ANSYS多物理耦合场有限元分析详细步骤操作

ANSYS热分析
传导
• 传导引起的热通量流由传导的傅立叶定律决定：
q* KnnTn heatflowrateperunitareaindirectionn
Where,
Knn thermaclonducttiyvindirectionn
T temperarteu
T
T thermaglradienintdirectionn n
• 将其应用到一个微元体上，就可以得到 热传导的控制微分方程。
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热分析有限元模型
• 单元类型
• 下表显示通常使用的热单元类型。
• 节点自由度是：TEMP。
常用的热单元类型
2-D Solid 3-D Solid 3-D Shell Line Elements
Linear
PLANE55
SOLID70
– 可以施加到没有温度约束的所有节点上。可以在稳态或瞬态分析的第一 个子步对所有节点施加初始温度而非约束。它也可以在非线性分析中用 于估计随温度变化材料特性的初值。
• 热流率
– 是集中节点载荷。正的热流率表示热量流入模型。热流率同样可以施加 在关键点上。此载荷通常用于不能施加对流和热通量的情况下。施加该 载荷到热传导率相差很大的区域上时应注意。
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热载荷和边界条件的类型
• 对流
– 施加在模型外表面上的面载荷，模拟模型表面与周围流体之间的热量 交换。
• 热通量(热流密度)
– 同样是面载荷。当通过面的热流率已知的情况下使用。正的热流密度 值表示热量流入模型。
• 热生成率
– 作为体载荷施加，代表体内生成的热，单位是单位体积内的热流率。
q*
dT dn
n
• 负号表示热量沿梯度的反向流动 (例如, 热量从热的部分流向冷的部分).
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对流
• 对流引起的热通量由冷却牛顿定律得出:
q*hf (TSTB)heafltorwatpeeurnaitrebaetwseuernfacnfedluid Where, hf convefcitlim cvoeeffitcien TS surfatceempreeratu TBbulfkluitdempreeratu
ANSYS多物理耦合场有限元分析
结构-热耦合分析 流体-固体耦合分析Biblioteka Baidu
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ANSYS中的典型物理量( 国际单位制 )
• 温度 • 热流量 • 热传导率 • 密度 • 比热 • 对流换热系数 • 热流 • 温度梯度 • 内部热生成
• Degrees C ( or K ) • Watts • Watts/ ( meter.degree C ) • kilogram/ ( meter3 ) • ( Watt.sec ) / ( kilogram .degree C) • Watt/ ( meter2.degree C ) • Watt/ ( meter2 ) • degree C / meter • Watt/ ( meter3 )
• 实常数
– 主要用于壳和线单元。
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稳态热传递
• 如果热量流动不随时间变化的话，热传 递就称为是稳态的。
• 由于热量流动不随时间变化, 系统的温度 和热载荷也都不随时间变化。
• 由热力学第一定律，稳态热平衡可以表 示为: 输入能量— 输出能量 = 0
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稳态热传递控制方程
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热载荷和边界条件的类型
• ANSYS 热载荷分为四大类:
1. DOF 约束 - 指定的 DOF (温度) 数值 2. 集中载荷 - 施加在点上的集中载荷(热流) 3. 面载荷 - 在面上的分布载荷(对流、热流密度) 4. 体载荷 - 体积或场载荷（热生成）
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热载荷和边界条件的类型
• 对流一般作为面边界条件施加
TB
Ts
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热力学第一定律
• 能量守恒要求系统的能量改变与系统边 界处传递的热和功数值相等。
• 能量守恒在一个微小的时间增量下可以 表示为方程形式
E st o E ir n e e b d th o r u E u o n u t d h b t h a e o tr h u y E g rn u ed n 0 ta erry ate
时变载荷
时变响应
热能存储效应在稳态分析中忽略，在此要考虑进去。时间，在稳态分析中 只用于计数，现在有了确定的物理含义。
涉及到相变的分析总是瞬态分析。
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瞬态分析前处理考虑因素
除了导热系数 (k), 还要定义密度 (r) 和 比热 (c ) 。
稳态分析和瞬态分析对明显的区别在于加载和求解 过程。
SHELL57 SHELL131
LINK31,32,33,34
Quadratic
PLANE77 PLANE35
SOLID90 SOLID87
SHELL132
• 材料特性
– 至少需要 Kxx — 稳态分析热传导系数。 – 如果是瞬态分析，则需要比热 (C) 。 – 优先设置为 “thermal” （热分析），在 GUI 方式中只显示热材料特性。
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热传递的类型
• 热传递有三种基本类型:
– 传导 - 两个良好接触的物体之间或一个物体内部不 同部分之间由于温度梯度引起的能量交换。
– 对流 - 在物体和周围流体之间发生的热交换。 – 辐射 - 一个物体或两个物体之间通过电磁波进行的
能量交换。
• 在绝大多数情况下，分析的热传导问题都带有 对流和/或辐射边界条件。
• 对于稳态热传递，表示热平衡的微分方程为:
x kx x T x y ky y T y z kz z T z .q. .0
相应的节点处的有限元平衡方程为:
KTQ
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热载荷和边界条件的类型
• 温度
– 自由度约束，将确定的温度施加到模型的特定区域。
• 均匀温度
热载荷和边界条件注意事项
– 在 ANSYS中, 没有施加载荷的边界作为完全绝热处理。 – 通过施加绝热边界条件（缺省条件）得到对称边界条件
。 – 如果模型某一区域的温度已知，就可以固定为该数值。 – 反作用热流率只在固定了温度自由度时才具有。
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何为瞬态分析?
由于受随时间变化的载荷和边界条件,如果需要知道系统随时间的响应，就 需要进行瞬态分析 。