有限元分析-热分析 PPT

式中：
q=êɡA1F12(T41-T42)
➢ q为热流率；
➢ ê为实际物体的辐射率，或称黑度，它的数值
处于0～1之间；
➢ ɡ为斯蒂芬—波尔兹曼常数，约为
5.67×108W/m2.K4；
➢ A1为辐射面1的面积； ➢ F12为由辐射面1到辐射面2的形状系数； ➢ T1为辐射面对1的绝对温度； ➢ T2为辐射面2的绝对温度。
问题描述： 有一空心钢圆柱体，内半径与外半径分别为
0.2 m、0.6 m，长度为10 m。钢的导热系数为 70W/（m.℃)，现在柱体的外表面施加均匀温 度载荷80℃，假设柱体内表面温度为恒定值 20℃。试求钢柱体内部的温度场分布。
简要分析： 该问题属于稳态热力学问题。由于柱体的长度远大
于其直径，可忽略其终端效应，同时根据问题的对称 性，求解过程中取圆柱体横截面的1/4建立几何模型。
式中：
q’’=h(TS-TB)
➢ h为对流换热系数（或称膜传热系数、给热系数、 膜系数等）；
➢ TS为固体表面的温度； ➢ TB为周围流体的温度。
（3）辐射：热辐射是指物体发射电磁能，并被其 它物体吸收转变为热能的热量交换过程。物体 温度越高，单位时间辐射的热量越多。热传导 和热对流都需要有传热介质，而热辐射无须任 何介质。 实质上，在真空中的热辐射效率最高。在 工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐 射，系统中每个物体同时辐射并吸收热量，它 们之间的净热量传递可以用如下斯蒂芬—波尔 兹曼方程来计算：
ANSYS提供了两种分析耦合场的方法：直 接耦合法与间接耦合法。
二、单位制问题：在ANSYS热分析过程中，不一 定都要采用国际单位制，但必须要使所有物理 量的单位统一起来。 ANSYS中共有五种单位可供选择（命令流 方式：/UNITS；或Main menu>Preprocessor>Material Props>Material Library >Select Units）： SI（MKS）代表国际单位制，其基本单位 为m，kg，s，K。
五、热分析时的三种传热方式及材料基本属性
（1）热传导：当物体内部存在温差，即存在温度 梯度时，热量从物体的高温部分传递到低温部 分；而且不同温度的物体相互接触时热量会从 高温物体传递到低温物体。这种热量传递的方 式称为热传导。 Q/t=KA(Thot-Tcold)/d 式中：Q为时间t内的传热量或热流量；K为热 传导率或热传导系数；
度和换热系数已知。 初始条件：初始条件是指传热过程开始时，物体
在整个区域中所具有的温度为已知值。
四、热分析时的载荷：ANSYS共提供了6种载荷， 可以施加在实体模型或单元模型上。
（1）温度：作为第一类边界条件，温度可以施加 在有限元模型的节点上，也可以施加在实体模 型的关键点、线段及面上。
（2）热流率：热流率（Heat Flow）是一种节点 集中载荷，只能施加在节点或关键点上，主要 用于线单元模型。
对线进行标注并画线，结果如下图所示 ：
3.2 划分网格：先设置单元尺寸（对所选1号线进行定义）：
结果如下图所示：
对3号线进行相似操作：
对2号线进行相似操作：
对4号线进行相似操作（NDIV取30，SPACE取5）后得 ：
3.3 用Mesh Tool划分网格：
结果如下图所示 ：
Change Title：ELEMENTS IN MODEL后点击Plot Elements为 ：
（5）焓（Enthalpy）： 定义为H=U+PV，式中H为焓，U为内能，P、
V分别为压力和体积。 对于常压情况，上式又可表示为： △H=△U+P.△V=△Q 说明在常压条件下，焓的变化即为热量的
变化。
（6）生热率（Heat Generation Rate）： 生热率既可以材料属性的形式进行定义，
在ANSYS热分析中，在确定分析选项，即 Main Menu>Solution>Analysis Type>Analysis Options的对话框中有一个选项：Temperature difference，该选项用于确定绝对零度，即需要 将目前的温度值换算为绝对温度。如果在热分 析过程中使用的温度单位是摄氏度，则该值应 设定为273。
从上式可以看出，包含热辐射的热分析是 高度非线性的。
（4）比热容（Specific Heat）：是指单位质量的 物质每升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的 热量，简称比热，其单位为J/(Kg.℃)。其计算 公式为： C=Q/（m.△T） 式中：△T= TE-TB，为TE为终止时刻温度；TB 为开始时刻温度；Q为该时间段内物体吸收或 放出的总热量；m为质量。
程。在这个过程中，系统的温度、热流率、热 边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。
七、线性与非线性热分析 ANSYS在热分析过程中，如果有下列情况中
的一种或几种出现，则该分析为非线性热分析：
➢ 材料热性能随温度变化； ➢ 边界条件随温度变化； ➢ 含有非线性单元； ➢ 考虑辐射传热。
7.1.2 稳态热分析实例1—长空心圆柱 体的热传导过程ANSYS分析
4.2 然后Plot Results，按下图设置：
最后，1分钟后型材横截面上温度场等值线图分布如下 ：
4.3 察看中心温度云纹图。坐标轴设置： PlotCtrls>Style>Graphs>Modify Axes ：
曲线设置：PlotCtrls>Style>Graphs>Modify Curves ：
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，用有限元法计算物体内部各节点的温度，并 导出其它热物理参数。
运用ANSYS软件可进行热传导、热对流、热 辐射、相变、热应力以及接触热阻等问题的分析 求解 。
此外，ANSYS不仅能解决纯粹的热分析问 题，还能解决与热相关的其它问题，如热—应 力分析、热—电分析、热—磁分析等。一般称 这类涉及两个或多个物理场相互作用的问题为 耦合场分析。
7.1 有限元技术在热分析中的应用
主要讲授三方面内容：
➢ ANSYS热分析基础知识简介 ➢ 稳态热分析实例 ➢ 瞬态热分析实例
7.1.1 ANSYS热分析基础知识简介
一、ANSYS热分析功能介绍 ANSYS热分析模块主要有：
➢ ANSYS/Multiphysics ➢ ANSYS/Mechanical ➢ ANSYS/Thermal ➢ ANSYS/FLOTRAN ➢ ANSYS/ED
4.6 关闭Define Time-History Variables，点击Graph Variables，输入 2后点击OK（即定义中心点处的温度等值线为变量2） ：
结果如下图所示：
4.7 关闭Time History Variables-后，结果如下图所示：
结束
同学们辛苦了！
结束
4.3 定义载荷
4.4 定义2线上的温度载荷：
4.5 定义温度载荷值：
4.6 载荷步及输出结果控制选项设置：
4.7 求解：
5. 查看求解结果：
7.1.3 瞬态热分析实例1—型材瞬态传 热过程ANSYS分析
问题描述：
有一横截面为矩形的各向异性型材，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。材料性能参数如下： 密度为2400 kg/m3，导热系数KXX为30 W/(m.℃)，KYY、KZZ为弹性模量为10 W/(m.℃)，比热为352 J/(kg.℃)，对流系数为 110W/(m2.℃) 。
（2）对流：热对流是指固体的表面与它周围接触 的液体或气体（统称为流体）之间，由于温差 的存在而引起的热量交换。 高温物体表面（如暖气片）常常发生对流 现象，这是因为高温物体表面附近的空气因受 热而膨胀，密度降低并向上流动。与此同时， 密度较大的冷空气下降并代替原来的受热空气。
热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。
（5）生热率：生热率既可看成是材料的一种基本 属性，又可作为载荷施加在单元上。它可以施 加在有限元模型的节点及单元上，也可以施加 在实体模型的关键点、线段、面及体上。
（6）热辐射率：热辐射率也是一种面载荷，通 常施加于实体的外表面。它可以施加在有限元 模型的节点及单元上，也可以施加在实体模型 的线段和面上。
颜色设置：PlotCtrls>Style>Colors>Graph Colors：在CURVE Graph curve number 1下拉列表中选择黄色：
4.4 定义时域后处理变量：Main Menu>TimeHist Postpro>Define Variables，点Add ：
4.5 在Define Nodal Data文本框中输入1（即为中心点）后，点OK ：
同时又可以体载荷的形式施加到单元上，用于 模拟化学反应生热或电流生热，其单位是单位 体积的热流率。
六、稳态热分析与瞬态热分析：
（1）稳态传热： 如果系统的净热流率为0，即流入系统的热
量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热 量，则系统处于热稳态。在稳态热分析中任一 节点的温度都不随时间变化。
（2）瞬态传热： 瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过
点击所要加对流及温度的两条线：
然后选择从属于此线上的所有节点，按下图操作：
对所选节点施加对流及温度载荷：按下图选择，然后点击Pick All：
对流及温度值的设置 ：
Select everything后得 ：
分析类型选项的设置 ：
3.4 求解
4. 查看结果 4.1 先点击Read Results中的Last Set
（3）对流：对流（Convection）是一种面载荷， 用于计算流体与实体的热交换。它可以施加在 有限元模型的节点及单元上，也可以施加在实 体模型的线段和面上。
（4）热流密度：又称热通量（Heat Flux）单位为 W/m2。热流密度是一种面载荷，表示通过单 位面积的热流率。当通过单位面积的热流率已 知时，可在模型相应的外表面施加热流密度。 若输入值为正，则表示热流流入单元；反之， 则表示热流流出单元。它可以施加在有限元模 型的节点及单元上，也可以施加在实体模型的 线段和面上。
简要分析： 该问题属于瞬态热传导问题。由于材料沿长度方向
的尺寸远大于其它两个方向的尺寸，将其简化为平面 应变问题。在分析过程中取型材横截面的1/4建立模。
0.2
0.4
1. 建立工作文件名和工作标题，并选择Preferences进行筛选：：
2. 定义单元类型和材料属性：
3. 创建几何模型、划分网格 3.1 几何建模：
ห้องสมุดไป่ตู้
CGS代表厘米、克、秒单位制，其基本单 位为cm，g，s，℃。
BFT代表以英尺为主的英制单位制，其基 本单位为ft，slug，s，℉。
BIN代表以英寸为主的英制单位制，其基本 单位为in，ibm，s，℉。
USER代表用户自定义单位制，即用户可以 根据需要定义基本单位。
三、热分析时的三类边界条件和初始条件： 第一类边界条件：物体边界上的温度函数已知； 第二类边界条件：物体边界上的热流密度已知； 第三类边界条件：与物体相接触的流体介质的温
4. 加载求解 4.1 分析类型选择：
4.2 求解控制选择：Basic选项（变化）和Transient选项（没变）的 设置 ：
4.3 施加温度载荷：先对全部施加均布温度载荷500℃
再对线2和线3上的各节点施加温度及对流载荷。首先点击Select Entities：如下图（选定所要加对流和温度的线：通过拾取获得）：
几何模型
1. 建立工作文件名和工作标题，并选择Preferences进行筛选：
2. 定义单元类型和材料属性
3. 创建几何模型、划分网格 3.1 几何建模
3.2 划分网格：先对线进行标注，然后画线以便于操作。
4 加载求解 4.1 选择分析类型：
4.2 对线上各节点施加温度载荷：先对1线上的节点加温 度载荷