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ANSYS热分析指南（第四章）

家庭是幼儿语言活动的重要环境，为了与家长配合做好幼儿阅读训练工作，孩子一入园就召开家长会，给家长提出早期抓好幼儿阅读的要求。

我把幼儿在园里的阅读活动及阅读情况及时传递给家长，要求孩子回家向家长朗诵儿歌，表演故事。

我和家长共同配合，一道训练，幼儿的阅读能力提高很快。

第四章瞬态热分析

宋以后，京师所设小学馆和武学堂中的教师称谓皆称之为“教谕”。

至元明清之县学一律循之不变。

明朝入选翰林院的进士之师称“教习”。

到清末，学堂兴起，各科教师仍沿用“教习”一称。

其实“教谕”在明清时还有学官一意，即主管县一级的教育生员。

而相应府和州掌管教育生员者则谓“教授”和“学正”。

“教授”“学正”和“教谕”的副手一律称“训导”。

于民间，特别是汉代以后，对于在“校”或“学”中传授经学者也称为“经师”。

在一些特定的讲学场合，比如书院、皇室，也称教师为“院长、西席、讲席”等。

4.1瞬态传热的定义

唐宋或更早之前，针对“经学”“律学”“算学”和“书学”各科目，其相应传授者称为“博士”，这与当今“博士”含义已经相去甚远。

而对那些特别讲授“武事”或讲解“经籍”者，又称“讲师”。

“教授”和“助教”均原为学官称谓。

前者始于宋，乃“宗学”“律学”“医学”“武学”等科目的讲授者；而后者则于西晋武帝时代即已设立了，主要协助国子、博士培养生徒。

“助教”在古代不仅要作入流的学问，其教书育人的职责也十分明晰。

唐代国子学、太学等所设之“助教”一席，也是当朝打眼的学官。

至明清两代，只设国子监（国子学）一科的“助教”，其身价不谓显赫，也称得上朝廷要员。

至此，无论是“博士”“讲师”，还是“教授”“助教”，其今日教师应具有的基本概念都具有了。

ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical，ANSYS/FLOTRAN和ANSYS/Professional这些产品支持瞬态热分析。

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它热参数。

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。

许多传热应用—热处理问题，喷管，引擎堵塞，管路系统，压力容器等，都包含瞬态热分析。

瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似。

主要的区别是瞬态热分析中的载荷是随时间变化的。

为了表达随时间变化的载荷，可使用提供的函数工具描述载荷～时间曲线并将该函数作为载荷施加（请参考《ANSYSBasicPorceduresGuide》中的“施加函数边界条件载荷”），或将载荷～时间曲线分为载荷步。

载荷～时间曲线中的每一个拐点为一个载荷步，如下图所示:

图4-1用荷载步定义时变荷载

对于每一个载荷步，必须定义载荷值及时间值，同时还需定义其它载荷步选项，如：

载荷步为渐变或阶跃、自动时间步长等，定义完一个载荷步的所有信息后，将其写为载荷步文件，最后利用载荷步文件统一求解。

本章对一个铸件的分析的实例对此有进一步说明。

4.2瞬态热分析中使用的单元和命令

瞬态热分析中使用的单元与稳态热分析相同，第三章对单元有简单的描述。

要了解每个单元的详细说明，请参阅《ANSYSElementReference》。

要了解每个命令的详细功能，请参阅《ANSYSCommandsReference》。

4.3瞬态热分析的过程

瞬态热分析的过程为：

建模

施加荷载并求解

在后处理中查看结果

以下的内容将讲述瞬态分析的基本步骤，由于并不是每个瞬态分析的过程都一致，因此本书先对整个过程进行了一般的讲解，再进行实例的分析。

4.4建模

建立一个模型首先应为分析指定jobname和title。

如果是运行的是GUI，可以在MainMenu>Preferences中对菜单进行过滤。

然后进入前处理器（PREP7）完成以下工作：

定义单元类型

定义需要的单元实常数

定义材料属性

建立几何实体

划分网格

《ANSYSModelingandMeshingGuide》中对本部分有详细说明。

4.5施加荷载和求解

在瞬态分析中，施加荷载的第一步是定义分析类型，然后为分析建立初始条件。

4.5.1指定分析类型

在这一步中，可以如下指定分析类型：

GUI:

MainMenu>Solution>AnalysisType>NewAnalysis>Transient

如果是一个新的分析，执行命令：

ANTYPE,TRANSIENT,NEW

如果是重新启动以前的分析，比如，附加一个荷载。

执行命令：

ANTYPE,TRANSIENT,REST。

（条件是先前分析的jobname.ESAV、jobname.DB等文件是可以利用的）

4.5.2为分析建立初始条件

瞬态热分析的初始条件来自于对应的一个稳态计算结果，或者直接为所有节点设定初始温度。

4.5.2.1设置均匀的初始温度

如果已知模型起始时的环境温度，可用下面的方法来设定所有节点的初始温度：

命令：

TUNIF

GUI:

MainMenu>Solution>-Loads->Settings>UniformTemp

如果不在对话框中输入数据，则默认为参考温度，参考温度的值默认为零，可以如下设定参考温度：

命令：

TREF

GUI:

MainMenu>Solution>-Loads->Settings>ReferenceTemp

注意：

设定均匀的初始温度，与下面的设定节点温度（自由度）不同。

命令：

D

GUI:

MainMenu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->OnNodes

初始均匀温度仅对分析的第一个子步有效；而设定节点温度将使节点温度在整个瞬态分析过程等于指定值，除非通过下列方法删除此约束：

命令：

DDELE

GUI:

MainMenu>Solution>-Loads->Delete>-Thermal-Temperature>OnNodes

4.5.2.1设置非均匀的初始温度

在瞬态热分析（不是稳态热分析）中，可以指定一个和一组初始温度不均匀的节点，方法如下：

命令：

IC

GUI:

MainMenu>Solution>Loads>Apply>-InitialCondit"n>Define

还可以对某些节点设定非均匀的初始温度，同时再设定其它节点的初始温度为均匀初始温度。

要做到这点，只需要在为选择的节点定义不均匀温度之前，先定义均匀的温度就行了。

用以下命令可显示具有非均匀初始温度的节点：

命令：

ICLIST

GUI:

MainMenu>Preprocessor>Loads>Apply>InitialCondit"n>ListPicked

如果初始温度场是不均匀的且又是未知的，就必须首先作稳态热分析确定初始条件，步骤如下：

指定相应的稳态分析荷载，如：

温度约束，对流换热等。

关闭瞬态效应

命令：

TIMINT,OFF,THERRM

GUI：

MainMenu>Preprocessor>Load>Time/Frequenc>Time-TimeIntegration

定义通常较小的一个时间值（如：

1E-6秒）

命令：

TIME

GUI：

MainMenu>Preprocessor>Load>Time/Frequenc>Time-TimeStep

定义斜坡或阶越荷载，如果使用斜坡荷载，则就必须考虑相应的时间内产生的温度梯度效应。

命令：

KBC

GUI：

MainMenu>Preprocessor>Load>Time/Frequenc>Time-TimeStep

写荷载步文件

命令：

LSWRITE

GUI：

MainMenu>Preprocessor>Load>WriteLSFile

对于第二个载荷步，要记住删除所有固定温度边界条件，除非能够判断那些节点上的温度确实在整个瞬态分析过程中都保持不变。

同时，记住执行TIMINT,ON,THERM命令以打开瞬态效应。

更多的细节，请见《ANSYSCommandsReference》中对D、DDELE、LSWRITE、SF、TIME和TIMINT等命令的详细描述。

4.5.3设置荷载步选项

对热分析可以设置通用选项，非线性选项和输入控制。

4.5.3.1设置时间步的策略

对于瞬态热分析，既可以用多个载荷步完成（对于阶跃或渐变边界条件），也可以只用一个载荷步、采用表格边界条件（对于随时间任意变化在边界条件）并由一个数组参数定义时间点。

表格边界条件方式仅适用于仅传热单元、热电单元、热表面效应单元、热流体单元以及这些类型单元的部分组合。

如果采用载荷步的方法，则按下述步骤进行：

1．设定每一载荷步结束时的时间：

命令：

TIME

GUI:

Main　Menu>Solution>-LoadStepOpts-Time/Frequenc>TimeandTimeStep

2.设定载荷变化方式。

如果载荷在这个载荷步是恒定的，需要设为阶越选项；如果载荷值随时间线性变化，则要设定为渐变选项：

命令：

KBC

GUI：

MainMenu>Preprocessor>Load>Time/Frequenc>Time-TimeStep

3．定义在本载荷步结束时的载荷数值（相关的命令及菜单路径参见表3-9）。

4．将载荷步信息写入载荷步文件：

命令：

LSWRITE

GUI：

MainMenu>Preprocessor>Load>WriteLSFile

5．对于其它载荷步，重复步骤1～4即可，直到所有的载荷都已经写入到荷载步文件中。

如要删除部分载荷（非温度约束），最好将其设置为在一个微小的时间段中值变为零，而不是直接删除。

如果采用表格参数定义载荷，按如下步骤进行：

1.如《ANSYSBasicAnalysisProceduresGuide》中的“采用表格数组参数施加载荷”所述，用TABLE类型的数组参数定义载荷特性（例如，载荷与时间的关系）。

2.打开自动时间步长功能（AUTOTS,ON），定义时间步长（DELTIM）或子步数。

3.定义时间步重置选项。

可以选择在求解中不重置时间步,或基于一个已定义好的时间（关键时间）数组重置时间步,或基于一个新的关键时间数组重置时间步。

命令：

TSRES

GUI：

MainMenu>Preprocessor>Load>Time/Frequenc>Time-TimeStep

GUI：

MainMenu>Preprocessor>Load>Time/Frequenc>TimeandSubsteps

如果选择用新数组并交互时运行，此时程序要求填写一个n×1的关键时间数组。

如果以批处理方式运行，则必须在执行TSRES命令之前定义一个数组，其将时间步重置为由DELTIM或NSUBST命令定义的初始值。

如果在应用时间步重置数组（TSRES命令）的同时又采用了另外的时间值数组（OUTRES命令的FREQ=%array%），则需确认：

如果FREQ数组的时间值比在TSRES数组中所对应的最接近的时间值大，则所大的数值至少应为由DELTIM或NSUBST命令定义的初始时间步增量。

例如，如果FREQ数组的时间值为1.5,2,10,14.1,和15，TSRES数组的时间值为1,2,10,14,和16（在这些值处时间步将重新开始），初始时间步增量DTIME=0.2，则程序将停止运算，因为在这种设置下，在时间为14时时间步将重置，那么下一个时间步至少为14.2，所要求的FREQ数组时间值14.1并不存在。

注意：

TSRES命令只有在设置了AUTOTS,ON的情况下才有效，如果采用固定时间步长（AUTOTS,OFF）,则TRES被忽略。

定义关键时间数组的方式如下：

命令：

*DIM

GUI：

UtilityMenu>Parameters>ArrayParameters>Define/Edit

在关键时间数组中，时间值必须是升序排列的，并且不能超过由TIME命令定义的载荷步结束时间。

在求解过程中,时间步可能会在数组定义的关键时刻点被重置.重置的大小基于命令DELTIM,DTIME或NSUBST,NSBSTP设置的初始时间步尺寸或子步数。

4．用一个与关键时间数组类似的n×1数组参数来指定将哪些时刻的计算结果写入结果文件。

可以就利用关键时间数组，或用一个不同的数组。

如果是交互式运行程序，可在此时创建一个数组或采用已有数组，如果是批处理方式运行程序，则必须在OUTRES命令之前定义该数组。

命令：

OUTRES

GUI：

MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-OuputCtrls>DB/ResultsFile

注意：

只有在采用下列仅传热单元、热电单元、热表面效应单元、流体单元（FLUID166）或这些单元的组合的情况下，才能使用TSRES命令和相应的时间步策略：

LINK31、LINK32、LINK33、PLANE35、MATEIX50、PLANE55、SHELL57、PLANE67（只有热自由度）、LINK68（只有热自由度）、SOLID69（只有热自由度）、SOLID70、MASS71、PLANE75、PLANE77、SOLID87、SOLID90、FLUID116、SURF151、SURF152、SHELL157（只有热自由度）、TARGE169、TARGE170、CONTA171、CONTA172、CONTA173、CONTA174。

4.5.3.2通用选项

求解控制选项

该选项打开或关闭ANSYS内部的求解控制功能，如果打开，则用户通常只需定义子步数（NSUBST）或时间步长（DELTIM），以及载荷步结束时间（TIME），其它的求解控制命令将由程序自动设置为其最佳值，详见《ANSYS命令手册》中对SOLCONTROL命令的描述。

按下述方式打开或关闭求解控制：

命令：

SOLCONTROL

GUI：

MainMenu>Solution>SolutionCtrl

时间选项

该选项定义载荷步的结束时间，缺省情况下，第一个荷载步结束的时间是1.0，此后的荷载步对应的时间强逐次加1.0。

命令：

TIME

GUI:

　MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Time/Frequenc>TimeandSubstps

每载荷步中子步的数量或时间步大小

对于非线性分析，每一载荷步需要多个子步。

缺省情况下每个荷载步有一个子步。

对于瞬态分析，在热梯度较大的区域（如淬火体的表面），热流方向的最大单元尺寸和能够得到好结果的最小时间步长有一个关系。

在时间步保持不变的时候，更多的单元通常会得到更好的结果；但是，在网格尺寸不变的时候，子步越多，结果反而会变得更差。

当采用自动时间步和代中间节点的二次单元时，ANSYS建议使用者根据输入的荷载来控制最大的时间步长，根据下面的关系来定义最小的时间步长：

其中

为在热梯度最大处沿热流方向的单元长度，

为扩散率，它等于导热系数除以密度与比热的乘积（

）。

当采用有中间节点的单元时，如果违反上述关系式，ANSYS的计算会出现不希望的振荡，计算出的温度会在物理上超出可能的范围。

如果不采用带中间节点的单元，则一般不会计算出振荡的温度分布，那么上述建议的最小时间步长就有些保守。

注意：

不要采用特别小的时间步长，特别是当建立初始条件时。

在ANSYS中，很小的数可能导致计算错误，比如：

当一个问题的时间量级为的时候，时间步长为1×10－10时就可能产生数值错误。

命令：

NSUBST或DELTIM

GUI:

MainMenu>Solution>-LoadStepOpts->Time/Frequenc>TimeandSubstps

4.5.4非线性选项

对于单场非线性热分析，ANSYS允许三种求解选项：

FULL选项对应于缺省的全N-R算法；Quasi选项对应于在非线性热问题求解过程中有选择性地重构热矩阵－只有当非线性材料的性质改变量较大（用户控制）时，才重构热矩阵，该选项在时间步间不执行平衡迭代，材料性质根据载荷步开始时的温度来确定；Linear选项只在每个载荷步的第一个时间步构建一个热矩阵，它只适用于进行快速求解以得到一个近似的结果。

在ANSYS中，这些选项可通过THOPT命令来选择，Quasi和Linear选项直接组集热矩阵，只有ICCG和JCG求解器支持这种求解，可用EQSLV命令选择这些求解器。

对于Quasi求解选项，必须定义用于矩阵重构的材料参数改变容差，缺省的容差为0.05，对应于材料参数变化5％。

Quasi选项设置一个单一的固定材料表以及在最高和最低温度之间等分的温度指针，用以计算随温度变化的材料性质。

因此，采用该选项时，必须为固定材料表定义温度指针数（缺省为64）以及最高和最低温度（缺省为MPTEMP命令定义的最高和最低温度）。

还可用THOPT命令定义其它非线性载荷选项。

命令：

THOPT

GUI:

MainMenu>Solution>AnalysisOptions

只有存在非线性时，才需要定义非线性荷载步选项，包括：

平衡迭代次数

本选项设置每一子步允许的最大迭代次数，默认值为25，对大多数非线性热分析问题已经足够。

如果打开求解控制（SOLCONTROL,ON），则缺省的迭代数介于15到26之间，根据具体的物理问题而变化。

命令：

NEQIT

GUI:

MainMenu>Solution>-Loadstepopts>Nonlinear>EquilibriumIter

自动时间步长

在瞬态分析中也称为的时间步优化，它使程序自动确定子步间的载荷增量。

同时，它根据分析模型的响应情况，自动增、减时间步大小。

在瞬态分析中，响应检测基于热特征值。

对于THOPT,Quasi选项，时间步的修正也基于求解过程中的材料参数变化情况。

如果特征值小，就采用大的时间步，反之亦然。

在确定下一时间步长时，上一时间步中所进行的平衡迭代数量也是要考虑的依据之一，同时也要考虑非线性单元的状态变化。

对于大多数问题，都应该打开自动时间步长功能并设置积分时间步长的上下限，上下限的设置可用NSUBST或DELTIM命令或下面相应的菜单路径，这种设置有助于控制时间步长的变化量。

GUI:

　MainMenu>Solution>-LoadStepOpts->Time/Frequenc>TimeandSubstps

设置自动时间步选项：

命令：

AUTOTS

GUI:

　MainMenu>Solution>-LoadStepOpts->Time/Frequenc>TimeandSubstps

调整自动时间步长中的默认参数值

命令：

TINTP

GUI:

MainMenu>　Preprocessor>Loads>-LoadStepOpts-Time/Frequenc>TimeIntegration

时间积分效应

该选项决定了是否包括结构惯性力，热容之类的瞬态效应。

注意：

在瞬态分析时，时间积分效应缺省是打开的，如果将其设为OFF，ANSYS将进行一个稳态分析。

指定时间积分效应，使用：

命令：

TIMINT

GUI:

MainMenu>Solution>-LoadStepOpts->Time/Frequenc>TimeIntegration

瞬态积分参数

瞬态积分参数：

此参数控制时间积分方案的性质并设定自动时间步长控制标准，详情请参考《ANSYSTheoryReference》。

为尽量减少计算结果中的误差，可将此参数（THETA值）设为1。

命令：

TIMINT

GUI:

MainMenu>Solution>-LoadStepOpts->Time/Frequenc>TimeIntegration

对收敛容差，求解结束，线性搜索，预测－矫正等选项的设置参见本书第三章。

4.5.5输出控制

本节内容可参见本书第三章。

4.5.6求解

本节内容可参见本书第三章。

4.6后处理

ANSYS提供两种后处理方式。

4.6.1通用后处理（POST1）

本节内容可参见本书第三章。

4.6.2时间历程后处理（POST26）

时间历程后处理器POST26对随时间变化的变量进行操作，ANSYS为每一个变量安排一个编号，第一号固定为时间。

在时间历程后处理中首先要定义变量。

命令：

NSOL,ESOL或RFORCE

GUI:

MainMenu>TimeHistPostproc>DefineVariables

然后就可以绘制这些变量随时间变化的曲线：

命令：

PLVAR

GUI:

MainMenu>TimeHistPostproc>GraphVariables

或列表输出：

命令：

PRVAR

GUI:

MainMenu>TimeHistPostproc>ListVariables

或仅列出极值：

命令：

EXTREM

GUI:

MainMenu>TimeHistPostproc>ListExtremes

通过在时间历程后处理器中观察模型的一些临界时刻点，就能够进一步在通用后处理器中这些时刻的结果进行后处理。

此外，POST26还提供许多其它功能，更多的细节请参阅《ANSYS基本过程指南》。

4.5.4非线性选项

对于单场非线性热分析，ANSYS允许三种求解选项：

FULL选项对应于缺省的全N-R算法；Quasi选项对应于在非线性热问题求解过程中有选择性地重构热矩阵－只有当非线性材料的性质改变量较大（用户控制）时，才重构热矩阵，该选项在时间步间不执行平衡迭代，材料性质根据载荷步开始时的温度来确定；Linear选项只在每个载荷步的第一个时间步构建一个热矩阵，它只适用于进行快速求解以得到一个近似的结果。

在ANSYS中，这些选项可通过THOPT命令来选择，Quasi和Linear选项直接组集热矩阵，只有ICCG和JCG求解器支持这种求解，可用EQSLV命令选择这些求解器。

对于Quasi求解选项，必须定义用于矩阵重构的材料参数改变容差，缺省的容差为0.05，对应于材料参数变化5％。

Quasi选项设置一个单一的固定材料表以及在最高和最低温度之间等分的温度指针，用以计算随温度变化的材料性质。

因此，采用该选项时，必须为固定材料表定义温度指针数（缺省为64）以及最高和最低温度（缺省为MPTEMP命令定义的最高和最低温度）。

还可用THOPT命令定义其它非线性载荷选项。

命令：

THOPT

GUI:

MainMenu>Solution>AnalysisOptions

只有存在非线性时，才需要定义非线性荷载步选项，包括：

平衡迭代次数

本选项设置每一子步允许的最大迭代次数，默认值为25，对大多数非线性热分析问题已经足够。

如果打开求解控制（SOLCONTROL,ON），则缺省的迭代数介于15到26之间，根据具体的物理问题而变化。

命令：

NEQIT

GUI:

MainMenu>Solution>-Loadstepopts>Nonlinear>EquilibriumIter

自动时间步长

在瞬态分析中也称为的时间步优化，它使程序自动确定子步间的载荷增量。

同时，它根据分析模型的响应情况，自动增、减时间步大小。

在瞬态分析中，响应检测基于热特征值。

对于THOPT,Quasi选项，时间步的修正也基于求解过程中的材料参数变化情况。

如果特征值小，就采用大的时间步，反之亦然。

在确定下一时间步长时，上一时间步中所进行的平衡迭代数量也是要考虑的依据之一，同时也要考虑非线性单元的状态变化。

对于大多数问题，都应该打开自动时间步长功能并设置积分时间步长的上下限，上下限的设置可用NSUBST或DELTIM命令或下面相应的菜单路径