Ansys热分析教程_第三章稳态热分析

热载荷和边界条件的类型
施加的载荷 温度
载荷分类
约束
实体模型载荷
在关键点上 在线上 在面上 在关键点上 在线上(2D) 在面上(3D) 在线上(2D) 在面上(3D) 在关键点上 在面上 在体上
有限元模型载荷
在结点上 均匀 在结点上 在结点上 在单元上 在结点上 在单元上 在结点上 在单元上 均匀
热流率 对流
建模
单位
建模
现在，我们准备开始前处理……….
稳态热传递的例子。
请记住，高亮度的方框中标出了例子的步骤。
前处理：建模
定义单元类型 定义分析中使用的单元类型。
开始定义单元类型。注意现在还没 有定义单元类型。单击“Add….”开 始添加。
前处理：建模
定义单元类型
选择热实体单元PLANE55作为单元类型, 单击“Apply”。
例题中的单元类型都不需要实常数。
前处理：建模
定义并查看材料特性
稳态热分析中关于材料特性的总体说明
– 对于稳态分析，热材料特性必须输入热传导率“k”-KXX, 和可选的KYY, KZZ。 – – 如果用户不定义，KYY和KZZ缺省等于KXX。 密度(DENS)和比热(C)或热焓(ENTH)在没有质量传递的稳态热分析中不 需要。 – – 随温度变化的材料导热系数k, 使得热分析为非线性。 与温度有关的换热系数也被处理为材料特性。
注: 本例题实际上不需要 使用平面效果单元，因为每个平面上只有均匀的对流(Hf 和Tb为已知)。但是，在管的内径施加平面效果单元将使得我们在后处理中更方便 地得到热能耗散数值。
前处理：建模
定义单元类型
定义热表面效应单元SURF151。这是本例中的第 二种单元类型。
注意，第二个定义的单元自动定义为单元类型2 。
• 相应的有限元平衡方程为:
KT Q
热载荷和边界条件的类型
• 温度
– 自由度约束，将确定的温度施加到模型的特定区域。
• 均匀温度
– 可以施加到所有结点上，不是一种温度约束。一般只用于施加初始温 度而非约束，在稳态或瞬态分析的第一个子步施加在所有结点上。它 也可以用于在非线性分析中估计随温度变化材料特性的初值。
单位
如要获得/UNITS命令的更多说明，请使用线上文档。
在输入窗口输入 “help, /UNITS” 查看 线上文档。
要使用帮助，在输入窗口中输入 “help,xxxxx”; “xxxxx” 可以是单元类型 (77), 命令(/units), 或单元类别(solid)。或 者，使用UtilityMenu>>Help下拉式菜单。
变换文件名为 “stltube”
建模
指定标题
为分析指定一个描述性的标题。标题将打印在图形的底部，并在 载荷步文件和结果文件中显示。
输入标题: “Example - Steel Tube with Fins” 并单击 “OK”。
建模
单位
使用/UNITS命令记录分析中使用的单位制。
本例中使用的单位制 记为British/Inches, 缩写为 “bin”
查看PLANE55缺 省的基本选项。
前处理：建模
查看并选择关键选项
使用下拉式菜单查看该单元的基本选项，并选择合适的数值。
改变单元特征。本例题需要轴对称 单元。缺省值为平面单元。
前处理：建模
表面效应单元
表面效应单元 - 介绍
• • 表面效应单元象“皮肤”一样附着在实体单元的表面，经常用来施加载荷。 表面效应单元为施加面载荷提供了更多的方式，特别是当在同一区域施加对流和 热流两种载荷时。 一个模型中附加的，离开模型表面一定距离的结点，可以用来代表周围流体的介 质温度。该“附加”结点同样对结果评估带来方便。
稳态热传递
稳态热传递
• • 如果热能流动不随时间变化的话，热传递就称为是稳态的。 由于热能流动不随时间变化, 系统的温度和热载荷也都不随时间 变化。
•
由热力学第一定律，稳态热平衡可以表示为:
输入的能量— 输出的能量 = 0
稳态热传递控制方程
• 对于稳态热传递，表示热平衡的 微分方程为:
T T T ... k zz k xx k yy q 0 x x y y z z
热分析样板
•
查看结果
– – – – 进入通用处理器和/或时序后处理器。 使用列表, 绘图, 等查看结果。 查看误差估计。 验证求解。
GUI 和 ANSYS 命令
• •
• •
ANSYS 是命令驱动程序。 ANSYS 命令可以手工输入，或用GUI(Graphical User Interface) 输入或两种方法混用。 GUI提供了一种和ANSYS交流的简单的方法。 GUI根据用户操作自动生成ANSYS命令。
•
建立模型
– – – 指定分析名称和工作文件名。 如果需要，记录单位制。 进入前处理器 • 定义单元类型，检查基本设置。 • 如果需要，定义实参。 • 定义材料特性。 • 生成或导入模型。 • 划分网格。
热分析样板
•
求解器
– – – – 定义分析类型，检查分析选项。 施加载荷和边界条件。 指定载荷步选项。 执行求解。
所有使用的命令列表在 jobname.log 文件中。
GUI 和 ANSYS 命令
•
查看ANSYS输 出窗口中命令 执行和文字输 出。
稳态热传导例题说明
分析过程中的每一步使用简单的例子说明。
高亮度的方框中标出了例子 的步骤。
基本描述 一个带有举行肋骨的长 钢管从管中流动的热气 体通过对流吸收能量。 外表面暴露在大气中， 热流从肋骨端部释放。.
选择一个类别
然后选择本类别 中的单元类型
• • •
使用HELP按钮得到单元库中的更多信息。 缺省状态下，第一个定义的单元类型其单元类型号为1。 如果GUI菜单过滤为热分析，只有热单元类型显示出来。
前处理：建模
查看并选择基本选项
关键选项
• • 关键选项或 KEYOPTs 是与单元类型相关的选项。 查看或修改关键选项的方法是选择下图中的“Options”:
前处理：建模
定义并查看材料特性
在ANSYS中定义材料特性的选项:
– 在材料特性对话框中输入需要的数值。 – 从ANSYS材料库或用户自定义材料库中读入材料特性。
在定义了材料特性以后，也可以将材料特性写到文件中以备后 用。
前处理：建模
定义并查看材料特性 要材料库中读入材料特性，只要指定包含所需数据的文件路径 和文件名即可。
• • • •
高亮度的方框中标出了例子的步骤。
建模
• 热分析的第一阶段包括建模和划分网格。
• 在本部分，我们要:
– 指定文件名和标题。 – 记录使用的单位。 – 进入前处理器 • 定义单元类型和基本选项。 • 查看实参定义。 • 定义材料特性。 • 生成几何模型。
• 划分网格。
建模
设置GUI的菜单过滤选项
• • • • 除了电磁场分析，用户不需“告诉”ANSYS你所使用的单位制。但是，你可以 使用/UNITS命令记录你所使用的单位。 一旦你决定了使用的单位制，请一直使用它。ANSYS 不提供任何单位转换。 选择的单位制将影响你的模型，材料特性，实参和载荷。 再次使用/UNITS并不完成单位制转换。
建模
•
前处理：建模
表面效应单元
表面效应单元 - 介绍
• • 表面效应单元可以用来施加热生成载荷。 当对流换热系数随温度变化时，表面效应单元很方便; 基本选项的不同设置使得评 估结果时选项也不相同。
注：表面效应单元在第7章中还有更详细的解释。
前处理：建模
表面效应单元
表面效应单元和对流
• • 对流载荷可以直接施加到表面效应单元，实体单元或几何模型实体上。 在SURF151上使用“附加结点”选项可以在“附加结点”上指定结点温度，相当 于周围介质的温度。
分析目标:
稳态热传导分析实例
建模说明: • 内部对流载荷使用平面效 果单元。 • 使用 “在线上施加对流” 施加肋骨外表面上的对流 载荷。 • 在肋骨短部施加热流。 • 假设钢管是非常长的，不 考虑钢管端部的影响。 • 只对最小的循环部分建模。
•
下面是一个截面。
稳态热传导分析实例
绝热对称边界 对流面 对流面 翅片端部的热流密度
使用界面选项激活GUI菜单过滤; 只有与热分析有关的菜单项可以 显示和使用。如果不设置，所有的菜单都可以看到并使用。
激活热菜单过滤并单 击 “OK”。
建模
指定文件名 定义新的文件名与其他分析题目区别开来。所有文件名将为 jobname.ext，点取“YES”将重写文件名分别为jobname.log和 jobname.err的命令记录文件和错误文件。
本例中使用钢的热传导率为 0.75 BTU/hr-in-°F
对于均匀各向同性的稳态热 分析，只需要KXX的数值。
前处理：建模
随时间变化的材料特性 对于随时间变化的材料特性，先要定义指定数值所对应的温 度……..
前处理：建模
查看并选择基本选项
查看SURF151单元的缺省基本选项并单击 “Options”。
前处理：建模
查看并选择关键选项
将单元行为从平面改变为轴对称。注意 K4的改变, 移去中间结点；K5的改变, 对 流计算中包含附加结点。结束后单击 “Close” 。
前处理：建模
定义并检查实常数
实常数
• • • • • 实常数是指定单元类型的几何特征。 并不是所有的单元类型都需要实常数。 有些单元类型只有在选择了某些基本选项时才需要实参。 使用ANSYS在线帮助得到更多的关于实参的说明。 第一个定义的实常数缺省指定为 实常数号1
• 热流率