Ansys热分析教程 第九章
《热分析ansys教程》课件
05
热分析优化设计
优化设计的基本概念
01
优化设计是一种通过数学模型和计算机技术，寻找满足特定条 件下的最优设计方案的方法。
02
优化设计的基本概念包括目标函数、设计变量、约束条件和求
解算法等。
热分析优化设计是针对热学问题，通过优化设计来提高产品的
03
热性能和降低能耗。
ANSYS优化设计的步骤
定义设计变量
网格质量检查
对生成的网格进行检查， 确保网格质量良好，没有 出现奇异点或扭曲。
边界条件的设置
确定边界条件
根据分析对象的实际情况，确定合适的边界条件，如温度、热流 率等。
设置边界条件
在ANSYS软件中，将确定的边界条件应用到几何模型上。
验证边界条件
对设置的边界条件进行验证，确保其合理性和准确性。
04
傅里叶定律
热量传递与温度梯度成正比，即热流密度与温度梯度 成正比。
牛顿冷却定律
物体表面与周围介质之间的温差与热流密度成正比。
热力学第一定律
能量守恒定律，表示系统能量的增加等于传入系统的 热量与系统对外界所做的功之和。
热分析的三种基本类型
稳态热分析
系统达到热平衡状态时的温度分布。
瞬态热分析
系统随时间变化的温度分布。
网格划分问题
网格划分不均匀
在某些区域，网格可能过于密集，而 在其他区域则可能过于稀疏，这可能 导致求解精度下降或求解失败。
网格自适应调整问题
在某些情况下，ANSYS可能无法正确 地自适应调整网格，导致求解结果不 准确。
网格划分问题
手动调整网格
手动调整网格密度，确保在关键区域有足够的网格密度。
使用更高级的网格划分工具
热分析(ansys教程)
1. 对流边界条件：需要提供对流 系数、流体温度和表面传热系数 等信息。
3. 初始条件：确保初始温度等初 始条件设置合理，不会导致求解 过程不稳定。
求解收敛问题
•·
1. 迭代方法：选择合适的迭代方 法，如共轭梯度法、牛顿-拉夫森 法等。
2. 松弛因子调整：根据求解过程， 适时调整松弛因子，以提高求解 收敛速度。
稳态热分析的步骤
建立模型
使用ANSYS的几何建模工具创建分析对象 的几何模型。
后处理
使用ANSYS的后处理功能，查看和分析结 果，如温度云图、等温线等。
网格化
对模型进行网格化，以便进行数值计算。 ANSYS提供了多种网格化工具和选项，可 以根据需要进行选择。
求解
运行求解器以获得温度分布和其他热分析 结果。
电子设备散热分析
研究电子设备在工作状态下的散热性能，提高设备可靠性和 使用寿命。
06 热分析的常见问题与解决 方案
网格划分问题
网格划分是热分析中重要 的一步，如果处理不当， 可能导致求解精度和稳定 性问题。
•·
1. 网格无关性：确保随着 网格数量的增加，解的收 敛性得到改善，且解不再 发生大的变化。
03 稳态热分析
稳态热分析的基本原理
01
稳态热分析是用于确定物体在稳定热载荷作用下的温度分布。在稳态条件下， 物体的温度场不随时间变化，热平衡状态被建立，流入和流出物体的热量相等 。
02
稳态热分析基于能量守恒原理，即流入物体的热量等于流出物体的热量加上物 体内部热量的变化。
03
稳态热分析通常用于研究物体的长期热行为，例如散热器的性能、电子设备的 热设计等。
热分析的基本原理基于能量守恒定律，即物体内部的能量变化应满足能量守恒关系。
ANSYS热分析详解
ANSYS热分析详解ANSYS是一种常用的工程仿真软件，具有强大的多物理场耦合分析能力，其中热分析是其中一个重要的应用领域。
在ANSYS中进行热分析可以帮助工程师更好地了解物体在温度变化条件下的行为，从而优化设计方案。
下面将详细介绍ANSYS热分析的原理与流程。
首先，在进行ANSYS热分析前，需要进行前期准备工作。
包括建立几何模型，定义边界条件和导入材料参数等。
在建立几何模型时，可以使用ANSYS提供的建模工具或者导入CAD文件。
然后，需要定义材料参数，如热导率、比热等。
最后，需要定义边界条件，包括外界温度、边界热流、边界散热系数等。
接下来，进行热传导分析。
热传导分析是热分析的基础，用于计算物体内部的温度分布。
在ANSYS中，可以选择稳态或者瞬态分析。
对于稳态分析，需要设置收敛准则，使计算结果达到稳定状态。
对于瞬态分析，需要设置时间步长和总的仿真时间。
在进行计算时，ANSYS会利用有限元法对物体的几何形状进行离散化处理，并通过求解热传导方程来计算温度分布。
在得到物体内部的温度分布后，可以进行热应力分析。
热应力分析是在热传导分析的基础上引入力学应力计算的过程。
在ANSYS中，可以通过多物理场耦合分析的功能来实现。
首先，需要定义材料的线性热膨胀系数和弹性模量等力学参数。
然后，可以选择求解热固结方程和弹性平衡方程，来计算物体在温度变化条件下的应力分布。
除了热应力分析，还可以进行热辐射分析。
热辐射分析是在热传导分析的基础上引入辐射传热计算的过程。
在ANSYS中，可以选择不同的辐射模型来计算物体在温度变化条件下的辐射传热。
常用的辐射模型包括黑体辐射模型和灰体辐射模型等。
通过热辐射分析可以得到物体的辐射换热通量和辐射热功率等重要参数。
最后，进行结果分析和后处理。
在ANSYS中，可以对热分析的结果进行可视化和数据分析。
可以绘制温度云图、热应力云图等，从而更好地理解物体在热变形条件下的行为。
此外，还可以导出计算结果，并进行后续的工程设计和优化。
ANSYS热分析指南——ANSYS稳态热分析word精品文档59页
ANSYS热分析指南(第三章)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《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3-1二维实体单元表3-2三维实体单元表3-3辐射连接单元表3-4传导杆单元表3-5对流连接单元表3-6壳单元表3-7耦合场单元表3-8特殊单元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。
ANSYS热分析分析指南
ANSYS热分析指南第一章 简介 (2)第二章 基础知识 (4)第三章 稳态热分析 (8)第四章 瞬态热分析 (43)第五章 表面效应单元 (66)第六章 热辐射分析 (90)第七章 热应力分析 (120)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。
1.2 ANSYS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《ANSYS Theory Reference》。
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。
《热分析ansys教程》课件
汽车发动机热分析
总结词
汽车发动机热分析用于研究发动机工作过程中的热量传递和热应力分布，以提高发动机 效率和可靠性。
详细描述
发动机是汽车的核心部件，其工作过程中会产生大量的热量。通过热分析，工程师可以 了解发动机内部的温度分布和热应力状况，优化发动机设计，提高其燃油效率和耐久性
。
建筑物的温度分布分析
热分析的基本原理
热分析是研究温度场分布、变化 和传递规律的科学，其基本原理 包括能量守恒、热传导、对流和 辐射等。
热分析的应用领域
热分析广泛应用于能源、动力、 化工、机械、电子等众多领域， 涉及传热、燃烧、材料热物性、 电子器件散热等方面。
热分析的常用软件
ANSYS是国际上最流行的热分析 软件之一，具有强大的建模、网 格划分、加载、求解和后处理功 能，广泛应用于工程实际和科学 研究。
模拟系统在稳定状态下温度分布和热流密 度的计算方法
总结词
适用于研究系统在稳定状态下的热性能和 热量传递机制。
详细描述
稳态热分析用于计算系统在稳定状态下温 度分布和热流密度，不考虑时间因素，只 考虑热平衡状态。
详细描述
在稳态热分析中，系统的温度分布和热流 密度不随时间变化，因此可以忽略时间积 分效应，简化计算过程。
施加边界条件和载荷
根据实际情况，为模型的边界施加固 定温度、热流等边界条件，以及热载 荷。
求解和结果查看
选择求解器
根据模型的大小和复杂程度，选择合适的求解器进行求解。
结果后处理与查看
查看温度分布、热流分布等结果，并进行必要的后处理，如云图显示、数据导 出等。
03
热分析的常用方法
稳态热分析
总结词
COMSOL Multiphysics
Ansys热分析教程(全)
章节内容概述
• 第7章-续 – 例题 6 - 低压气轮机箱的热分析
• 第 8 章 - 辐射 – 辐射概念的回顾 – 基本定义 – 辐射建模的可选择方法 – 辐射矩阵模块 – 辐射分析例题 - 使用辐射矩阵模块进行热沉分析，隐式和非隐式方 法。
• 第 9 章 - 相变 – 基本模型/术语 – 在 ANSYS中求解相变 – 相变例题 - 飞轮铸造分析
传导
• 传导的热流由传导的傅立叶定律决定：
q*
=
− Knn
∂T ∂n
=
heat
flow
rate
per
unit
area
in
direction
n
Where, Knn = thermal conductivity in direction n
T = temperature
∂T = thermal gradient in direction n ∂n
• 负号表示热沿梯度的反向流动(i.e., 热从热的部分流向冷的).
q*
T
dT
dn
n
对流
• 对流的热流由冷却的牛顿准则得出:
q* = hf (TS − TB ) = heat flow rate per unit area between surface and fluid
Where, hf = convective film coefficient TS = surface temperature TB = bulk fluid temperature
• 第 6 章 - 复杂的, 时间和空间变化的边界条件 – 表格化的热边界条件 (载荷) – 基本变量 – 用户定义的因变变量
章节内容概述
ANSYS Workbench 热分析教程
传热学上机实验指导书ANSYS Workbench 热分析基础教程编制：杨润泽汽车工程系热能教研室2012年7月1.大平板一维稳态导热问题1.1. 问题描述长500mm，宽300mm，厚度30mm的大钢板，钢板上下表面的温度分别为200℃和60℃，钢的导热率为30W/(m·K)，试分析钢板温度分布和热流密度。
图1-1 大平板一维稳态导热模型1.2. 问题分析该问题为稳态导热问题，分析思路如下：1.选择稳态热分析系统。
2.确定材料参数：稳态导热问题，仅输入平板导热率。
3.【DesignModeler】建立钢板的几何模型。
4.进入【Mechanical】分析程序。
5.网格划分：采用系统默认网格。
6.施加边界条件：钢板上下表面施加温度载荷，四周对称面无热量交换，为绝热边界，系统默认无需输入。
7.设置需要的结果：温度分布和热流密度。
8.求解及结果显示。
1.3. 数值模拟过程1、选择稳态热分析系统1)工程图解中调入稳态热分析系统Steady-State Thermal（ANSYS）2)工程命名Conduction Thermal Analysis3)保存工程名为Conduction Heat Transfer2、确定材料参数1)编辑工程数据模型，添加材料的导热率，右击鼠标选择【Engineering Data】【Edit】2)选择钢材料属性【Properties of Outline Row 3: Structure Steel】【Isotropic ThermalConductivity】3)出现【Table of Properties Row 2: Thermal Conductivity】材料属性表，双击鼠标，点击每个区域输入材料属性参数：温度20℃，导热率30W/(m·℃)。
4)参数输完后，工程数据表显示导热率-温度图表。
3、DM建立模型1)选择【Geometry】【New Geometry】，出现【DesignModeler】程序窗口，选择尺寸单位【Millimeter】。
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ANSYS热分析指南(第三章)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《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3-1二维实体单元表3-2三维实体单元表3-3辐射连接单元表3-4传导杆单元表3-5对流连接单元表3-6壳单元表3-7耦合场单元表3-8特殊单元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。
ANSYS Workbench热力学分析实例演练(2020版
第7章非线性热分析
7.1非线性热分析概述 7.2平板非线性热分析 7.3本章小结
第8章热辐射分析
8.1基本概念 8.2空心半球与平板的热辐射分析 8.3本章小结
第9章相变分析
第10章优化分 析
第11章热应力 耦合分析
第12章热流耦 合分析
第9章相变分析
9.1相变分析简介 9.2飞轮铸造相变模拟分析 9.3本章小结
作者介绍
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读书笔记
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精彩摘录
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第10章优化分析
10.1优化分析简介 10.2散热肋片优化分析 10.3本章小结
第11章热应力耦合分析
11.1热应力概述 11.2瞬态热应力分析 11.3热应力对结构模态的影响分析 11.4热疲劳分析 11.5本章小结
第12章热流耦合分析
12.1 CFX流场分析 12.2 Fluent流场分析 12.3 Icepak流场分析 12.4本章小结
ANSYS Workbench热力学分析 实例演练（2020版
读书笔记模板
01 思维导图
03 目录分析 05 读书笔记
目录
02 Байду номын сангаас容摘要 04 作者介绍 06 精彩摘录
思维导图
本书关键字分析思维导图
工程
实例
ansys热分析实例教程
Temperature distribution in a CylinderWe wish to compute the temperature distribution in a long steel cylinder with inner radius 5 inches and outer radius 10 inches. The interior of the cylinder is kept at 75 deg F, and heatis lost on the exterior by convection to a fluid whose temperature is 40 deg F. The convection coefficient is 0.56 BTU/hr-sq.in-F and the thermal conductivity for steel is 0.69 BTU/hr-in-F.1. Start ANSYS and assign a job name to the project. Run Interactive -> set working directory and jobname.2. Preferences -> Thermal will show -> OK3. Recognize symmetry of the problem, and a quadrant of a section through the cylinder is created using ANSYS area creation tools. Preprocessor -> Modeling -> Create -> Areas -> Circle -> Partial annulusThe following geometry is created.4. Preprocessor -> Element Type -> Add/Edit/Delete -> Add -> Thermal Solid -> Solid 8 node 77 -> OK -> Close5. Preprocessor -> Material Props -> Isotropic -> Material Number 1 -> OKEX = 3.E7 (psi)DENS = 7.36E-4 (lb sec^2/in^4)ALPHAX = 6.5E-6PRXY = 0.3KXX = 0.69 (BTU/hr-in-F)6. Mesh the area and refine using methods discussed in previous examples.7. Preprocessor -> Loads -> Apply -> Temperatures -> NodesSelect the nodes on the interior and set the temperature to 75.8. Preprocessor -> Loads -> Apply -> Convection -> LinesSelect the lines defining the outer surface and set the convection coefficient to 0.56 and the fluid temp to 40.9. Preprocessor -> Loads -> Apply -> Heat Flux -> LinesTo account for symmetry, select the vertical and horizontal lines of symmetry and set the heat flux to zero.10. Solution -> Solve current LS11. General Postprocessor -> Plot Results -> Nodal Solution -> TemperaturesThe temperature on the interior is 75 F and on the outside wall it is found to be 45. These results can be checked using results from heat transfer theory.BackThermal Stress of a Cylinder using Axisymmetric ElementsA steel cylinder with inner radius 5 inches and outer radius 10 inches is 40 inches long and has spherical end caps. The interior of the cylinder is kept at 75 deg F, and heat is lost on the exterior by convection to a fluid whose temperature is 40 deg F. The convection coefficient is 0.56 BTU/hr-sq.in-F. Calculate the stresses in the cylinder caused by the temperature distribution.The problem is solved in two steps. First, the geometry is created, the preference set to'thermal', and the heat transfer problem is modeled and solved. The results of the heat transfer analysis are saved in a file 'jobname.RTH' (Results THermal analysis) when you issue a save jobname.db command.Next the heat transfer boundary conditions and loads are removed from the mesh, the preference is changed to 'structural', the element type is changed from 'thermal' to 'structural', and the temperatures saved in 'jobname.RTH' are recalled and applied as loads.1. Start ANSYS and assign a job name to the project. Run Interactive -> set working directory and jobname.2. Preferences -> Thermal will show -> OK3. A quadrant of a section through the cylinder is created using ANSYS area creation tools.4. Preprocessor -> Element Type -> Add/Edit/Delete -> Add -> Solid 8 node 77 -> OK ->Options -> K3 Axisymmetric -> OK5. Preprocessor -> Material Props -> Isotropic -> Material Number 1 -> OKEX = 3.E7 (psi)DENS = 7.36E-4 (lb sec^2/in^4)ALPHAX = 6.5E-6PRXY = 0.3KXX = 0.69 (BTU/hr-in-F)6. Mesh the area using methods discussed in previous examples.7. Preprocessor -> Loads -> Apply -> Temperatures -> NodesSelect the nodes on the interior and set the temperature to 75.8. Preprocessor -> Loads -> Apply -> Convection -> LinesSelect the lines defining the outer surface and set the coefficient to 0.56 and the fluid temp to 40.9. Preprocessor -> Loads -> Apply -> Heat Flux -> LinesSelect the vertical and horizontal lines of symmetry and set the heat flux to zero.10. Solution -> Solve current LS11. General Postprocessor -> Plot Results -> Nodal Solution -> TemperatureThe temperature on the interior is 75 F and on the outside wall it is found to be 43.12. File -> Save Jobname.db13. Preprocessor -> Loads -> Delete -> Delete All -> Delete All Opts.14. Preferences -> Structural will show, Thermal will NOT show.15. Preprocessor -> Element Type -> Switch Element Type -> OK (This changes the element to structural)16. Preprocessor -> Loads -> Apply -> Displacements -> Nodes(Fix nodes on vertical and horizontal lines of symmetry from crossing the lines of symmetry.)17. Preprocessor -> Loads -> Apply -> Temperature -> From Thermal AnalysisSelect Jobname.RTH (If it isn't present, look for the default 'file.RTH' in the root directory)18. Solution -> Solve Current LS19. General Postprocessor -> Plot Results -> Element Solution - von Mises StressThe von Mises stress is seen to be a maximum in the end cap on the interior of the cylinder and would govern a yield-based design decision.Back。
第9章 WORKBENCH中的动力学分析简介
Availability x x x x x
…求解结果
• 模态分析的大部分结果和静态结构分析非常相似. 但 是，当Solutions 菜单里的Frequency Finder 被选 中之后，Design Simulation会自动进行模态分析
– 将Frequency Finder tool分支添加到求解选项（ Solutions 分支）里面
ANSYS License DesignSpace Entra DesignSpace Professional Structural Mechanical/Multiphysics
Availability x x x x x
…求解结果
• 在Frequency Finder里，相应的命令分支是最需 要得到的
们会转化为绑定或者无间隙接触方式来替代并产生作用.
– 假如有间隙存在, 非线性的接触行为将是自由无约束的(也就是说, 好像是没 有接触一样). 绑定的和无间隙的接触将取决于pinball 区域的大小.
• pinball 区域由缺省值自动产生
ANSYS License DesignSpace Entra DesignSpace Professional Structural Mechanical/Multiphysics
No Separation
No Separation
Free
• RFro在icutgioh模nles态s 分析中RF定roicutgi义ohnle接ss 触需要注BNoonS意deepda以ratio下n 两个方FFrree面ee 的内容:
Free Free
– 两个非线性的接触行为 – 粗糙的和无摩擦的– 都将表现为线性模式, 因此它
… ANSYS WORKBENCH概述
Ansys热分析教程(全)
目录第1章–介绍–概述–相关讲座&培训–其他信息来源第2章–基本概念第3章–稳态热传导(n o m a s s t r a n s p o r t o f h e a t)第4章–附加考虑非线性分析第5章–瞬态分析1-3 1-5 1-12 1-132-13-14-15-1第6章–复杂的,时间和空间变化的边界条件第7章–附加对流/热流载荷选项和简单的热/流单元第8章–辐射热传递–例题-使用辐射矩阵的热沉分析第9章–相变分析–相变分析例题-飞轮铸造分析第10章–耦合场分析6-1 7-18-1 8-43 9-1 9-14 10-1目录(续)第1章先决条件1章节内容概述12章节内容概述213章节内容概述310124章节内容概述43546章节内容概述6571章节内容概述7689章节内容概述1072相关讲座&培训2tT c h K Q qq E============t i m e t e m p e r a t u r e d e n s i t y s p e c i f i c h e a t f i l m c o e f f i c i e n t e m i s s i v i t y S t e f a n -B o l t z m a n n c o n s t a n t t h e r m a l c o n d u c t i v i t y h e a t f l o w (r a t e ) h e a t f l u x i n t e r n a l h e a t g e n e r a t i o n /v o l u m e e n e r g y ρεσ*&&&fA N S Y S()3223注,对于结构热容量,密度/G c和比热*G c经常使用该单位。
其中G c=386.4(l b m-i n c h)/(l b f-s e c2)A N S Y S(S I)3223–传导–对流–辐射•传导的热流由传导的傅立叶定律决定�•负号表示热沿梯度的反向流动(i .e ., 热从热的部分流向冷的).q K T n K T T n n n n n *=−∂∂=∂∂=h e a t f l o w r a t e p e r u n i t a r e a i n d i r e c t i o n n Wh e r e , = t h e r m a l c o n d u c t i v i t y i n d i r e c t i o n n= t e m p e r a t u r e t h e r m a l g r a d i e n t i n d i r e c t i o n n Tnq*dT d n•对流的热流由冷却的牛顿准则得出:•对流一般作为面边界条件施加qh T T h T T f S B f S B *()=−=h e a t f l o w r a t e p e r u n i t a r e a b e t w e e n s u r f a c e a n d f l u i d W h e r e , = c o n v e c t i v e f i l m c o e f f i c i e n t= s u r f a c e t e m p e r a t u r e = b u l k f l u i d t e m p e r a t u r e TB Ts•从平面i 到平面j 的辐射热流由施蒂芬-玻斯曼定律得出: •在A N S Y S 中将辐射按平面现象处理(i .e ., 体都假设为不透明的)。
ansys热分析
ANSYS热分析概述ANSYS是一种通用的有限元方法（Finite Element Method，FEM）软件，可以用于热分析。
热分析是通过模拟和分析物体的温度和热流来研究热传导、热膨胀、热辐射等热现象的一种方法。
在工程设计和科学研究中，热分析在许多领域都具有重要的应用价值。
在ANSYS中，热分析可以通过添加适当的热边界条件和材料参数来实现。
热分析步骤ANSYS热分析的一般步骤如下：1.几何建模：在ANSYS中创建或导入需要进行热分析的几何模型。
可以使用ANSYS的几何建模工具来创建模型，也可以从CAD软件中导入模型。
2.材料定义：定义模型中各个部分的材料属性。
对于热分析来说，主要需要定义材料的热导率、热容等参数。
ANSYS提供了各种材料模型和材料数据库来方便用户进行材料定义。
3.网格划分：将几何模型划分成小的有限元单元，以便将其离散化为一系列小区域。
这一步骤通常由ANSYS自动完成，但也可以手动调整网格密度和精度。
4.热边界条件：根据需要为模型设置热边界条件。
热边界条件包括固定温度、热通量、对流换热等。
这些边界条件将直接影响热分析的结果。
5.求解：使用ANSYS提供的求解器对热分析进行求解。
求解过程将根据模型的几何形状、材料属性和边界条件来计算模型的温度分布和热流。
6.结果分析：对求解得到的结果进行分析和后处理。
可以通过ANSYS提供的可视化工具、图表和数据输出来展示和分析计算结果。
根据需要，可以进一步优化模型和参数。
ANSYS热分析的应用领域ANSYS热分析在许多工程和科学领域都有广泛的应用。
以下是几个常见的应用领域：1. 热传导分析热传导分析是研究物体内部温度分布和热传导过程的一种方法。
它在热处理、电路设计、能源系统等领域有重要应用。
利用ANSYS进行热传导分析可以帮助工程师优化设计，改善热传导性能。
2. 热应力分析热应力分析是研究物体在热载荷下产生的应力和变形的一种方法。
热应力分析在焊接、高温材料等领域有应用。
ansys热分析
ansys热分析ANSYS热分析引言热分析是一种在工程领域广泛应用的分析方法，它可以用来研究物体在不同温度条件下的热传导、热扩散和热辐射等问题。
ANSYS是一款被广泛应用于工程仿真的软件，其中包括了强大的热分析功能。
本文将介绍ANSYS热分析的基本原理、流程以及在不同工程领域中的应用。
一、ANSYS热分析的基本原理ANSYS热分析基于热传导和热辐射的基本原理，通过数学和物理模型来描述和分析物体在不同温度条件下的热行为。
热传导是指热能通过物质内部的分子运动传递的过程，而热辐射则是指物体通过电磁波的辐射传递热能的过程。
热分析可以帮助工程师预测和优化物体在真实工作环境下的热性能，从而提高产品的质量和可靠性。
二、ANSYS热分析的流程ANSYS热分析的流程通常包括几个基本步骤，下面将逐一介绍：1. 几何建模：在进行热分析之前，需要通过ANSYS软件进行几何建模，将待分析的物体建模成三维几何模型。
这一步骤可以使用ANSYS的几何建模工具来完成，如DesignModeler等。
2. 网格划分：在几何建模完成后，需要将几何模型分割成小的单元，如三角形或四边形等，以便进行数值计算。
这一步骤被称为网格划分或网格生成，通常使用ANSYS的网格划分工具进行。
3. 材料属性设置：在进行热分析之前，需要对物体的材料属性进行设置，如热导率、比热容等。
这些参数将影响热传导的速度和过程。
4. 边界条件设置：在热分析中，需要设置物体的边界条件，如温度边界条件、热通量边界条件等。
这些边界条件描述了物体在不同部位的热输入和输出。
5. 求解和结果分析：在完成前面的步骤后，可以使用ANSYS的求解器来求解热传导方程和辐射传热方程。
求解完成后，可以对结果进行分析，如温度分布、热流量等。
三、ANSYS热分析在不同工程领域中的应用1. 汽车工程：ANSYS热分析在汽车工程领域中有着广泛的应用。
例如，可以通过热分析来研究发动机的热耗散问题，优化散热系统的设计，提高发动机的工作效率和寿命。
ansys-workbench热分析教程
文档收集于互联网，已重新整理排版.word版本可编辑.欢迎下载支持. 6-1•本章练习稳态热分析的模拟，包括：A. 几何模型B. 组件-实体接触C. 热载荷D. 求解选项E. 结果和后处理F. 作业6.1• 本节描述的应用一般都能在ANSYS DesignSpace Entra或更高版本中使用，除了ANSYS Structural• 提示：在ANSYS 热分析的培训中包含了包括热瞬态分析的高级分析K T T= Q T –在稳态分析中不考虑瞬态影响–[K] 可以是一个常量或是温度的函数–{Q}可以是一个常量或是温度的函数•上述方程基于傅里叶定律：• 固体内部的热流（Fourier’s Law）是[K]的基础；• 热通量、热流率、以及对流在{Q} 为边界条件；•对流被处理成边界条件，虽然对流换热系数可能与温度相关•在模拟时，记住这些假设对热分析是很重要的。
•热分析里所有实体类都被约束：–体、面、线•线实体的截面和轴向在D esignModeler中定义• 热分析里不可以使用点质量（Point Mass）的特性•壳体和线体假设：–壳体：没有厚度方向上的温度梯度–线体：没有厚度变化，假设在截面上是一个常量温度• 但在线实体的轴向仍有温度变化•唯一需要的材料特性是导热性（Thermal Conductivity）•Thermal Conductivity在Engineering Data 中输入•温度相关的导热性以表格形式输入若存在任何的温度相关的材料特性，就将导致非线性求解。
•对于结构分析，接触域是自动生成的，用于激活各部件间的热传导–如果部件间初始就已经接触，那么就会出现热传导。
–如果部件间初始就没有接触，那么就不会发生热传导（见下面对pinball的解释）。
–总结：–Pinball区域决定了什么时候发生接触，并且是自动定义的，同时还给了一个相对较小的值来适应模型里的小间距。
•如果接触是Bonded（绑定的）或no separation（无分离的），那么当面出现在pinball radius内时就会发生热传导（绿色实线表示）。
ANSYS热分析教程及命令流算例
＝＝＝＝＝【热力耦合分析单元简介】＝＝＝＝＝＝SOLID5－三维耦合场实体具有三维磁场、温度场、电场、压电场和结构场之间有限耦合的功能。
本单元由8个节点定义，每个节点有6个自由度。
在静态磁场分析中，可以使用标量势公式（对于简化的RSP，微分的DSP，通用的GSP）。
在结构和压电分析中，具有大变形的应力钢化功能。
与其相似的耦合场单元有PLANE13、SOLID62和SOLID98。
INFIN9－二维无限边界用于模拟一个二维无界问题的开放边界。
具有两个节点，每个节点上带有磁向量势或温度自由度。
所依附的单元类型可以为PLANE13和PLANE53磁单元，或PLANE55和PLANE77和PLANE35热单元。
使用磁自由度（ＡＺ）时，分析可以是线性的也可以是非线性的，静态的或动态的。
使用热自由度时，只能进行线性稳态分析。
PLANE13－二维耦合场实体具有二维磁场、温度场、电场和结构场之间有限耦合的功能。
由4个节点定义，每个节点可达到4个自由度。
具有非线性磁场功能，可用于模拟B－H曲线和永久磁铁去磁曲线。
具有大变形和应力钢化功能。
当用于纯结构分析时，具有大变形功能，相似的耦合场单元有SOLID5、SOLID98和SOLID62。
LINK31－辐射线单元用于模拟空间两点间辐射热流率的单轴单元。
每个节点有一个自由度。
可用于二维（平面或轴对称）或三维的、稳态的或瞬态的热分析问题。
允许形状因子和面积分别乘以温度的经验公式是有效的。
发射率可与温度相关。
如果包含热辐射单元的模型还需要进行结构分析，辐射单元应当被一个等效的或（空）结构单元所代替。
LINK32－二维传导杆用于两节点间热传导的单轴单元。
该单元每个节点只有一个温度自由度。
可用于二维（平面或轴对称）稳态或瞬态的热分析问题。
如果包含热传导杆单元的模型还需进行结构分析，该单元可被一个等效的结构单元所代替。
LINK33－三维传导杆用于节点间热传导的单轴单元。
该单元每个节点只有一个温度自由度。
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例题 - 飞轮铸造分析
在时间 = 956 秒时，显示几乎所有材料已经凝固。象推测的一样， 中心材料凝固最慢:
例题 - 飞轮铸造分析
对于 相变 区域:
Use the average specific heat : C avg
C s C l
2 specific heat, C ,
*
and the latent heat, L, to find an equivalent
for the liquid - to - solid transitio n : C
P ro p erty M eltin g Po in t D en sity C s, S o lid S p ecific H eat C l,L iq u id S p ecific H eat L , L aten t H eat (or fr om L x D en sity) V alu e 696 C 3 2707 kg /m 896 J/kg - C 1050 J/kg - C 3956 440 J/kg 3 1.0704 e9 J/m
沙模外侧面和顶面有对流。 在底面和中心线无边界条件(绝热)。
例题 - 飞轮铸造分析
• • • • • 瞬态载荷步在删除初始温度后开始。 打开时间积分。使用反向欧拉时间积分。 打开线性搜索工具。 终止时间为 2400 秒(40分)。 初始时间步为0.01秒。最小和最大时间步分别设为0.0001和100秒。
H
相变时热焓变化相对温度 变化而言十分迅速。
注: 本图中, Tl -Ts 很小。对于纯材料， Tl -Ts 应该为0。
潜热
Ts
“模糊区”
Tl
T
控制方程
系统产生相变时，其控制方程如下:
When solving phase change problems, the transient conduction equation is solved :
•
定义热焓材料特性:
– 选择Ts = 695 °C 和 Tl = 697 °C ( 在液体和固体两相间给出2 °C过渡区 域)。
例题 - 飞轮铸造分析
在 固体 温度以下:
T Ts H C s T - T l
在固体温度时:
T Ts H s C s (T s - T l )
–
沙的热材料特性假设为均匀，铝随时间变化。
例题 - 飞轮铸造分析
飞轮几何尺寸:
例题 - 飞轮铸造分析
沙模几何尺寸:
例题 - 飞轮铸造分析
飞轮模型
例题 - 飞轮铸造分析
沙模模型:
例题 - 飞轮铸造分析
二维轴对称模型
例题 - 飞轮铸造分析
沙模特性 (常数): 热传导系数: 密度: 比热: 铝的热传导系数: 0.346 W/m-°C 1520 kg/m3 816 J/kg-°C
*
C avg
L
T l - T s
例题 - 飞轮铸造分析
在固体和液体温度之间:
T s T Tl H H s C (T - T s )
*
在液体温度时:
T Tl H l H s C (T l - T s )
*
超过液体温度时:
Tl T H H l C l (T - T l )
3
例题 - 飞轮铸造分析
绘制 材料 2 (铝)的热焓曲线:
例题 - 飞轮铸造分析
• 本模型使用一种单元类型: PLANE55, 轴对称。
•
•
两种材料: 铝(带有相变) 和沙 (均匀材料特性).
使用静态分析确定初始温度:
– – 沙模为 25 °C 铝 750 °C (同样可以使用 IC命令得到)
• •
生改变。
– 通常的相变过程称为固结，溶化，汽化或凝固。
ANSYS 应用性
• ANSYS涉及相变的重要有限元应用有:
– – 液体的凝固或固结 固体的溶化
• •
液-汽 相变问题需要的热传递分析后进行流体分析。 许多计算流体动力学软件可以处理液-汽流动和相变。
•
•
相变分析必须使用瞬态热分析求解。
本章主要讲解典型的相变问题：金属的凝固过程。
例题 - 飞轮铸造分析
飞轮铸造例题-指南
– – – 部件在圆柱省沙模(高20厘米，半径25厘米)中间。 铝在750 °C时注入沙模。 沙模初始温度为 25 °C。
–
– –
模型顶面和侧面与沙模通过自由对流交换热量。
环境温度为 30 °C ，侧面换热系数为 7.5 W/m2-°C ，顶面换热系数为 5.75 W/m2-°C 。 铸造模型为轴对称。
第九章 相变分析
本章简介
• 相变
– – – – 术语 理论 材料特性 瞬态分析指南
•
例题 - 飞轮的铸造
– – – 使用热焓材料特性 通用后处理 时间历程后处理
术语
相 - 物质的一种确定原子结构形态，均匀同性。
– 有三种基本的相:
Solid
Liquid
Gas
相变 - 系统能量的变化(增加或减少)可能导致物质的原子结构发
潜在热量
• 当物质相变时，温度保持不变。
•
例如，冰在 0 °C 准备溶解。
– – 热量输入冰中，冰转化为水。 冰完全转化为水时，温度还是0 °C。
•
当温度不变时，热量到哪里去了?
–
–
热量在物质粒子状态改变过程中被吸收了。
在物质相变种需要的热量称为溶化的 潜热 。
热焓
• 相变分析必须考虑材料的潜在热量。
例题 - 飞轮铸造分析
Hs C* Cl 潜在热量 (曲线下的区域)
Cs
T1 Ts Tl T2
Using ρ cdT and L
T
H Hl
Hs
T
例题 - 飞轮铸造分析
使用这些关系生成热焓数值，结果为:
T e m p e ra tu re (C ) 0 695 697 1000
E n th a lp y (E N T H ) (J /m ) 0 1 .6 8 5 7 E 9 2 .7 6 1 4 E 9 3 .6 2 2 6 E 9
•
• •
热焓材料特性(ENTH)用来计入潜在热量。
热焓由密度和比热得出，在相变分析中应作为材料特性输入。 模型中其它材料应输入密度和比热数值。
•
•
只要定义材料的比热和密度或热焓；而非全部。
热焓数值随温度变化。因此，热分析是非线性的。
热焓(续)
• 在相变分析中，热焓数值必须作为材料特性输入。
•
• •
•
打开自动时间步长。
例题 - 飞轮铸造分析
使用时间历程后处理器查看时间步。
例题 - 飞轮铸造分析
使用时间历程后处理器绘制铝在几个点的温度 (T1, T2, T3 and T4) :
例题 - 飞轮铸造分析
使用时间历程后处理器绘制沙模在几个点的温度:
例题 - 飞轮铸造分析
通用后处理器可以用来观察材料凝固前的情况。操作如下:
heat
. C T t K T t Q t where,
C c N N dV
T
不随相变改变
此处计入相变
相变分析的求解
进行相变分析时，使用:
– – – – – 打开时间积分的瞬态分析。 时间步初始数值较小，时间步也很小。 自动时间步。 低阶单元类型 (PLANE55 或SOLID70)。 如果选择的高阶单元，打开对角比热矩阵选项。
–
–
设置两个范围值，一个时固体温度(695 °C) , 一个超过最高温度 (900 °C)。
在节点温度图上，凝固的材料接近蓝色。红色代表液体或正在相变的材料。
例题 - 飞轮铸造分析
• 在时间 = 656秒时，显示只有最细部分的材料凝固了:
例题 - 飞轮铸造分析
在时间 = 856 秒时, 显示大部分材料已经凝固:
相变分析的求解 (续)
•
在求解相变问题时，可以使用 以下方法改进收敛性:
1. 反向欧拉 时间积分 (反向微分)。 瞬态积分参数 (theta) 为1.0。 这 在求解控制打开时是缺省设置。 2. 线性搜索 工具, 因为相变是高度 非线性问题。
后处理
相变分析的结果可能包括:
– – – 温度 vs. 时间 (时序图)。 完全相变所需时间 (溶化或凝固时间)。 物质在任何时间间隔溶化/凝固的预测 (通过温度云图)。
这些结果对评估相变过程中的设计参数很有用 (如，在铸造过程中 的溶化材料或壁厚)。
例题 - 飞轮铸造分析
为了说明上述的概念和理论，我们研究一些飞轮铸造的凝固过程: 问题描述:
对铝制飞轮的铸造过程作相变分析。 飞轮是将溶解的铝注入沙模中制造 的。
分析目的:
研究飞轮凝过程。
ANSYS 命令流文件在附录 B中。
H
cdT
相变
• • • 在相变分析中，固体和液体并存的情况下，温度会有很小的变动。 物质完全呈现液态的温度 (液体温度)为 Tl。 物质完全呈现固态的温度 (固体温度)为 Ts.
•
通过这样两个温度，潜在热量效果包括进有限单元生成过程中。
潜热和比热的关系
Ts = 固体温度 Tl = 液体温度
经典(热动力学) 热焓数值单位是能量单位，为kJ 或BTU。单位热 焓单位为能量/质量，为kJ/kg 或BTU/lbm。
ANSYS热焓材料特性单位为 能量/体积，为KJ/m3或 or BTU/ft3. 如果热量/体积热焓数值在某些材料中不能使用时，它H , is related to density ( ), specific heat ( c ), and temperatu re (T ) according to :