ANSYS非稳态热分析及实例详解解析
《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（工程仿真软件）是一种广泛应用于工程领域的有限元分析软件。
它不仅可以进行结构力学分析，还可以进行热分析。
热分析是通过数值模拟来研究物体在不同温度和热载荷条件下的热行为。
下面将详细介绍ANSYS热分析的一般步骤和常见应用。
热分析的步骤通常包括几个关键步骤：1.几何建模：通过ANSYS软件创建物体的三维几何模型。
可以使用软件内置的几何建模工具或从其他CAD软件导入几何模型。
2.材料定义：选择适当的材料，并在ANSYS中定义其热特性，如导热系数、比热容和线膨胀系数等。
3.网格划分：将几何模型分割成许多小单元，称为有限元。
每个有限元具有一组方程来描述其热行为。
网格划分的质量直接影响到最终结果的准确性，因此需要仔细选择合适的网格划分方法。
4.边界条件：指定物体的边界条件，如温度、热流、辐射、对流等。
这些边界条件会影响物体的热传导和热平衡。
5.求解：通过解决一组非线性偏微分方程来计算物体的温度分布。
ANSYS使用有限元方法来求解这些方程，并返回物体在不同点上的温度值。
6.后处理：对计算结果进行可视化和分析。
ANSYS可以绘制温度分布图、热通量图、温度梯度图等，以帮助用户更好地理解和分析物体的热行为。
1.电子器件散热分析：在电子设备中，散热问题常常是一个关键问题。
通过ANSYS热分析，可以评估电子器件所产生的热量，以及散热器的性能，从而确保设备的可靠性和性能。
2.汽车发动机冷却分析：汽车发动机的性能和寿命受限于冷却系统的效果。
ANSYS热分析可以帮助评估不同冷却系统的性能，并优化设计以提高发动机的效率和耐久性。
3.压力容器热应力分析：在高温和高压条件下，压力容器可能会发生热应力。
ANSYS热分析可以帮助评估容器的热应力，并指导合适的设计改进。
4.太阳能热系统分析：太阳能是一种可再生能源，可以通过太阳能热系统将太阳能转化为热能。
ANSYS热分析可以帮助评估太阳能热系统的性能，并优化设计以提高能量转化效率。
《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非稳态热分析及实例详解
第7 章非稳态热分析及实例详解本章向读者介绍非稳态热分析的基本知识，主要包括非稳态热分析的应用、非稳态热分析单元、非稳态热分析的基本步骤。
本章要点非稳态导热的基本概念非稳态热分析的应用非稳态热分析单元分析的基本步骤本章案例钢球非稳态传热过程分析不同材料金属块水中冷却的非稳态传热过程分析高温铜导线冷却过程分析7.1 非稳态热分析概述物体的温度随时间而变化的导热过程称为非稳态导热。
根据物体温度随着时间的推移而变化的特性可以区分为两类非稳态导热：物体的温度随时间的推移逐渐趋于恒定的值以及物体的温度随时间而作周期性的变化。
无论在自然界还是工程实际问题中，绝大多数传热过程都是非稳态的。
许多工程实际问题需要确定物体内部的温度场随时间的变化，或确定其内部温度达到某一限定值所需要的时间。
例如：在机器启动、停机及变动工况时，急剧的温度变化会使部件因热应力而破坏，因此需要确定物体内部的瞬时温度场；钢制工件的热处理是一个典型的非稳态导热过程，掌握工件中温度变化的速率是控制工件热处理质量的重要因素。
再例如，金属在加热炉内加热时，需要确定它在加热炉内停留的时间，以保证达到规定的中心温度。
可见，非稳态热分析是有相当大的应用价值的。
ANSYS 11.0及其相关的下属产品均支持非稳态的热分析。
非稳态热分析确定了温度以及其它随时间变化的热参数。
7.1.1 非稳态热分析特性瞬态热分析用于计算一个系统的随时间变化的温度场及其它热参数。
在工程上一般用瞬态热分析计算温度场，并将之作为热载荷进行应力分析。
瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似。
主要的区别是瞬态热分析中的载荷是随时间变化的。
为了表达随时间变化的载荷，首先必须将载荷-时间曲线分为载荷步。
对于每一个载荷步，必须定义载荷值及时间值，同时必须选择载荷步为渐变或阶越。
7.1.2 非稳态热分析的控制方程热储存项的计入将稳态系统变为非稳态系统，计入热储存项的控制方程的矩阵形式如下：[]{}[]{}{}C T K T Q +=其中，[]{}C T 为热储存项。
ANSYS流体与热分析第10章热分析典型工程实例
第10 章热分析典型工程实例本章要点拉伸特征旋转特征扫掠特征混合特征孔特征壳特征本章案例某型号手机电池的散热分析冷库复合隔热板热量流动分析电子元器件散热装置温度分析10.1 工程实例1——某型号手机电池的散热分析该算例为某型手机电池的散热分析，如图10-1为某型号手机背面的照片，图中可见手机的电池的位置。
在手机工作时，电池可向外传递热量。
使用手机的读者应该都体会过手机电池发热的现象，特别是在长时间接打电话时，这种现象尤为明显。
本实例对某型号手机进行分析，电池的标准电压为3.7V，电池容量为750mAh。
试求手机开机状态下外壳的温度分布。
手机的各部分材料性能参数如表10.1所示。
图10-1 手机背面照片在计算分析过程中我们将手机看做三个组成部分：塑料外壳、手机内部材料和手机电池。
忽略手机内部线路和芯片，可以将手机电池看做唯一热源。
简化后的手机模型如图10-2所示，图中单位均为cm。
本实例拟采用Solid Tet 10node 87单元进行分析。
由于电池功率和环境温度均可视为恒定不变，因此分析类型为稳态。
图10-2 简化后的手机模型由电池的电压和电流可以算得电池的功率：==⨯=P UI 3.70.75 2.775W电池的体积为：3=⨯⨯=V0.040.010.050.00002m电池的发热量：3==Q P/V138750W/m——附带光盘“Ch10\实例10－1_start”——附带光盘“Ch10\实例10－1_end”——附带光盘“A VI\Ch10\10－1.avi”1、定义分析文件名1、选择Utility Menu>File>Change Jobname，在弹出的单元增添对话框中输入Example10-1，然后点击OK按钮。
2、选择Main Menu>Preferences，弹出Preferences for GUI Filtering对话框，点选Thermal复选框，单击OK按钮关闭该对话框。
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。
ANSYS_热分析报告(两个实例)有限元热分析报告上机指导书
第四讲 热分析上机指导书CAD/CAM 实验室，USTC实验要求：1、通过对冷却栅管的热分析练习，熟悉用ANSYS 进展稳态热分析的根本过程，熟悉用直接耦合法、间接耦合法进展热应力分析的根本过程。
2、通过对铜块和铁块的水冷分析，熟悉用ANSYS 进展瞬态热分析的根本过程。
容1：冷却栅管问题问题描述：本实例确定一个冷却栅管〔图a 〕的温度场分布与位移和应力分布。
一个轴对称的冷却栅结构管为热流体，管外流体为空气。
冷却栅材料为不锈钢，特性如下：W/m ℃×109 MPa×10-5/℃边界条件：〔1〕管：压力：6.89 MPa流体温度：250 ℃对流系数249.23 W/m 2℃〔2〕管外：空气温度39℃对流系数：62.3 W/m 2℃假定冷却栅管无限长，根据冷却栅结构的对称性特点可以构造出的有限元模型如图b 。
其上下边界承受边界约束，管部承受均布压力。
练习1－1：冷却栅管的稳态热分析步骤：1. 定义工作文件名与工作标题1) 定义工作文件名：GUI: Utility Menu> File> Change Jobname ，在弹出的【ChangeJobname 】对话框中输入文件名Pipe_Thermal ，单击OK 按钮。
2) 定义工作标题：GUI: Utility Menu> File> Change Title ，在弹出的【Change Title 】对话框中2D Axisymmetrical Pipe Thermal Analysis ，单击OK 按钮。
3) 关闭坐标符号的显示：GUI: Utility Menu> PlotCtrls> Window Control> WindowOptions ，在弹出的【Window Options 】对话框的Location of triad 下拉列表框中选择No Shown 选项，单击OK 按钮。
ansys中的热分析
ansys中的热分析【转】热-结构耦合分析知识掌握篇2022-05-3114:09:19阅读131评论0字号：大中小订阅热-结构耦合问题是结构分析中通常遇到的一类耦合分析问题.由于结构温度场的分布不均会引起结构的热应力,或者结构部件在高温环境中工作,材料受到温度的影响会发生性能的改变,这些都是进行结构分析时需要考虑的因素.为此需要先进行相应的热分析,然后在进行结构分析.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,如热量的获取或损失,热梯度,热流密度(热通量)等.本章主要介绍在ANSYS中进行稳态,瞬态热分析的基本过程,并讲解如何完整的进行热-结构耦合分析.21.1热-结构耦合分析简介热-结构耦合分析是指求解温度场对结构中应力,应变和位移等物理量影响的分析类型.对于热-结构耦合分析,在ANSYS中通常采用顺序耦合分析方法,即先进行热分析求得结构的温度场,然后再进行结构分析.且将前面得到的温度场作为体载荷加到结构中,求解结构的应力分布.为此,首先需要了解热分析的基本知识,然后再学习耦合分析方法.21.1.1热分析基本知识ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程,用有限元法计算各节点的温度,并导出其它热物理参数.ANSYS热分析包括热传导,热对流及热辐射三种热传递方式.此外,还可以分析相变,有内热源,接触热阻等问题.热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换.热对流是指固体的表面和与它周围接触的流体之间,由于温差的存在引起的热量的交换.热辐射指物体发射电磁能,并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程.如果系统的净热流率为0,即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量:q流入+q生成-q流出=0,则系统处于热稳态.在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变化.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.ANSYS热分析的边界条件或初始条件可分为七种:温度,热流率,热流密度,对流,辐射,绝热,生热.热分析涉及到的单元有大约40种,其中纯粹用于热分析的有14种,它们如表21.1所示.表21.1热分析单元列表单元类型名称说明线性LINK32LINK33LINK34LINK31两维二节点热传导单元三维二节点热传导单元二节点热对流单元二节点热辐射单元二维实体PLANE55PLANE77PLANE35PLANE75PLANE78四节点四边形单元八节点四边形单元三节点三角形单元四节点轴对称单元八节点轴对称单元三维实体SOLID87SOLID70SOLID90六节点四面体单元八节点六面体单元二十节点六面体单元壳SHELL57四节点四边形壳单元点MASS71节点质量单元21.1.2耦合分析在ANSYS中能够进行的热耦合分析有:热-结构耦合,热-流体耦合,热-电耦合,热-磁耦合,热-电-磁-结构耦合等,因为本书主要讲解结构实例分析,所以着重讲解热-结构耦合分析.在ANSYS中通常可以用两种方法来进行耦合分析,一种是顺序耦合方法,另一种是直接耦合方法.顺序耦合方法包括两个或多个按一定顺序排列的分析,每一种属于某一物理分析.通过将前一个分析的结果作为载荷施加到下一个分析中的方式进行耦合.典型的例子就是热-应力顺利耦合分析,热分析中得到节点温度作为\体载荷\施加到随后的结构分析中去.直接耦合方法,只包含一个分析,它使用包含多场自由度的耦合单元.通过计算包含所需物理量的单元矩阵或载荷向量矩阵或载荷向量的方式进行耦合.典型的例子是使用了SOLID45,PLANE13或SOLID98单元的压电分析.进行顺序耦合场分析可以使用间接法和物理环境法.对于间接法,使用不同的数据库和结果文件,每个数据库包含合适的实体模型,单元,载荷等.可以把一个图21.1间接法顺序耦合分析数据流程图21.2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,需要进行稳态热分析来确定初始温度分布.稳态热分析可以通过有限元计算确定由于稳定的热载荷引起的温度,热梯度,热流率,热流密度等参数.ANSYS稳态热分析可分为三个步骤:前处理:建模求解:施加载荷计算后处理:查看结果21.2.1建模稳态热分析的模型和前面的结构分析模型建立过程基本相同.不同的就是需要在菜单过虑对话框中将分析类型指定为热分析,这样才能使菜单选项为热分析选项,单元类型也为热分析的单元类型,另外在材料定义时需要定义相应的热性能参数,下面为大概操作步骤.1.确定jobname,title,unit;2.进入PREP7前处理,定义单元类型,设定单元选项;3.定义单元实常数;4.定义材料热性能参数,对于稳态传热,一般只需定义导热系数,它可以是恒定的,也可以随温度变化;5.创建几何模型并划分网格,请参阅结构分析的建模步骤.21.2.2施加载荷计算热分析跟前面讲解的结构分析相比,区别在于指定的载荷为温度边条.通常可施加的温度载荷有恒定的温度,热流率,对流,热流密度和生热率五种.另外在分析选项中也包含非线性选项,结果输出选项等需要根据情况进行设置.1.定义分析类型(1)如果进行新的热分析,则使用下面命令或菜单路径:COMMAND:ANTYPE,STATIC,NEWGUI:Mainmenu|Solution|-AnalyiType-|NewAnalyi|Steady-tate(2)如果继续上一次分析,比如增加边界条件等,则需要进行重启动功能:COMMAND:ANTYPE,STATIC,RESTGUI:Mainmenu|Solution|AnalyiType-|Retart2.施加载荷可以直接在实体模型或单元模型上施加五种载荷(边界条件).(1)恒定的温度:通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上.COMMAND:D GUI:MainMenu|Solution|-Load-Apply|-Thermal-Temperature(2)热流率:热流率作为节点集中载荷,主要用于线单元模型中(通常线单元模型不能施加对流或热流密度载荷),如果输入的值为正,代表热流流入节点,即单元获取热量.如果温度与热流率同时施加在一节点上,则ANSYS读取温度值进行计算.注意:如果在实体单元的某一节点上施加热流率,则此节点周围的单元要密一些,在两种导热系数差别很大的两个单元的公共节点上施加热流率时,尤其要注意.此外,尽可能使用热生成或热流密度边界条件,这样结果会更精确些.COMMAND:FGUI:MainMenu|Solution|-Load-Apply|-Thermal-HeatFlow(3)对流:对流边界条件作为面载施加于实体的外表面,计算与流体的热交换.它仅可施加于实体和壳模型上,对于线模型,可以通过对流线单元LINK34考虑对流.COMMAND:SFGUI:MainMenu|Solution|-Load-Apply|-Thermal-Convection(4)热流密度:热流密度也是一种面载荷.当通过单位面积的热流率已知或通过FLOTRANCFD计算得到时,可以在模型相应的外表面施加热流密度.如果输入的值为正,代表热流流入单元.热流密度也仅适用于实体和壳单元.热流密度与对流可以施加在同一外表面,但ANSYS仅读取最后施加的面载荷进行计算.COMMAND:FGUI:MainMenu|Solution|-Load-Apply|-Thermal-HeatFlu某(5)生热率:生热率作为体载施加于单元上,可以模拟化学反应生热或电流生热.它的单位是单位体积的热流率.COMMAND:BFGUI:MainMenu|Solution|-Load-Apply|-Thermal-HeatGenerat3.确定载荷步选项对于一个热分析,可以确定普通选项,非线性选项以及输出控制.热分析的载荷不选项和结构静力分析中的载荷步相同,读者可以参阅本书结构静力分析部分的相关内容或基本分析过程中关于载荷步选项的内容.这里就不再详细讲解了.4.确定分析选项GUI:MainMenu|Solution|AnalyiOption5.求解GUI:MainMenu|Solution|CurrentLS21.2.3后处理ANSYS将热分析的结果写入某.rth文件中,它包含如下数据信息:(1)基本数据:节点温度(2)导出数据:节点及单元的热流密度节点及单元的热梯度单元热流率节点的反作用热流率其它对于稳态热分析,可以使用POST1进行后处理.关于后处理的完整描述,可参阅本书第四章中关于利用通用后处理器进行结果观察分析的讲解.下面是几个关键操作的命令和菜单路径.1.进入POST1后,读入载荷步和子步:COMMAND:SETGUI:MainMenu|GeneralPotproc|-ReadReult-ByLoadStep2.在热分析中可以通过如下三种方式查看结果:彩色云图显示COMMAND:PLNSOL,PLESOL,PLETAB等GUI:MainMenu|GeneralPotproc|PlotReult|NodalSolu,ElementSolu, ElemTable矢量图显示COMMAND:PLVECTGUI:MainMenu|GeneralPotproc|PlotReult|Pre-definedorUerdefined列表显示COMMNAD:PRNSOL,PRESOL,PRRSOL等GUI:MainMenu|GeneralPotproc|LitReult|NodalSolu,ElementSolu,R eactionSolu21.3瞬态传热分析瞬态热分析用于计算一个系统随时间变化的温度场及其它热参数.在工程上一般用瞬态热分析计算温度场,并将之作为热载荷进行应力分析.瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似.主要的区别是瞬态热分析中的载荷是随时间变化的.为了表达随时间变化的载荷,首先必须将载荷～时间曲线分为载荷步.载荷～时间曲线中的每一个拐点为一个载荷步,如下图所示.图21.2瞬态热分析载荷-时间曲线对于每一个载荷步,必须定义载荷值荷对应的时间值,同时必须指定载荷步的施加方式为渐变或阶越.21.3.1建模一般瞬态热分析中,定义材料性能时要定义导热系数,密度及比热,其余建模过程与稳态热分析类似,这里就不再赘述.21.3.2加载求解和其它ANSYS中进行的分析一样,瞬态热分析进行加载求解时同样需要完成如下的工作.包括定义分析类型,定义初始条件,施加载荷,指定载荷步选项,指定结果输出选项以及最后进行求解.1.定义分析类型指定分析类型为瞬态分析,通用可以进行新的分析或进行重启动分析.2.获得瞬态热分析的初始条件(1)定义均匀温度场GUI:MainMenu|Solution|-Load-|Setting|UniformTempGUI:MainMenu|Solution|-Load-|Apply|-Thermal-|Temperature|OnNodeGUI:MainMenu|Solution|-Load-|Delete|-Thermal-Temperature|OnNode(2)设定非均匀的初始温度GUI:MainMenu|Solution|Load|Apply|-InitialCondit'n|Define如果初始温度场是不均匀的且又是未知的,就必须首先作稳态热分析确定初始条件.GUI:MainMenu|Preproceor|Load|-LoadStepOpt-Time/Frequenc|TimeIntegrationGUI:MainMenu|Preproceor|Load|-LoadStepOpt-Time/Frequenc|TimeandSubtp写入载荷步文件:GUI:MainMenu|Preproceor|Load|WriteLSFile或先求解:GUI:MainMenu|Solution|Solve|CurrentLS注意:在第二载荷步中,要删去所有设定的温度,除非这些节点的温度在瞬态分析与稳态分析相同.3.设定载荷步选项进行瞬态热分析需要指定的载荷步选项和进行瞬态结构分析相同,主要有普通选项,非线性选项和输出控制选项.(1)普通选项GUI:MainMenu|Solution|-LoadStepOpt-Time/Frequenc|TimeandSubtp每个载荷步的载荷子步数,或时间增量.对于非线性分析,每个载荷步需要多个载荷子步.时间步长的大小关系到计算的精度.步长越小,计算精度越高,同时计算的时间越长.根据线性传导热传递,可以按如下公式估计初始时间步长:ITS=δα24GUI:MainMenu|Solution|-LoadStepOpt-|Time/Frequenc|TimeandSubtp如果载荷值在这个载荷步是恒定的,需要设为阶越选项;如果载荷值随时间线GUI:MainMenu|Solution|-LoadStepOpt-|Time/Frequenc|TimeandSubtp(2)非线性选项GUI:MainMenu|Solution|-LoadStepOpt-|Time/Frequenc|TimeIntegrationGUI:MainMenu|Solution|-LoadStepOpt-|OutputCtrl|DB/ReultFile4.在定义完所有求解分析选项后,进行结果求解.21.3.3结果后处理对于瞬态热分析,ANSYS提供两种后处理方式.通用后处理器POST1,可以对整个模型在某一载荷步(时间点)的结果进行后处理;GUI:MainMenu|GeneralPotproc.GUI:MainMenu|TimeHitPotproc1.用POST1进行后处理GUI:MainMenu|GeneralPotproc|ReadReult|ByTime/Freq如果设定的时间点不在任何一个子步的时间点上,ANSYS会进行线性插值.此外,还可以读出某一载荷步的结果.GUI:MainMenu|GeneralPotproc|ReadReult|ByLoadStep然后,就可以采用与稳态热分析类似的方法,对结果进行彩色云图显示,矢量图显示,打印列表等后处理.2,用POST26进行后处理首先,要定义变量.GUI:MainMenu|TimeHitPotproc|GraphVariable或列表输出GUI:MainMenu|TimeHitPotproc|LitVariable21.4热-结构耦合分析前面讲了热-结构耦合分析是一种间接法顺序耦合分析的典型例子.其主要分三步完成:1.进行热分析,求得结构的的温度场;2.将模型中的单元转变为对应的结构分析单元,并将第一步求得的热分析结构当作体载荷施加到节点上;3.定义其余结构分析需要的选项,并进行结构分析.前面已经介绍了如何单独进行热分析和结构分析,下面介绍如何转换模型并将第一步求解的结果施加到节点上.1.完成必要的热分析,并进行相应的后处理,对结果进行查看分析.2.重新进入前处理器,并指定新的分析范畴为结构分析.选择菜单路径MainMenu|Preference,在弹出的对话框中选择\选项,使所有菜单变为结构分析的选项.3.进行单元转换.选择菜单路径MainMenu|Preproceor|ElementType|SwitchElemType,将弹出SwithchElemType(转换单元类型)对话框,如图21.3所示.图21.3转换单元类型对话框4.在对话框中的Changeelementtype(改变单元类型)下拉框中选择\然后单击关闭对话框,ANSYS程序将会自动将模型中的热单元转换为对应的结构单元类型.5.定义材料的性能参数.跟通常的结构分析不同的是,除了定义进行结构静力分析需要的材料弹性模量,密度,或强化准则的定义之外.在热-结构耦合分析的第二个分析中,还需要定义材料的热膨胀系数,而且材料性能应该随温度变化的.6.将第一次分析得到的温度结果施加到结构分析模型上.选取菜单路径MainMenu|Solution|DefineLoad|Apply|Structural|Temperature|FromThermAn aly,将弹出ApplyTEMPfromThemalAnalyi(从已进行的热分析结果中施加温度载荷)对话框,如图21.4所示.单击对话框中的按钮,选择前面热分析的结果文件某.rth,作为结构分析的热载荷加到节点上.图21.4从已进行的热分析结果中施加温度载荷对话框7.定义其它结构分析的载荷步选项和求解分析选项,并进行结构分析求解.8.进行结果后处理,观察分析所求得的结果.。
ANSYS热分析指南（第三、四章）
ANSYS热分析指南（第三、四章）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稳态和瞬态分析步骤简述..
ANSYS 稳态和瞬态热模拟基本步骤基于ANSYS 9.0一、 稳态分析从温度场是否是时间的函数即是否随时间变化上，热分析包括稳态和瞬态热分析。
其中，稳态指的是系统的温度场不随时间变化，系统的净热流率为0，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量：=0q q q +-流入生成流出 在稳态分析中，任一节点的温度不随时间变化。
基本步骤：（为简单起见，按照软件的菜单逐级介绍）1、 选择分析类型点击Preferences 菜单，出现对话框1。
对话框1我们主要针对的是热分析的模拟，所以选择Thermal 。
这样做的目的是为了使后面的菜单中只有热分析相关的选项。
2、 定义单元类型GUI ：Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete 出现对话框2对话框2（3-1）点击Add,出现对话框3对话框3在ANSYS中能够用来热分析的单元大约有40种，根据所建立的模型选择合适的热分析单元。
对于三维模型，多选择SLOID87：六节点四面体单元。
3、选择温度单位默认一般都是国际单位制，温度为开尔文（K）。
如要改为℃，如下操作GUI：Preprocessor>Material Props>Temperature Units选择需要的温度单位。
4、定义材料属性对于稳态分析，一般只需要定义导热系数，他可以是恒定的，也可以随温度变化。
GUI: Preprocessor>Material Props> Material Models 出现对话框4对话框4一般热分析，材料的热导率都是各向同性的，热导率设定如对话框5.对话框5若要设定材料的热导率随温度变化，主要针对半导体材料。
则需要点击对话框5中的Add Temperature选项，设置不同温度点对应的热导率，当然温度点越多，模拟结果越准确。
设置完毕后，可以点击Graph按钮，软件会生成热导率随温度变化的曲线。
四个ANSYS热分析经典例子
实例1：某一潜水艇可以简化为一圆筒，它由三层组成，最外面一层为不锈钢，中间为玻纤隔热层，最里面为铝层，筒内为空气，筒外为海水，求内外壁面温度及温度分布。
几何参数：筒外径30 feet总壁厚2 inch不锈钢层壁厚0.75inch玻纤层壁厚1 inch铝层壁厚0.25inch筒长200 feet导热系数不锈钢8.27BTU/hr.ft.o F玻纤0.028 BTU/hr.ft.o F铝117.4 BTU/hr.ft.o F边界条件空气温度70 o F海水温度44.5 o F空气对流系数2.5 BTU/hr.ft2.o F海水对流系数80 BTU/hr.ft2.o F沿垂直于圆筒轴线作横截面，得到一圆环，取其中1 度进行分析，如图示。
/filename，Steady1/title，Steady-state thermal analysis of submarine/units，BFTRo=15 !外径(ft)Rss=15-(0.75/12) !不锈钢层内径ft)Rins=15-(1.75/12) !玻璃纤维层内径(ft)Ral=15-(2/12) !铝层内径(ft)Tair=70 !潜水艇内空气温度Tsea=44.5 !海水温度Kss=8.27 !不锈钢的导热系数(BTU/hr.ft.oF)Kins=0.028 !玻璃纤维的导热系数(BTU/hr.ft.oF)Kal=117.4 !铝的导热系数(BTU/hr.ft.oF)Hair=2.5 !空气的对流系数(BTU/hr.ft2.oF)Hsea=80 !海水的对流系数(BTU/hr.ft2.oF)prep7et，1，plane55 !定义二维热单元mp，kxx，1，Kss !设定不锈钢的导热系数mp，kxx，2，Kins !设定玻璃纤维的导热系数mp，kxx，3，Kal !设定铝的导热系数pcirc，Ro，Rss，-0.5，0.5 !创建几何模型pcirc，Rss，Rins，-0.5，0.5pcirc，Rins，Ral，-0.5，0.5aglue，allnumcmp，arealesize，1，，，16 !设定划分网格密度lesize，4，，，4lesize，14，，，5lesize，16，，，2Mshape，2 !设定为映射网格划分mat，1amesh，1mat，2amesh，2mat，3amesh，3/SOLUSFL，11，CONV，HAIR，，TAIR !施加空气对流边界SFL，1，CONV，HSEA，，TSEA !施加海水对流边界SOLVE/POST1PLNSOL ！输出温度彩色云图finish实例2一圆筒形的罐有一接管，罐外径为3 英尺，壁厚为0.2 英尺，接管外径为0.5 英尺，壁厚为0.1英尺，罐与接管的轴线垂直且接管远离罐的端部。
ANSYS热分析指南(第三、四章)
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。
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。
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。
【ANSYS】ANSYS_热分析培训_第五章
5-17
初始条件
初始条件 必须对模型的每个温度自由度定义，使得时间积分过程得以 开始。 施加在有温度约束的节点上的初始条件被忽略。 根据初始温度域的性质，初始条件可以用以下方法之一指定:
Initial Temperature Distribution
CT T KT T QT , t
March 30, 2002 Inventory #001445
5-5
时间积分
对于线性热系统,温度从一个时刻到另一个时刻连续变化:
T
t
对于热瞬态分析，为了在时间的离散点上得到系统方程的解使用时间积分过程。求 解之间时间的变化称为时间积分步 (ITS)。
T
Dt
通常情况下，ITS越小，计算结果越精确tn。 tn+1
March 30, 2002 Inventory #001445
5-7
时间步大小说明 (续)
在瞬态热分析中大致估计初始时间步长，可以使用Biot和Fourier数。 Biot 数 是无量纲的对流和传导热阻的比率:
Bi h Dx K
其中 D x是名义单元宽度, h是平均对流换热系数，K 是平均导热系数。 Fourier 数 是无量纲的时间(Dt/t ) , 对于宽度为D x 的单元它量化了热传导 与热存储的相对比率:
* MASS71热质量单元比较特殊 ，它能够存贮热能单不能传导 热能。因此，本单元不需要热 传导系数。
March 30, 2002 Inventory #001445
5-3
瞬态分析前处理考虑因素(续)
象稳态分析一样，瞬态分析也可以是线性或非线性的。如果是非线性 的，前处理与稳态非线性分析有同样的要求。 稳态分析和瞬态分析对明显的区别在于加载和求解 过程。 在瞬态热分析数值方法的一个简单介绍以后，我们将集中解释这些过 程。
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本章向读者介绍非稳态热分析的基本知识， 主要包括非稳态热分析的应用、 非稳态热分析的基本步骤。
非稳态导热的基本概念 非稳态热分析的应用 非稳态热分析单元 分析的基本步骤丄本章案例钢球非稳态传热过程分析不同材料金属块水中冷却的非稳态传热过程分析 高温铜导线冷却过程分析7.1 非稳态热分析概述物体的温度随时间而变化的导热过程称为非稳态导热。
根据物体温度随着时间的推移而变化的 特性可本章要点非稳态热分析单兀、以区分为两类非稳态导热：物体的温度随时间的推移逐渐趋于恒定的值以及物体的温度随时间而作周期性的变化。
无论在自然界还是工程实际问题中，绝大多数传热过程都是非稳态的。
许多工程实际问题需要确定物体内部的温度场随时间的变化，或确定其内部温度达到某一限定值所需要的时间。
例如：在机器启动、停机及变动工况时，急剧的温度变化会使部件因热应力而破坏，因此需要确定物体内部的瞬时温度场；钢制工件的热处理是一个典型的非稳态导热过程，掌握工件中温度变化的速率是控制工件热处理质量的重要因素。
再例如，金属在加热炉内加热时，需要确定它在加热炉内停留的时间，以保证达到规定的中心温度。
可见，非稳态热分析是有相当大的应用价值的。
ANSYS 11.0 及其相关的下属产品均支持非稳态的热分析。
非稳态热分析确定了温度以及其它随时间变化的热参数。
7.1.1 非稳态热分析特性瞬态热分析用于计算一个系统的随时间变化的温度场及其它热参数。
在工程上一般用瞬态热分析计算温度场，并将之作为热载荷进行应力分析。
瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似。
主要的区别是瞬态热分析中的载荷是随时间变化的。
为了表达随时间变化的载荷，首先必须将载荷 - 时间曲线分为载荷步。
对于每一个载荷步，必须定义载荷值及时间值，同时必须选择载荷步为渐变或阶越。
7.1.2 非稳态热分析的控制方程热储存项的计入将稳态系统变为非稳态系统，计入热储存项的控制方程的矩阵形式如下：C T& K T Q其中，C T&为热储存项。
在非稳态分析时，载荷是和时间有关的函数，因此控制方程可表示如下：C T& K T Q t 若分析为分线性，则各参数除了和时间有关外，还和温度有关。
非线性的控制方程可表示如下：C T T& K T T Q T, t7.1.3 时间积分与时间步长1 、时间积分从求解方法上来看，稳态分析和非稳态分析之间的差别就是时间积分。
利用 ANSYS 11.0 分析问题时，只要在后续载荷步中将时间积分效果打开，稳态分析即转变为非稳态分析；同样，只要在后续载荷步中将时间积分关闭，非稳态分析也可转变为稳态分析。
2 、时间步长两次求解之间的时间称为时间步，一般来说，时间步越小，计算结果越精确。
确定时间步长的方法有两种：（ 1）指定裕度较大的初始时间步长，然后使用自动时间步长增加时间步。
（ 2）大致估计初始时间步长。
在非稳态热分析中估计初始时间步长，可以使用 Biot 数和 Fourier 数。
Biot 数是不考虑尺寸的热阻对流和传导比例因子，其定义为：K式中：x ――名义单元宽度；h ――平均表面换热系数； K ――平均导热系数。
式中： 一一平均密度;c ——比热容;如果Bi 1，可将Fourier 数设为常数并求解t 来预测时间步长：2 2tc( x) ( x)_ c式中： ------ 热耗散。
如果Bi 1，时间步长可应用Fourier 数和Biot 数的乘积预测:其中，0.1 0.5时间步长的预测精度随单元宽度的取值、平均的方法、比例因子 的变化而变化。
7.1.4数值求解过程当前温度矢量 T n 假设为已知，可以是初始温度或由前面的求解得到的。
定义下一个时间点的温度矢量为:FogBi求解t 得到：t h x h t2c( x)Kc xt c xthBiFourier 数是不考虑尺寸的时间(t/t )，其定义为:F oK t c( x)2T n 1 T n (1 ) t T& t T&1其中称为欧拉参数，默认为 1，下一个时间点的温度为：C T&1 K Tn 1Q 由上面两式可得：1 C K T n 1 Q C - 1 T 1nt tK Tm Q1其中—C K KtQ C 丄T n 1 T& Qt 1欧拉参数的数值在0.5~1之间。
在这个范围内，时间积分算法是不明显而且是不稳定的。
因此，ANSYS 11.0总是忽略时间积分步的幅值来计算。
但是，这样的计算结果并不总是准确的。
下面是选择积分参数的一些建议：当=0.5时，时间积分方法采用“Crank-Nicolson ”技术。
本设置对于绝大多数热瞬态问题都是精确有效的。
当=1时，时间积分方法采用“Backward Euler ”技术。
这是缺省的和最稳定的设置，因为它消除了可能带来严重非线性或高阶单元的非正常振动。
本技术一般需要相对Cran k-Nicolson 较小的时间积分步得到精确的结果。
7.2非稳态热分析单兀非稳态热分析和稳态热分析使用的分析单兀相同，具体请读者参见本书第6章。
7.3非稳态热分析基本步骤非稳态热分析的基本步骤主要包括：建模、加载求解和后处理。
下面分别对这三个基本步骤进行具体的阐述。
7.3.1 建立有限元模型就这一步骤而言，并没有稳态和非稳态之分，可参照稳态分析的建模方法进行。
里不在赘述。
7.3.2 加载求解1、定义分析类型如果第一次进行分析或重新进行分析，操作步骤如下：Command: ANTYPE,TRANSIENT,NEWGUI ： Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis>Transient 如果接着上次的分析继续进行（例如增加其它载荷），操作步骤如下： Command:ANTYPE,TRANSIENT,RESTGUI ： Main Menu>Solution>Analysis Type>Restart2、获得非稳态热分析的初始条件（ 1 ）定义均匀温度场如果已知模型的起始温度是均匀的，可设定所有节点初始温度，操作步骤如下： Command: TUNIFGUI: Main Menu>Solution>Loads>Settings>Uniform Temp 如果不在对话框中输入数据，则默认为参考温度，参考温度的值默认为零，设定参考温度：Command: TREF 因此，在这但可通过如下方法GUI: Main Menu>Solution>Loads>Settings>Reference T 注意：设定均匀的初始温度，与如下的设定节点的温度（自由度）不同，设定节点温度的操 作步骤如下：Command: DGUI: Main Menu>Solution>Loads>Apply>Thermal>Temperature>On Nodes初始均匀温度仅对分析的第一个子步有效； 而设定节点温度将保持贯穿整个瞬态分析过程， 除 非通过下列方法删除此约束：Command: DDELEGUI: Main Menu>Solution>Loads>Delete>Thermal>Temperature>On Nodes（ 2 ）设定非均匀的初始温度在瞬态热分析中，节点温度可以设定为不同的值，操作步骤如下：Command: CGUI: Main Menu>Solution>Loads>Apply>Initial Condit'n>Define如果初始温度场是不均匀的且又是未知的， 就必须首先作稳态热分析确定初始条件， 步骤如下： •设定载荷（如已知的温度、热对流等） •将时间积分设置为OFF :Command: TIMINT, OFFGUI: Main Menu>Preprocessor>Loads>Load Step Opts>Time/Frequenc>TimeIntegrationCommand: TIMEemp设定一个只有一个子步的，时间很小的载荷步（例如0.001 ):GUI: Main Menu>Preprocessor>Loads>LoadStep Opts>Time/Frequenc>TimeandSubstps写入载荷步文件：Command: LSWRITEGUI: Main Menu>Preprocessor>Loads>Write LS File或先求解：Command: SOLVEGUI: Main Menu>Solution>Solve>Current LS3 、设定载荷步选项（1）普通选项•设置时间和时间步步，操作如下：Command: TIMEGUI: Main Menu>Solution>Load Step Opts>Time/Frequenc>Time-Time Step•设置每个载荷步的载荷子步数，或时间增量Command: NSUBST or DELTIMGUI: Main Menu>Solution>Load Step Opts>Time/Frequenc>Time and Substps（ 2）非线性选项•设置迭代次数：（每个子步默认的次数为 25 ，这对大多数非线性热分析已经足够）Command: NEQITGUI: Main Menu>Solution>Load step opts>Nonlinear>Equilibrium Iter•自动时间步长：（本选项为 ON 时，在求解过程中将自动调整时间步长）Command: AUTOTSGUI: Main Menu>Solution>Load Step Opts>Time/Frequenc>Time and Substps•时间积分效果：（如果将此选项设定为 OFF，将进行稳态热分析）Command: TIMINTGUI: Main Menu>Solution>Load Step Opts>Time/Frequenc>Time Integration （3）输出选项•控制打印输出：（本选项可将任何结果数据输出到*.out文件中）Command: OUTPRGUI: Main Menu>Solution>Load Step Opts>Output Ctrls>Solu Printout•控制结果文件：（控制*.rth的内容）Command: OUTRESGUI: Main Menu>Solution>Load Step Opts>Output Ctrls>DB/Results File（ 4 ）存盘求解7.3.3 后处理ANSYS 提供两种后处理方式：P0ST1，可以对整个模型在某一载荷步（时间点）的结果进行后处理；Command: POST1GUI: Main Menu>General Postproc.POST26，可以对模型中特定点在所有载荷步（整个瞬态过程）的结果进行后处理。