有限元分析-热分析

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ANSYS热分析详解

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。

常用CAE分析简介

常用CAE分析简介1. 有限元分析（FEA）：有限元分析是一种将复杂结构分解为简单单元的方法，通过求解这些单元的力学行为，从而得到整个结构的力学性能。

有限元分析广泛应用于结构分析、热分析、流体分析等领域，可以帮助工程师评估设计的强度、刚度、稳定性等性能指标。

2. 计算流体动力学（CFD）：计算流体动力学是一种利用数值方法模拟流体流动问题的方法。

通过CFD分析，工程师可以了解流体在特定条件下的速度、压力、温度等参数，从而优化设计，提高设备的性能。

CFD分析广泛应用于航空航天、汽车、化工、建筑等领域。

3. 多体动力学（MBD）：多体动力学是一种模拟多个刚体之间相互作用的力学分析方法。

通过MBD分析，工程师可以研究机械系统的运动特性、动力学性能和振动特性，从而优化设计，提高设备的可靠性。

MBD分析广泛应用于汽车、、航天器等领域。

4. 优化设计：优化设计是一种在满足一定约束条件下，寻找最优设计方案的方法。

通过优化设计，工程师可以在保证产品质量的前提下，降低成本、提高性能。

优化设计方法包括线性规划、非线性规划、遗传算法等。

5. 可靠性分析：可靠性分析是一种评估产品在使用过程中发生故障的概率的方法。

通过可靠性分析，工程师可以了解产品的故障模式和故障原因，从而优化设计，提高产品的可靠性。

可靠性分析方法包括故障树分析、故障模式与影响分析等。

CAE分析在工程领域具有广泛的应用，可以帮助工程师在设计阶段发现潜在问题，优化设计，提高产品质量和降低成本。

随着计算机技术的不断发展，CAE分析将在未来发挥越来越重要的作用。

6. 热分析：热分析是一种评估产品在温度变化下的热传导、热对流和热辐射性能的方法。

通过热分析，工程师可以了解产品在不同温度条件下的热性能，从而优化设计，提高产品的热效率和热稳定性。

热分析广泛应用于电子设备、汽车、航空航天等领域。

7. 声学分析：声学分析是一种评估产品在声波作用下的声学性能的方法。

通过声学分析，工程师可以了解产品在不同频率下的声压级、声强级和声功率级等参数，从而优化设计，提高产品的声学性能。

ANSYS热分析简介1

ANSYS热分析简介1⽬录1. ANSYS热分析简介1. ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡⽅程，⽤有限元的⽅法计算各节点的温度，并导出其他物理参数。

2. ANSYS热分析包括热传导、热对流和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。

3. ANSYS中耦合场的分析种类有热-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。

4. 对于不同的零件，之间可以采⽤GLUE进⾏粘接，或者采⽤Overlap等⽅法，也可以建⽴接触。

1.1 传导传导：两个良好接触的物体之间的能量交换或⼀个物体内由于温度梯度引起的内部能量交换。

对流：在物体和周围介质之间发⽣的热交换。

由温差存在⽽引起的热量交换，可以分为⾃然对流和强对流。

对流⼀般作为⾯边界条件施加。

热对流⽤⽜顿冷却⽅程来描述。

辐射：⼀个物体或者多个物体之间通过电磁波进⾏能量交换。

热辐射指物体发射电磁能，并被其他物体吸收转变为热的热量交换过程。

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传热介质，⽽热辐射⽆需任何介质，且在真空中的效率最⾼。

可以看出辐射分析是⾼度⾮线性的。

1.2 热载荷分类（1）DOF约束：温度（2）集中载荷：热流（3）⾯载荷：热流，对流（4）体载荷：体积或者区域载荷。

1.2.1 载荷施加序号APDL含义备注1TUNIF施加均匀初始温度2IC施加⾮均匀的初始温度1.3 热分析分类1.3.1 稳态热分析如果热能的流动不随时间变化的话，热传递就成为是稳态的。

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。

稳态热平衡满⾜热⼒学第⼀定律。

通常在进⾏瞬态分析前，进⾏稳态分析⽤于确定初始温度分布。

对于稳态传热，⼀般只需要定义导热系数，他可以是恒定的，也可是是随温度变化的。

1.3.2 瞬态热分析瞬态热分析⽤于计算⼀个系统的随时间变化的温度场及其他热参数。

在⼯程上⼀般⽤瞬态热分析计算温度场，并将之作为热载荷进⾏应⼒分析。

传热问题有限元分析

【问题描述】本例对覆铜板模型进行稳态传热以及热应力分析，图I所示的是铜带以及基板的俯视图，铜带和基板之间由很薄的胶层连接，可以认为二者之间为刚性连接，这样的模型不包含胶层，只有长10mm的铜带（横截面2mm×0.1mm）和同样长10mm的基板（横截面2mm×0.2mm）。

材料性能参数如表1所示，有限元分析模型为实体——实体单元，单元大小0.05mm，边界条件为基板下表面温度为100℃，铜带上表面温度为20℃，通过二者进行传热。

图I 铜带与基板的俯视图表1 材料性能参数名称弹性模量泊松比各向同性导热系数基板 3.5GPa 0.4 300W/(m·℃)铜带110GPa 0.34 401W/(m·℃)【要求】在ANSYS Workbench软件平台上，对该铜板及基板模型进行传热分析以及热应力分析。

1.分析系统选择（1）运行ANSYS Workbench，进入工作界面，首先设置模型单位。

在菜单栏中找到Units下拉菜单，依次选择Units>Metric（kg,m,s,℃，A，N,V）命令。

（2）在左侧工具箱【Toolbox】下方“分析系统”【Analysis Systems】中双击“稳态热分析”【Steady-State Thermal】系统，此时在右侧的“项目流程”【Project Schematic】中会出现该分析系统共7个单元格。

ANSYS_热分析(两个实例)有限元热分析上机指导书

第四讲热分析上机指导书CAD/CAM 实验室，USTC实验要求：1、通过对冷却栅管的热分析练习，熟悉用ANSYS 进行稳态热分析的基本过程，熟悉用直接耦合法、间接耦合法进行热应力分析的基本过程。

2、通过对铜块和铁块的水冷分析，熟悉用ANSYS 进行瞬态热分析的基本过程。

内容1：冷却栅管问题问题描述：本实例确定一个冷却栅管（图a ）的温度场分布及位移和应力分布。

一个轴对称的冷却栅结构管内为热流体，管外流体为空气。

冷却栅材料为不锈钢，特性如下：导热系数：25.96 W/m ℃弹性模量：1.93×109 MPa热膨胀系数：1.62×10-5 /℃泊松比：0.3边界条件：（1）管内：压力：6.89 MPa流体温度：250 ℃对流系数249.23 W/m 2℃（2）管外：空气温度39℃对流系数：62.3 W/m 2℃假定冷却栅管无限长，根据冷却栅结构的对称性特点可以构造出的有限元模型如图b 。

其上下边界承受边界约束，管内部承受均布压力。

练习1－1：冷却栅管的稳态热分析步骤：1.定义工作文件名及工作标题1)定义工作文件名：GUI: Utility Menu> File> Change Jobname ，在弹出的【Change Jobname 】对话框中输入文件名Pipe_Thermal ，单击OK 按钮。

2)定义工作标题：GUI: Utility Menu> File> Change Title ，在弹出的【Change Title 】对话框中2D Axisymmetrical Pipe Thermal Analysis ，单击OK 按钮。

3)关闭坐标符号的显示：GUI: Utility Menu> PlotCtrls> Window Control> Window Options ，在弹出的【Window Options 】对话框的Location of triad 下拉列表框中选择No Shown 选项，单击OK 按钮。

有限元分析实例-----电线生热稳态热分析

有限元分析实例-----电线生热稳态热分析（使用ANSYS17.0软件）一个典型的ANSYS分析过程可分为以下6个步骤：①定义参数②创建几何模型③划分网格④加载数据⑤求解⑥结果分析一、进行平面的轴对称分析启动ANSYS17.0软件。

1.定义文件分析名。

选择Utility Menu--file--change jobname命令，输入“exercise-1”，单击ok按钮。

2.定义单元类型。

Main Menu--Preprocessor--Element type--add/edit/delete。

选择add-Thermal mass--solid--Quad 4node 55单元，单击ok按钮。

选择options--k3---Axisymmetric，单击ok按钮。

单击close按钮。

3.定义参数，直接在键盘输入R=0.001015 (半径)Q=1.718e9 (热流密度)LB=19.03 (导热系数)4.定义材料属性。

选择Main Menu--Preprocessor--Material props--Material Models，弹出对话框，选择各向同性的温度材料，如图设置，单击ok按钮。

5.创建模型。

选择Main Menu--Preprocessor--Modeling--create--Areas--Rectangle--By Dimensions命令。

如图设置，单击ok按钮，建立矩形，如下图。

6.设置网格单元密度。

选择Main Menu--Preprocessor--Meshing--Sizecntrls---ManualSize---Global--size。

如图设置，单击ok按钮。

有限元模型如下图。

7.划分单元。

选择Main Menu--Preprocessor--Meshing--Mesh---Areas---TargetSurf，选择pick all。

8.施加热载荷。

MainMenu--Preprocessor---Loads---DefineLoads---Apply---Thermal---Heat Generat----On Areas,选择整个矩形。

有限元分析法

杆单元 Rod element 梁单元 Beam element 弹簧单元 Spring element
2个移动自由度 1个转动自由度
3个移动自由度（平面杆单元2个） 3个移动自由度（平面梁2个） 3个转动自由度（平面梁1个） 3个移动自由度（平面2个） 3个转动自由度（平面1个）
梁结构
弹簧结构
网格划分方法
. . .. . ..
线性
体(三维实体)
. . . . . ... .. .. . ..
二次
低阶单元
更高阶单元
线单元
• 线单元: 用于螺栓(杆)，弹簧，桁架或细长构件
面单元
• 壳单元: –Shell (壳)单元每块面板的主尺寸不低于其厚度的10倍。
面单元
-平面应力分析是用来分析诸如承受面内载荷的平板、承受压力或远离中心载荷的薄圆盘等结构。
details ignored
Geometric model for FEA
单元类型选择
Element type：
3节点三角形平面应力单元
单元特性定义
Element properties：
材料特性：E, µ 单元厚度：t
网格划分
模型检查 • • • • 低质量单元畸形单元重合节点重合单元
2 nodes
. .
A
. .
..
B
1 node
. .
. .
A
. .
B
具有公共节点的单元之间存在信息传递
. .
分离但节点重叠的单元 A和B之间没有信息传递（需进行节点合并处理）
第2节有限元建模方法
Finite element model
Input data

solidworks有限元分析

SolidWorks有限元分析引言SolidWorks是一款常用的计算机辅助设计（CAD）软件，它提供了丰富的工具和功能来进行产品设计和分析。

其中的有限元分析（Finite Element Analysis，简称FEA）功能为工程师提供了一种模拟和分析产品性能的方法。

本文将介绍SolidWorks的有限元分析功能，并详细探讨其应用和优势。

什么是有限元分析（FEA）？有限元分析是一种数值方法，用于解决复杂的物理问题。

它将复杂结构分割成小的、简单形状的区域（有限元），然后通过对这些小区域进行数值计算来近似求解整个结构的行为。

有限元分析在工程设计和科学研究中被广泛应用。

它可以预测结构在受力情况下的变形、应力和振动等物理特性。

通过有限元分析，工程师可以在设计阶段快速评估产品的性能，并优化其结构，以满足设计要求。

SolidWorks有限元分析功能的特点SolidWorks的有限元分析功能是其强大工程设计工具的重要组成部分。

以下是SolidWorks有限元分析功能的一些特点：集成性SolidWorks提供了与自身设计环境完全集成的有限元分析工具。

这意味着用户可以在SolidWorks界面中直接进行有限元分析，无需另外安装其他软件或切换到其他界面。

直观的前处理SolidWorks的有限元分析功能提供了直观的前处理工具，使用户能够快速定义材料属性、约束和加载条件。

通过简单的拖放和点击操作，用户可以定义结构的几何形状、材料属性和物理限制。

自动网格生成在有限元分析中，网格是将结构分割成小区域的关键步骤。

SolidWorks的有限元分析功能可以自动生成高质量的网格。

用户只需设置一些基本参数，SolidWorks就能自动生成适用于分析的网格。

多种分析类型SolidWorks的有限元分析功能支持多种分析类型，包括静态、动态、热分析等。

用户可以根据实际需求选择合适的分析类型进行模拟。

结果可视化有限元分析的结果可以通过可视化的方式呈现，包括应力分布、位移和振动模态等。

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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
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线段和面上。
（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。
Ø ANSYS/Mechanical
Ø ANSYS/Thermal
Ø ANSYS/FLOTRAN
Ø ANSYS/ED
其中，ANSYS/FLOTRAN不含相变热分析。
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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。
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。
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（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
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。
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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
7.1 有限元技术在热分析中的应用
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主要讲授三方面内容：
Ø ANSYS热分析基础知识简介 Ø 稳态热分析实例 Ø 瞬态热分析实例
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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：
Ø ANSYS/Multiphysics
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：Biblioteka 2021/3/10讲解：XX
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式中：
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热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。
式中：
q’’=h(TS-TB)
Ø h为对流换热系数（或称膜传热系数、给热系数、膜系数等）；
Ø TS为固体表面的温度； Ø TB为周围流体的温度。
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（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
Library >Select Units）：
SI（MKS）代表国际单位制，其基本单位
为m，kg，s，K。
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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，℉。
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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。
在整个区域中所具有的温度为已知值。
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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
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；
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（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。
（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。
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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
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。
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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
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
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。
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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。
q=êɡA1F12(T41-T42)
Ø q为热流率；
Ø ê为实际物体的辐射率，或称黑度，它的数值
处于0～1之间；
Ø ɡ为斯蒂芬—波尔兹曼常数，约为
5.67×108W/m2.K4；
Ø A1为辐射面1的面积；
Ø F12为由辐射面1到辐射面2的形状系数；
Ø T1为辐射面对1的绝对温度；
Ø T2为辐射面2的绝对温度。