ANSYS WORKBENCH 11.0热分析

ANSYS WORKBENCH 11.0 培训教程（DS）
第六章
热分析
本章概览
• 在本章中， 将讲述如何在DS中进行稳态和瞬态热分析：
– 几何模型 – 接触以及支持的装配体类型 – 热载荷 – 求解选项 – 结果和后处理 – Workshop 6.1 – 热瞬态启动 – 瞬态设置 – 瞬态载荷 – 瞬态结果 – Workshop 6.2
虽然定义了线的截面和方向，但这些信息仅对结构分析有意义， 实际的热杆单元（link单元） 将会有一个基于输入属性的 “有效” 的截面。 • 对于线，不会输出任何热通量或热通量矢量，仅能得到温度结果 • 热分析不支持“Point Mass”
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… 几何模型
• 理解使用壳和线单元时的一些相关假设很重要：
– 对于壳，不考虑沿壳厚度方向的温度梯度。壳体应 当用于较薄的结构，此时，才能假设壳的上下表面 温度相等。
• 表面的温度变化仍然要考虑，但不是厚度方向的。
– 对于线，不考虑截面厚度上的温度变化。线应当用 于类似梁或桁架的结构，此时可认为其截面上的温 度是常量。
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In the figure on the left, the solid green double-arrows indicate heat flow within the contact region. Heat flow only occurs if a target surface is normal to a contact surface.
The light, dotted green arrows indicate that no heat transfer will occur between parts.
… 装配体 – 接触区
• 在DS中，存在不同的接触行为：
– 通常，接触类型仅对结构应用有意义 – 如果零件初始有接触，零件间就会发生传热，如果零件初始
… 材料属性
• 唯一需要的材料属性是导热系数。
– 材料输入在 “Engineering Data” 标签下，然后在 “Geometry” 分支下指定每个part的材料。
– 导热系数 作为材料属性的
一个子分支输入。 温度相关的导热系数可以 用表输入。
– 比热 同样也可输入， 但目
前用不到。 – 其它的材料输入在热分析
• 当一侧为接触面而另一侧为目标面时，称为反对称接触。另一方
面，如果两侧都被指定成接触面或目标面，则称为对称接触。 但是，在热分析中，指定哪一侧是接触面，哪一侧是目标面并不 重要。 • 缺省时，DS对实体装配体使用对称接触。 对ANSYS Professional 及更高级licenses ，用户可在需要时改 为反对称接触。
– 在稳态热分析中不考虑任何瞬态效应； – [K] 可以是常量或是温度的函数；
• 每种材料属性中都可输入温度相关的热传导率； – {Q} 也可是常量或是温度的函数；
• 在对流边界条件中可以输入温度相关的对流传热膜系数
稳态传热基础
• 上述方程的基础是傅立叶定律（Fourier’s Law）：
– 这意味在DS中求解的热分析是基于传导方程。
B. 装配体 – 实体接触
• 当导入实体零件组成的装配体时，实体间的接触区将 会被自动创建。
• 面－面接触允许实体零件间的边界上不匹配的网格。
– 接触实现了装配体中零件间的传热。
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– 如果目标节点落在pinball 区域内，并且
接触是绑定的或者无分离的，则将发生传热 （绿色实线） – 否则，节点间将不会发生传热（绿色虚
线）
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不接触，零件间将不会互相传热。
– 基于不同的接触类型，将热量是否会在接触面和目标面间传 递总结如下：
Contact Type
Bonded No Separation Rough F ric t ionles s
Heat Transfer Betw een Parts in Contact Region?
Iniwk.baidu.comially Touching
Inside Pinball Region Outside Pinball Region
Yes
Yes
No
Yes
Yes
No
Yes
No
No
Yes
No
No
– 接触的 pinball 区域由程序自动定义并被设置一个相对较小的 值，以调和模型中可能出现的小间隙。pinball 区域将在下一
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Pinball Radius
In this figure on the right, the gap between the two parts is bigger than the pinball region, so no heat transfer will occur between the parts
– 这只对“Environment” 和 “Solution”级别的选项有用. – 如果要进行热应力分析就不能关闭physics filters 中的任何选
项因为结构和热的选项都需要。
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• 表面的平面度 • 表面磨光 • 氧化物 • 残存流体 • 接触压力 • 表面温度 • 导热脂的使用
∆T
T x
… 装配体 – 热传导
• 在ANSYS Professional 及更高级的licenses 中， 用户 可以定义接触传热系数 (TCC)
– 每个接触区都要在 “Details view”中输入单位面积的接触传热 系数 ，如下所示：
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Model shown is from a sample Inventor assembly.
… 装配体 – 接触区
• 在DS中，每个接触区都用到接触面和目标面的概念。
– 接触区的一侧由接触面组成，另一侧由目标面组成。 – 在接触的法向上允许有接触面和目标面间的热流。
• 沿着线方向的温度变化仍然要考虑， 但不是沿着截面的。
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• 本部分讲述的一些功能通常适用于 ANSYS DesignSpace Entra 及更高级的licenses ， 但 ANSYS Structural license除外。
稳态传热基础
• 对于一个DS中的稳态热分析， 温度 {T} 是由如下的矩 阵求解：
[K(T )]{T}= {Q(T )}
这就导致了如下的一些假设：
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A. 几何模型
• 在热分析中，可以使用DS支持的大多数体素的类型。
– 所有支持热分析的产品都支持实体和面。
• 对于面，必须在“Geometry”分支的“Details view”中输入其厚度 • 对于线， 只有 ANSYS Professional 及更高级licenses 支持。 • 线的截面和方向在 DM 中定义，并自动导入到 DS中。
• 如果需要分析共轭传热/流动问题，则需要用 ANSYS CFD 。
• 在DS中进行热分析时，记住这些假设是很重要的。
Physics Filters
• 在进行热分析详细讨论前，有必要指出，如果只是一 个热分析可以用 Physics Filter 来简化GUI.
– 在 “View menu > Physics Filter,”下去掉 “Structural” 选项. 现 在在GUI中只剩下与热分析有关的选项.
… 装配体 – 热传导
• 缺省时，在装配体的零件间会定义一个高的接触导热 系数（TCC）
– 两个零件间的热流量由接触热通量 q定义：
( ) q = TCC ⋅ Ttarget − Tcontact
这里，Tcontact 是位于接触法向上某接触“节点”的温度，Ttarget 是相应的目标“节点”的温度。 – 缺省时，TCC根据设定的模型中的最大KXX值和装配体总体
中用不到。
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如果存在任何温度相关的材料属性，都将导致非线性求解。这是因为，温 度是要求解的量，而材料又取决于温度，因此求解不再是线性。
– 在接触/目标 界面中，不考虑热量的扩散。
• 在壳或实体单元内的接触面或目标面上，由于傅立叶定律 （ Fourier’s Law），需考虑热量扩散 。
• 在接触区内，热流仅在接触的法向方向上进行。
• 这就意味着，不管接触区定义如何，只要接触法向上有接触单 元，热量就会流动。
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… 装配体 – 接触区
• 正如前面的幻灯片所提到的，热量在接触区内沿着接 触法向流动
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… 装配体 – 热传导
• 理想的零件间的接触传热系数假定在接触界面上没有 温度降。
• 但人们有可能想知道界面上的有限热传导。
– 接触的两个表面 （处于不同温度）在穿过界面上有温度降。 这种下降是由于两表面间的不良接触产生的。这种不良接 触，以及由此产生的有限热传导， 受到如下一些因素的影 响：
外边界的对角线ASMDIAG，被设为一个相对较“高”的值。
TCC = KXX ⋅10,000 / ASMDIAG
这最终提供了零件间完全的传热。
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• 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}中被认为是边界条件； • 目前不考虑任何辐射； • 目前不考虑任何时间相关的效应。
– 传热分析与 CFD（Computational Fluid Dynamics）分析不 同。
• 对流被处理成简单的边界条件，虽然对流传热膜系数有可能与温 度相关
张幻灯片中讨论。
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… 装配体 – 接触区
• pinball 区域可以在ANSYS Professional 及更高级 licenses中输 入并看到。