ANSYS-热分析培训-热接触解析
ANSYS中的接触分析教程
一般的接触分类 (2)ANSYS接触能力 (2)点─点接触单元 (3)点─面接触单元 (3)面─面的接触单元 (4)执行接触分析 (4)面─面的接触分析 (5)接触分析的步骤： (5)步骤1：建立模型，并划分网格 (5)步骤二：识别接触对 (5)步骤三：定义刚性目标面 (6)步骤4：定义柔性体的接触面 (9)步骤5：设置实常数和单元关键字 (10)步骤六： (20)步骤7：给变形体单元加必要的边界条件 (21)步骤8：定义求解和载步选项 (21)第十步：检查结果 (22)点─面接触分析 (24)点─面接触分析的步骤 (25)点－点的接触 (33)接触分析实例（GUI方法） (36)接触分析实例（命令流方式） (38)接触分析接触问题是一种高度非线性行为，需要较大的计算资源，为了进行实为有效的计算，理解问题的特性和建立合理的模型是很重要的。
接触问题存在两个较大的难点：其一，在你求解问题之前，你不知道接触区域，表面之间是接触或分开是未知的，突然变化的，这随载荷、材料、边界条件和其它因素而定；其二，大多的接触问题需要计算摩擦，有几种摩擦和模型供你挑选，它们都是非线性的，摩擦使问题的收敛性变得困难。
一般的接触分类接触问题分为两种基本类型：刚体─柔体的接触，半柔体─柔体的接触，在刚体─柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被当作刚体，（与它接触的变形体相比，有大得多的刚度），一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，问题可以被假定为刚体─柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触，另一类，柔体─柔体的接触，是一种更普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是变形体（有近似的刚度）。
ANSYS接触能力ANSYS支持三种接触方式：点─点，点─面，平面─面，每种接触方式使用的接触单元适用于某类问题。
为了给接触问题建模，首先必须认识到模型中的哪些部分可能会相互接触，如果相互作用的其中之一是一点，模型的对立应组元是一个结点。
Ansys12.0 Mechanical教程-5热分析
Workbench -Mechanical Introduction第六章热分析概念Training Manual •本章练习稳态热分析的模拟，包括：A.几何模型B B.组件-实体接触C.热载荷D.求解选项E E.结果和后处理F.作业6.1本节描述的应用般都能在ANSYS DesignSpace Entra或更高版本中使用，除了•本节描述的应用一般都能在ANSYS DesignSpace EntraANSYS Structural提示：在S S热分析的培训中包含了包括热瞬态分析的高级分析•ANSYSTraining Manual稳态热传导基础•对于一个稳态热分析的模拟，温度矩阵{T}通过下面的矩阵方程解得：()[]{}(){}T Q T T K =•假设：–在稳态分析中不考虑瞬态影响[K]可以是个常量或是温度的函数–[K] 可以是一个常量或是温度的函数–{Q}可以是一个常量或是温度的函数稳态热传导基础Training Manual •上述方程基于傅里叶定律：•固体内部的热流（Fourier’s Law）是[K]的基础；•热通量、热流率、以及对流在{Q}为边界条件；•对流被处理成边界条件，虽然对流换热系数可能与温度相关•在模拟时，记住这些假设对热分析是很重要的。
A. 几何模型Training Manual •热分析里所有实体类都被约束：–体、面、线•线实体的截面和轴向在DesignModeler中定义•热分析里不可以使用点质量（Point Mass）的特性•壳体和线体假设：–壳体：没有厚度方向上的温度梯度–线体：没有厚度变化，假设在截面上是一个常量温度•但在线实体的轴向仍有温度变化… 材料特性Training Manual •唯一需要的材料特性是导热性（Thermal Conductivity）•Thermal Conductivity在Engineering Data 中输Engineering Data入•温度相关的导热性以表格形式输入若存在任何的温度相关的材料特性，就将导致非线性求解。
Ansys热分析教程 第十章
• 学习每种单元的自由度和允许的载荷。耦合场单元允许的相同位置 (节点,单元面等)施加多种类型的载荷 (D, F, SF, BF) 。 • 耦合场分析可以使高度非线性的。考虑使用Predictor 和 Line Search 功能改善收敛性。 • 考虑使用Multi-Plots功能将不同场的结果同时输出到多个窗口中。
1.建立，加载，求解 热模型
5c.读入热模型并进行 温度插值 (BFINT)
结束 5d. 读入结构模型并读 入体载荷文件 (/INPUT)
9. 后处理
4.定义结构材料特性
6. 指定分析类型，分 析选项和载荷步选项
7. 指定参考温度并施 加其它结构载荷
8. 存储并求解
流程细节
下面是热-应力分析的每步细节。
什么是耦合场分析? (续)
间接耦合分析是以特定的顺序求解单个物理场的模型。前一个分析的 结果作为后续分析的边界条件施加。有时也称之为序贯耦合分析。
本分析方法主要用于物理场之间单向的耦合关系。例如，一个场的响 应（如热）将显著影响到另一个物理场（如结构）的响应，反之不成 立。本方法一般来说比直接耦合方法效率高，而且不需要特殊的单元 类型。 本章中我们只讨论涉及热的耦合现象。请注意并非所有ANSYS产品都 支持所有耦合单元类型和分析选项。例如，ANSYS/Thermal产品只提 供热—电直接耦合。详细说明参见Coupled-Field Analysis Guide。
Ansys热分析教程_第二章基本概念
t time T temperature
density
c specific heat hf film coefficient
emissivity Stefan - Boltzmann constant
K thermal conductivity Q heat flow(rate) q * heat flux q internal heat generation / volume E energy
负号表示热沿梯度的反向流动 (例如, 热从热的部分流向冷的).
q*
T
dT dn
n
对流的热流由冷却的牛顿准则得出:
q * h f (TS TB ) heat flow rate per unit area between surface and fluid Where, h f = convective film coefficient TS = surface temperature TB = bulk fluid temperature
一般来说，稳态分析中网格上结点温度比实际温度要低。也就是 说，如果加密网格，温度将增加，但加密到一定程度，结果将不 显著增加(也就是说, 结果收敛)。
T
网格密度
引起奇异性的原因
◦ 整体求解的奇异性 在稳态分析中当有热量输入(比如, 施加结点热流，热流，内部热源)而无热 流流出(指定的结点温度，对流载荷等)，稳态的温度将是无限大的。 等同于结构分析中的刚体位移。 ◦ 温度梯度/热流奇异性
将区域分解(也称“划分”) 为简单的形状; 2-D模型中的四边形 和/或三角形, 3-D模型中的四面体，金字塔形或六面体。
Ansys热分析教程(全)
章节内容概述
• 第7章-续 – 例题 6 - 低压气轮机箱的热分析
• 第 8 章 - 辐射 – 辐射概念的回顾 – 基本定义 – 辐射建模的可选择方法 – 辐射矩阵模块 – 辐射分析例题 - 使用辐射矩阵模块进行热沉分析，隐式和非隐式方 法。
• 第 9 章 - 相变 – 基本模型/术语 – 在 ANSYS中求解相变 – 相变例题 - 飞轮铸造分析
传导
• 传导的热流由传导的傅立叶定律决定：
q*
=
− Knn
∂T ∂n
=
heat
flow
rate
per
unit
area
in
direction
n
Where, Knn = thermal conductivity in direction n
T = temperature
∂T = thermal gradient in direction n ∂n
• 负号表示热沿梯度的反向流动(i.e., 热从热的部分流向冷的).
q*
T
dT
dn
n
对流
• 对流的热流由冷却的牛顿准则得出:
q* = hf (TS − TB ) = heat flow rate per unit area between surface and fluid
Where, hf = convective film coefficient TS = surface temperature TB = bulk fluid temperature
• 第 6 章 - 复杂的, 时间和空间变化的边界条件 – 表格化的热边界条件 (载荷) – 基本变量 – 用户定义的因变变量
章节内容概述
ANSYS_热分析培训-热接触
HEAT TRANSFER 6.0
… 实例
5. 施加结构分析的边界条件。
培训手册
对称
固定 X 和Y方 向自由度
Inventory #01445 March 30, 2002 11-20
HEAT TRANSFER 6.0
HEAT TRANSFER 6.0
热接触
… 实例
6. 施加强迫的位移。
Y方向的位移 -0.01 in
培训手册
Inventory #01445 March 30, 2002 11-21
Inventory #01445 March 30, 2002 11-23
热接触
… 实例
10. 画节点温度云图
注意：接触面处温度的不匹配。 记住： TCC = .001.
培训手册
Inventory #01445 March 30, 2002 11-24
HEAT TRANSFER 6.0
热接触
… 实例
– SBCT为Stefan-Boltzmann常数 （由实常数输入）
– TOFFST 为由绝对温度的温度偏移（命令TOFFST ）
– 接触面和目标面间的热流
0 < gap < pinball
– 自由面中接触面到环境的热流
• 自由面的确定与对流相同
培训手册
Inventory #01445 March 30, 2002 11-8
热接触
• 热传导： q = TCC * (TT - TC)
– TCC为热接触导热系数（由实常数输入） • 可以使一个表参数（压力和温度的函数）
– TT 与TC 分别为目标面及接触面温度 – 当处于接触状态时将关闭热流 – 模型温度在接触面处不连续
ansysworkbench热分析教程
6-1A. 几何模型B. 组件-实体接触C. 热载荷D. 求解选项E. 结果和后处理F. 作业6.1• 本节描述的应用一般都能在ANSYS DesignSpace Entra或更高版本中使用，除了ANSYS Structural• 提示：在ANSYS 热分析的培训中包含了包括热瞬态分析的高级分析K T T= Q T –在稳态分析中不考虑瞬态影响–[K] 可以是一个常量或是温度的函数–{Q}可以是一个常量或是温度的函数• 固体内部的热流（Fourier’s Law）是[K]的基础；• 热通量、热流率、以及对流在{Q} 为边界条件；•对流被处理成边界条件，虽然对流换热系数可能与温度相关•在模拟时，记住这些假设对热分析是很重要的。
–体、面、线•线实体的截面和轴向在D esignModeler中定义• 热分析里不可以使用点质量（Point Mass）的特性•壳体和线体假设：–壳体：没有厚度方向上的温度梯度–线体：没有厚度变化，假设在截面上是一个常量温度• 但在线实体的轴向仍有温度变化•唯一需要的材料特性是导热性（Thermal Conductivity）•Thermal Conductivity在Engineering Data 中输入•温度相关的导热性以表格形式输入若存在任何的温度相关的材料特性，就将导致非线性求解。
–如果部件间初始就没有接触，那么就不会发生热传导（见下面对pinball的解释）。
–总结：–Pinball区域决定了什么时候发生接触，并且是自动定义的，同时还给了一个相对较小的值来适应模型里的小间距。
•如果接触是Bonded（绑定的）或no separation（无分离的），那么当面出现在pinball radius内时就会发生热传导（绿色实线表示）。
Pinball Radius右图中，两部件间的间距大于pinball区域，因此在这两个部件间会发生热传导。
• 默认情况下，假设部件间是完美的热接触传导，意味着界面上不会发生温度实际情况下，有些条件削弱了完美的热接触传导：––––压力表面温度T使用导电脂....Tx•接q = TCC target- T contact–式中T contact 是一个接触节点上的温度，T target 是对应目标节点上的温度–默认情况下，基于模型中定义的最大材料导热性KXX和整个几何边界框的对角线ASMDIAG，T CC 被赋以一个相对较大的值。
ANSYS热分析指南——ANSYS稳态热分析word精品文档59页
ANSYS热分析指南(第三章)第三章稳态热分析3.1稳态传热的定义ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical，ANSYS/FLOTRAN和ANSYS/Professional这些产品支持稳态热分析。
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，进行稳态热分析用于确定初始温度分布。
也可以在所有瞬态效应消失后，将稳态热分析作为瞬态热分析的最后一步进行分析。
稳态热分析可以计算确定由于不随时间变化的热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数。
这些热载荷包括：对流辐射热流率热流密度（单位面积热流）热生成率（单位体积热流）固定温度的边界条件稳态热分析可用于材料属性固定不变的线性问题和材料性质随温度变化的非线性问题。
事实上，大多数材料的热性能都随温度变化，因此在通常情况下，热分析都是非线性的。
当然，如果在分析中考虑辐射，则分析也是非线性的。
3.2热分析的单元ANSYS和ANSYS/Professional中大约有40种单元有助于进行稳态分析。
有关单元的详细描述请参考《ANSYS Element Reference》，该手册以单元编号来讲述单元，第一个单元是LINK1。
单元名采用大写，所有的单元都可用于稳态和瞬态热分析。
其中SOLID70单元还具有补偿在恒定速度场下由于传质导致的热流的功能。
这些热分析单元如下：表3-1二维实体单元表3-2三维实体单元表3-3辐射连接单元表3-4传导杆单元表3-5对流连接单元表3-6壳单元表3-7耦合场单元表3-8特殊单元3.3热分析的基本过程ANSYS热分析包含如下三个主要步骤：前处理：建模求解：施加荷载并求解后处理：查看结果以下的内容将讲述如何执行上面的步骤。
首先，对每一步的任务进行总体的介绍，然后通过一个管接处的稳态热分析的实例来引导读者如何按照GUI路径逐步完成一个稳态热分析。
最后，本章提供了该实例等效的命令流文件。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
热接触
… 实例
1. 使用输入文件 “th_contact.inp”，读入模型。 2. 使用接触向导创建接触对。
培训手册
HEAT TRANSFER 6.0
Inventory #01445 March 30, 2002 11-13
热接触
… 实例
– 选择下方实体的顶部的线作为目标面。
培训手册
HEAT TRANSFER 6.0
– TC 为接触面的温度
– 接触面和目标面间的热流
0 < gap < pinball
– 自由面中接触面到环境的热流
• 自由面由下面的条件确定：
– 开放的环境的接触
(gap > pinball)
– 只存在接触单元（忽略目标单元）
– 如果存在目标单元，其Keyopt(3)=1
培训手册
Inventory #01445 March 30, 2002 11-7
培训手册
HEAT TRANSFER 6.0
Inventory #01445 March 30, 2002 11-18
热接触
… 实例
• 本例使用常数 TCC = .001.
若接触选项
培训手册
Inventory #01445 March 30, 2002 11-19
HEAT TRANSFER 6.0
热接触
DT
T
x
Inventory #01445 March 30, 2002 11-2
HEAT TRANSFER 6.0
热接触
培训手册
• ANSYS能够模拟这种情况以及其他复杂的热问题，通过使用….
– 结构－热接触的耦合场分析 • 支持通用的热接触分析能力。 • 典型应用： – 金属成形 – 装配接触 – 燃气涡轮
11. 现在，修改TCC = 1，并再次求解。
培训手册
HEAT TRANSFER 6.0
Inventory #01445 March 30, 2002 11-25
热接触
… 实例
12. 画节点温度云图
注意：温度在接触面处连续。 记住： TCC = 1.
培训手册
Inventory #01445 March 30, 2002 11-26
HEAT TRANSFER 6.0
热接触
• 辐射：
q = RDVF * EMIS * SBCT * [(TE + TOFFST)4 - (TC + TOFFST)4] – RDVF为辐射的形状系数（由实常数输入）
• RDVF 可以为表参数（时间、温度，间隙的函数）
– EMIS 为面的辐射率（材料属性）
热接触
• 热传导： q = TCC * (TT - TC)
– TCC为热接触导热系数（由实常数输入） • 可以使一个表参数（压力和温度的函数）
– TT 与TC 分别为目标面及接触面温度 – 当处于接触状态时将关闭热流 – 模型温度在接触面处不连续
没有 DT （连续材料）
DT （接触面）
培训手册
Inventory #01445 March 30, 2002 11-5
– SBCT为Stefan-Boltzmann常数 （由实常数输入）
– TOFFST 为由绝对温度的温度偏移（命令TOFFST ）
– 接触面和目标面间的热流
0 < gap < pinballຫໍສະໝຸດ – 自由面中接触面到环境的热流
• 自由面的确定与对流相同
培训手册
Inventory #01445 March 30, 2002 11-8
Inventory #01445 March 30, 2002 11-9
HEAT TRANSFER 6.0
热接触
培训手册
• 热接触技巧
– 接触导热系数 TCC • 单位为 热 / (时间*度*面积) • 一般小于相应的接触实体的导热系数
– 对摩擦生热，TIME 必须有真实的时间单位 • 但是，如果结构的惯性和阻尼不重要，可以关闭瞬态效应以加速求 解TIMINT,STRUC,OFF
Inventory #01445 March 30, 2002 11-14
热接触
… 实例
– 选择上方实体的底部的两根线作为接触面。
培训手册
HEAT TRANSFER 6.0
Inventory #01445 March 30, 2002 11-15
热接触
… 实例
– 使用缺省设置创建接触对。
培训手册
– 接触面间的热传导 – 摩擦耗能所导致的热生成 – 热对流和/或热辐射
• 具有小间隙的接触面 • 从自由面到环境 – 开放的间隙处的热流输入
注意: 本课程主要讲述接触面之间的热传导。有关热接触其他功能的情 况请参考ANSYS相关文档。
Inventory #01445 March 30, 2002 11-4
… 实例
5. 施加结构分析的边界条件。
培训手册
对称
固定 X 和Y方 向自由度
Inventory #01445 March 30, 2002 11-20
HEAT TRANSFER 6.0
HEAT TRANSFER 6.0
热接触
… 实例
6. 施加强迫的位移。
Y方向的位移 -0.01 in
培训手册
Inventory #01445 March 30, 2002 11-21
HEAT TRANSFER 6.0
HEAT TRANSFER 6.0
热接触
培训手册
• 外部的热流密度输入
– SFE 只能施加在接触面上（不能施加在目标面上） • 只有接触状态为开时，热流密度才起作用 • 对近距离的接触，热流密度同时作用在接触面和目标面上 • 对于自由面的情况，热流密度只作用在接触面上 – 自由面的确定与对流相同
– 不能同时在某个单元上施加对流
培训手册
车轮的刹车垫
Inventory #01445 March 30, 2002 11-6
HEAT TRANSFER 6.0
热接触
• 对流： q = CONV * (TE - TC)
– CONV 为对流换热系数（可由SFE 施加表参数荷载）
– TE 为目标面的温度，或者为自由面的环境温度 （SFE）
热接触
… 实例
7. 施加热边界条件。
培训手册
Temp = 200 F
HEAT TRANSFER 6.0
Temp = 70 F
Inventory #01445 March 30, 2002 11-22
热接触
… 实例
8. 求解 9. 画出Y方向的变形云图以检验结构分析的结果。
培训手册
HEAT TRANSFER 6.0
HEAT TRANSFER 6.0
HEAT TRANSFER 6.0
热接触
• 摩擦导致的热生成 ： q = FHTG * t * v
– FHTG 为能量转换为热的百分比（由实常数输入） – t 为相应的摩擦应力 – v 为滑动状态 – 热可能被不均等得分配给接触面和目标面：
qc = FWGT * FHTG * t * v qt = (1-FWGT) * FHTG * t * v
Inventory #01445 March 30, 2002 11-23
热接触
… 实例
10. 画节点温度云图
注意：接触面处温度的不匹配。 记住： TCC = .001.
培训手册
Inventory #01445 March 30, 2002 11-24
HEAT TRANSFER 6.0
热接触
… 实例
HEAT TRANSFER 6.0
Inventory #01445 March 30, 2002 11-16
热接触
… 实例
3. 修改接触单元的选项来包括温度自由度。
培训手册
HEAT TRANSFER 6.0
Inventory #01445 March 30, 2002 11-17
热接触
… 实例
4. 修改接触单元实常数来包括接触导热系数（TCC）。
热装配
摩擦生热
Inventory #01445 March 30, 2002 11-3
热接触
培训手册
HEAT TRANSFER 6.0
• 耦合场单元（PLANE13，SOLID5）和KEYOPT(1) = 1的面－面接 触单元
– 也可以使用单纯的热分析单元 • 固定接触单元所有的结构自由度
• 重要特性：
培训手册
Inventory #01445 March 30, 2002 11-11
HEAT TRANSFER 6.0
热接触
… 实例
• 本实例将会简化为平面应变，对称模型来求解。 • 顶面具有 0.01 inches 向下的变形。 • 接触单元包括固定的热传导系数。
培训手册
Inventory #01445 March 30, 2002 11-12
第 11 章
热接触
热接触
培训手册
HEAT TRANSFER 6.0
接触阻抗
• 温度不同的两个面处于接触状态时，在其界面上温度将会下降；这 是由于两个面之间的接触不完全。 这种不完全的接触以及由此而
产生的接触阻抗会被很多因素所影响，如：
– 面的平整程度 – 面的光滑程度 – 氧化物的存在 – 流体的渗入 – 接触压力 – 面的温度 – 传导油脂的使用
– 不对称的求解选项会对摩擦滑动有利
• NROPT,UNSYM
Inventory #01445 March 30, 2002 11-10
HEAT TRANSFER 6.0