ansys官方培训Mechanical_Intro_18.0__L07_Thermal
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– 如果零件间存在接触，那么他们之间就会发生传热。 – 如果零件间没有接触，那么就不会出现传热。
• 对于绑定和无分离接触，可以扩展pinball 区域 ， 实现间隙中的热传递。
8
© 2011 ANSYS, Inc.
August 21, 2019
Release 17.2
… 热接触
如果接触是Bonded（绑定的）或 no separation （无分离的），并且接触面在pinball 半径区域内， 此时就会发生传热。
从 Probe 菜单 下选择
或
拖动边界条件
26 © 2011 ANSYS, Inc.
August 21, 2019
Release 17.2
H. 作业 7
• 作业 7.1 – 稳态热分析 • 目标:
– 分析图示泵室的传热特性
27 © 2011 ANSYS, Inc.
August 21, 2019
Release 17.2
热阻。
11 © 2011 ANSYS, Inc.
August 21, 2019
Release 17.2
… 热接触
Spot welds （点焊）通过离散的接触点，实现热传导。
T2 T1
12 © 2011 ANSYS, Inc.
August 21, 2019
Release 17.2
E. 热边界条件
热流量:
. . . 热边界条件
面对面辐射与“Enclosure” 数相关。
• 在下面的例子中，定义了2个辐射边界。通过共用同一个 “Enclosure” 数，计算所有表
面的view factors 。
20 © 2011 ANSYS, Inc.
August 21, 2019
Release 17.2
F. 求解选项
… 热边界条件
定义温度相关的对流条件: • 为膜系数类型选择Tabular • 设定独立变量为 “temperature”. • 输入对流系数 VS 温度 表格数据 • 在 “Coefficient Type” 处， 指定如何显示表格中的温
度
注意：如图所示（右上），列 表数据中还有一些其他的独立 变量。这里就不一一介绍了。
在Mechanical 中进行热分析，记住上面的这些假设是非常有必要的。
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© 2011 ANSYS, Inc.
August 21, 2019
Release 17.2
B. 几何模型
热分析里，可以使用所有的体素类型:
• 实体，面，线 体
– 线体 的截面和方向在DesignModeler或SpaceClaim中进行定义
14 © 2011 ANSYS, Inc.
August 21, 2019
Release 17.2
… 热边界条件
温度，对流，辐射:
– 应至少存在一种热边界条件对模型进行约束。否则，如果热量源源不断的输入到 系统中，稳态时的温度将会达到无穷大。
温度:
T
• 给点，边，面或体上指定一个温度。
对流: 环境温度 辐射: 环境温度
• 热流量可以施加在顶点，边或面上。 • 热流的单位是能量/时间（ energy/time）。
热通量:
• 热通量只能施加在面上 (2D中只能施加在边上)。 • 它的单位是能量/时间/面积（ energy/time/area）。
内部热生成:
• 内部热生成率只能施加在实体上。 • 它的单位是能量/时间/体积（ energy/time/volume）。
L07 热分析
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August 21, 2019
14. 0 Release
Release 17.2
概述
本章将 介绍在Mechanical中进行稳态热分析的方法， 其中包括：
A. 稳态热传导基础 B. 几何模型 C. 材料属性 D. 热接触 E. 热边界条件 F. 求解选项 G. 结果与后处理 H. Workshop 7.1
热载荷为正值, 将会增加系统的能量。
13 © 2011 ANSYS, Inc.
August 21, 2019
Release 17.2
… 热边界条件
完全绝热 (热流量= 0):
• 移除部分施加的边界条件
对流载荷的作 用域是整个实
体。
完全绝缘条件将选中的面从 对流中移除。
提示: 当不施加任何边界条件时,完全绝热是默认的边界条件。所以，完全绝 热条件通常用来删除某些面上的荷载。
对于Mechanica中所有的分析类型，都可以用“Analysis Settings” 设置求解选项。
• 注意，第四章的静态分析中的Analysis Data Management选项在热分析中也可
以使用。
21 © 2011 ANSYS, Inc.
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Release 17.2
Heat Transfer Between Parts in Contact Region?
Initially Touching
Inside Pinball Region Outside Pinball Region
Yes Yes
YYzeess
No No
Yes
No
No
Yes
No
No
Yes
No
No
• 热接触行为:
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August 21, 2019
Pinball 半径
图中，两零件间的间距大于pinball区 域，因此在这两个零件间不会发生传
热
Release 17.2
… 热接触
默认情况下，热接触为理想状态，即接触界面上不会产生温度梯度。
但是在实际生活中，很多客观因素影响了最终结果:
17 © 2011 ANSYS, Inc.
August 21, 2019
Release 17.2
… 热边界条件
• 一旦定义了对流，correlations可以输
出到对流库中以备再次使用。
• 一些常用的“text book” correlations可
以从Workbench的样本库中调用。
18 © 2011 ANSYS, Inc.
可以用于后处理的各种结果:
• 温度 • 热通量 • Reaction heat flow rate • 用户自定义结果
在 Mechanical中, 提取结果可以在求解前或求解后进行定义。
• 要得到一个已求解模型新的结果输出,并不需要对模型重新求解。
23 © 2011 ANSYS, Inc.
August 21, 2019
– 向周围环境 辐射To ambient (form factor假设为1) 或者 – Surface to surface (计算view factors).
• 斯蒂芬一玻尔兹曼常数根据当前单位制自动设定。
19 © 2011 Hale Waihona Puke BaiduNSYS, Inc.
August 21, 2019
Release 17.2
qc hA Tsurface Tambient
qR
FA
T4 surface
T4 ambient
15 © 2011 ANSYS, Inc.
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Release 17.2
… 热边界条件
对流:
• 只能施加在面上（2D分析时只能施加在边上） • 对流热通量 q 由导热膜系数 h，面积 A，以及表面温度Tsurface与环境温度Tambient的差
• 表面粗糙度
• 表面磨光
• 氧化物
• 残存液体
• 接触压力
• 表面温度
• 润滑油
DT
• ....
待续. .
T x
10 © 2011 ANSYS, Inc.
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Release 17.2
… 热接触
两个接触面之间的热流量，由接触热通量q表示： • Tcontact 是接触面的温度
• Ttarget 是目标面的温度
q TCC Ttarget Tcontact
• 默认情况下，基于模型的尺寸和材料的导热性，TCC
(Thermal Contact Conductivity)被赋予一个相对较大 的值，为零件间提供了一个“理想” 的传导
• 可以在contact detail中设置一个较小的TCC值来定义
August 21, 2019
Release 17.2
. . . 稳态热传导基础
对于一个稳态热分析的模拟，温度矩阵{T}通过下面的矩阵方程求解 ：
KT T QT
假设:
• 在稳态分析中不考虑任何瞬态效应 • [K] 可以是一个常量或是温度的函数 • {Q} 可以是一个常量或是温度的函数 • 恒定的温度表示对系统的约束{T} (类似于结构中的固定位移）。
提示: 在ANSYS Mechanical 热传递的培训中介绍了瞬态热分析的高级应用。
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August 21, 2019
Release 17.2
A. 稳态传热基础
下图显示的是稳态热分析的项目视图。 稍后将介绍热/固耦合分析的具体步骤。
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L07 热-结构耦合分析
ANSYS Mechanical介绍
28 © 2011 ANSYS, Inc.
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Release 17.2
概要
A. 什么是耦合场分析 B. 热-结构耦合分析 C. 使用不同的网格耦合 D. 多载荷步或者瞬态分析耦合 E. 后处理
29 © 2011 ANSYS, Inc.
Release 17.2
D. 热接触
与结构分析一样，接触面是自动生成的，这些接触实现了装配体中各零件 之间的热传递。
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Release 17.2
… 热接触
• 哪 种情况下可以在接触区域进行热传递？
Contact Type
Bonded No Separation Rough Frictionless Frictional
Flux（方向热通量）
– 激活矢量显示模式显示热通量的大小和方向
25 © 2011 ANSYS, Inc.
August 21, 2019
Release 17.2
…反应热流
对任何给定的温度、对流或辐射边界条件, 可以得到reaction heat flow rate：
• 通过插入 reaction probe得到reaction heat flow rate • 最简捷的方法是把一个边界条件拖放到Solution上。
– 在瞬态分析中可以使用“Thermal Mass”（本次培训中不涉及）。
壳体和线体假设:
• 壳体: 需要考虑面上的温度变化 （不考虑厚度方向上的温度梯度） • 线体: 需要考虑温度在梁长度方向上的变化 （沿截面上没有变化）
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August 21, 2019
Release 17.2
August 21, 2019
Release 17.2
. . . 热边界条件
辐射:
• 施加在面上（2D分析施加在边上）
• 其中:
qR
FA
T4 surface
T4 ambient
– σ =斯蒂芬一玻尔兹曼常数
– ε 热辐射率
– A = 辐射面面积
– F = 形状系数 （默认是1）
• Correlations:
值来定义。
qc hA Tsurface Tambient
• “h” 和 “Tambient” 是用户指定的值 • 对流系数 h 可以是常量，温度或空间相关的量。（本次培训只涉及温度相关的量）
16 © 2011 ANSYS, Inc.
August 21, 2019
Release 17.2
Release 17.2
… 温度
温度:
• 温度是标量，没有方向
24 © 2011 ANSYS, Inc.
August 21, 2019
Release 17.2
… 热通量
可以得到热通量的云图或矢量图:
• 热通量 q 定义为:
q KXX T
• 可以指定Total Heat Flux（整体热通量）和 Directional Heat
C. 材料属性
• 对于稳态分析来说， 唯一需要的材料属性是导热系数（thermal conductivity）。
• Thermal Conductivity 在 Engineering Data中输入
• 可以用表格形式输入温度 相关的导热系数。
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August 21, 2019
… 求解选项
为了实现热应力求解，需要在求解时把结构分析关联到热模型上。 在Static Structural中插入了一个imported load分支，并同时导入了结构载 荷和约束。
22 © 2011 ANSYS, Inc.
August 21, 2019
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G. 结果和后处理
• 对于绑定和无分离接触，可以扩展pinball 区域 ， 实现间隙中的热传递。
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… 热接触
如果接触是Bonded（绑定的）或 no separation （无分离的），并且接触面在pinball 半径区域内， 此时就会发生传热。
从 Probe 菜单 下选择
或
拖动边界条件
26 © 2011 ANSYS, Inc.
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Release 17.2
H. 作业 7
• 作业 7.1 – 稳态热分析 • 目标:
– 分析图示泵室的传热特性
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热阻。
11 © 2011 ANSYS, Inc.
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… 热接触
Spot welds （点焊）通过离散的接触点，实现热传导。
T2 T1
12 © 2011 ANSYS, Inc.
August 21, 2019
Release 17.2
E. 热边界条件
热流量:
. . . 热边界条件
面对面辐射与“Enclosure” 数相关。
• 在下面的例子中，定义了2个辐射边界。通过共用同一个 “Enclosure” 数，计算所有表
面的view factors 。
20 © 2011 ANSYS, Inc.
August 21, 2019
Release 17.2
F. 求解选项
… 热边界条件
定义温度相关的对流条件: • 为膜系数类型选择Tabular • 设定独立变量为 “temperature”. • 输入对流系数 VS 温度 表格数据 • 在 “Coefficient Type” 处， 指定如何显示表格中的温
度
注意：如图所示（右上），列 表数据中还有一些其他的独立 变量。这里就不一一介绍了。
在Mechanical 中进行热分析，记住上面的这些假设是非常有必要的。
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Release 17.2
B. 几何模型
热分析里，可以使用所有的体素类型:
• 实体，面，线 体
– 线体 的截面和方向在DesignModeler或SpaceClaim中进行定义
14 © 2011 ANSYS, Inc.
August 21, 2019
Release 17.2
… 热边界条件
温度，对流，辐射:
– 应至少存在一种热边界条件对模型进行约束。否则，如果热量源源不断的输入到 系统中，稳态时的温度将会达到无穷大。
温度:
T
• 给点，边，面或体上指定一个温度。
对流: 环境温度 辐射: 环境温度
• 热流量可以施加在顶点，边或面上。 • 热流的单位是能量/时间（ energy/time）。
热通量:
• 热通量只能施加在面上 (2D中只能施加在边上)。 • 它的单位是能量/时间/面积（ energy/time/area）。
内部热生成:
• 内部热生成率只能施加在实体上。 • 它的单位是能量/时间/体积（ energy/time/volume）。
L07 热分析
1
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14. 0 Release
Release 17.2
概述
本章将 介绍在Mechanical中进行稳态热分析的方法， 其中包括：
A. 稳态热传导基础 B. 几何模型 C. 材料属性 D. 热接触 E. 热边界条件 F. 求解选项 G. 结果与后处理 H. Workshop 7.1
热载荷为正值, 将会增加系统的能量。
13 © 2011 ANSYS, Inc.
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… 热边界条件
完全绝热 (热流量= 0):
• 移除部分施加的边界条件
对流载荷的作 用域是整个实
体。
完全绝缘条件将选中的面从 对流中移除。
提示: 当不施加任何边界条件时,完全绝热是默认的边界条件。所以，完全绝 热条件通常用来删除某些面上的荷载。
对于Mechanica中所有的分析类型，都可以用“Analysis Settings” 设置求解选项。
• 注意，第四章的静态分析中的Analysis Data Management选项在热分析中也可
以使用。
21 © 2011 ANSYS, Inc.
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Heat Transfer Between Parts in Contact Region?
Initially Touching
Inside Pinball Region Outside Pinball Region
Yes Yes
YYzeess
No No
Yes
No
No
Yes
No
No
Yes
No
No
• 热接触行为:
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Pinball 半径
图中，两零件间的间距大于pinball区 域，因此在这两个零件间不会发生传
热
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… 热接触
默认情况下，热接触为理想状态，即接触界面上不会产生温度梯度。
但是在实际生活中，很多客观因素影响了最终结果:
17 © 2011 ANSYS, Inc.
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Release 17.2
… 热边界条件
• 一旦定义了对流，correlations可以输
出到对流库中以备再次使用。
• 一些常用的“text book” correlations可
以从Workbench的样本库中调用。
18 © 2011 ANSYS, Inc.
可以用于后处理的各种结果:
• 温度 • 热通量 • Reaction heat flow rate • 用户自定义结果
在 Mechanical中, 提取结果可以在求解前或求解后进行定义。
• 要得到一个已求解模型新的结果输出,并不需要对模型重新求解。
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– 向周围环境 辐射To ambient (form factor假设为1) 或者 – Surface to surface (计算view factors).
• 斯蒂芬一玻尔兹曼常数根据当前单位制自动设定。
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qc hA Tsurface Tambient
qR
FA
T4 surface
T4 ambient
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… 热边界条件
对流:
• 只能施加在面上（2D分析时只能施加在边上） • 对流热通量 q 由导热膜系数 h，面积 A，以及表面温度Tsurface与环境温度Tambient的差
• 表面粗糙度
• 表面磨光
• 氧化物
• 残存液体
• 接触压力
• 表面温度
• 润滑油
DT
• ....
待续. .
T x
10 © 2011 ANSYS, Inc.
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… 热接触
两个接触面之间的热流量，由接触热通量q表示： • Tcontact 是接触面的温度
• Ttarget 是目标面的温度
q TCC Ttarget Tcontact
• 默认情况下，基于模型的尺寸和材料的导热性，TCC
(Thermal Contact Conductivity)被赋予一个相对较大 的值，为零件间提供了一个“理想” 的传导
• 可以在contact detail中设置一个较小的TCC值来定义
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. . . 稳态热传导基础
对于一个稳态热分析的模拟，温度矩阵{T}通过下面的矩阵方程求解 ：
KT T QT
假设:
• 在稳态分析中不考虑任何瞬态效应 • [K] 可以是一个常量或是温度的函数 • {Q} 可以是一个常量或是温度的函数 • 恒定的温度表示对系统的约束{T} (类似于结构中的固定位移）。
提示: 在ANSYS Mechanical 热传递的培训中介绍了瞬态热分析的高级应用。
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A. 稳态传热基础
下图显示的是稳态热分析的项目视图。 稍后将介绍热/固耦合分析的具体步骤。
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L07 热-结构耦合分析
ANSYS Mechanical介绍
28 © 2011 ANSYS, Inc.
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概要
A. 什么是耦合场分析 B. 热-结构耦合分析 C. 使用不同的网格耦合 D. 多载荷步或者瞬态分析耦合 E. 后处理
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D. 热接触
与结构分析一样，接触面是自动生成的，这些接触实现了装配体中各零件 之间的热传递。
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Release 17.2
… 热接触
• 哪 种情况下可以在接触区域进行热传递？
Contact Type
Bonded No Separation Rough Frictionless Frictional
Flux（方向热通量）
– 激活矢量显示模式显示热通量的大小和方向
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…反应热流
对任何给定的温度、对流或辐射边界条件, 可以得到reaction heat flow rate：
• 通过插入 reaction probe得到reaction heat flow rate • 最简捷的方法是把一个边界条件拖放到Solution上。
– 在瞬态分析中可以使用“Thermal Mass”（本次培训中不涉及）。
壳体和线体假设:
• 壳体: 需要考虑面上的温度变化 （不考虑厚度方向上的温度梯度） • 线体: 需要考虑温度在梁长度方向上的变化 （沿截面上没有变化）
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Release 17.2
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Release 17.2
. . . 热边界条件
辐射:
• 施加在面上（2D分析施加在边上）
• 其中:
qR
FA
T4 surface
T4 ambient
– σ =斯蒂芬一玻尔兹曼常数
– ε 热辐射率
– A = 辐射面面积
– F = 形状系数 （默认是1）
• Correlations:
值来定义。
qc hA Tsurface Tambient
• “h” 和 “Tambient” 是用户指定的值 • 对流系数 h 可以是常量，温度或空间相关的量。（本次培训只涉及温度相关的量）
16 © 2011 ANSYS, Inc.
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Release 17.2
… 温度
温度:
• 温度是标量，没有方向
24 © 2011 ANSYS, Inc.
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Release 17.2
… 热通量
可以得到热通量的云图或矢量图:
• 热通量 q 定义为:
q KXX T
• 可以指定Total Heat Flux（整体热通量）和 Directional Heat
C. 材料属性
• 对于稳态分析来说， 唯一需要的材料属性是导热系数（thermal conductivity）。
• Thermal Conductivity 在 Engineering Data中输入
• 可以用表格形式输入温度 相关的导热系数。
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… 求解选项
为了实现热应力求解，需要在求解时把结构分析关联到热模型上。 在Static Structural中插入了一个imported load分支，并同时导入了结构载 荷和约束。
22 © 2011 ANSYS, Inc.
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Release 17.2
G. 结果和后处理