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ansys热分析

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/Professional、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，请参阅《ANSYSTheoryReference》。

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AUX12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—结构、热－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《ANSYSCoupled-FieldAnalysisGuide》。

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《ANSYSCommandsReference》。

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

国际单位

英制单位

ANSYS代号

长度

m

ft

时间

s

s

质量

Kg

lbm

温度

℃

oF

TEMP

力

N

lbf

能量（热量）

J

BTU

功率（热流率）

W

BTU/sec

HEAT

热流密度

W/m2

BTU/sec-ft2

HFLUX

生热速率

W/m3

BTU/sec-ft3

HGEN

导热系数

W/m-℃

BTU/sec-ft-oF

KXX

对流系数

W/m2-℃

BTU/sec-ft2-oF

HF

密度

Kg/m3

lbm/ft3

DENS

比热

J/Kg-℃

BTU/lbm-oF

C

焓

J/m3

BTU/ft3

ENTH

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：

—热量

—作功

—系统内能

—系统动能

—系统势能

对大多数工程传热问题：

；

通常不考虑做功：

，则

；

对于稳态热分析：

，即流入的热量等于流出的热量；

对于瞬态热分析：

，即流入流出的热传递速率

等于系统内能的变化。

2.3热传递的方式

2.3.1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。

热传导遵循傅立叶定律：

，式中

为热流密度（W/m2），

为导热系数（W/m-℃），负号表示热量流向温度降低的方向。

2.3.2热对流

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）；

为固体表面的温度，

为周围流体的温度。

2.3.3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：

，式中

为热流率，

为辐射率（黑度），

为斯蒂芬－波尔兹曼常数，约为约为5.67×10-8W/m2.K4，

为辐射面1的面积，

为由辐射面1到辐射面2的形状系数，

为辐射面1的绝对温度，

为辐射面2的绝对温度，由上式可以看出，包含热辐射的热分析是高度非线性的。

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加的边界条件，生成

、

及

。

2.5瞬态传热

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

ANSYS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《ANSYSCommandsReference》。

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；

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《ANSYSElementReference》，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SOLID70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

维数

形状及特点

自由度

PLANE35

二维

六节点三角形单元

温度（每个节点）

PLANE55

二维

四节点四边形单元

温度（每个节点）

PLANE75

二维

四节点谐单元

温度（每个节点）

PLANE77

二维

八节点四边形单元

温度（每个节点）

PLANE38

二维

八节点谐单元

温度（每个节点）

表3-2三维实体单元

单元

维数

形状及特点

自由度

SOLID70

三维

八节点六面体单元

温度（每个节点）

SOLID87

三维

十节点四面体单元

温度（每个节点）

SOLID90

三维

二十节点六单元

温度（每个节点）

表3-3辐射连接单元

单元

维数

形状及特点

自由度

LINK31

二维或三维

二节点线单元

温度（每个节点）

表3-4传导杆单元

单元

维数

形状及特点

自由度

LINK32

二维

二节点线单元

温度（每个节点）

LINK33

三维

二节点线单元

温度（每个节点）

表3-5对流连接单元

单元

维数

形状及特点

自由度

LINK34

三维

二节点线单元

温度（每个节点）

表3-6壳单元

单元

维数

形状及特点

自由度

SHELL57

三维

四节点四边形单元

温度（每个节点）

表3-7耦合场单元

单元

维数

形状及特点

自由度

PLANE13

二维

四节点热－应力耦合单元

温度、结构位移、电位、磁矢量位

CONTACT48

二维

三节点热－应力接触单元

温度、结构位移

CONTACT49

三维

热－应力接触单元

温度、结构位移

FLUID116

三维

二或四节点热－流单元

温度、压力

SOLID5

三维

八节点热－应力和热－电单元

温度、结构位移、电位、磁标量位

SOLID98

三维

十节点热－应力和热－电单元

温度、结构位移、电位、磁矢量位

PLANE67

二维

四节点热－电单元

温度、电位

LINK68

三维

两节点热－电单元

温度、电位

SOLID69

三维

八节点热－电单元

温度、电位

SHELL157

三维

四节点热－电单元

温度、电位

表3-8特殊单元

单元

维数

形状及特点

自由度

MASS71

一维到三维

一个节点的质量单元

温度

COMBINE37

一维

四节点控制单元

温度、结构位移、转动、压力

SURF151

二维

二到四节点面效应单元

温度

SURF152

三维

四到九节点面效应单元

温度

MATRIX50

由包括在超单元中的单元类型决定

没有固定形状的矩阵或辐射矩阵超单元

由包括在超单元中的单元类型决定

INFIN9

二维

二节点无限边界单元

温度、磁矢量位

INFIN47

三维

四节点无限边界单元

温度、磁矢量位

COMBINE14

一维到三维

两节点弹簧－阻尼单元

温度、结构位移、转动、压力

COMBINE39

一维

两节点非线性弹簧单元

温度、结构位移、转动、压力

COMBINE40

一维

两节点组合单元

温度、结构位移、转动、压力

使用自适应网格划分可对误差进行控制。

3.3热分析的基本过程

ANSYS热分析包含如下三个主要步骤：

前处理：

建模

求解：

施加荷载并求解

后处理：

查看结果

以下的内容将讲述如何执行上面的步骤。

首先，对每一步的任务进行总体的介绍，然后通过一个管接处的稳态热分析的实例来引导读者如何按照GUI路径逐步完成一个稳态热分析。

最后，本章提供了该实例等效的命令流文件。

3.4建模

建立一个模型的内容包括：

首先为分析指定jobname和title；然后在前处理器（PREP7）中定义单元类型，单元实常数，材料属性以及建立几何实体。

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

对于热分析有：

定义单元类型

命令：

ET

GUI：

MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete

定义固定材料属性

命令：

MP

GUI：

MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Thermal

定义温度相关的材料属性，首先要定义温度表，然后定义对应的材料属性值。

通过下面的方法定义温度表

命令：

MPTEMP或MPTEGN，然后定义对应的材料属性，使用MPDATA

GUI：

MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Thermal

对于温度相关的对流换热系数也是通过上述的GUI路径和命令来定义的。

注意--如果以多项式的形式定义了与温度相关的膜系数，则在定义其它具有固定属性的材料之前，必须定义一个温度表。

创建几何模型及划分划分网格的过程，请参阅《ANSYSModelingandMeshingGuide》

3.5施加荷载和求解

在这一步骤中，必须指定所要进行的分析类型及其选项，对模型施加荷载，定义荷载选项，最后执行求解。

3.5.1指定分析类型

在这一步中，可以如下指定分析类型：

GUI:

MainMenu>Solution>NewAnalysis>Steady-state（static）

命令：

ANTYPE,STATIC,NEW

如果是重新启动以前的分析，比如，附加一个荷载。

命令：

ANTYPE,STATIC,rest。

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

3.5.2施加荷载

可以直接在实体模型（点、线、面、体）或有限元模型（节点和单元）上施加载荷和边界条件，这些载荷和边界条件可以是单值的，也可以是用表格或函数的方式来定义复杂的边界条件，详见《ANSYS基本分析过程指南》。

可以定义以下五种热载荷：

3.5.2.1恒定的温度（TEMP）

通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上。

3.5.2.2　热流率（HEAT）

热流率作为节点集中载荷，主要用于线单元（如传导杆、辐射连接单元等）模型中，而这些线单元模型通常不能直接施加对流和热流密度载荷。

如果输入的值为正，表示热流流入节点，即单元获取热量。

如果温度与热流率同时施加在一节点上，则温度约束条件优先。

注意--如果在实体单元的某一节点上施加热流率，则此节点周围的单元应该密一些；特别是与该节点相连的单元的导热系数差别很大时，尤其要注意，不然可能会得到异常的温度值。

因此，只要有可能，都应该使用热生成或热流密度边界条件，这些热荷载即使是在网格较为粗糙的时候都能得到较好的结果。

3.5.2.3　对流（CONV）

对流边界条件作为面载施加于分析模型的外表面上，用于计算与模型周围流体介质的热交换，它仅可施加于实体和壳模型上。

对于线单元模型，可以通过对流杆单元LINK34来定义对流。

3.5.2.4　热流密度（HEAT）

热流密度也是一种面载荷。

当通过单位面积的热流率已知或通过FLOTRANCFD的计算可得到时，可以在模型相应的外表面或表面效应单元上施加热流密度。

如果输入的值为正，表示热流流入单元。

热流密度也仅适用于实体和壳单元。

单元的表面可以施加热流密度也可以施加对流，但ANSYS仅读取最后施加的面载进行计算。

3.5.2.5　热生成率（HGEN）

热生成率作为体载施加于单元上，可以模拟单元内的热生成，比如化学反应生热或电流生热。

它的单位是单位体积的热流率。

下表总结了在热分析中的载荷类型：

表3-9热荷载类型

载荷类型

类别

命令族

GUI路径

温度（TEMP）

约束

D

MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Temperature

热流率（HEAT）

力

F

MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-HeatFlow

对流（CONV）,热流密度（HFLUX）

面载荷

SF

MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-ConvectionMainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-HeatFlux

热生成率（HGEN）

体载荷

BF

MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-HeatGenerat

下表详细列出了热分析中用于施加载荷，删除载荷，对载荷进行操作、列表的所以命令：

表3-10热荷载相关的命令

载荷类型

实体或有限元模型

实体

施加

删除

列表显示

运算

设置

温度

实体模型

关键点

DK

DKDELE

DKLIST

DTRAN

--

"

有限元模型

节点

D

DDELE

DLIST

DSCALE

DCUMTUNIF

热流率

实体模型

关键点

FK

FKDELE

FKLIST

FTRAN

--

"

有限元模型

节点

F

FDELE

FLIST

FSCALE

FCUM

对流,

热流密度

实体模型

线

SFL

SFLDELE

SFLLIST

SFTRAN

SFGRAD

"

实体模型

面

SFA

SFADELE

SFALIST

SFTRAN

SFGRAD

"

有限元模型

节点

SF

SFDELE

SFLIST

SFSCALE

SFGRADSFCUM

"

有限元模型

单元

SFE

SFEDELE

SFELIST

SFSCALE

SFBEAMSFCUMSFFUNSFGRAD

生热率

实体模型

关键点

BFK

BFKDELE

BFKLIST

BFTRAN

--

"

实体模型

线

BFL

BFLDELE

BFLLIST

BFTRAN

--

"

实体模型

面

BFA

BFADELE

BFALIST

BFTRAN

--

"

实体模型

体

BFV

BFVDELE

BFVLIST

BFTRAN

--

"

有限元模型

节点

BF

BFDELE

BFLIST

BFSCALE

BFCUM

"

"

单元

BFE

BFEDELE

BFELIST

BFSCALE

BFCUM

3.5.3　采用表格和函数边界条件

除了一般的使用表格来定义边界条件的方法，本节讨论热分析中特有的一些问题。

关于定义表参数的详细叙述，请参考《ANSYSAPDLProgrammer’sGuide》。

本节内容对单元类型没有特别的限制。

下表列出了热分析中能够用于每一种边界条件的自变量：

表3-11荷载边界条件及其自变量

热边界条件

命令族

自变量

固定温度

D

TIME,X,Y,Z

热流

F

TIME,X,Y,Z,TEMP

对流换热系数（对流）

SF

TIME,　X,Y,Z,TEMP,VELOCITY

环境温度（对流）

SF

TIME,X,Y,Z

热流密度

SF

TIME,X,Y,Z,TEMP

热生成

BF

TIME,X,Y,Z,TEMP

流体单元（FLUID116）边界条件

流率

SFE

TIME

压力

D

TIME,X,Y,Z

后面有一个例题详细介绍在一个稳态热分析中如何采用表格边界条件。

为了使用更加灵活的热传导系数，可以使用函数的方式来定义边界条件。

有关这种用法的详细说明，可以参考《ANSYSBasicAnalysisProceduresGuide》。

除了上述自变量外，函数边界条件还可用下面的参数作为函数的自变量：

表面温度（TS）（SURF151、SURF152单元的表面温度）

密度（

）（材料属性DENS）

比热（材料属性C）

导热率（材料属性kxx）

导热率（材料属性kyy）

导热率（材料属性kzz）

粘度（材料属性μ）

辐射率（材料属性ε）

3.5.4定义载荷步选项

对于一个热分析，可以确定通用选项、非线性选项以及输出控制。

下表列出了热分析中可能用到的载荷步选项：

表3-12分析中的载荷步选项

选项

命令

GUI路径

通用选项

时间

TIME

MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Time

/Frequenc>Time-TimeStep

时间步数

NSUBST

MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Time

/Frequenc>TimeandSubstps

时间步长

DELTIM

Main　Menu>Solution>-LoadStepOpts-Time

/Frequenc>Time-TimeStep

阶跃或斜坡加载

KBC

Main　Menu>Solution>-LoadStepOpts-Time

/Frequenc>Time-TimeStep

非线性选项

最大平衡迭代数

NEQIT

MainMenu>Solution>-LoadStepOpts

-Nonlinear>EquilibriumIter

自动时间步长

AUTOTS

MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Time

/Frequenc>Time-TimeStep

收敛容差

CNVTOL

MainMenu>Solution>-LoadStepOpts

-Nonlinear>ConvergenceCrit

求解中断选项

NCNV

Main　Menu>Solution>-LoadStepOpts

-Nonlinear>CriteriatoStop

线性搜索选项

LNSRCH

Main　Menu>Solution>-LoadStepOpts

-Nonlinear>LineSear