ANSYS热分析实例
ANSYS之杯具热分析
第N章水杯热分析案例这个案例是使用ANSYS WORKBENCH 热分析模块功能进行演示。
通过对杯子模型加载温度荷载来分析出其温度分布状况。
1.5.1案例介绍此案了使用一个铜合金材料的水杯模型，在内表面施加100℃的温度载荷在外表面施加对流传热系数来模拟一下当水杯装满热水时候的温度以及热流分布状况以演示AMSYS WORKBENCH 热分析模块的基本操作过程。
1.5.2启动Workbench并建立分析项目(1) 首先打开ANSYS WORKBENCH 14.0。
双击Toolbox（工具箱）→Analysis System （分析系统）→Steady-State Therma（热分析模块）打开，如图-1所示。
图-1 打开热分析模块图-2 选择材料1.5.3定义材料参数（1）双击打开A2项目（Engineering Data）。
（2）打开后在菜单栏中点击图标。
然后在Engineering Data Sources项目中单击A3项General Materials（一般材料）→单击Outline of General Materials中的A7项Copper Alloy（铜合金）中的B7项的图标来选择上此材料。
（3）材料选择完成后单击（回到项目管理区）图标。
1.5.4导入模型（1）双击项目A3项Geometry（模型）进入DM模块来导入我们需要分析的模型。
如图-3所示。
图-3 打开DM模块图-5 导入模型（2）单击File（文件）→Import External Geometry File（导入模型文件）。
如图-5所示。
（3）找到模型文件单击选择后单击“打开”按钮。
如图-6所示。
图-6 打开模型图-7 划分网格1.5.5划分网格（1）双击项目文件A4项Model（网格）。
如图-7所示。
打开的模型如图-8所示。
图-8 杯子的模型图-9 刷新网格（2）我们先使用程序自动划分网格，通过查看网格质量再决定是否进行网格控制。
workbench 热分析案例
定
义 边 界 条 件
热源： 与墙体平行的壁面采用 temperature边界条件，定 义其温度为50℃，其余壁 面均为绝热边界条件。
5
结
果
及
分
析
温度场云图： 通过显示计算得出的温度 场可以看出该模型的最小 温度值出现在墙体外表面 顶部与底部，在该模型中 温度场关于yz平面对称。
6
结
果
及
分
析
热通量矢量图：
物
理
模
型
物理模型简化：
混凝墙壁上附热源，热 源为一侧等壁温，其余 壁面为绝热壁面。热源 附在墙面中间并与墙面 垂直。在ansys的 DesignModeler中进行建 模。
1
பைடு நூலகம்
划
分
网
格
网格剖分：
采用ansys的mesh块对导入 的几何体进行网格划分，网 格为四面体网格，网格最大 边长为5mm。
2
定
通过观察热通量矢量图可 以发现热量的传递方向及 密度分布情况。
7
结
果
及
分
析
一维导热区域分布：
在该模型中一维导热区域 （xz平面）如图所示。在 该稳态导热过程中y方向所 有截面热流密度均相同。
8
义
边
界 条 件
墙壁外表面： 采用convection边界条件， 设定外界空气温度10℃， 换热系数为0.36W/㎡·k。
3
定 义 边 界 条 件
墙壁内表面：
裸露于空气的表面采用 convection边界条件，拟 定外界空气温度20℃， 换热系数为0.36W/㎡·k， 与热源接触表面采用耦合 边界条件。
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。
workbench热分析案例
•6
划分网 格
网格剖分： 采用ansys的mesh块对导入 的几何体进行网格划分，网 格为四面体网格，网格最大 边长为5mm。
•1
定 义 边 界条件
墙壁外表面： 采用convection边界条件， 设定外界空气温度10℃， 换热系数为0.36W/㎡·k。
•2
定义边界条件
墙壁内表面：
裸露于空气的表面采用 convection边界条件，拟 定外界空气温度20℃， 换热系数为0.36W/㎡·k， 与热源接触表面采用耦合 边界条件。
•3
定 义边界条件
热源： 与墙体平行的壁面采用 temperature边界条件，定 义其温度为50℃，其余壁 面均为绝热边界条件。
•4
结 果及分析
温度场云图：
通过显示计算得出的温度 场可以看出该模型的最小 温度值出现在墙体外表面 顶部与底部，在该模型中 温度场关于yz平面对称。
•
结 果及分析
ANSYS稳态热分析的基本过程和实例
ANSYS稳态热分析的基本过程ANSYS热分析可分为三个步骤：•前处理：建模、材料和网格•分析求解：施加载荷计算•后处理：査看结果1、建模①、确定jobname> title、unit；②、进入PREP7前处理，定义单元类型，设定单元选项；③、定义单元实常数；④、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；⑤、创建儿何模型并划分网格，请参阅《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。
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 menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis>Steady-state•如果继续上一次分析，比如增加边界条件等：Command: ANTYPE, STATIC, RESTGUI: Main menu>Solution>Analysis Type->Restart②、施加载荷可以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 Menu>Solution>-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，则此节点周用的单元要密一些，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。
稳态ansys热分析数值模拟
稳态热分析数值模拟实例1——短圆柱体的热传导过程1、问题描述有一短圆柱体，直径和高度均为1m，其结构如图7.1所示，现在其上端面施加大小为100℃的均匀温度载荷，圆柱体下端面及侧面的温度均为0℃，试求圆柱体内部的温度场分布（假设圆柱体不与外界发生热交换，圆柱体材料的热传导系数为30 W/（m•℃））。
图7.1 圆柱体结构示意图2、三维建模应用Pro-E软件对固体计算域进行三维建模，实体如图7.2所示：图7.2 圆柱体三维实体图3、网格划分采用流动传热软件CFX的前处理模块ICEM对计算域进行网格划分，得到如图7.3所示的六面体网格单元。
流场的网格单元数为640，节点数为891。
图7.3 圆柱体网格图4、模拟计算及结果采用流动传热软件CFX稳态计算，定义圆柱体材料的热传导系数为30 W/(m•℃)，求解时选取Thermal Energy传热模型。
固体上壁面的边界条件设置为100℃的温度，侧面和下壁面边界条件为0℃的温度。
求解方法采用高精度求解，计算收敛残差为10-4。
图7.4为计算得到的圆柱体中心剖面的温度等值线分布图。
数据文件及结果文件在steady文件夹内。
图7.4 圆柱体中心剖面的温度等值线分布瞬态热分析数值模拟实例详解实例1——型材瞬态传热过程分析1、问题描述有一横截面为矩形的型材，如图7.5所示。
其初始温度为500℃，现突然将其置于温度为20℃的空气中，求1分钟后该型材的温度场分布及其中心温度随时间的变化规律（材料性能参数如表7.1所示）。
表7.1 材料性能参数密度ρkg/m3 导热系数W/(m•℃)比热J/(kg•℃)对流系数W/(m2•℃)2400 30 352 110图7.5 型材横截面示意图2、三维建模应用Pro-E软件对固体计算域进行三维建模，实体如图7.6所示：图7.6 型材三维实体图3、网格划分采用流动传热软件CFX的前处理模块ICEM对计算域进行网格划分，得到如图7.7所示的六面体网格单元。
ANSYS稳态热分析的基本过程和实例
ANSYS稳态热分析的基本过程ANSYS热分析可分为三个步骤：•前处理：建模、材料和网格•分析求解：施加载荷计算•后处理：查看结果1、建模①、确定jobname、title、unit；②、进入PREP7前处理，定义单元类型，设定单元选项；③、定义单元实常数；④、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；⑤、创建几何模型并划分网格，请参阅《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。
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 menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis>Steady-state●如果继续上一次分析，比如增加边界条件等：Command: ANTYPE, STATIC, RESTGUI: Main menu>Solution>Analysis Type->Restart②、施加载荷可以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 Menu>Solution>-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。
ANSYS热应力分析实例
6
设置材料属性
1.给定材料的导热系数40W/(m·℃) 。
Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material Models
7
建立实体模型（国际单位制）
1. 创建矩形A1：x1,y1(0,0)、x2,y2(0.01,0.07) MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>By Dimensions 2. 创建矩形A2：x1,y1(0,0.05)、x2,y2(0.08,0.07) 3.显示面的编号 Utility Menu>PlotCtrls>Numbering 4. 对面A1和A2进行overlap操作 Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans> Overlap>Areas
12
13
求解
Main Menu>Solution>Solve>Current LS
14
查看温度场分布
Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu
15
16
保存
稳态温度场计算完毕，下面修改分析文件名称，进行热应力计算。
注：S标志表示对称约束。
28
求解
Main Menu>Solution>Solve>Current LS
29
查看计算结果
Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu
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Workshop Supplement
November 3, 2003 Inventory #001969 W12-10
Part 1 1 - Part INTRODUCTION TO TO ANSYS ANSYS 8.0 8.0 INTRODUCTION
12.热分析
带散热片的轴对称管
9b.画热流量：
– Main Menu > Preprocessor > Meshing > MeshTool • • • • – 选择Global，按 [Set] 设置SIZE = 0.25/2, 然后按 [OK] 选择 “Mapped”,然后按[Mesh] 按[Pick All]
Workshop Supplement
Workshop Supplement
November 3, 2003 Inventory #001969 W12-12
Part 1 1 - Part INTRODUCTION TO TO ANSYS ANSYS 8.0 8.0 INTRODUCTION
12.热分析
带散热片的轴对称管
10. 保存并退出 ANSYS:
– Main Menu > Preprocessor > Material Props > Material Library > Import Library … • 选择 “BIN”, 然后按 [OK]] – 向指导教师问询matlib的路径 缺省路径为: C:\Program Files\Ansys Inc\V80\ANSYS\matlib • • • 选择“Stl_AISI-304.BIN_MPL”,然后按[OK] 观察 ansuitmp 窗口 关闭 ansuitmp 窗口
Workshop Supplement
November 3, 2003 Inventory #001969 W12-5
Part 1 1 - Part INTRODUCTION TO TO ANSYS ANSYS 8.0 8.0 INTRODUCTION
12.热分析
带散热片的轴对称管
5. 从材料库中读取材料特性，选择 304 无应变钢:
12.热分析
带散热片的轴对称管
7. 在实体模型的线上施加对流荷载
– Main Menu > Solution > Define Loads > Apply > Thermal > Convection > On Lines • • • • – – 拾取外边四条线 (10, 2, 7, 和 6),然后按 [OK] 设置VALI = 0.69e-4， VAL2I = 70,然后按[Apply] 拾取内部两条线 (9 和 13),然后按[OK] 设置 VALI = 0.28e-3， VAL2I = 450,然后按[OK]
Part 1 1 - Part INTRODUCTION TO TO ANSYS ANSYS 8.0 8.0 INTRODUCTION
• 按[Close] 或用命令: MSHAPE,0,2D MSHKEY,1 ESIZE,0.25/2 AMESH,ALL
November 3, 2003 Inventory #001969 W12-7
Workshop Supplement
November 3, 2003 Inventory #001969 W12-6
Part 1 1 - Part INTRODUCTION TO TO ANSYS ANSYS 8.0 8.0 INTRODUCTION
12.热分析
带散热片的轴对称管
6. 用2-D 四边形单元，并用映射网格划分单元：
– 在工具栏上选择 “QUIT” 按钮 (或选择: Utility Menu > File > Exit...) • – 选择 “Save Everything” • 然后[OK] 或使用命令: FINISH /EXIT,ALL
Workshop Supplement
November 3, 2003 Inventory #001969 W12-13
– – Main Menu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Nodal Solu • 选择 “Flux & gradient” 和 “Thermal grad TGSUM”, 然后 [OK] 或使用命令: PLNSOL,TG,SUM
外部对流系数 = 0.69e-4 Tbulk = 70F
对称边界线
November 3, 2003 Inventory #001969 W12-3
12.热分析
带散热片的轴对称管
1. 2. 按教师指定的工作目录，用“pipe-th”作为作业名，进入ANSYS。 设定 GUI选择为热分析:
– Main Menu > Preferences … • 选择 “Thermal”, 然后按 [OK]
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Part 1 1 - Part INTRODUCTION TO TO ANSYS ANSYS 8.0 8.0 INTRODUCTION
• 按[Close] -求解完成后关闭黄色信息框 或用命令: SAVE /SOLU SOLVE
9.
进入通用后处理器观察结果：
– – Main Menu > General Postproc > 或用命令: /POST1
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Part 1 1 - Part INTRODUCTION TO TO ANSYS ANSYS 8.0 8.0 INTRODUCTION
Utility Menu > Plot > Lines 或用命令: /SOLU SFL,2,CONV,0.69e-4, ,70 SFL,6,CONV,0.69e-4, ,70 SFL,7,CONV,0.69e-4, ,70 SFL,10,CONV,0.69e-4, ,70 SFL,9,CONV,0.28e-3, ,450 SFL,13,CONV,0.28e-3, ,450 GPLOT
November 3, 2003 Inventory #001969 W12-4
12.热分析
带散热片的轴对称管
4. 定义单元类型为PLANE55 ，设置 keyopt(3)=axisymmetric:
– Main Menu > Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete … • • 按[Add ...] – 拾取 “Thermal Solid” 和 “Quad 4node 55”, 然后按 [OK] 选择[Options ...] – 设置 K3 = Axisymmetric,然后按[OK] – • 按[Close] 或用命令: ET,1,PLANE55, , , 1
Part 1 1 - Part INTRODUCTION TO TO ANSYS ANSYS 8.0 8.0 INTRODUCTION
November 3, 2003 Inventory #001969 W12-9
12.热分析
带散热片的轴对称管
9a.画温度:
– – Main Menu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Nodal Solu • 选取 “DOF solution” 和 “Temperature TEMP”, 然后按 [OK] 或用命令: /POST1 PLNSOL,TEMP
November 3, 2003 Inventory #001969 W12-8
12.热分析
带散热片的轴对称管
8. 保存数据库并求解：
– – Pick the “SAVE_DB” button in the Toolbar Main Menu > Solution > Solve > Current LS • • – 观察 “/STATUS Command” 窗口，然后关闭它 按[OK] (or select: Utility Menu > File > Save as Jobname.db)
Workshop Supplement
Part 1 1 - Part INTRODUCTION TO TO ANSYS ANSYS 8.0 8.0 INTRODUCTION
3.
读入文件“pipe-th.inp”，创建 2-D轴对称模型，在线上确定网格划分份数:
– – Utility Menu > File > Read Input from … • 选择“pipe-th.inp”,然后按 [OK] 或用命令: /INPUT,pipe-th,inp
Workshop Supplement
November 3, 2003 Inventory #001969 W12-11
Part 1 1 - Part INTRODUCTION TO TO ANSYS ANSYS 8.0 8.0 INTRODUCTION
12.热分析Байду номын сангаас
带散热片的轴对称管
9c. 画热梯度:
November 3, 2003 Inventory #001969 W12-2
12.热分析
带散热片的轴对称管
荷载