[计算机软件及应用]ansys热分析教程

基本概念 热传导基础ANSYS中的典型物理量( 国际单位制 ) 温度 热流量 热传导率 密度 比热 对流换热系数 热流 温度梯度 内部热生成 Degrees C ( or K ) Watts Watts/ ( meter.degree C ) kilogram/ ( meter3 ) ( Watt.sec ) / ( kilogram .degree C) Watt/ ( meter2.degree C ) Watt/ ( meter2 ) degree C / meter Watt/ ( meter3 ) 热传导基础热传递的类型 热传递有三种基本类型: 传导 - 两个良好接触的物体之间或一个物体内部不同部分之间由于温度梯度引起的能量交换。 对流 - 在物体和周围流体之间发生的热交换。 辐射 - 一个物体或两个物体之间通过电磁波进行的能量交换。 在绝大多数情况下，我们分析的热传导问题都带有对流和/或辐射边界条件。 热传导基础传导 传导引起的热通量流由传导的傅立叶定律决定： 负号表示热量沿梯度的反向流动 (例如, 热量从热的部分流向冷的部分). 热传导基础对流 对流引起的热通量由冷却牛顿定律得出: 对流一般作为面边界条件施加 热传导基础热力学第一定律 能量守恒要求系统的能量改变与系统边界处传递的热和功数值相等。 能量守恒在一个微小的时间增量下可以表示为方程形式 将其应用到一个微元体上，就可以得到热传导的控制微分方程。 有限元热分析的基本特点(续) 引起奇异性的原因 整体求解的奇异性 在稳态分析中当有热量输入(比如， 施加节点热流、热通量、内部热源等)而无热量流出(指定的节点温度、对流载荷等)，稳态的温度将是无限大的。 等同于结构分析中的刚体位移。 温度梯度/热通量奇异性 如果对点热源处的网格细分下去的话，梯度/热通量将无限增加。 凹角和网格中的“裂缝”。 形状不好的单元。 如何使热传递分析包括非线性? 当比热矩阵、热传导率矩阵和/或等效节点热流向量是温度的函数时，分析就是非线性的，需要迭代求解平衡方程。 下面几项都可以使得分析包括非线性: 与温度相关的材料特性 与温度相关的对流换热系数 使用辐射单元 与温度相关的热源 使用耦合场单元 何时需要定义比热和密度? 瞬态问题, 这些数值用于形成比热矩阵(该矩阵表示瞬态分析中所需的热能存储效应)。 稳态分析中包括有热量的质量传递效应(例如，模型中有流动导体介质)。 热分析有限元模型 单元类型 下表显示通常使用的热单元类型。 节点自由度是：TEMP。 稳态热传递 如果热量流动不随时间变化的话，热传递就称为是稳态的。 由于热量流动不随时间变化, 系统的温度和热载荷也都不随时间变化。 由热力学第一定律，稳态热平衡可以表示为: 输入能量— 输出能量 = 0 稳态热传递控制方程 对于稳态热传递，表示热平衡的微分方程为: 热载荷和边界条件的类型 温度 自由度约束，将确定的温度施加到模型的特定区域。 均匀温度 可以施加到没有温度约束的所有节点上。可以在稳态或瞬态分析的第一个子步对所有节点施加初始温度而非约束。它也可以在非线性分析中用于估计随温度变化材料特性的初值。 热流率 是集中节点载荷。正的热流率表示热量流入模型。热流率同样可以施加在关键点上。此载荷通常用于不能施加对流和热通量的情况下。施加该载荷到热传导率相差很大的区域上时应注意。 热载荷和边界条件的类型 对流 施加在模型外表面上的面载荷，模拟模型表面与周围流体之间的热量交换。 热通量(热流密度) 同样是面载荷。当通过面的热流率已知的情况下使用。正的热流密度值表示热量流入模型。 热生成率 作为体载荷施加，代表体内生成的热，单位是单位体积内的热流率。 热载荷和边界条件的类型 ANSYS 热载荷分为四大类: 1. DOF 约束 - 指定的 DOF (温度) 数值 2. 集中载荷 - 施加在点上的集中载荷(热流) 3. 面载荷 - 在面上的分布载荷(对流、热流密度) 4. 体载荷 - 体积或场载荷(热生成) 热载荷和边界条件的类型 热载荷和边界条件注意事项 在 ANSYS中, 没有施加载荷的边界作为完全绝热处理。 通过施加绝热边界条件(缺省条件)得到对称边界条件。 如果模型某一区域的温度已知，就可以固定为该数值。 反作用热流率只在固定了温度自由度时才具有。 何为瞬态分析? 瞬态分析前处理考虑因素 控制方程 时间步大小建议 时间步大小说明 (续) 时间步大小说明 (续) 时间步长预测 进行瞬态分析 初始条件 均匀初始温度 非均匀的初始温度 非均匀初始温度 (续) 由稳态分析得到的初始温度 (续) 由稳态分析得到