Ansys热分析教程_第三章稳态热分析
ansys热分析瞬态稳态
2001年10月1日
ANSYS培训教程 – 版本 5.5 – XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)
Guidelines Them-2
目录 （续）
第三章 稳态传热分析 一、稳态传热的定义 二、热分析的单元 三、ANSYS稳态热分析的基本过程 练习 第四章 瞬态传热分析 一、瞬态传热分析的定义 二、瞬态热分析的单元及命令 三、ANSYS瞬态热分析的主要步骤
第二章 基础知识
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Them-10
Module Objective
目标
本章学习，我们简单介绍热分析的基础知识，以助于大家对 以后的热分析有个大体概念。
Lesson Objectives
KXX
对流系数
W/m2-℃
BTU/sec-ft2-oF
HF
密度
Kg/m3
lbm/ft3
DENS
比热
J/Kg-℃
BTU/lbm-oF
C
焓
J/m3
BTU/ft3
ENTH
表征物体吸收的热量，为一个体系的内能与体系的体积和外界施加于体系的压强的乘积之和
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· 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。
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ansys-热分析-瞬态-稳态
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Them-13
第三讲、热传递的方式
Definition
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： qn=-k*(dT/dx) ，式中 qn 为热流密 度（W/m2）， k为导热系数（W/m-℃），“-”表示热量 流向温度降低的方向。 2、热对流 热对流是指固体的表面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。热对流可以分为两类： 自然对流和强制对流。热对流用牛顿冷却方程来描述： qn= h*(TS-TB)，式中h为对流换热系数（或称膜传热系数、 给热系数、膜系数等）， TS为固体表面的温度， TB为周 围流体的温度。
基础知识
一、符号与单位 二、传热学经典理论回顾 三、热传递的方式 四、稳态传热 五、瞬态传热 六、线性与非线性 七、边界条件、初始条件 八、热分析误差估计
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目录 （续）
Lesson Objectives
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Them-5
热分析的目的
Objective
P-1. 热分析的目的
Definition
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。
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稳态及瞬态热分析.ppt
数； {T}为节点温度向量； {Q}为节点热流率向量，包含热生成； ANSYS利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界 条件，生成[K] 、 {T}以及{Q} 。
2001年10月1日 2023/11/13
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Guidelines Them-16
第五讲、瞬态传热
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。 根据能量守恒原理，瞬态热平衡可以表达为（以矩阵形式表示）：
[C]{T}+[K]{T}={Q}
式中: [K]为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状 系数； [C]为比热矩阵,考虑系统内能的增加; {T}为节点温度向量；
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Them-15
第四讲、稳态传热
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。稳态热分析 的能量平衡方程为（以矩阵形式表示）
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Guidelines Them-19
第八讲、热分析误差估计
ANSYS热分析分析指南
ANSYS热分析指南第一章 简介 (2)第二章 基础知识 (4)第三章 稳态热分析 (8)第四章 瞬态热分析 (43)第五章 表面效应单元 (66)第六章 热辐射分析 (90)第七章 热应力分析 (120)第一章 简介1.1 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，我们一般关心的参数有：温度的分布热量的增加或损失热梯度热流密度热分析在许多工程应用中扮演着重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等等。
通常在完成热分析后将进行结构应力分析，计算由于热膨胀或收缩而引起的热应力。
1.2 ANSYS中的热分析ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Professional、ANSYS/FLOTRAN四种产品中支持热分析功能。
ANSYS热分析基于由能量守恒原理导出的热平衡方程，有关细节，请参阅《ANSYS Theory Reference》。
ANSYS使用有限元法计算各节点的温度，并由其导出其它热物理参数。
ANSYS可以处理所有的三种主要热传递方式：热传导、热对流及热辐射。
1.2.1 对流热对流在ANSYS中作为一种面载荷，施加于实体或壳单元的表面。
首先需要输入对流换热系数和环境流体温度，ANSYS将计算出通过表面的热流量。
如果对流换热系数依赖于温度，可以定义温度表，以及在每一个温度点处的对流换热系数。
1.2.2 辐射ANSYS提供了四种方法来解决非线性的辐射问题：辐射杆单元（LINK31）使用含热辐射选项的表面效应单元（SURF151-2D,或SURF152-3D）在AUX12中，生成辐射矩阵，作为超单元参与热分析使用Radiosity求解器方法有关辐射的详细描述请阅读本指南第四章。
1.2.3 特殊的问题除了前面提到的三种热传递方式外，ANSYS热分析还可以解决一些诸如：相变（熔融与凝固）、内部热生成（如焦耳热）等的特殊问题。
Ansys热分析教程(全)
章节内容概述
• 第7章-续 – 例题 6 - 低压气轮机箱的热分析
• 第 8 章 - 辐射 – 辐射概念的回顾 – 基本定义 – 辐射建模的可选择方法 – 辐射矩阵模块 – 辐射分析例题 - 使用辐射矩阵模块进行热沉分析，隐式和非隐式方 法。
• 第 9 章 - 相变 – 基本模型/术语 – 在 ANSYS中求解相变 – 相变例题 - 飞轮铸造分析
传导
• 传导的热流由传导的傅立叶定律决定：
q*
=
− Knn
∂T ∂n
=
heat
flow
rate
per
unit
area
in
direction
n
Where, Knn = thermal conductivity in direction n
T = temperature
∂T = thermal gradient in direction n ∂n
• 负号表示热沿梯度的反向流动(i.e., 热从热的部分流向冷的).
q*
T
dT
dn
n
对流
• 对流的热流由冷却的牛顿准则得出:
q* = hf (TS − TB ) = heat flow rate per unit area between surface and fluid
Where, hf = convective film coefficient TS = surface temperature TB = bulk fluid temperature
• 第 6 章 - 复杂的, 时间和空间变化的边界条件 – 表格化的热边界条件 (载荷) – 基本变量 – 用户定义的因变变量
章节内容概述
ANSYS 热分析培训 第三章
度值表示热量流入模型。 度值表示热量流入模型。
量交换。 量交换。
•
对流
•
•
。
March 30, 2002 Inventory #001445 3-5
HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0
体积或场载荷（热生成） 4. 体载荷 - 体积或场载荷（热生成）
March 30, 2002 Inventory #001445 3-6
HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0 HEAT TRANSFER 6.0
ANSYS热分析指南
ANSYS热分析指南第一章简介一、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PDF 文件使用"pdfFactory Pro" 试用版本创建No Boundaries ANSYS热分析指南——————————————————————————————————————————————第二章基础知识一、符号与单位项目国际单位英制单位ANSYS 代号长度m ft时间s s质量Kg lbm温度℃oF力N lbf能量（热量）J BTU功率（热流率）W BTU/sec热流密度W/m2 BTU/sec-ft2生热速率W/m3 BTU/sec-ft3导热系数W/m-℃BTU/sec-ft-oF KXX对流系数W/m2-℃BTU/sec-ft2-oF HF密度Kg/m3 lbm/ft3 DENS比热J/Kg-℃BTU/lbm-oF C焓J/m3 BTU/ft3 ENTH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:l 对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出〕PE KE U W Q D + D + D = -式中: Q ——热量;W ——作功;DU ——系统内能;DKE——系统动能；DPE ——系统势能；l 对于大多数工程传热问题：0 ＝＝PE KE D D ；l 通常考虑没有做功：0 = W , 则：U Q D = ；l 对于稳态热分析：0 = D = U Q ，即流入系统的热量等于流出的热量；l 对于瞬态热分析：dtdU q = ，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。
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热稳态
1. ansys热力学分析的基本过程及注意要点1.1，对于稳态分析，一般只需要定义导热系数，它可以是恒定的，也可以是随温度变化的。
1.2，在分析过程中，不一定选择国际单位制，但是在建立几何模型及输入材料热性参数时，单位必须统一。
2. ansys中提供6种热载荷：温度（temperature），热流率（heat flow），对流（convection），热流密度（heat flux），生热率（heat generate），辐射率（radiation）。
2.1 温度载荷2.1.1 在单个或者多个节点上施加温度载荷main menu/solution/define loads/apply/thermal/temperature/on nodes2.1.2 在所有节点上施加均匀温度载荷main menu/solution/defineloads/apply/thermal/temperature/uniform tempmain menu/solution/define loads/setting /uniform tempmain menu/solution/loading options/uniform temp2.1.3 在关键点上施加温度载荷main menu/solution/define loads/apply/thermal/ temperature/on keypoints2.1.4 在线段上施加温度载荷main menu/solution/define loads/apply/thermal/temperature/on lines2.1.5 在面上施加温度载荷main menu /solution/define loads/apply /thermal/ temperature/ on areas2.2 热流率载荷2.2.1 在节点上施加热流率载荷2.2.2 在关键点上施加热流率载荷2.3 对流载荷(convection)2.3.1在节点上施加对流载荷main menu/solution/define loads /apply/thermal/ convection/ on nodes2.3.2 在单元上施加均匀对流载荷mani menu/solution/ define loads/ apply /thermal/ convection /on elements/ uniform2.3.3 在单元上施加非均匀对流载荷mani menu/solution/ define loads/ apply /thermal/ convection /on elements/ tapered2.3.4 在线段上施加对流载荷main menu/solution/ define loads/ apply/ thermal/ convection/on lines2.3.5 在面上施加对流载荷main menu/ solution/ define loads/ apply /thermal/ convection/on areas2.4 热流密度载荷（heat flux）2.4.1 在节点上施加热流密度载荷main menu/ solution/ define loads/apply/ thermal/ heat flux/ on nodes2.4.2 在单元上施加热流密度载荷main menu/ solution/deine loads/apply thermal/heat flux / on elements2.4.3 在线段上施加热流密度载荷lines2.4.4 在面上施加热流密度载荷main menu/solution/ define loads /apply/ thermal/ heat flux/ on areas2.5 生热率载荷（heat generate）2.5.1 在节点上施加生热密度载荷main menu/solution/define loads /apply/ thermal/ heat generate/ on nodes2.5.2 在所有节点施加均匀生热流密度载荷main menu / solution/ define loads /apply /thermal/ heat generate/ uniform heat generate2.5.3 在线段上施加生热密度载荷main menu / solution/ define loads /apply /thermal/ heat generate/on lines2.5.4 在面上施加生热密度载荷main menu / solution/ define loads /apply /thermal/ heat generate/on areas2.5.5 在体上施加生热密度载荷main menu / solution/ define loads /apply /thermal/ heat generate/on volumes2.6 辐射率载荷(radiation)2.6.1 在节点上施加辐射率载荷main menu/ solution /define loads/ apply /thermal /radiation/ on Nodes2.6.2 在单元上施加辐射率载荷main menu/ solution /define loads/ apply /thermal /radiation/ on elements2.6.3 在线段上施加辐射率载荷main menu/ solution /define loads/ apply /thermal /radiation/on lines2.6.4 在面上施加辐射率载荷main menu/ solution /define loads/ apply /thermal /radiation/on areas3 稳态求解选项设置在对一个稳态热分析问题时，需要设置time/frequence选项、非线性选项以及输出控制等载荷步选项3.1 time-time step该选项用于设置载荷步的时间main menu/solution/loads step opts/ time&frequence/time -time step3.2 time and substeps该选项用于确定每载荷步中子步的数量或者时间步大小main menu/ solution/ load step options/ time & frequence/ time and substeps3.3 convergence criteria该选项可根据温度、热流率等指标设置热分析的收敛标准，检验热分析的收敛性。
ANSYS(稳态 第3节)
(2) 选择单元 选择热分析实体单 元，操作如下： GUI：Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete... 选择PLANE55 单元。 命令： ET,1,PLANE55
34
(3)定义材料属性 其操作如下： GUI：Preprocessor > Material Props > Material Models > Thermal > Conductivity > Isotropic > KXX = 10 命令：MP,KXX,1,10
24
(3) 施加温度场边界条件。 定义顶边温度恒定为 500℃。 依照通用的方法，定义 其他三个边，每边的 温度均恒定为100℃。 定义完模型的温度边界 后，在所定义边界上 出现橙色小三角箭头。
25
(4)求解 其操作如下： GUI：Solution > Solve > Current LS 命令：SOLVE
2
1.稳态 指荷载条件已被“设置”成稳定状态，几乎 不随时间变化. 如果热能流动不随时间变化 的话，热传递就称为是稳态的。 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。 由热力学第一定律，稳态热平衡可以表示为: 输入的能量— 输出的能量 = 0 2.瞬态 指条件随时间变化而变化. 如: 铸造中金属 从熔融状态变为固态的冷却过程。
18
选择单元 选择热分析实体单元， 操作如下： GUI：Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete... 单击Add 按钮，选 择Thermal Solid， Quad4Node 55， 即PLANE55 单元。 命令： ET,1,PLANE55
最新ANSYS热分析指南——ANSYS稳态热分析
A N S Y S热分析指南——A N S Y S稳态热分析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。
ANSYS稳态热分析的基本过程和实例
ANSYS稳态热分析的基本过程和实例ANSYS稳态热分析的基本过程ANSYS热分析可分为三个步骤：前处理：建模、材料和⽹格分析求解：施加载荷计算后处理：查看结果1、建模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《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。
2、施加载荷计算①、定义分析类型●如果进⾏新的热分析：Command: ANTYPE, STATIC, NEWGUI: Main menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis>Steady-state●如果继续上⼀次分析，⽐如增加边界条件等：Command: ANTYPE, STATIC, RESTGUI: Main menu>Solution>Analysis Type->Restart②、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) ：a、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 Family: DGUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Temperatureb、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。
ANSYS有限元热分析教程
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/Multiphysic s、ANSYS/Mech anica l、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〕PEKE U W Q ∆+∆+∆=−式中:Q ——热量;W ——作功;——系统内能;∆U ——系统动能；∆KE ——系统势能；∆PE *对于大多数工程传热问题：；0==PE KE ∆∆*通常考虑没有做功：,则：；0=W U Q ∆=*对于稳态热分析：，即流入系统的热量等于流出的热量；0=∆=U Q *对于瞬态热分析：，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。
dtdUq =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：，式中为热流dxdTkq −=′′′′q 密度（W/m 2），为导热系数（W/m-℃），“-”表示热量流向温度降低的方向。
ansys workbench稳态热分析
Workbench -Mechanical Introduction Introduction作业6.1稳态热分析作业6.1 –目标Workshop Supplement •本作业中，将分析下图所示泵壳的热传导特性。
•确切说是分析相同边界条件下的塑料（Polyethylene）泵壳和铝（Aluminum）泵壳。
）泵壳•目标是对比两种泵壳的热分析结果。
作业6.1 –假设Workshop Supplement 假设：•泵上的泵壳承受的温度为60度。
假设泵的装配面也处于60度下。
•泵的内表面承受90度的流体。
•泵的外表面环境用一个对流关系简化了的停滞空气模拟，温度为20度。
作业6.1 –Project SchematicWorkshop Supplement •打开Project 页•从Units菜单上确定：–项目单位设为Metric (kg, mm, s, C, mA, mV)–选择Display Values in Project Units…作业6.1 –Project SchematicWorkshop Supplement 1.在Toolbox中双击Steady-State Thermal创建一个新的Steady State Thermal（稳态Steady State Thermal热分析）系统。
1.2.在Geometry上点击鼠标右键选择p y，导入文Import Geometry件Pump_housing.x_t 2.…作业6.1 –Project SchematicWorkshop Supplement3.双击Engineering Data得到materialproperties（材料特性） 3.4.选中General Materials的同时，点击Aluminum Alloy和Polyethylene旁边的‘+’符号，把它们添加到项目中。
5.Return to Project（返回到项目）4.5.Workshop Supplement…作业6.1 –Project Schematic6.把Steady StateThermal 拖放到第一个系统的Geometry 上。
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。
ansys热分析瞬态稳态
TThheemm--1144
第十四页，共一百三十四页。
第四讲、稳态传热
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。稳态热分析的能量平衡方程为（以矩阵形式表示）
[K]{T}={Q}
*ANSYS培训教程 – 版本 5.5 – XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)
Guidelines
Them-1 第一页，共一百三传热分析
一、稳态传热的定义
二、热分析的单元 三、ANSYS稳态热分析的基本过程 练习 第四章 瞬态传热分析
一、瞬态传热分析的定义 二、瞬态热分析的单元及命令 三、ANSYS瞬态热分析的主要步骤
式中[:C]为比[K热]为矩传阵导,考矩虑阵系，包统含内T导能热的系增数加、;对流系数及辐射率和形状系数；
{T}为节点温度向量； { }为温度对时间的导数;
{Q}为节点热流率向量，包含热生成。
T
2001年年1100月月11日日 22002222//44/5/5
*ANSYS培训教程 – 版本 5.5 – XJTU MSSV By: Haich Gao (011001)
2001年年1100月月11日日 22002222//44/5/5
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Guidelines 第十TT七hh页eemm，--共1177一百三十四页。
第七讲、边界条件、初始条件
ANSYS热分析的边界条件或初始条件可分为七种：
Module Objective
Ansys 热分析教程
Ansys 热分析教程对流系数W/m2-℃BTU/sec-ft2—oF HF密度Kg/m3lbm/ft3DENS比热J/Kg-℃BTU/lbm—oF C焓J/m3BTU/ft3ENTH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〕式中：Q-—热量；W—-作功；—-系统内能；——系统动能；——系统势能；●对于大多数工程传热问题：;●通常考虑没有做功:,则:;●对于稳态热分析：,即流入系统的热量等于流出的热量；●对于瞬态热分析：，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：,式中为热流密度（W/m2），为导热系数（W/m-℃)，“-"表示热量流向温度降低的方向。
2、热对流热对流是指固体的表面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。
热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。
热对流用牛顿冷却方程来描述：,式中h为对流换热系数（或称膜传热系数、给热系数、膜系数等）,为固体表面的温度，为周围流体的温度。
3、热辐射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。
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有传热介质，而热辐射无须任何介质.实质上，在真空中的热辐射效率最高。
在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物体同时辐射并吸收热量。
它们之间的净热量传递可以用斯蒂芬—波尔兹曼方程来计算：，式中为热流率，为辐射率（黑度），为斯蒂芬－波尔兹曼常数，约为5。
67×10-8W/m2.K4,A1为辐射面1的面积，为由辐射面1到辐射面2的形状系数，为辐射面1的绝对温度，为辐射面2的绝对温度.由上式可以看出，包含热辐射的热分析是高度非线性的。
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热载荷和边界条件的类型
施加的载荷 温度
载荷分类
约束
实体模型载荷
在关键点上 在线上 在面上 在关键点上 在线上(2D) 在面上(3D) 在线上(2D) 在面上(3D) 在关键点上 在面上 在体上
有限元模型载荷
在结点上 均匀 在结点上 在结点上 在单元上 在结点上 在单元上 在结点上 在单元上 均匀
热流率 对流
建模
单位
建模
现在，我们准备开始前处理……….
稳态热传递的例子。
请记住，高亮度的方框中标出了例子的步骤。
前处理：建模
定义单元类型 定义分析中使用的单元类型。
开始定义单元类型。注意现在还没 有定义单元类型。单击“Add….”开 始添加。
前处理：建模
定义单元类型
选择热实体单元PLANE55作为单元类型, 单击“Apply”。
例题中的单元类型都不需要实常数。
前处理：建模
定义并查看材料特性
稳态热分析中关于材料特性的总体说明
– 对于稳态分析，热材料特性必须输入热传导率“k”-KXX, 和可选的KYY, KZZ。 – – 如果用户不定义，KYY和KZZ缺省等于KXX。 密度(DENS)和比热(C)或热焓(ENTH)在没有质量传递的稳态热分析中不 需要。 – – 随温度变化的材料导热系数k, 使得热分析为非线性。 与温度有关的换热系数也被处理为材料特性。
注: 本例题实际上不需要 使用平面效果单元，因为每个平面上只有均匀的对流(Hf 和Tb为已知)。但是，在管的内径施加平面效果单元将使得我们在后处理中更方便 地得到热能耗散数值。
前处理：建模
定义单元类型
定义热表面效应单元SURF151。这是本例中的第 二种单元类型。
注意，第二个定义的单元自动定义为单元类型2 。
• 相应的有限元平衡方程为:
KT Q
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
– 可以施加到所有结点上，不是一种温度约束。一般只用于施加初始温 度而非约束，在稳态或瞬态分析的第一个子步施加在所有结点上。它 也可以用于在非线性分析中估计随温度变化材料特性的初值。
单位
如要获得/UNITS命令的更多说明，请使用线上文档。
在输入窗口输入 “help, /UNITS” 查看 线上文档。
要使用帮助，在输入窗口中输入 “help,xxxxx”; “xxxxx” 可以是单元类型 (77), 命令(/units), 或单元类别(solid)。或 者，使用UtilityMenu>>Help下拉式菜单。
变换文件名为 “stltube”
建模
指定标题
为分析指定一个描述性的标题。标题将打印在图形的底部，并在 载荷步文件和结果文件中显示。
输入标题: “Example - Steel Tube with Fins” 并单击 “OK”。
建模
单位
使用/UNITS命令记录分析中使用的单位制。
本例中使用的单位制 记为British/Inches, 缩写为 “bin”
查看PLANE55缺 省的基本选项。
前处理：建模
查看并选择关键选项
使用下拉式菜单查看该单元的基本选项，并选择合适的数值。
改变单元特征。本例题需要轴对称 单元。缺省值为平面单元。
前处理：建模
表面效应单元
表面效应单元 - 介绍
• • 表面效应单元象“皮肤”一样附着在实体单元的表面，经常用来施加载荷。 表面效应单元为施加面载荷提供了更多的方式，特别是当在同一区域施加对流和 热流两种载荷时。 一个模型中附加的，离开模型表面一定距离的结点，可以用来代表周围流体的介 质温度。该“附加”结点同样对结果评估带来方便。
稳态热传递
稳态热传递
• • 如果热能流动不随时间变化的话，热传递就称为是稳态的。 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。
•
由热力学第一定律，稳态热平衡可以表示为:
输入的能量— 输出的能量 = 0
稳态热传递控制方程
• 对于稳态热传递，表示热平衡的 微分方程为:
T T T ... k zz k xx k yy q 0 x x y y z z
热分析样板
•
查看结果
– – – – 进入通用处理器和/或时序后处理器。 使用列表, 绘图, 等查看结果。 查看误差估计。 验证求解。
GUI 和 ANSYS 命令
• •
• •
ANSYS 是命令驱动程序。 ANSYS 命令可以手工输入，或用GUI(Graphical User Interface) 输入或两种方法混用。 GUI提供了一种和ANSYS交流的简单的方法。 GUI根据用户操作自动生成ANSYS命令。
•
建立模型
– – – 指定分析名称和工作文件名。 如果需要，记录单位制。 进入前处理器 • 定义单元类型，检查基本设置。 • 如果需要，定义实参。 • 定义材料特性。 • 生成或导入模型。 • 划分网格。
热分析样板
•
求解器
– – – – 定义分析类型，检查分析选项。 施加载荷和边界条件。 指定载荷步选项。 执行求解。
所有使用的命令列表在 jobname.log 文件中。
GUI 和 ANSYS 命令
•
查看ANSYS输 出窗口中命令 执行和文字输 出。
稳态热传导例题说明
分析过程中的每一步使用简单的例子说明。
高亮度的方框中标出了例子 的步骤。
基本描述 一个带有举行肋骨的长 钢管从管中流动的热气 体通过对流吸收能量。 外表面暴露在大气中， 热流从肋骨端部释放。.
选择一个类别
然后选择本类别 中的单元类型
• • •
使用HELP按钮得到单元库中的更多信息。 缺省状态下，第一个定义的单元类型其单元类型号为1。 如果GUI菜单过滤为热分析，只有热单元类型显示出来。
前处理：建模
查看并选择基本选项
关键选项
• • 关键选项或 KEYOPTs 是与单元类型相关的选项。 查看或修改关键选项的方法是选择下图中的“Options”:
前处理：建模
定义并查看材料特性
在ANSYS中定义材料特性的选项:
– 在材料特性对话框中输入需要的数值。 – 从ANSYS材料库或用户自定义材料库中读入材料特性。
在定义了材料特性以后，也可以将材料特性写到文件中以备后 用。
前处理：建模
定义并查看材料特性 要材料库中读入材料特性，只要指定包含所需数据的文件路径 和文件名即可。
• • • •
高亮度的方框中标出了例子的步骤。
建模
• 热分析的第一阶段包括建模和划分网格。
• 在本部分，我们要:
– 指定文件名和标题。 – 记录使用的单位。 – 进入前处理器 • 定义单元类型和基本选项。 • 查看实参定义。 • 定义材料特性。 • 生成几何模型。
• 划分网格。
建模
设置GUI的菜单过滤选项
• • • • 除了电磁场分析，用户不需“告诉”ANSYS你所使用的单位制。但是，你可以 使用/UNITS命令记录你所使用的单位。 一旦你决定了使用的单位制，请一直使用它。ANSYS 不提供任何单位转换。 选择的单位制将影响你的模型，材料特性，实参和载荷。 再次使用/UNITS并不完成单位制转换。
建模
•
前处理：建模
表面效应单元
表面效应单元 - 介绍
• • 表面效应单元可以用来施加热生成载荷。 当对流换热系数随温度变化时，表面效应单元很方便; 基本选项的不同设置使得评 估结果时选项也不相同。
注：表面效应单元在第7章中还有更详细的解释。
前处理：建模
表面效应单元
表面效应单元和对流
• • 对流载荷可以直接施加到表面效应单元，实体单元或几何模型实体上。 在SURF151上使用“附加结点”选项可以在“附加结点”上指定结点温度，相当 于周围介质的温度。
分析目标:
稳态热传导分析实例
建模说明: • 内部对流载荷使用平面效 果单元。 • 使用 “在线上施加对流” 施加肋骨外表面上的对流 载荷。 • 在肋骨短部施加热流。 • 假设钢管是非常长的，不 考虑钢管端部的影响。 • 只对最小的循环部分建模。
•
下面是一个截面。
稳态热传导分析实例
绝热对称边界 对流面 对流面 翅片端部的热流密度
使用界面选项激活GUI菜单过滤; 只有与热分析有关的菜单项可以 显示和使用。如果不设置，所有的菜单都可以看到并使用。
激活热菜单过滤并单 击 “OK”。
建模
指定文件名 定义新的文件名与其他分析题目区别开来。所有文件名将为 jobname.ext，点取“YES”将重写文件名分别为jobname.log和 jobname.err的命令记录文件和错误文件。
本例中使用钢的热传导率为 0.75 BTU/hr-in-°F
对于均匀各向同性的稳态热 分析，只需要KXX的数值。
前处理：建模
随时间变化的材料特性 对于随时间变化的材料特性，先要定义指定数值所对应的温 度……..
前处理：建模
查看并选择基本选项
查看SURF151单元的缺省基本选项并单击 “Options”。
前处理：建模
查看并选择关键选项
将单元行为从平面改变为轴对称。注意 K4的改变, 移去中间结点；K5的改变, 对 流计算中包含附加结点。结束后单击 “Close” 。
前处理：建模
定义并检查实常数
实常数
• • • • • 实常数是指定单元类型的几何特征。 并不是所有的单元类型都需要实常数。 有些单元类型只有在选择了某些基本选项时才需要实参。 使用ANSYS在线帮助得到更多的关于实参的说明。 第一个定义的实常数缺省指定为 实常数号1
• 热流率