔ)知識(shí)簡介穩(wěn)態(tài)熱分析實(shí)例瞬態(tài)熱分析實(shí)例第2頁/共96頁7.1.1ANSYS熱分析基礎(chǔ)知識(shí)簡介一、ANSYS熱分析功能介紹

ANSYS熱分析模塊主要有：ANSYS/MultiphysicsANSYS/MechanicalANSYS/ThermalANSYS/FLOTRANANSYS/ED其中，ANSYS/FLOTRAN不含相變熱分析。

第3頁/共96頁ANSYS熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計(jì)算物體內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)的溫度，并導(dǎo)出其它熱物理參數(shù)。運(yùn)用ANSYS軟件可進(jìn)行熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射、相變、熱應(yīng)力以及接觸熱阻等問題的分析求解

。第4頁/共96頁此外，ANSYS不僅能解決純粹的熱分析問題，還能解決與熱相關(guān)的其它問題，如熱—應(yīng)力分析、熱—電分析、熱—磁分析等。一般稱這類涉及兩個(gè)或多個(gè)物理場相互作用的問題為耦合場分析。ANSYS提供了兩種分析耦合場的方法：直接耦合法與間接耦合法。

第5頁/共96頁二、單位制問題：在ANSYS熱分析過程中，不一定都要采用國際單位制，但必須要使所有物理量的單位統(tǒng)一起來。ANSYS中共有五種單位可供選擇（命令流方式：/UNITS；或Mainmenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialLibrary>SelectUnits）：SI（MKS）代表國際單位制，其基本單位為m，kg，s，K。第6頁/共96頁CGS代表厘米、克、秒單位制，其基本單位為cm，g，s，℃。BFT代表以英尺為主的英制單位制，其基本單位為ft，slug，s，℉。BIN代表以英寸為主的英制單位制，其基本單位為in，ibm，s，℉。USER代表用戶自定義單位制，即用戶可以根據(jù)需要定義基本單位。第7頁/共96頁三、熱分析時(shí)的三類邊界條件和初始條件：第一類邊界條件：物體邊界上的溫度函數(shù)已知；第二類邊界條件：物體邊界上的熱流密度已知；第三類邊界條件：與物體相接觸的流體介質(zhì)的溫度和換熱系數(shù)已知。初始條件：初始條件是指傳熱過程開始時(shí)，物體在整個(gè)區(qū)域中所具有的溫度為已知值。第8頁/共96頁四、熱分析時(shí)的載荷：ANSYS共提供了6種載荷，可以施加在實(shí)體模型或單元模型上。

（1）溫度：作為第一類邊界條件，溫度可以施加在有限元模型的節(jié)點(diǎn)上，也可以施加在實(shí)體模型的關(guān)鍵點(diǎn)、線段及面上。（2）熱流率：熱流率（HeatFlow）是一種節(jié)點(diǎn)集中載荷，只能施加在節(jié)點(diǎn)或關(guān)鍵點(diǎn)上，主要用于線單元模型。第9頁/共96頁（3）對流：對流（Convection）是一種面載荷，用于計(jì)算流體與實(shí)體的熱交換。它可以施加在有限元模型的節(jié)點(diǎn)及單元上，也可以施加在實(shí)體模型的線段和面上。（4）熱流密度：又稱熱通量（HeatFlux）單位為W/m2。熱流密度是一種面載荷，表示通過單位面積的熱流率。當(dāng)通過單位面積的熱流率已知時(shí)，可在模型相應(yīng)的外表面施加熱流密度。若輸入值為正，則表示熱流流入單元；反之，則表示熱流流出單元。它可以施加在有限元模型的節(jié)點(diǎn)及單元上，也可以施加在實(shí)體模型的線段和面上。

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（5）生熱率：生熱率既可看成是材料的一種基本屬性，又可作為載荷施加在單元上。它可以施加在有限元模型的節(jié)點(diǎn)及單元上，也可以施加在實(shí)體模型的關(guān)鍵點(diǎn)、線段、面及體上。（6）熱輻射率：熱輻射率也是一種面載荷，通常施加于實(shí)體的外表面。它可以施加在有限元模型的節(jié)點(diǎn)及單元上，也可以施加在實(shí)體模型的線段和面上。第11頁/共96頁五、熱分析時(shí)的三種傳熱方式及材料基本屬性

（1）熱傳導(dǎo)：當(dāng)物體內(nèi)部存在溫差，即存在溫度梯度時(shí)，熱量從物體的高溫部分傳遞到低溫部分；而且不同溫度的物體相互接觸時(shí)熱量會(huì)從高溫物體傳遞到低溫物體。這種熱量傳遞的方式稱為熱傳導(dǎo)。

Q/t=KA(Thot-Tcold)/d

式中：Q為時(shí)間t內(nèi)的傳熱量或熱流量；K為熱傳導(dǎo)率或熱傳導(dǎo)系數(shù)；

第12頁/共96頁（2）對流：熱對流是指固體的表面與它周圍接觸的液體或氣體（統(tǒng)稱為流體）之間，由于溫差的存在而引起的熱量交換。高溫物體表面（如暖氣片）常常發(fā)生對流現(xiàn)象，這是因?yàn)楦邷匚矬w表面附近的空氣因受熱而膨脹，密度降低并向上流動(dòng)。與此同時(shí)，密度較大的冷空氣下降并代替原來的受熱空氣。第13頁/共96頁熱對流可以分為兩類：自然對流和強(qiáng)制對流。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。

第14頁/共96頁（3）輻射：熱輻射是指物體發(fā)射電磁能，并被其它物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿臒崃拷粨Q過程。物體溫度越高，單位時(shí)間輻射的熱量越多。熱傳導(dǎo)和熱對流都需要有傳熱介質(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?？紤]兩個(gè)或兩個(gè)以上物體之間的輻射，系統(tǒng)中每個(gè)物體同時(shí)輻射并吸收熱量，它們之間的凈熱量傳遞可以用如下斯蒂芬—波爾茲曼方程來計(jì)算：第15頁/共96頁q=êɡA1F12(T41-T42)式中：q為熱流率；ê為實(shí)際物體的輻射率，或稱黑度，它的數(shù)值處于0～1之間；ɡ為斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)，約為5.67×108W/m2.K4；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為輻射面對1的絕對溫度；T2為輻射面2的絕對溫度。第16頁/共96頁在ANSYS熱分析中，在確定分析選項(xiàng)，即MainMenu>Solution>AnalysisType>AnalysisOptions的對話框中有一個(gè)選項(xiàng)：Temperaturedifference，該選項(xiàng)用于確定絕對零度，即需要將目前的溫度值換算為絕對溫度。如果在熱分析過程中使用的溫度單位是攝氏度，則該值應(yīng)設(shè)定為273。從上式可以看出，包含熱輻射的熱分析是高度非線性的。

第17頁/共96頁（4）比熱容（SpecificHeat）：是指單位質(zhì)量的物質(zhì)每升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的熱量，簡稱比熱，其單位為J/(Kg.℃)。其計(jì)算公式為：

C=Q/（m.△T）式中：△T=TE-TB，為TE為終止時(shí)刻溫度；TB為開始時(shí)刻溫度；Q為該時(shí)間段內(nèi)物體吸收或放出的總熱量；m為質(zhì)量。第18頁/共96頁（5）焓（Enthalpy）：定義為H=U+PV，式中H為焓，U為內(nèi)能，P、V分別為壓力和體積。對于常壓情況，上式又可表示為：△H=△U+P.△V=△Q

說明在常壓條件下，焓的變化即為熱量的變化。

第19頁/共96頁（6）生熱率（HeatGenerationRate）：生熱率既可以材料屬性的形式進(jìn)行定義，同時(shí)又可以體載荷的形式施加到單元上，用于模擬化學(xué)反應(yīng)生熱或電流生熱，其單位是單位體積的熱流率。

第20頁/共96頁六、穩(wěn)態(tài)熱分析與瞬態(tài)熱分析：

（1）穩(wěn)態(tài)傳熱：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，則系統(tǒng)處于熱穩(wěn)態(tài)。在穩(wěn)態(tài)熱分析中任一節(jié)點(diǎn)的溫度都不隨時(shí)間變化。（2）瞬態(tài)傳熱：瞬態(tài)傳熱過程是指一個(gè)系統(tǒng)的加熱或冷卻過程。在這個(gè)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(shí)間都有明顯變化。第21頁/共96頁七、線性與非線性熱分析ANSYS在熱分析過程中，如果有下列情況中的一種或幾種出現(xiàn)，則該分析為非線性熱分析：材料熱性能隨溫度變化；邊界條件隨溫度變化；含有非線性單元；考慮輻射傳熱。

第22頁/共96頁7.1.2穩(wěn)態(tài)熱分析實(shí)例1—長空心圓柱

體的熱傳導(dǎo)過程ANSYS分析

問題描述：有一空心鋼圓柱體，內(nèi)半徑與外半徑分別為0.2m、0.6m，長度為10m。鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為70W/（m.℃)，現(xiàn)在柱體的外表面施加均勻溫度載荷80℃，假設(shè)柱體內(nèi)表面溫度為恒定值20℃。試求鋼柱體內(nèi)部的溫度場分布。第23頁/共96頁簡要分析：該問題屬于穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)問題。由于柱體的長度遠(yuǎn)大于其直徑，可忽略其終端效應(yīng)，同時(shí)根據(jù)問題的對稱性，求解過程中取圓柱體橫截面的1/4建立幾何模型。

幾何模型第24頁/共96頁1.建立工作文件名和工作標(biāo)題，并選擇Preferences進(jìn)行篩選：第25頁/共96頁第26頁/共96頁第27頁/共96頁2.定義單元類型和材料屬性第28頁/共96頁第29頁/共96頁創(chuàng)建幾何模型、劃分網(wǎng)格3.1幾何建模第30頁/共96頁第31頁/共96頁3.2劃分網(wǎng)格：先對線進(jìn)行標(biāo)注，然后畫線以便于操作。第32頁/共96頁第33頁/共96頁第34頁/共96頁第35頁/共96頁第36頁/共96頁4加載求解4.1選擇分析類型：第37頁/共96頁4.2對線上各節(jié)點(diǎn)施加溫度載荷：先對1線上的節(jié)點(diǎn)加溫度載荷第38頁/共96頁第39頁/共96頁4.3定義載荷

第40頁/共96頁第41頁/共96頁第42頁/共96頁4.4定義2線上的溫度載荷：

第43頁/共96頁第44頁/共96頁4.5定義溫度載荷值：

第45頁/共96頁第46頁/共96頁4.6載荷步及輸出結(jié)果控制選項(xiàng)設(shè)置：

第47頁/共96頁4.7求解：

第48頁/共96頁第49頁/共96頁5.查看求解結(jié)果：

第50頁/共96頁第51頁/共96頁7.1.3瞬態(tài)熱分析實(shí)例1—型材瞬態(tài)傳

熱過程ANSYS分析問題描述：有一橫截面為矩形的各向異性型材，其初始溫度為500℃，現(xiàn)突然將其置于溫度為20℃的空氣中，求1分鐘后該型材的溫度場分布及其中心溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。材料性能參數(shù)如下：密度為2400kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)KXX為30W/(m.℃)，KYY、KZZ為彈性模量為10W/(m.℃)，比熱為352J/(kg.℃)，對流系數(shù)為110W/(m2.℃)

。第52頁/共96頁簡要分析：該問題屬于瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題。由于材料沿長度方向的尺寸遠(yuǎn)大于其它兩個(gè)方向的尺寸，將其簡化為平面應(yīng)變問題。在分析過程中取型材橫截面的1/4建立模。0.40.2第53頁/共96頁1.建立工作文件名和工作標(biāo)題，并選擇Preferences進(jìn)行篩選：：

第54頁/共96頁2.定義單元類型和材料屬性：

第55頁/共96頁第56頁/共96頁第57頁/共96頁第58頁/共96頁3.創(chuàng)建幾何模型、劃分網(wǎng)格3.1幾何建模：第59頁/共96頁對線進(jìn)行標(biāo)注并畫線，結(jié)果如下圖所示

：

第60頁/共96頁3.2劃分網(wǎng)格：先設(shè)置單元尺寸（對所選1號(hào)線進(jìn)行定義）：

第61頁/共96頁第62頁/共96頁結(jié)果如下圖所示：

第63頁/共96頁對3號(hào)線進(jìn)行相似操作：

第64頁/共96頁對2號(hào)線進(jìn)行相似操作：

第65頁/共96頁對4號(hào)線進(jìn)行相似操作（NDIV取30，SPACE取5）后得

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第66頁/共96頁3.3用MeshTool劃分網(wǎng)格：

第67頁/共96頁結(jié)果如下圖所示

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第68頁/共96頁第69頁/共96頁ChangeTitle：ELEMENTSINMODEL后點(diǎn)擊PlotElements為

：

第70頁/共96頁4.加載求解4.1分析類型選擇：第71頁/共96頁第72頁/共96頁4.2求解控制選擇：Basic選項(xiàng)（變化）和Transient選項(xiàng)（沒變）的設(shè)置

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第73頁/共96頁第74頁/共96頁4.3施加溫度載荷：先對全部施加均布溫度載荷500℃

第75頁/共96頁再對線2和線3上的各節(jié)點(diǎn)施加溫度及對流載荷。首先點(diǎn)擊SelectEntities：如下圖（選定所要加對流和溫度的線：通過拾取獲得）：

第76頁/共96頁點(diǎn)擊所要加對流及溫度的兩條線：第77頁/共96頁然后選擇從屬于此線上的所有節(jié)點(diǎn)，按下圖操作：第78頁/共96頁對所選節(jié)點(diǎn)施加對流及溫度載荷：按下圖選擇，然后點(diǎn)擊PickAll：第79頁/共96頁對流及溫度值的設(shè)置

：第80頁/共96頁Selecteverything后得

：第81頁/共96頁分析類型選項(xiàng)的設(shè)置

：第82頁/共96頁3.4求解

第83頁/共96頁查看結(jié)果4.1先點(diǎn)擊ReadResults中的LastSet

第84頁/共96頁4.2然后PlotResults，按下圖設(shè)置：

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