ANSYS热分析指南

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1、ANSYS热分析指南第一章简介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. 2ANSYS中的热分析ANSYS/Multiphysics ANSYS/Mechanical. ANSYS/ProfessionaK 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

2、阅ANSYS Theory Referenced。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A

3、UX12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。例如，可使用热质点单元MASS71模 拟随温度变化的内部热生成。1. 3热分析的类型ANSYS支持两种类型的热分析:1 .稳态热分析确定在稳态的条件下的温度分布及其他热特性，稳态条件指热量随时 间的变化可以忽略。2 .瞬态热分析则计算在随时间变化的条件下，温度的分布和热特性。1. 4耦合场分析ANSYS中可与热分析进行耦合的方式有热

4、一结构、热一电磁等。耦合场分析可以使用 ANSYS中的矩阵耦合单元，或者在独立的物理环境中使用序惯荷载耦合。有关耦合场分析 的详细描述，请参阅ANSYS Coupled-Field Analysis Guide。1. 5关于菜单路径和命 令语法在本指南中，您将会看到相关的ANSYS命令及其等效的菜单路径。这些参考的命令仅 仅包括命令名，因为并不总是需要指定所有的参数，而且不同的参数组合会有不同的作用。 有关ANSYS命令的更多的叙述，请参考ANSYS Commands Reference） o菜单路径将近可能完整得列出。对于多数情况，选择菜单就能够完成所需要的功能： 但还有一些情况，选择文中所

5、示菜单后会弹出一个菜单或是对话框，由此定义其他的选项 来执行一些特定的任务。第二章基础知识2. 1符号与单位项目长度时间质量温度力能量（热量）功率（热流率）热流密度生热速率 导热系数对流系数密度比热焰2.2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）：式中：一热量国际单位 m s Kg r N J W W/m W/m3 W/m- 00W/m- Kg/m3 J/Kg- J/m3 22 英制单位 ft s Ibm oANSYS 代号 HEAT HFLUX HGEN KXX HF DENS C ENTH TEMP F Ibf BTU BTU

6、/sec BTU/sec-ft BTU/sec-ft3 BTU/sec-ffoF BTU/sec-ffF lbm/ft3 BTU/lbm-oF BTL7ft3 2o2一作功一系统内能一系统动能一系统势能对大多数工程传热问题：通常不考虑做功：对r-稳态热分析：，即流入的热量等r-流出的热量；对于瞬态热分析：2. 3热传递的方式2. 3.1热传导,即流入流出的热传递速率等于系统内能的变化。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。热传导遵循傅立叶定律：，式中为热流密度（W/m2）,为导热系数,负号表示热量流向温度降低的方向。2. 3. 2热对流

7、热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量的交换。 热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。热对流用牛顿冷却方程来描述：式中为对流 换热系数（或称膜传热系数、给热系数、膜系数等）：为周围流体的温度。3. 3. 3热辐射热辐射指物体发射电磁能，并被其它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斯蒂芬-波尔兹曼方程来计算：中为热流率，为辐射率（黑度

8、），5. 67X10-8W/m2. K4,为辐射面1的面积，为斯蒂芬-波尔兹曼常数，约为约为为由辐射面1到辐射面2的形状系数，为，式，为固体表面的温度，辐射面1的绝对温度，为辐射面2的绝对温度，由上式可以看出，包含热辐射的热分是高度非线性的。2. 4稳态传热如果系统的净流滤为0,即流入体统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的 热量：，则系统热稳态。在稳态热分析中，任一节点的温度不随时间变化。稳态热分析的能 量平衡方程为(以矩阵形式表示)：式中：为传导矩阵，包含热系数、对流系数及辐射和形状系数：为节点温度向量：为节点热流率向量，包括热生成；ANSYS利用模型几何差数、材料热性能参数以及所施

9、加的边界条件，生成2. 5瞬态传 执瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。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。根据能量守恒原理，瞬态热平衡可以表达 为(以矩阵形式表示)：式中：为传导矩阵，包含热系数、对流系数及辐射和形状系数；为比热矩阵，考虑系统内能的增加：为节点温度向量：为温度对时间的导数；为节点热流率向量，包括热生成：2. 6线性与非线性如果有下列情况产生，则为非线性热分析：材料热性能随温度变化，如K(T), C(T)等：边界条件随温度变化，如h(T)等；含 有非线性单元：考虑辐射传热；非线性热分析的热平衡方程为:2. 7边界条件和初始条件ANS

10、YS热分析的边界条件或初始条件可分为七种：温度，热流率、热流密度、对流、 辐射、绝热、生热。在本指南中，您将会看到相关的ANSYS命令及其等效的菜单路径。这 些参考的命令仅仅包括命令名，因为并不总是需要指定所有的参数，而且，不同的参数的 组合会有不同的作用。有关ANSYS命令的更多的叙述，请参考ANSYS Commands Reference。菜单路径将近可能完整得列出，2. 8热分析误差估计仅用于评估由于网格密度不够带来的误差：仅适用于SOLID或SHELL的热单元（只有一个温度自由度）：基于单元边界的热流 密度的不连续；仅对一种材料、线性、稳态热分析有效；使用自适应网格划分可对误差 进行控

11、制。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

12、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S0LID70 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3-1二维实体单元单元

13、 PLANE35 PLANE55 PLANE75 PLANE77 PLANE38 单元 S0LID70 S0LID87 S0LID90 单元维数形状及特点自由度 温度（每个节点）温度（每个节点）温度（每个节点） 温度（每个节点）温度（每个节点）自由度温度（每个节点）温度（每个节点）温 度（每个节点）自由度 温度（每个节点）自由度 温度（每个节点）温度（每个节点） 自由度温度（每个节点）二维六节点三角形单元二维四节点四边形单元二维四节 点谐单元二维八节点四边形单元二维八节点谐单元维数形状及特点表3-2三维实 体单元三维八节点六面体单元三维十节点四面体单元三维二十节点六单元维数形 状及特点二节点线单元表3-4传导杆单元单元LINK32 LINK33单元LINK34维数二 维三维维数三维形状及特点二节点线单元二节点线单元形状及特点二节点线单元 表3-3辐射连接单元LINK31二维或三维 表3-5对流连接单元感谢您的阅读，祝您生活愉快。