Ansys热分析教程-第六章解析
《热分析ansys教程》课件
05
热分析优化设计
优化设计的基本概念
01
优化设计是一种通过数学模型和计算机技术，寻找满足特定条 件下的最优设计方案的方法。
02
优化设计的基本概念包括目标函数、设计变量、约束条件和求
解算法等。
热分析优化设计是针对热学问题，通过优化设计来提高产品的
03
热性能和降低能耗。
ANSYS优化设计的步骤
定义设计变量
网格质量检查
对生成的网格进行检查， 确保网格质量良好，没有 出现奇异点或扭曲。
边界条件的设置
确定边界条件
根据分析对象的实际情况，确定合适的边界条件，如温度、热流 率等。
设置边界条件
在ANSYS软件中，将确定的边界条件应用到几何模型上。
验证边界条件
对设置的边界条件进行验证，确保其合理性和准确性。
04
傅里叶定律
热量传递与温度梯度成正比，即热流密度与温度梯度 成正比。
牛顿冷却定律
物体表面与周围介质之间的温差与热流密度成正比。
热力学第一定律
能量守恒定律，表示系统能量的增加等于传入系统的 热量与系统对外界所做的功之和。
热分析的三种基本类型
稳态热分析
系统达到热平衡状态时的温度分布。
瞬态热分析
系统随时间变化的温度分布。
网格划分问题
网格划分不均匀
在某些区域，网格可能过于密集，而 在其他区域则可能过于稀疏，这可能 导致求解精度下降或求解失败。
网格自适应调整问题
在某些情况下，ANSYS可能无法正确 地自适应调整网格，导致求解结果不 准确。
网格划分问题
手动调整网格
手动调整网格密度，确保在关键区域有足够的网格密度。
使用更高级的网格划分工具
热分析(ansys教程)
1. 对流边界条件：需要提供对流 系数、流体温度和表面传热系数 等信息。
3. 初始条件：确保初始温度等初 始条件设置合理，不会导致求解 过程不稳定。
求解收敛问题
•·
1. 迭代方法：选择合适的迭代方 法，如共轭梯度法、牛顿-拉夫森 法等。
2. 松弛因子调整：根据求解过程， 适时调整松弛因子，以提高求解 收敛速度。
稳态热分析的步骤
建立模型
使用ANSYS的几何建模工具创建分析对象 的几何模型。
后处理
使用ANSYS的后处理功能，查看和分析结 果，如温度云图、等温线等。
网格化
对模型进行网格化，以便进行数值计算。 ANSYS提供了多种网格化工具和选项，可 以根据需要进行选择。
求解
运行求解器以获得温度分布和其他热分析 结果。
电子设备散热分析
研究电子设备在工作状态下的散热性能，提高设备可靠性和 使用寿命。
06 热分析的常见问题与解决 方案
网格划分问题
网格划分是热分析中重要 的一步，如果处理不当， 可能导致求解精度和稳定 性问题。
•·
1. 网格无关性：确保随着 网格数量的增加，解的收 敛性得到改善，且解不再 发生大的变化。
03 稳态热分析
稳态热分析的基本原理
01
稳态热分析是用于确定物体在稳定热载荷作用下的温度分布。在稳态条件下， 物体的温度场不随时间变化，热平衡状态被建立，流入和流出物体的热量相等 。
02
稳态热分析基于能量守恒原理，即流入物体的热量等于流出物体的热量加上物 体内部热量的变化。
03
稳态热分析通常用于研究物体的长期热行为，例如散热器的性能、电子设备的 热设计等。
热分析的基本原理基于能量守恒定律，即物体内部的能量变化应满足能量守恒关系。
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热分析分析指南
ANSYS热分析指南第一章 简介 (2)第二章 基础知识 (4)第三章 稳态热分析 (8)第四章 瞬态热分析 (43)第五章 表面效应单元 (66)第六章 热辐射分析 (90)第七章 热应力分析 (120)第一章 简介1.1 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，我们一般关心的参数有：温度的分布热量的增加或损失热梯度热流密度热分析在许多工程应用中扮演着重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等等。
通常在完成热分析后将进行结构应力分析，计算由于热膨胀或收缩而引起的热应力。
1.2 ANSYS中的热分析ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Professional、ANSYS/FLOTRAN四种产品中支持热分析功能。
ANSYS热分析基于由能量守恒原理导出的热平衡方程，有关细节，请参阅《ANSYS Theory Reference》。
ANSYS使用有限元法计算各节点的温度，并由其导出其它热物理参数。
ANSYS可以处理所有的三种主要热传递方式：热传导、热对流及热辐射。
1.2.1 对流热对流在ANSYS中作为一种面载荷，施加于实体或壳单元的表面。
首先需要输入对流换热系数和环境流体温度，ANSYS将计算出通过表面的热流量。
如果对流换热系数依赖于温度，可以定义温度表，以及在每一个温度点处的对流换热系数。
1.2.2 辐射ANSYS提供了四种方法来解决非线性的辐射问题：辐射杆单元（LINK31）使用含热辐射选项的表面效应单元（SURF151-2D,或SURF152-3D）在AUX12中，生成辐射矩阵，作为超单元参与热分析使用Radiosity求解器方法有关辐射的详细描述请阅读本指南第四章。
1.2.3 特殊的问题除了前面提到的三种热传递方式外，ANSYS热分析还可以解决一些诸如：相变（熔融与凝固）、内部热生成（如焦耳热）等的特殊问题。
《热分析ansys教程》课件
汽车发动机热分析
总结词
汽车发动机热分析用于研究发动机工作过程中的热量传递和热应力分布，以提高发动机 效率和可靠性。
详细描述
发动机是汽车的核心部件，其工作过程中会产生大量的热量。通过热分析，工程师可以 了解发动机内部的温度分布和热应力状况，优化发动机设计，提高其燃油效率和耐久性
。
建筑物的温度分布分析
热分析的基本原理
热分析是研究温度场分布、变化 和传递规律的科学，其基本原理 包括能量守恒、热传导、对流和 辐射等。
热分析的应用领域
热分析广泛应用于能源、动力、 化工、机械、电子等众多领域， 涉及传热、燃烧、材料热物性、 电子器件散热等方面。
热分析的常用软件
ANSYS是国际上最流行的热分析 软件之一，具有强大的建模、网 格划分、加载、求解和后处理功 能，广泛应用于工程实际和科学 研究。
模拟系统在稳定状态下温度分布和热流密 度的计算方法
总结词
适用于研究系统在稳定状态下的热性能和 热量传递机制。
详细描述
稳态热分析用于计算系统在稳定状态下温 度分布和热流密度，不考虑时间因素，只 考虑热平衡状态。
详细描述
在稳态热分析中，系统的温度分布和热流 密度不随时间变化，因此可以忽略时间积 分效应，简化计算过程。
施加边界条件和载荷
根据实际情况，为模型的边界施加固 定温度、热流等边界条件，以及热载 荷。
求解和结果查看
选择求解器
根据模型的大小和复杂程度，选择合适的求解器进行求解。
结果后处理与查看
查看温度分布、热流分布等结果，并进行必要的后处理，如云图显示、数据导 出等。
03
热分析的常用方法
稳态热分析
总结词
COMSOL Multiphysics
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
【转】ANSYS热分析指南（第六章）
【转】ANSYS热分析指南（第六章）第六章热辐射分析6.1热辐射的定义热辐射是一种通过电磁波传递热能的方式。
电磁波以光的速度进行传递，而能量传递与辐射物体之间的介质无关。
热辐射只在电磁波的频谱中占小部分的带宽。
由于辐射产生的热流与物体表面的绝对温度的四次方成正比，因此热辐射有限元分析是高度非线性的。
物体表面的辐射遵循Stefan-Boltzmann定律：式中：—物体表面的绝对温度；—Stefan-Boltzmann常数，英制为0.119×10-10 BTU/hr-in-R，公制为5.67×10-86.2基本概念下面是对辐射分析中用到的一些术语的定义：黑体黑体被定义为在任意温度下，吸收并发射最大的辐射能的物体；通常的物体为“灰体”，即ε< 1；在某些情况下，辐射率（黑度）随温度变化；辐射率（黑度）物体表面的辐射率（黑度）定义为物体表面辐射的热量与黑体在同一表面辐射热量之比。
式中：－辐射率（黑度）－物体表面辐射热量－黑体在同一表面辐射热量形状系数形状系数用于计算两个面之间的辐射热交换，在ANSYS中，可以用隐藏/非隐藏的方法计算2维和三维问题，或者用半立方的方法来计算3维问题。
表面I与表面J之间的形状系数为：形状系数是关于表面面积、面的取向及面间距离的函数；由于能量守恒，所以：根据相互原理：由辐射矩阵计算的形状系数为：式中：－单元法向与单元I,J连线的角度－单元I,J重心的距离有限单元模型的表面被处理为单元面积dA I及dA J，然后进行数字积分。
辐射对在辐射问题中，辐射对由一些相互之间存在辐射的面组成，可以是开放的或是闭合的。
在ANSYS中，可以定义多个辐射对，它们相互之间也可以存在辐射ANSYS使用辐射对来计算一个辐射对中各面间的形状系数；每一个开放的辐射对都可以定义自己的环境温度，或是向周围环境辐射的空间节点。
Radiosity 求解器当所有面上的温度已知时，Radiosity 求解器方法通过计算每一个面上的辐射热流来得到辐射体之间的热交换。
ANSYS热分析详解解析
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/FLOTRAN、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－结构耦合等第二章 基础知识一、符号与单位W/m 2-℃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〕PE KE U W Q ∆+∆+∆=-式中: Q —— 热量;W —— 作功;∆U ——系统内能; ∆KE ——系统动能； ∆PE ——系统势能；● 对于大多数工程传热问题：0＝＝PE KE ∆∆； ● 通常考虑没有做功：0=W , 则：U Q ∆=；●对于稳态热分析：0=∆=U Q ，即流入系统的热量等于流出的热量； ●对于瞬态热分析：dtdUq =，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。
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梯度而引起的内能的交换。
热传导遵循付里叶定律：dxdTkq -=''，式中''q 为热流密度（W/m 2），k 为导热系数（W/m-℃），“-”表示热量流向温度降低的方向。
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表格化边界条件的重要说明
如果表格化边界条件不是时间的函数，他们可以很好的随时间阶跃 施加，而不受KBC命令的约束 (见第 4 章 )。
基本变量 - 边界条件应用
热边界条件
• • • • • • • 施加温度 热流 换热系数 介质温度 热流量 内部热生成 均匀热生成
表格化边界条件- 基本变量
表格由下列基本变量组成: 基本变量 • 时间 • 全局笛卡尔坐标系中坐标 • 温度 • 速度, 用于Fluid116单元，1D 热－流 单元 相应 ANSYS 标记 • TIME • X, Y, Z • TEMP • VELOCITY
其它表格定义
独立变量
– 直接或间接随基本变量变化并形成表格的变量，如，
第6章 复杂的，时间和/或空间 变化的边界条件
表格化热边界条件(载荷)
以前，施加在几何模型和/或有限元模型上的载荷都是常数或随 温度变化的数值。当要施加复杂的随时间和空间变化的载荷时， 表格化的热边界条件就更加方便。
定义 - 表格化边界条件就是通过表格施加的边界条件，其数值
经过计算并在求解过程中施加。
– 用外部编辑器如EXCEL生成的文件。 数据必须是tab-delimited 格式才能用 ANSYS的 *TREAD命令读入。
ANSYS APDL 数组复习
•
ANSYS 有两种数组参数:
– – 数组 类型定义离散的函数 表格 类型使用线性插值方法定义连续的函数。
• •
数组可以是一、二、三维的。 两维数组有 m 行 n 列; 行用行号 I标志, 从1到m 列用列号J标志，从1到n。
1,2 1,3 1,4 1,5 i 1 2,2 2,3 2,4 2,5 i 2 row index numbers 3,2 3,3 3,4 3,5 i 3
O P P P Q
ANSYS APDL 数组复习
• 例如，在ANSYS命令中使用数组元素NSTR(2,4)会将数字19.1 代 入，如果数组定义如下:
1.0 1.0 12.0
2-D 表格例子
2-D 表格 PQ 可以解释如下:
PQ(1,1.5) 表示 3.5 (2.8 和4.2的中间数值) PQ(3.5,1.3) 表示 14.88 (42.0 和-4.5平均, 9.7 和2.0平均,然后 乘 上 30% 加到 42.0和-4.5的平均值上)。
1.0 2.0 1.0 2.8 4.2 2.0 -9.6 -12.3 PQ = 3.0 42.0 9.7 4.0 -4.5 2.0
hf = f(time) hf = f(x,rpm) rpm = g(time) 换热系数(独立变量)是基本变量时间的函数
hf 和 rpm 是独立变量
其它表格定义
多元表格
– 表格有多于一个的变量，如 hf = f(x,y,time)
循环表格
– 表格要引用其它带有独立变量的表格，如 hf = f(x,y,rpm) rpm = g(time)
基本变量
• • • • • • • TIME,X,Y,Z TIME,X,Y,Z,TEMP TIME,X,Y,Z,TEMP,VELOCITY TIME,X,Y,Z TIME,X,Y,Z,TEMP TIME,X,Y,Z,TEMP TIME
单元-特殊表格支持
• Fluid116 1-D 热－流单元
– 载荷 • 热流是基本变量TIME的函数 • 压力是基本变量 TIME,X,Y,Z的函数
数字系列 (不一定是整数)。 缺省情况下，所有标志数字从接近0
的数字开始。
1-D 表格例子
例如, 1-D 表格 A 可以解释如下:
A(1.5) 表示 20.0 (12.0和28.0的中间数值) A(2.5) 表示 87.2 (28.0 和146.4的中间数值)
L O P A = 2.0 M 28 . 0 M P 3.0 M 146.4P N Q
表格输入的应用
表格化边界条件可以使用于所有实体模型 和/或 有限元模型 热边 界条件:
– – – – – 使用D, DK,DL, DA命令施加的温度 使用F, FK命令施加的热流 使用SF, SFE, SFL, SFA命令施加的对流（模系数和环境温度） 使用SF, SFE, SFL, SFA命令施加的热流密度 使用BF,BFE,BFL,BFA, BFV命令施加的内部热生成
• SURF151, 152 表面效应单元
– 实常数 • 旋转速度和滑动因子(主要用于汽轮机应用如转子)是基本变量 TIME,X,Y,Z的函数
定义ANSYS表格
表格可以使用下面的方法定义:
– ANSYS 命令 (*DIM) – 在 GUI, 使用 Utility Menu>Parameters>Array Parameters>Define/Edit – 在 GUI, 在施加边界条件时，软件允许使用现有的表格或定义新的表格。
12.5 - 41.4 6.04 31.6O L M P NSTR = M 10.8 320.7 3.85 19.1 P M -4.5 - 35.2 1.64 87.2P N Q
ANSYS APDL 表格复习
• TABLE 同样由一系列排列为矩阵的数组成，但TABLE 允许使用 数组元素的中间值，这是通过插值方法实现的。 • 而且, J=0 列, 通常包括行号数字(I=1 到m), 必须变化为单向增加 的数字系列 (不一定是整数)。 • 同样, I=0 行, 通常包括列号数字(J=1 到n), 必须变化为单向增加的
•
组成数组的数称为数组元素。每个数组元素用下标 (I,J) 标志，I是行号， J是列号。
ANSYS APDL 数组复习
• 对于 ARRAY 类型，所有数都按照下标存储和引用。所有下标为 整数。一个典型的 5x3 数组如下。
j 1 1,1 L M 2,1 M M 3,1 N
2
3
4
5 column index numbers
L M M M M N
O P P P P Q
载荷数组的通常习惯
尽管参数名可以达到8个字符长，表格参数由于应用于命令的域中， 只能限制在7个字符以下。
例: 使用表格定义 A “载荷”
• 在载荷中使用表格允许用户在表格元素之间自动进行线性，双线 性和三次插值。考虑下面的载荷 (FORCE 可以是节点热流):