有限元分析—温度场与热变形问题专题18页PPT

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第三讲 温度场的有限元分析

第三讲 温度场的有限元分析

传热基本原理
• 上述偏微分方程式是传热学理论中的最 基本公式,适合于包括铸造、焊接、热 处理过程在内的所有热传导问题的数学 描述,但在对具体热场进行求解时,除 了上述偏微分方程外,还要根据具体问 题给出导热体的初始条件与边界条件。
传热基本原理
对具体热场用上述微分方程进行求解时,需要根据具体问 题给出导热体的初始条件与边界条件。
• 初始条件: 初始条件是指物体开始导热时(即 t
= 0 时)的瞬时温度分布。
• 边界条件: 边界条件是指导热体表面与周围介质
间的热交换情况。
传热基本原理
• 常见的边界条件有以下三类: 第一类边界条件: 给定物体表面温度随时间的变 Tw f (t ) 化关系 第二类边界条件: 给出通过物体表面的比热流随 时间的变化关系 T q x , y , z , t
• 2、二维稳态热传导方程及边界条件

T T (k x ) (k y ) Q 0 在 内 x x y y 在 1上 在 2上 T (T a T ) n
T ( x, y , t ) T (1 , t ) k
平面稳态温度场的有限元法
• • • 1、泛函与变分 函数 y=f(x) 求y 的极值,即求微分,由dy=0 可得。 泛函J=J [y(x)] 函数y(x)为自变量,J为函数y的函数,称J为y的 泛函,求泛函的极值,即求变分, 由 J 0 可得。 • 例:平面上AB两点,连接AB的曲线很多,要求一条曲线使重物 靠自重由A沿此曲线滑到B所需的时间最短,即求最速下降曲线。 • 显然,AB间直线路径最短,但重物运动的速度增长并不是最大, 即下滑的时间并非最短。 A x n 设AB间有n条曲线 yi ( x) i 1, 2,... , 每条曲线对应一个时间 Ti i 1, 2,...n , 即T是y(x)函数,即泛函,求变分的极值 则可得最速下降曲线 p B v y

有限元分析基础课件第一章

有限元分析基础课件第一章

物体离散化 将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型, 这一步称作单元剖分。 离散后单元于单元之间利用单元的节点相互连接起来; 单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质,描 述变形形态的需要和计算进度而定。 用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划 分单元数目非常多而又合理,则所获 得的结果就与实 际情况相符合。
1956年Turener和Clough等用有限元法第一次得 出了平面应力问题的正确答案。 1960年Clough又进一步应用有限元法处理了平面弹 性问题,并提出了有限元法的名称,这才使得有限元 法的理论和应用都得到了迅速发展。 20世纪70年代以后,随着计算机和软件技术的发展 有限元法得到了迅猛的发展。
对于实际的连续结构,任何位置的物体都是相 互连接、相互作用的,而在被离散成有限元模型 后,假设相邻单元除节点外都是不相互连接、不相 互作用的,这一点是不符合实际的,但当单元趋近 无限小、节点无限多时,则这种离散结构将趋近于 实际的连续结构。 有限元法的离散处理的本质就是将原始的无限 自由度的连续体物理系统转换成由有限个节点自由 度组成的离散系统,且当所分割的单元无限小时, 该离散系统完全等价于原始的连续系统。
有限元基础理论
与ANSYS应用
CAD/CAE/CAM:CAD 工具用于产品结构设计,形 成产品的数字化模型,有限元法则用于产品性能的分 析与仿真,帮助设计人员了解产品的物理性能和破坏 的可能原因,分析结构参数对产品性能的影响,对产 品性能进行全面预测和优化;帮助工艺人员对产品的 制造工艺及试验方案进行分析设计。当前,有限元法 在产品开发中的作用,已从传统的零部件分析、校核 设计模式发展为与计算机辅助设计、优化设计、数字 化制造融为一体的综合设计。
增强可视化的前置建模和后置数据处理功能 目前几乎所有的商业化有限元程序系统都有功能很强 的前置建模和后置数据处理模块。使用户能以可视图 形方式直观快速地进行网格自动划分,生成有限元分 析所需数据,并按要求将大量的计算结果整理成变形 图、等值分布云图,便于极值搜索和所需数据的列表 输出。

第三讲 温度场的有限元分析

第三讲 温度场的有限元分析
1 1 2
2
...
二维单元
Ni ( x)ui
1
n
注:Ni可为Lagrange、 Hamiton多项式或形函 数,在+1~-1间变化
u ( x, y ) N i ui
1
n
v( x, y ) N i vi
1
n
第三讲 温度场的有限元分析
参考: 《有限单元法在传热学中的应用》,孔祥谦 编著, 北京:科学出版社,第三版,1998.9 (TK124/7)
平面稳态温度场的有限元法
• 1、泛函与变分
平面稳态温度场的有限元法
• 1、泛函与变分
平面稳态温度场的有限元法
• 1、泛函与变分
平面稳态温度场的有限元法
• 1、泛函与变分
平面稳态温度场的有限元法
• 1、泛函与变分
平面稳态温度场的有限元法
• 1、泛函与变分
平面稳态温度场的有限元法
• 1、泛函与变分

温度场基本方程推导
• 整理得:
c T T T T (k x ) (k y ) (k z ) Q 0 t x x y y z z
• 满足上述热传导方程的解有无限多个,为了确定真 实的温度场,必须知道物体初始瞬态的温度分布, 即初始条件,称为第一类边界条件 T ( x, y, z, t )t 0 T ( x, y, z ) • 同时,还需知道物体表面与周围介质间进行热交换 的规律,即边界条件,有三类边界条件。
边界面上的热流密度q[w/m2]为已知
2T 2T 2 0 2 x y
T k n
q 0
1
平面稳态温度场的有限元法
• 2、平面稳态温度场的泛函 第三类边界条件平面稳态温度场

有限元法基础ppt课件

有限元法基础ppt课件

有限单元法
一、数值模拟方法概述 二、有限单元法简介 三、有限单元法分析步骤 四、利用有限元软件进行工程分析
一、数值模拟方法概述
工程技术领域中的许多力学问题和场问题,如固 体力学中的位移场、应力场分析、电磁学中的电磁 分析、振动特性分析、热力学中的温度场分析,流 体力学中的流场分析等,都可以归结为在给定边界 条件下求解其控制方程的问题。
结构矩阵分析方法认为:整体结构可以看作是由有限 个力学小单元相互连接而组成的集合体,每个单元的 力学特征可以看作建筑物的砖瓦,装配在一起就能提 供整体结构的力学特性。
结构矩阵分析方法分析的结构本身都明显地由杆件组 成,杆件的特征可通过经典的位移法分析建立。
虽然矩阵位移法整个分析方法和步骤都与有限单元法 相似,也是用矩阵来表达、用计算机来求解,但是它 与目前广泛应用的有限单元法是有本质区别的。
❖ 国际上早在20世纪50年代末、60年代初就投入大量的人力和 物力开发具有强大功能的有限元分析程序。其中最为著名的是 由美国国家宇航局(NASA)在1965年委托美国计算科学公司 和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统。该系 统发展至今已有几十个版本,是目前世界上规模最大、功能最 强的有限元分析系统。
有限元法
既可以分析杆系结构,又分析非杆系的连续 体结构。
三、有限单元法简介
有限单元法的常用术语:
有限元模型 是真实系统理想化的数学抽象。
定义
真实系统
有限元模型
自由度(DOFs- degree of freedoms)
自由度(DOFs) 用于描述一个物理场的响应特性。
UY ROTY
ROTZ UZ
UX ROTX
目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法有: 1、有限单元法FEM( Finite Element Method) 2、边界元法BEM(Boundary Element Method ) 3、有限差分法FDM( Finite Difference Method 4、离散单元法DEM(Discrete Element Method) 其中有限单元法是最具实用性和应用最广泛的。

有限元分析热分析

有限元分析热分析
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。
七、线性与非线性热分析 ANSYS在热分析过程中,如果有下列情况中
的一种或几种出现,则该分析为非线性热分析:
➢ 材料热性能随温度变化; ➢ 边界条件随温度变化; ➢ 含有非线性单元; ➢ 考虑辐射传热。
7.1.2 稳态热分析实例1—长空心圆柱 体的热传导过程ANSYS分析
CGS代表厘米、克、秒单位制,其基本单 位为cm,g,s,℃。
BFT代表以英尺为主的英制单位制,其基 本单位为ft,slug,s,℉。
BIN代表以英寸为主的英制单位制,其基本 单位为in,ibm,s,℉。
USER代表用户自定义单位制,即用户可以 根据需要定义基本单位。
三、热分析时的三类边界条件和初始条件: 第一类边界条件:物体边界上的温度函数已知; 第二类边界条件:物体边界上的热流密度已知; 第三类边界条件:与物体相接触的流体介质的温
从上式可以看出,包含热辐射的热分析是 高度非线性的。
(4)比热容(Specific Heat):是指单位质量的 物质每升高(或降低)1℃所吸收(或放出)的 热量,简称比热,其单位为J/(Kg.℃)。其计算 公式为: C=Q/(m.△T) 式中:△T= TE-TB,为TE为终止时刻温度;TB 为开始时刻温度;Q为该时间段内物体吸收或 放出的总热量;m为质量。
ANSYS提供了两种分析耦合场的方法:直 接耦合法与间接耦合法。
二、单位制问题:在ANSYS热分析过程中,不一 定都要采用国际单位制,但必须要使所有物理 量的单位统一起来。 ANSYS中共有五种单位可供选择(命令流 方式:/UNITS;或Main menu>Preprocessor>Material Props>Material Library >Select Units): SI(MKS)代表国际单位制,其基本单位 为m,kg,s,K。

有限元分析热分析

有限元分析热分析
从上式可以看出,包含热辐射的热分析是 高度非线性的。
(4)比热容(Specific Heat):是指单位质量的 物质每升高(或降低)1℃所吸收(或放出)的 热量,简称比热,其单位为J/(Kg.℃)。其计算 公式为: C=Q/(m.△T) 式中:△T= TE-TB,为TE为终止时刻温度;TB 为开始时刻温度;Q为该时间段内物体吸收或 放出的总热量;m为质量。
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。
七、线性与非线性热分析 ANSYS在热分析过程中,如果有下列情况中
的一种或几种出现,则该分析为非线性热分析:
➢ 材料热性能随温度变化; ➢ 边界条件随温度变化; ➢ 含有非线性单元; ➢ 考虑辐射传热。
7.1.2 稳态热分析实例1—长空心圆柱 体的热传导过程ANSYS分析
(2)对流:热对流是指固体的表面与它周围接触 的液体或气体(统称为流体)之间,由于温差 的存在而引起的热量交换。 高温物体表面(如暖气片)常常发生对流 现象,这是因为高温物体表面附近的空气因受 热而膨胀,密度降低并向上流动。与此同时, 密度较大的冷空气下降并代替原来的受热空气。
热对流可以分为两类:自然对流和强制对流。
ANSYS提供了两种分析耦合场的方法:直 接耦合法与间接耦合法。
二、单位制问题:在ANSYS热分析过程中,不一 定都要采用国际单位制,但必须要使所有物理 量的单位统一起来。 ANSYS中共有五种单位可供选择(命令流 方式:/UNITS;或Main menu>Preprocessor>Material Props>Material Library >Select Units): SI(MKS)代表国际单位制,其基本单位 为m,kg,s,K。

工程有限元方法温度场有限元分析PPT(31页)

工程有限元方法温度场有限元分析PPT(31页)

由上式得出稳态热传导问题的变分原理如下
0
1
2
k
x
2
1 2
k
y
2
1 2
k
z
2
Q d
qd q
3
ha
1 2
h2
d
稳态热传导分析有限元列式
• 温度插值
将空间域 离散为有限个单元体,在典型单元内各点的温度 可以近似的用单
元的节点温度 i 插值得到
ne
Ni (x, y)i Ni i 1
方程
c
t
x
kx
x

y
ky
y
z
kz
z
Q
0
升温需要的热量
由x, y, z方向传入的热量
内部热源产生的热量
导热系数 k, W/ m K
物体内部的 热源密度
Q, W/kg
比热容 c, J/ kg K
密度 , kg/m3
热传导基本方程
• 热传导问题的边界条件
域的 边界条件 1 2 3
在分析工程问题时,经常要了解工件内部的温度分布情况,例如发动机的 工作温度、金属工件在热处理过程中的温度变化、流体温度分布等。物体 内部的温度分布取决于物体内部的热量交换,以及物体与外部介质之间的 热量交换,一般认为是与时间相关的。在一般三维问题中,瞬态温度场的
场变量 x, y, z,t 在直角坐标中应满足下述热传导(Fourier热传导)微分
k x nx k y ny k z nz k n q
k
x
nx
k
y
ny
k
z
nz
k
n
h(a
)
在 2 边界上 在 3 边界上

有限元分析热分析

有限元分析热分析

中载荷,只能施加在节点或关键点上,主要用
于线单元模型。
.
9
(3)对流:对流(Convection)是一种面载荷, 用于计算流体与实体的热交换。它可以施加在 有限元模型的节点及单元上,也可以施加在实 体模型的线段和面上。
(4)热流密度:又称热通量(Heat Flux)单位为
W/m2。热流密度是一种面载荷,表示通过单位
问题描述:
有一横截面为矩形的各向异性型材,其初
始温度为500℃,现突然将其置于温度为20℃的
空气中,求1分钟后该型材的温度场分布及其中
心温度随时间的变化规律。材料性能参数如下:
密度为2400 kg/m3,导热系数KXX为30
W/(m.℃),KYY、KZZ为弹性模量为10
W/(m.℃),比热为352 J/(kg.℃),对流系数为
.
28
.
29
3. 创建几何模型、划分网格 4. 3.1 几何建模
.
30
.
31
1. 3.2 划分网格:先对线进行标注,然后画线以便于操 作。
.
32
.
33
.
34
.
35
.
36
4 加载求解 4.1 选择分析类型:
.
37
1. 4.2 对线上各节点施加温度载荷:先对1线上的节点加 温
2. 度载荷
从上式可以看出,包含热辐射的热分析是 高度非线性的。
.
17
(4)比热容(Specific Heat):是指单位质量的 物质每升高(或降低)1℃所吸收(或放出)的 热量,简称比热,其单位为J/(Kg.℃)。其计算 公式为: C=Q/(m.△T) 式中:△T= TE-TB,为TE为终止时刻温度;TB 为开始时刻温度;Q为该时间段内物体吸收或 放出的总热量;m为质量。

有限元分析-热分析

有限元分析-热分析

(2)热流率:热流率(Heat Flow)是一种节点集
中载荷,只能施加在节点或关键点上,主要用
于线单元模型。
精选可编辑ppt
9
(3)对流:对流(Convection)是一种面载荷, 用于计算流体与实体的热交换。它可以施加在 有限元模型的节点及单元上,也可以施加在实 体模型的线段和面上。
(4)热流密度:又称热通量(Heat Flux)单位为
(2)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。
精选可编辑ppt
21
七、线性与非线性热分析 ANSYS在热分析过程中,如果有下列情况中
的一种或几种出现,则该分析为非线性热分析:
Ø 材料热性能随温度变化; Ø 边界条件随温度变化; Ø 含有非线性单元; Ø 考虑辐射传热。
Ø q为热流率;
Ø ê为实际物体的辐射率,或称黑度,它的数值
处于0~1之间;
Ø ɡ为斯蒂芬—波尔兹曼常数,约为
5.67×108W/m2.K4;
Ø A1为辐射面1的面积;
Ø F12为由辐射面1到辐射面2的形状系数;
Ø T1为辐射面对1的绝对温度;
Ø T2为辐射面2的绝对温度。
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16
在ANSYS热分析中,在确定分析选项,即
密度为2400 kg/m3,导热系数KXX为30
W/(m.℃),KYY、KZZ为弹性模量为10
W/(m.℃),比热为352 J/(kg.℃),对流系数为
110W/(m2.℃) 。 精选可编辑ppt
52
简要分析: 该问题属于瞬态热传导问题。由于材料沿长度方向
的尺寸远大于其它两个方向的尺寸,将其简化为平面应 变问题。在分析过程中取型材横截面的1/4建立模。

有限元 第9章 温度场及温度应力

有限元  第9章 温度场及温度应力

T C eT
e
T Ce T
e


1 T T Π T ( H G )T T R T T T F 2
T H C e hC e e
T G C e gCe e
T R C e rC e e
T F Ce f e
Π 0 T
R T ( H G )T F
i 1 m
T ( x, y, z, t ) T ( , , , t ) N i T i N T e
T


m


T T T T 1 Π ( ) 2 ( ) 2 ( ) 2 ( )T dv ( T 2 Ta T )ds V S y z t t 2 2 x
一、 温度场有关概念 温度属性: 热胀冷缩,引起变形,热传导
T ( x, y, z, t ) 不稳定温度场 T ( x, y, z ) 稳定温度场
热流密 度
q ---通过等温面单位面积的热流速度。
或单位时间单位面积通过的热量。
1
T
---温度梯度,表示沿等温面外法向的变化率
T ( x, y, z, t )=C------等温面
N T N N T N N T N h e ( )( )( ) dv V y y z z x x
Π 0 HT 0
T H Ce hCe e
N T N N T N N T N h e ( )( )( ) dv V y y z z x x
N T N 1 N T N N T N e T (T ) e ( )( )( )dvT e V 2 e y y z z x x 1 (T e ) T e N T N ds T e (T e ) T e Ta N T ds S3 S3 2 e e

有限元分析热分析课件-PPT

有限元分析热分析课件-PPT
ANSYS提供了两种分析耦合场的方法:直 接耦合法与间接耦合法。
二、单位制问题:在ANSYS热分析过程中,不一 定都要采用国际单位制,但必须要使所有物理 量的单位统一起来。 ANSYS中共有五种单位可供选择(命令流 方式:/UNITS;或Main menu>Preprocessor>Material Props>Material Library >Select Units): SI(MKS)代表国际单位制,其基本单位 为m,kg,s,K。
创建几何模型、划分网格
Ø h为对流换热系数(或称膜传热系数、给热系数、 TB为周围流体的温度。
ê为实际物体的辐射率,或称黑度,它的数值 再对线2和线3上的各节点施加温度及对流载荷。
USER代表用户自定义单位制,即用户可以根据需要定义基本单位。
膜系数等); 再对线2和线3上的各节点施加温度及对流载荷。
五、热分析时的三种传热方式及材料基本属性
(1)热传导:当物体内部存在温差,即存在温度 梯度时,热量从物体的高温部分传递到低温部 分;而且不同温度的物体相互接触时热量会从 高温物体传递到低温物体。这种热量传递的方 式称为热传导。 Q/t=KA(Thot-Tcold)/d 式中:Q为时间t内的传热量或热流量;K为热 传导率或热传导系数;
有限元分ANSYS热分析基础知识简介 Ø 稳态热分析实例 Ø 瞬态热分析实例
热分析基础知识简介
一、ANSYS热分析功能介绍 ANSYS热分析模块主要有:
Ø ANSYS/Multiphysics Ø ANSYS/Mechanical Ø ANSYS/Thermal Ø ANSYS/FLOTRAN Ø ANSYS/ED
问题描述: 有一空心钢圆柱体,内半径与外半径分别为
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