ansys热分析

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

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

.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。《ANSYS Modeling and Meshing Guide》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：Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete

定义固定材料属性

命令：MP

GUI：Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models>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：Main Menu>Preprocessor>Material Props> Material Models>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《ANSYS Modeling and Meshing Guide》

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