ANSYS热分析-表面效应单元
ANSYS命令流学习笔记18-表面效应单元
! ANSYS命令流学习笔记18-表面效应单元surface effect !学习重点：!1 表面载荷的施加当施加表面载荷时，在WorkBench中可以很方便地施加。
但其本质也是借助表面效应单元来完成的。
譬如当实体结构表面施加沿切向或者任何方向的均布载荷（甚至不均布?）时，都可以使用表面效应单元。
!2 表面效应单元的建立表面单元，意思就是要依附于现有单元的表面，利用现有节点形成单元，因此单元增加，而节点不增加。
单元通过制定坐标系方向等，施加不同方向的载荷。
!3 表面效应单元的典型应用目前可以使用的表面效应单元：对二维问题：SURF151和SURF153；对三维问题：SURF152和SURF154。
151和152为热表面效应单元，153和154为结构表面效应单元。
表面单元可以很好用，如下例子中的通过表面施加扭矩；总之就是定义与表面成各种方向力的载荷。
在热流问题也有广泛应用。
!问题描述! 在workbench中可以轻松实现其定义，根据图示边界条件，得出位移结果如右图。
这里把此问题转到APDL里运行。
并再熟悉一下接触设定。
（案例参考ansys官方教程，有点不同）!APDL命令：finish/clear/title,surf effect~parain,'2s','x_t' !导入当前路径下的2s.x_t文件，包括所有体面线。
实在不想在APDL 里建模了，这是在SCDM中建模导出的文件。
/facet,normal/replot !单位m、Pa!!!以上导入x_t模型et,1,solid185r,2real,2et,2,surf154mp,ex,1,2.1e11mp,prxy,1,0.3 !定义材料1为结构钢mshape,0,3Dmshkey,2esize,0.0005 !网格无关分析之后，选择该尺寸，因为接触存在，网格需要细分vsweep,all !划分网格!!!以上定义材料及划分网格!复习下接触，而且规则形状分开，方便简单划分网格r,3mat,1real,3et,3,targe170et,4,conta174keyopt,4,12,5 !bonded约束vsel,s,loc,z,0.04,0.05asel,s,loc,z,0.04type,3nsla,s,1esln,s,0esurf !根据线创建target170allselvsel,s,loc,z,0,0.04asel,s,loc,z,0.04type,4nsla,s,1esln,s,0esurf !根据线创建contact174!!!以上建立两个体之间的绑定接触!建立surf154单元，为3D面单元csys,1allselasel,s,loc,x,0.015 !切换到圆柱坐标系，方便选择圆周上节点nsla,s,1mat,1real,2type,2esurf!!!以上根据节点，生产surf154单元csys,0local,100,1,0,0,0esel,s,type, ,2emodify,all,esys,100allsel!!!以上建立局部圆柱坐标系，并将此坐标系定义为surf单元的单元坐标系finish/soluesel,s,type, ,2sfe,all,2,pres,,10e6 !施加面压力allselnsel,s,loc,z,0d,all,all !约束底面!!!以上施加边界条件allselsolve !计算finish!!!进入后处理/post1plnsol,u,sumplnsol,s,eqvfinish/eof。
ANSYS热分析简介1
ANSYS热分析简介1⽬录1. ANSYS热分析简介1. ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡⽅程，⽤有限元的⽅法计算各节点的温度，并导出其他物理参数。
2. ANSYS热分析包括热传导、热对流和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。
3. ANSYS中耦合场的分析种类有热-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。
4. 对于不同的零件，之间可以采⽤GLUE进⾏粘接，或者采⽤Overlap等⽅法，也可以建⽴接触。
1.1 传导传导：两个良好接触的物体之间的能量交换或⼀个物体内由于温度梯度引起的内部能量交换。
对流：在物体和周围介质之间发⽣的热交换。
由温差存在⽽引起的热量交换，可以分为⾃然对流和强对流。
对流⼀般作为⾯边界条件施加。
热对流⽤⽜顿冷却⽅程来描述。
辐射：⼀个物体或者多个物体之间通过电磁波进⾏能量交换。
热辐射指物体发射电磁能，并被其他物体吸收转变为热的热量交换过程。
物体温度越⾼，单位时间辐射的热量越多。
热传导和热对流都需要传热介质，⽽热辐射⽆需任何介质，且在真空中的效率最⾼。
可以看出辐射分析是⾼度⾮线性的。
1.2 热载荷分类（1）DOF约束：温度（2）集中载荷：热流（3）⾯载荷：热流，对流（4）体载荷：体积或者区域载荷。
1.2.1 载荷施加序号APDL含义备注1TUNIF施加均匀初始温度2IC施加⾮均匀的初始温度1.3 热分析分类1.3.1 稳态热分析如果热能的流动不随时间变化的话，热传递就成为是稳态的。
由于热能流动不随时间变化，系统的温度和热载荷也都不随时间变化。
稳态热平衡满⾜热⼒学第⼀定律。
通常在进⾏瞬态分析前，进⾏稳态分析⽤于确定初始温度分布。
对于稳态传热，⼀般只需要定义导热系数，他可以是恒定的，也可是是随温度变化的。
1.3.2 瞬态热分析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他热参数。
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。
Ansys模拟表面效应单元模拟带穿透圆孔螺栓的弹塑性扭转问题
Ansys模拟表面效应单元模拟带穿透圆孔螺栓的弹塑性扭转问题问题描述用 ANSYS 表面效应单元模拟对带穿透圆孔螺栓施加扭转荷载，载荷和边界条件:沿螺栓上端的扭矩 Mt 等效为切向等效切应力：q=100MPa，底部固定 (UX=UY=UZ=0)。
设:螺栓直径 d=100mm，螺栓长度 L=400mm，螺帽直径 D=160mm,螺帽高度 H=30mm。
在螺栓长度一半处穿透圆孔直径 d=10mm。
材料的弹性模量为 E=200GPa，泊松比 v=0.3，材料应力—应变关系为 ANSYS 非线性弹塑模型--Voce 非线性等向强化 (NLISO)：σ=250+600*[1-EXP(-16.9*εP)(MPa),屈服强度σY = 250MPa ，假设为各向同性硬化材料，使用 Mises 屈服准则和关联流动法则。
1Main Menu: Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete →Add→select Solid Brick 8node185→O K2Main Menu: Preprocessor →Material Props → Material Models→Structural → Nonlinear →Inelastic→ Rate independent → Isotropic hardening plasticity → Mises plasticity → Nonlinear→ inputEX:200e3, PRXY:0.3 → Sigy0：250， R o=0，Rinf=600,b=16.9→ OK3生成带帽螺栓。
分别生成中空圆环状的螺帽(R=80mm, r=50mm, H=30mm)和圆柱状的螺栓(r=50mm，L=400mm)，然后用布尔命令 Glue，将两体结合.生成竖直圆孔，先平移工作平面Utility Menu→WorkPlane→offset WP by Increments：X,Y, Z Offsets 输入0，0，200 点击 ApplyXY，YZ，ZX Angles 输入 0，－90， 0 点击 OK。
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表面效应单元线加载
本例主要说明如何使用表面效应线单元SURF156 来定义线段上的分布载荷。
所使用的几何模型是一个长方体20*40*200，准备在长方体右端上方线段上施加分布载荷，如下图所示：为采用MAP方式划分网格，定义单元类型SOLID45：命令：ET，SOLID45为施加线分布载荷，定义单元类型Surf156：命令：ET，SURF156设置表面效应单元 SURF156 的单元选项：压力坐标系用局部坐标系，K5选择No-不用方向节点，其余用默认值。
注意后面需要定义一个局部坐标系。
为定义单元类型Surf156，需要先对线段划分线单元，为此，需先定义单元类型MESH200：命令：ET，MESH200设置不参与求解的单元类型MESH200的单元选项：将MESH200设置为3D，2节点线单元。
定义材料属性：命令： MPTEMP,,,,,,,, $ MPTEMP,1,0MPDATA,EX,1,,201000 $ MPDA TA,PRXY,1,,0.3创建长方体：20*40*200命令：BLC4, , ,20,40,200对长方体划分网格：首先设置单元尺寸为 10。
命令： ESIZE, 10然后选择长方体划分网格：命令：MSHAPE,0,3d $ MSHKEY,1 $ VMESH, 1 $ MSHKEY,0 网格划分结果如下图：由于对长方体划分的是实体网格，为了在线段 6 上生成表面效应单元 SURF156，还必需对线段划分线单元。
首先打开线编号显示：命令： /PNUM, line, on绘制线，可以看到线的编号：使用 mesh200 单元，对线 6 划分线单元。
首先设置默认单元属性为单元类型 3；材料 1：命令： TYPE, 3 $ MA T, 1选择线 6 划分网格：命令： Lmesh, 6再选择线 6 上的 mesh200 单元及节点，步骤是：1 选择线 6：Utility Menu > Select > Line > By Num/Pick >在拾取框中输入 6，回车 > OK2 选择属于线 6 的实体 (KP 点、节点和单元)：Utility Menu > Select > Everything Belowe > Selected Lines然后，点击： Utility Menu > List > Status > Global Status，显示当前选择的实体数：可以看到，当前选择集中只有4 个单元，即线6 上的4 个mesh200 单元，以及属于这些单元的5 个节点。
ANSYS表面效应单元
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10.把 “切向X压力”符号改为箭头: – Utility Menu > PlotCtrls > Symbols …
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11.选择 everything 并画出单元: – Utility Menu > Select > Everything – Utility Menu > Plot > Elements 12.约束1号面上的全部自由度(螺栓底面 Z=0): – Main Menu > Preprocessor > Loads > -Loads- Apply > Structural- Displacement > On Areas +
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7. 把SURF154单元的单元坐标(ESYS)改变为11: – Main Menu > Preprocessor > -Modeling- Move / Modify > Elements- Modify Attrib + – Utility Menu > List > Elements > Nodes + Attributes – Utility Menu > Plot > Elements
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15.画位移 UY: – Main Menu > General Postproc > Plot Results > -Contour PlotNodal Solu ... 16.存储并退出 ANSYS: – Pick the “QUIT” button in the Toolbar
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7. 建立名为 “e_surf”的所有第2类单元的组件: – Utiltity Menu > Select > Comp/Assembly > Create Component ... 8. 关闭单元坐标系: – Utility Menu > PlotCtrls > Symbols …
Ansys中文帮助-单元详解-SURF152
单元详解——SURF1523-D 表面热效应单元MP ME ST <> <> PR <> <> <> PP EDSURF152单元描述SURF152 可以用于各种变化载荷和表面效应。
可以覆盖在任意3D热单元面上。
该单元用于3D热分析，而且变载荷和表面效应可以同时存在。
关于此单元更详细的信息请参看ANSYS, Inc. Theory Reference的SURF152。
Figure 152.1 SURF152 几何形状SURF152输入数据该单元几何形状，节点位置，坐标系如图Figure 152.1: "SURF152 Geometry"。
该单元由4至9个节点和材料特性定义，一个额外的节点（不在单元上）可以用于对流或辐射效应。
三角形单元可以通过把K，L定义到相同位置得到，在Triangle, Prism and Tetrahedral Elements中有详细描述。
该单元默认X轴与I-J边平行。
质量、体积和热生成计算要用到单元厚度（实常数TKI, TKJ, TKK, TKL）。
厚度TKJ, TKK, 和TKL默认为TKI, 值为1.0。
质量计算还用到密度（材料特性DENS）。
关于单元载荷的描述请参看Node and Element Loads。
对流或热流可以作为单元的面载荷输入。
表面对流传导矩阵计算需要用到膜层散热系数(用KVAL= 0 的SFE命令输入，CONV为标号)。
如果使用额外节点，其温度变为体积温度（按体积计算的平均温度）。
如果未用额外节点，由KVAL = 2输入的CONV值变为体积温度。
表面热对流矢量计算需要用到体积温度。
在一给定面上，热流或对流可以指定其中一个，但不能同时存在。
设置KEYOPT(7) = 1 增加使用经验项ITS - TBI n对膜层散热系数进行评估，TS 是单元表面温度，TB是流体体积温度，n是经验系数(常实数ENN).当KEYOPT(5) = 1而且FLUID116单元在KEYOPT(2) = 1时的流动信息存在时，体积温度可能会用KEYOPT(6) = 1，实常数OMEG（角速度）和NRF (恢复系数)调整为壁绝热温度。
【转】ANSYS热分析指南（第六章）
【转】ANSYS热分析指南（第六章）第六章热辐射分析6.1热辐射的定义热辐射是一种通过电磁波传递热能的方式。
电磁波以光的速度进行传递，而能量传递与辐射物体之间的介质无关。
热辐射只在电磁波的频谱中占小部分的带宽。
由于辐射产生的热流与物体表面的绝对温度的四次方成正比，因此热辐射有限元分析是高度非线性的。
物体表面的辐射遵循Stefan-Boltzmann定律：式中：—物体表面的绝对温度；—Stefan-Boltzmann常数，英制为0.119×10-10 BTU/hr-in-R，公制为5.67×10-86.2基本概念下面是对辐射分析中用到的一些术语的定义：黑体黑体被定义为在任意温度下，吸收并发射最大的辐射能的物体；通常的物体为“灰体”，即ε< 1；在某些情况下，辐射率（黑度）随温度变化；辐射率（黑度）物体表面的辐射率（黑度）定义为物体表面辐射的热量与黑体在同一表面辐射热量之比。
式中：－辐射率（黑度）－物体表面辐射热量－黑体在同一表面辐射热量形状系数形状系数用于计算两个面之间的辐射热交换，在ANSYS中，可以用隐藏/非隐藏的方法计算2维和三维问题，或者用半立方的方法来计算3维问题。
表面I与表面J之间的形状系数为：形状系数是关于表面面积、面的取向及面间距离的函数；由于能量守恒，所以：根据相互原理：由辐射矩阵计算的形状系数为：式中：－单元法向与单元I,J连线的角度－单元I,J重心的距离有限单元模型的表面被处理为单元面积dA I及dA J，然后进行数字积分。
辐射对在辐射问题中，辐射对由一些相互之间存在辐射的面组成，可以是开放的或是闭合的。
在ANSYS中，可以定义多个辐射对，它们相互之间也可以存在辐射ANSYS使用辐射对来计算一个辐射对中各面间的形状系数；每一个开放的辐射对都可以定义自己的环境温度，或是向周围环境辐射的空间节点。
Radiosity 求解器当所有面上的温度已知时，Radiosity 求解器方法通过计算每一个面上的辐射热流来得到辐射体之间的热交换。
ANSYS命令流学习笔记18-表面效应单元
ANSYS命令流学习笔记18-表⾯效应单元! ANSYS命令流学习笔记18-表⾯效应单元surface effect !学习重点：!1 表⾯载荷的施加当施加表⾯载荷时，在WorkBench中可以很⽅便地施加。
但其本质也是借助表⾯效应单元来完成的。
譬如当实体结构表⾯施加沿切向或者任何⽅向的均布载荷（甚⾄不均布?）时，都可以使⽤表⾯效应单元。
!2 表⾯效应单元的建⽴表⾯单元，意思就是要依附于现有单元的表⾯，利⽤现有节点形成单元，因此单元增加，⽽节点不增加。
单元通过制定坐标系⽅向等，施加不同⽅向的载荷。
!3 表⾯效应单元的典型应⽤⽬前可以使⽤的表⾯效应单元：对⼆维问题：SURF151和SURF153；对三维问题：SURF152和SURF154。
151和152为热表⾯效应单元，153和154为结构表⾯效应单元。
表⾯单元可以很好⽤，如下例⼦中的通过表⾯施加扭矩；总之就是定义与表⾯成各种⽅向⼒的载荷。
在热流问题也有⼴泛应⽤。
!问题描述! 在workbench中可以轻松实现其定义，根据图⽰边界条件，得出位移结果如右图。
这⾥把此问题转到APDL⾥运⾏。
并再熟悉⼀下接触设定。
（案例参考ansys官⽅教程，有点不同）!APDL命令：finish/clear/title,surf effect~parain,'2s','x_t' !导⼊当前路径下的2s.x_t⽂件，包括所有体⾯线。
实在不想在APDL ⾥建模了，这是在SCDM中建模导出的⽂件。
/facet,normal/replot !单位m、Pa以上导⼊x_t模型et,1,solid185et,2,surf154mp,ex,1,2.1e11mp,prxy,1,0.3 !定义材料1为结构钢mshape,0,3Dmshkey,2esize,0.0005 !⽹格⽆关分析之后，选择该尺⼨，因为接触存在，⽹格需要细分vsweep,all !划分⽹格以上定义材料及划分⽹格!复习下接触，⽽且规则形状分开，⽅便简单划分⽹格r,3mat,1real,3et,3,targe170et,4,conta174keyopt,4,12,5 !bonded约束vsel,s,loc,z,0.04,0.05asel,s,loc,z,0.04type,3nsla,s,1esln,s,0esurf !根据线创建target170allselvsel,s,loc,z,0,0.04asel,s,loc,z,0.04type,4nsla,s,1esln,s,0esurf !根据线创建contact174以上建⽴两个体之间的绑定接触!建⽴surf154单元，为3D⾯单元csys,1allselasel,s,loc,x,0.015 !切换到圆柱坐标系，⽅便选择圆周上节点nsla,s,1type,2esurf以上根据节点，⽣产surf154单元csys,0local,100,1,0,0,0esel,s,type, ,2emodify,all,esys,100allsel以上建⽴局部圆柱坐标系，并将此坐标系定义为surf单元的单元坐标系finish /soluesel,s,type, ,2sfe,all,2,pres,,10e6 !施加⾯压⼒allselnsel,s,loc,z,0d,all,all !约束底⾯以上施加边界条件allselsolve !计算finish进⼊后处理/post1plnsol,u,sumplnsol,s,eqvfinish/eof。
ANSYS表面效应单元SURF154的运用!
ANSYS表面效应单元SURF154的运用!1. 表面效应单元SURF154的运用场合表面效应单元就是在现有的模型实体单元表面上生成新的单元。
将相关载荷施加在此表面效应单元上，从而达到将载荷传递分摊到模型实体单元表面上的目的。
如，球罐上半球外表面受到竖直向下的雪载荷、侧半球受到水平的风载荷、储罐拱顶外表面受到竖直向下的雪载荷等类似的工况均可采用表面效应单元来实现载荷施加。
如下图所示：图1 球罐水平风载荷图2 储罐竖直雪载荷图3 储罐侧壁风载荷2. 表面效应单元SURF154描述及数据输入SURF154可以用于各种变化载荷和表面效应。
可以覆盖在任意3D单元面上。
该单元用于3D结构分析，而且变载荷和表面效应可以同时存在。
图4 SURF154几何形状Faces 1, 2, And 3 [KEYOPT(2) = 0]. 前三个正压力沿单元坐标轴正方向（除了法向压力沿Z轴负方向）。
对于Face 1,由KEYOPT(6)决定是否取消正或负值，用来模拟在包含流体的自由面处的不连续性。
对于 Faces 2 和3,载荷方向由单元坐标系，因此需要用到ESYS命令。
Faces 1, 2, And 3 [KEYOPT(2) = 1]. 压力载荷按照局部坐标系加载在单元面上。
如下图， Face 1 沿局部坐标系X轴方向，Face 2沿局部坐标系Y轴方向，Face 3沿局部坐标系Z轴方向。
局部坐标系必须被定义。
此时KEYOPT(6) 不可用。
Face 4.方向为单元法线方向，在每个积分点的压力大小为P I + XP J + YP K + ZP L，从P I到P L按照从VAL1 到VAL4 输入，用SFE命令。
X, Y, Z为当前点位置的全局笛卡儿坐标值。
由KEYOPT(6)决定是否取消正或负值，用来模拟在包含流体的自由面处的不连续性。
Face 5.压力大小为 P I，方向为节点i、j、k处单位矢量在全局笛卡儿坐标系中的方向。
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热分析详解解析
A N S Y S热分析详解解析-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN第一章简介一、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，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量〕等。
热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。
二、ANSYS的热分析在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五种产品中包含热分析功能,其中ANSYS/FLOTRAN不含相变热分析。
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。
三、ANSYS 热分析分类稳态传热：系统的温度场不随时间变化瞬态传热：系统的温度场随时间明显变化四、耦合分析热－结构耦合热－流体耦合热－电耦合热－磁耦合热－电－磁－结构耦合等第二章基础知识一、符号与单位W/m 2-℃二、传热学经典理论回顾热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律:●对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出〕PE KE U W Q ∆+∆+∆=-式中: Q —— 热量;W —— 作功;∆U ——系统内能; ∆KE ——系统动能； ∆PE ——系统势能；● 对于大多数工程传热问题：0＝＝PE KE ∆∆； ● 通常考虑没有做功：0=W , 则：U Q ∆=；●对于稳态热分析：0=∆=U Q ，即流入系统的热量等于流出的热量； ●对于瞬态热分析：dtdUq =，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。
三、热传递的方式1、热传导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。
热传导遵循付里叶定律：dxdT kq -=''，式中''q 为热流密度（W/m 2），k 为导热系数（W/m-℃），“-”表示热量流向温度降低的方向。
ANSYS 热分析培训 第八章
1. 通过将选项(K5)设置为include 来考虑辐射的附加节点 。
2. 通过选项(K9)设置形状系数的计算 方法。
March 30, 2002 Inventory #001445 8-23
辐射建模
使用表面效应单元建立辐射模型
表面效应单元
培训手册
HEAT TRANSFER 6.0
3D 边界条件, SURF152
March 30, 2002 Inventory #001445 8-11
灰体
实际表面叫做 灰体 ——因为它们与黑体辐射行为存在不同。 灰体在温度T时的总辐射率如下:
培训手册
HEAT TRANSFER 6.0
e (T )
E (T ) Eb (T )
其中 : E 灰体表面的半球辐射总 能量 Eb 黑体表面的半球辐射总 能量
q 反射表面
q
March 30, 2002 Inventory #001445 8-6
散射或反射
(续)
培训手册
HEAT TRANSFER 6.0
通常情况下，物体的表面可以理想地当作散射或反射面。
实际上，没有任何物体的表面是真正的散射或反射面。比较灰暗的表面 接近散射面，高度抛光的表面接近反射面。
为了简化计算，认为物体表面的辐射发生在所有方向和所有的波长上是 完全一样，这就是下面要讨论的情形。因此，在散射和反射表面之间没 有差别。
March 30, 2002 Inventory #001445 8-9
辐射率
面的总能量):
培训手册
HEAT TRANSFER 6.0
总辐射量, J, 是热流单位，表示表面发射和反射的能量总和 (如, 离开表
反射能
ANSYS热分析-表面效应单元
ANSYS热分析指南(第五章)第五章表面效应单元5.1简介表面效应单元类似一层皮肤，覆盖在实体单元的表面。
它利用实体表面的节点形成单元。
因此，表面效应单元不增加节点数量（孤立节点除外），只增加单元数量。
ANSYS 5.7中热分析专用表面效应单元为SURF151(2-D)以及SRUF152(3-D)。
有关单元的详细描述请参阅《ANSYS Element Reference》。
5.2表面效应单元在热分析中的应用利用表面效应单元可更加灵活地定义表面热载荷：当热流密度和热对流边界条件同时施加于同一表面时，必须将其中一个施加于实体单元表面，另一个施加在表面效应单元。
建议将热对流边界施加于表面效应单元。
可将热对流边界条件中的流体温度施加于孤立节点上，将对流系数施加于表面单元，这样，可更灵活地控制对流载荷。
当对流系数随温度变化时，表面效应单元可提供设置计算对流系数的选项。
表面效应单元还可以用于模拟点与面的辐射传热。
5.3表面效应单元的有关热分析设置选项SURF151是单元可用于多种载荷和表面效应的应用。
可以覆盖在任何二维热实体单元的表面(除轴对称谐波单元PLANE75和PLANE78外)。
该单元可用于二维热分析，多种载荷和表面效应可以同时存在。
SURF151单元有2到4个节点，如考虑对流传热和辐射的影响需要定义一个外部节点。
传热量和热对流量以表面载荷的形式施加在单元上。
详细单元说明请参见《ANSYS Theory Reference》。
SURF152是三维热表面效应单元，可用于多种载荷和表面效应的应用。
它可以覆盖在任何三维热单元的表面，该单元可用于三维热分析。
该单元中多种载荷和表面效应可以同时存在。
详细单元说明请参见《ANSYS Theory Reference》。
选定单元：命令：ETGUI：Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete>Options分析设置选项：中间节点：Include：keyopt(4)=0Exclude：keyopt(4)=1如果实体单元为带中间节点的单元，如Solid90，则设为Include，否则为Exclude。
ANSYS表面效用单元应用实例
INTRODUCTION TO ANSYS ---PPaartrt22 ---
螺栓扭矩
16. 画 UY 方向位移:
– Main Menu > General Postproc> Plot Results > Contour Plot > Nodal Solu – 命令:
/SOLU EQSLV,PCG SAVE SOLVE
15. 进入一般后处理，转换结果柱坐标系查看单元结果云图:
– Main Menu > General Postproc> Options for Outp – Utility Menu > PlotCtrls > Style > Edge Options ... – 命令:
4. 设置单元类型属性为 (SURF154) ，建立表面效应单元:
– Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Elements > Elem Attributes – Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Elements > Surf / Contact > Surf Effect > Generl Surface >
CM,e_surf,ELEM CMSEL,S,e_surf
Workshop Supplement
9. 关闭单元坐标系的显示:
– Utility Menu > PlotCtrls > Symbols … – 命令:
ANSYS热分析指南
ANSYS热分析指南第五章热辐射一、什么是热辐射辐射是一种通过电磁波传递能量的方式。
电磁波以光速传播且无需任何介质。
热辐射仅为电磁波谱中的一小段。
因为由于热辐射引起的热流与物体表面绝对温度的四次方成正比，因此热辐射分析是高度非线性的。
二、分析热辐射问题ANSYS 提供了三种方法分析热辐射问题：· 用LINK31，辐射线单元，分析两个点或多对点之间的热辐射；· 用表面效应单元SURF19 或SURF22，分析点对面的热辐射；· 用AUX12，热辐射矩阵生成器，分析面与面之间的热辐射以上三种方法既可用于稳态热分析，也可用于瞬态热分析。
热辐射分析要注意温度的单位制，因为计算热辐射使用的温度单位是绝对温度。
如果在加载时使用的是华氏温度，就要设置460 的差值；如果为摄氏温度，差值为273。
Command:TOFFSTGUI: Main Menu>Preprocessor>Loads>Analysis OptionsGUI: Main Menu>Solution>Analysis Options三、使用LINK31—辐射线单元LINK31 是一个两节点非线性线单元，用于计算由辐射引起的两点之间的热传递。
此单元要求输入如下的实常数：· 有效的热辐射面积；· 形状系数· 辐射率· Stefan-Boltzmann 常数四、使用表面效应单元表面效应单元可以方便地分析点与面之间的辐射传热。
SURF19 用于两维模型，SURF22 用于三维模型。
单元应设置为包含辐射KEYOPT(9)。
五、使用AUX12—辐射矩阵生成器此方法用于计算多个辐射面之间的辐射传热。
这种方法生成辐射面之间形状系数矩阵，并将此矩阵作为超单元用于热分析。
PDF 文件使用"pdfFactory Pro" 试用版本创建No Boundaries ANSYS热分析指南——————————————————————————————————————————————AUX12 方法由三个步骤组成：· 定义辐射面· 生成辐射矩阵· 在热分析中使用辐射矩阵1?￠定义辐射面￡¨1￡?在PREP7 中建模、划分网格。
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ANSYS热分析指南(第五章)第五章表面效应单元5.1简介表面效应单元类似一层皮肤，覆盖在实体单元的表面。
它利用实体表面的节点形成单元。
因此，表面效应单元不增加节点数量（孤立节点除外），只增加单元数量。
ANSYS 5.7中热分析专用表面效应单元为SURF151(2-D)以及SRUF152(3-D)。
有关单元的详细描述请参阅《ANSYS Element Reference》。
5.2表面效应单元在热分析中的应用利用表面效应单元可更加灵活地定义表面热载荷：当热流密度和热对流边界条件同时施加于同一表面时，必须将其中一个施加于实体单元表面，另一个施加在表面效应单元。
建议将热对流边界施加于表面效应单元。
可将热对流边界条件中的流体温度施加于孤立节点上，将对流系数施加于表面单元，这样，可更灵活地控制对流载荷。
当对流系数随温度变化时，表面效应单元可提供设置计算对流系数的选项。
表面效应单元还可以用于模拟点与面的辐射传热。
5.3表面效应单元的有关热分析设置选项SURF151是单元可用于多种载荷和表面效应的应用。
可以覆盖在任何二维热实体单元的表面(除轴对称谐波单元PLANE75和PLANE78外)。
该单元可用于二维热分析，多种载荷和表面效应可以同时存在。
SURF151单元有2到4个节点，如考虑对流传热和辐射的影响需要定义一个外部节点。
传热量和热对流量以表面载荷的形式施加在单元上。
详细单元说明请参见《ANSYS Theory Reference》。
SURF152是三维热表面效应单元，可用于多种载荷和表面效应的应用。
它可以覆盖在任何三维热单元的表面，该单元可用于三维热分析。
该单元中多种载荷和表面效应可以同时存在。
详细单元说明请参见《ANSYS Theory Reference》。
选定单元：命令：ETGUI：Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete>Options分析设置选项：中间节点：Include：keyopt(4)=0Exclude：keyopt(4)=1如果实体单元为带中间节点的单元，如Solid90，则设为Include，否则为Exclude。
是否有孤立节点：Exclude：Keyopt(5)=0Include：Keyopt(5)=1如果在表面效应单元上施加热流密度，则为Exclude；如果在表面效应单元上施加热对流，则可为Exclude，也可为Include。
如果有孤立节点，则对流系数施加在表面效应单元上，流体温度施加在孤立节点上。
如果无孤立节点，则对流系数和流体温度都施加在表面效应单元上。
热流密度或对流边界条件：忽略热流密度和对流边界条件：Keyopt(8)=0施加热流密度，忽略对流：Keyopt(8)=1根据平均温度（壁面与流体）(TS＋TB)/2，计算对流系数：Keyopt(8)=2根据固体表面温度TS，计算对流系数：Keyopt(8)=3根据流体温度TB，计算对流系数：Keyopt(8)=4根据固体表面与流体温差｜TB-TS｜，计算对流系数：Keyopt(8)=5是否考虑辐射，选择Excluderadiation：Keyopt(9)=设置单元行为：Plane：Keyopt(8)=4Axisymmetric：Keyopt(8)=4Plane with thickness：Keyopt(8)=4图5-1面效应单元的选项设置5.4表面效应单元的实常数使用表面效应单元施加对流或热流密度边界条件，一般不需要定义实常数。
面内厚度在表面效应单元的每个角节点默认为1。
只有当生热载荷施加于表面效应单元时，厚度才有作用，因为生热基于单元体积。
其它实常数，在辐射热分析或结构分析时设置。
5.5表面效应单元的材料属性使用表面效应单元施加对流或热流密度边界条件，一般不需要定义材料属性，但有一例外：对流系数随温度变化时，最好单独设定一材料编号，定义材料的对流系数随温度变化的表。
在表面单元上施加对流边界时输入负号及材料编号。
例如“-3”。
其它材料属性在辐射或结构分析时设置。
5.6创建无孤立节点的表面效应单元划分实体网格设定表面效应单元的属性GUI：Main>Menu>Preprocessor>Meshing Attributes>Default Attribs一般无需设定表面效应单元的材料编号，但为了选择、加载及后处理方便，最好为每组表面单元设置一个唯一的材料编号。
生成表面单元第一种方法：直接在相应的线或面上生成网格：GUI：Main>Menu>Preprocessor> Meshing>Mesh Lines/Area第二种方法：选择要生成表面效应单元的边（2D）或面（3D）及所属节点；设定表面效应单元的属性（TYPE，MAT等）；创建表面效应单元；GUI：Main>Menu>Preprocessor> Modeling>Create>Element> Surf Effect5.7创建带孤立节点的表面效应单元如果在表面效应单元选项设置时，带孤立节点，Keyopt(5)=1，则：创建孤立节点GUI：Main>Menu>Preprocessor>modeling>create>nodes选择要创建表面效应单元的面或线，以及所属节点；设定单元属性；创建表面效应单元：GUI：Main>Menu>Preprocessor>modeling>create> Element>on free SURF，输入关键点编号，OK5.8管流单元热分析在ANSYS中有三个用于管流热分析的单元：FLUID116热管流单元SURF1512-D热表面单元SURF1523-D热表面单元其中FLUID116单元求解一维带泵送效应的泊努利方程和一维带质量传递的热传递，可与SURF151或SURF152连接模拟对流效应。
它的压力、流率、温度、角速度、滑移系数可以表格化参数方式输入。
主要的单元属性有流体导热系数、流体密度、流体比热、流体粘度、流体流率等。
而表面效应单元的额外节点在FLUID116单元上，这样用管流单元FLUID116上的节点温度作为对流中的流体温度，将对流系数赋予表面效应单元上，模拟流体与管壁的耦合传热。
LFSUR,Sline,Tline对组元Sline中包含的线划分表面效应单元，并连接表面效应单元和距离最近的管流单元。
这些管流单元已经划分网格，并定义为组元Tline。
AFSUR,Sarea,Tline对组元Sarea中包含的面划分表面效应单元，并连接表面效应单元和距离最近的管流单元。
这些管流单元同样已经划分网格，并定义为组元Tline。
可用如下命令控制显示表面效应单元的额外节点：命令：/PSYMB,XNODE,1GUI：Utility Menu>PlotCtrls>Symbols5.9表面效应单元的实例1－冷却栅的热分析5.9.1问题描述分析冷却栅的温度分布及与空气的热传递速率。
冷却栅的横截面如下图所示，单位为英寸。
材料为铝，导热系数为8.5 BTU/hr.in°F。
冷却栅底部流入的热流密度为17BTU/hr.sq.in。
空气的温度为90 °F，自然对流。
5.9.2菜单操作过程5.9.2.1设置分析标题1、选择“Utility Menu>File>Change Title”，输入HEATSINK1。
2、选择“UtilityMenu>File>Changetitle”，输入HeatconvectionusingSURF151 ignoring radiation。
5.9.2.2定义参数变量1、选择“Utility Menu>Parameters>scalar paramaters”，输入：base=.15hgt=1.0ttop=0.05tbot=0.15fspc=0.4dt=301.5-90!假设表面平均温度与空气的温差dt=dt*5/9!转换为摄氏度len=(hgt-base)/39.37hvert1=(1.42*(dt/len)**0.25)*0.1761/144!竖直边对流系数（经验公式）len=base/39.37hvert2=(1.42*(dt/len)**0.25)*0.1761/144len=(fspc-tbot)/39.37hhorz1=(1.32*(dt/len)**0.25)*0.1761/144!水平边对流系数（经验公式）len=ttop/39.37hhorz2=(1.32*(dt/len)**0.25)*0.1761/1445.9.2.3定义热单元及表面效应单元1、选择“Main Menu：>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete”，定义单元类型1为PLANE55；单元类型2为SURF151。
2、点击SURF151，Options，将“Midsidenodes”设置为Exclude；“Extranode”设置为Include；“Heatfluxandconvectloads”设置为HfataverageT。
5.9.2.4定义定义材料属性1、选择“MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels” 在弹出的材料定义窗口中顺序选择Thermal，Conductivity，Isotropic选项，KXX框中输入8.5。
2、任意定义2～5号材料。
5.9.2.5创建几何模型1、选择“Main Menu>Preprocessor>Create>Keypoint>In Active CS”，创建8个关键点。
关键点的编号及坐标如下：编号1XY020304Tbot/205Tbot/2base6Ttop/2hgt7Fspc/208Fspc/2base0basehgt2、选择“Main Menu>Preprocessor>Create>Area>Arbitrary>ThroughKPs”，输入1，4，5，2，点击APPLY；输入2，5，6，3，点击APPLY；输入4，7，8，5，点击OK，由关键点组成了3个面。
3、选择“Utility Menu>WorkPlane>Local Coordinate system>CreateLocal CS>At Specified Loc”，输入fspc/2,0,0创建局部坐标。