热分析(ansys教程)..
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Convection
施加载荷计算(续)
d、热流密度 热流密度也是一种面载。当通过单位面积的热流率已
知或通过FLOTRAN CFD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进行计算。 Command Family: F GUI ： Main Menu>Solution>-Loads-Apply>Thermal-Heat Flux
热分析的单元
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：
线性：LINK32 两维二节点热传导单元 LINK33 三维二节点热传导单元 LINK34 二节点热对流单元 LINK31 二节点热辐射单元
二维实体：PLANE55 四节点四边形单元 PLANE77 八节点四边形单元 PLANE35 三节点三角形单元 PLANE75 四节点轴对称单元 PLANE78 八节点轴对称单元
净热量传递可以用斯蒂芬—波尔兹曼方程来计算：
q（=ε黑σA度1F）12(，T14-σT为24)斯，蒂式
中 芬
q为热流率， ε为辐射 －波尔兹曼常数，约
率 为
5辐温包.6射度含7×热面，1辐1T0到2-8射为W辐的辐/射m热射2面.K分面24析2的，的是形A绝1高状为对度系辐温非数射度线，面。性T1由1的的为上。辐面式射积可面，以1F看的12为出绝，由对
✓ 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
ANSYS的热分析分类
❖ ANSYS的热分析分类 ✓ 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 ❖ 与热有关的耦合分析 ✓ 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
[C(T)]{T }+[K(T)]{T}={Q (T)}
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： ✓ 温度：模型区温度已知 ✓ 热流率：热流率已知的点 ✓ 对流：表面的热传递给周围的流体通过对流。输
入对流换热系数h和环境流体的 平均温度Tb ✓ 热辐射：通过辐射产生热传递的面. 输入辐射系
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}
➢ 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；{T}为节点温度向量；{Q}为 节点热流率向量，包含热生成；
实常数
主要应用于壳单元和线单元
划分网格(续)
❖ 划分网格 存储数据文件 使用 MeshTool 划分网格，使用缺省的智能网格 划分级别6可以生成很好的初始网格
❖ 至此完成前处理，下面开始求解
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, NEW GUI: Main menu>Solution>-Analysis Type->New
热分析的符号与单位
项目 长度 时间 质量 温度 力 能量(热量) 功率(热流率) 热流密度 生热速率 导热系数 对流系数 密度 比热 焓
国际单位
m s Kg ℃
N J W W/m2 W/m3 W/m-℃ W/m2-℃ Kg/m3 J/Kg-℃ J/m3
英制单位 ft[英尺]
s lbm [磅质量]
oF lbf BTU[英制热单位] BTU/sec BTU/sec-ft2 BTU/sec-ft3 BTU/sec-ft-oF BTU/sec-ft2-oF lbm/ft3 BTU/lbm-oF BTU/ft3
(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: D GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-
Temperature
施加载荷计算(续)
b、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 Family: F GUI ： Main Menu>Solution>-Loads-Apply>Thermal-Heat Flow
施加载荷计算(续)
e、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 Family: BF GUI ： Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-
Thermal-Heat Generat
施加载荷计算(续)
③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
热分析
➢ 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
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
Analysis>Steady-state ❖ 如果继续上一次分析，比如增加边界条件等：
Command: ANTYPE, STATIC, REST GUI: Main menu>Solution>Analysis Type->Restart
施加载荷计算(续)
② 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
数，Stefan-Boltzmann常数，“空间节点”的温度 作为可选项输入 ✓ 绝热面： “完全绝热”面，该面上不发生热传递 ✓ 热通量：单位面积上的热流率已知的面 ✓ 热生成率：体的生热率已知的区域
热分析误差估计
➢ 仅用于评估由于网格密度不够带来的误差； ➢ 仅适用于SOLID或SHELL的热单元(只有温度
Biblioteka Baidu单元类型
❖下表给出了常用的热单元类型 ❖每个结点只有一个自由度: 温度
Linear Quadratic
2-D Solid
PLANE55 PLANE77 PLANE35
3-D Solid
SOLID70 SOLID90 SOLID87
3-D Shell
SHELL57
Line Elements LINK31,32,33,34
➢ 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} 。
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]{ }+[TK ]{T}={Q}
ANSYS代号
KXX HF DENS C 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
传热学经典理论回顾
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：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 方数体(表程或面来称的描膜温述传度：热，系qnT数=B为、h*周给(T围热S-流系TB体数)，的、式温膜中度系h。数为等对)流，换TS热为系固
热分析的单元(续)
三维实体：SOLID87 六节点四面体单元
SOLID70 八节点六面体单元
SOLID90 二十节点六面体单元
壳：
SHELL57 四节点
点：
MASS71
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 • 求解：施加载荷计算 • 后处理：查看结果
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。
几何尺寸(模型)
❖ 既可用ANSYS建立模型，也可用其它方法建好模 型后导入
❖ 模型建好后，以上两种建模方法的具体过程将不 再显示
划分网格
❖ 首先定义单元属性: 单元类型, 实常数, 材料属性.
划分网格(续)
材料属性
必须输入导热系数, KXX 如果施加了内部热生成率，则需指定比热 (C) ANSYS提供的材料库 (/ansys57/matlib)包括几种
常用材料的结构属性 和热属性, 但是建议用户创 建、使用自己的材料库 把优先设置为 “热分析” ，使材料模型图形用 户界面只显示材料的热属性
热传递的方式(续)
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
➢ 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； {T }为温度对时间的导数; {Q}为节点热流率向量，包含热生成。
线性与非线性
如果有下列情况产生，则为非线性热分析： ① 材料热性能随温度变化，如K(T),C(T)等； ② 边界条件随温度变化，如h(T)等； ③ 含有非线性单元； ④ 考虑辐射传热 非线性热分析的热平衡矩阵方程为：
一个自由度)； ➢ 基于单元边界的热流密度的不连续； ➢ 仅对一种材料、线性、稳态热分析有效； ➢ 使用自适应网格划分可以对误差进行控制。
稳态传热分析
➢ 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。
➢ 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
施加载荷计算(续)
c、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 Family: SF GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-
施加载荷计算(续)
·每载荷步中子步的数量或时间步大小：对于 非线性分析，每一载荷步需要多个子步。
Command: NSUBST GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts->
Time/Frequenc >Time and Substps Command: DELTIM GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts->
及输出控制。 a. 普通选项 ·时间选项：虽然对于稳态热分析，时间选项并没有实
际的物理意义，但它提供了一个方便的设置载荷步 和载荷子步的方法。
Command: TIME GUI: Main Menu>Solution >-Load Step OptsTime/Frequenc> Time-Time Step/ Time and Substps
施加载荷计算(续)
d、热流密度 热流密度也是一种面载。当通过单位面积的热流率已
知或通过FLOTRAN CFD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进行计算。 Command Family: F GUI ： Main Menu>Solution>-Loads-Apply>Thermal-Heat Flux
热分析的单元
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：
线性：LINK32 两维二节点热传导单元 LINK33 三维二节点热传导单元 LINK34 二节点热对流单元 LINK31 二节点热辐射单元
二维实体：PLANE55 四节点四边形单元 PLANE77 八节点四边形单元 PLANE35 三节点三角形单元 PLANE75 四节点轴对称单元 PLANE78 八节点轴对称单元
净热量传递可以用斯蒂芬—波尔兹曼方程来计算：
q（=ε黑σA度1F）12(，T14-σT为24)斯，蒂式
中 芬
q为热流率， ε为辐射 －波尔兹曼常数，约
率 为
5辐温包.6射度含7×热面，1辐1T0到2-8射为W辐的辐/射m热射2面.K分面24析2的，的是形A绝1高状为对度系辐温非数射度线，面。性T1由1的的为上。辐面式射积可面，以1F看的12为出绝，由对
✓ 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
ANSYS的热分析分类
❖ ANSYS的热分析分类 ✓ 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 ❖ 与热有关的耦合分析 ✓ 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
[C(T)]{T }+[K(T)]{T}={Q (T)}
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： ✓ 温度：模型区温度已知 ✓ 热流率：热流率已知的点 ✓ 对流：表面的热传递给周围的流体通过对流。输
入对流换热系数h和环境流体的 平均温度Tb ✓ 热辐射：通过辐射产生热传递的面. 输入辐射系
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}
➢ 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；{T}为节点温度向量；{Q}为 节点热流率向量，包含热生成；
实常数
主要应用于壳单元和线单元
划分网格(续)
❖ 划分网格 存储数据文件 使用 MeshTool 划分网格，使用缺省的智能网格 划分级别6可以生成很好的初始网格
❖ 至此完成前处理，下面开始求解
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, NEW GUI: Main menu>Solution>-Analysis Type->New
热分析的符号与单位
项目 长度 时间 质量 温度 力 能量(热量) 功率(热流率) 热流密度 生热速率 导热系数 对流系数 密度 比热 焓
国际单位
m s Kg ℃
N J W W/m2 W/m3 W/m-℃ W/m2-℃ Kg/m3 J/Kg-℃ J/m3
英制单位 ft[英尺]
s lbm [磅质量]
oF lbf BTU[英制热单位] BTU/sec BTU/sec-ft2 BTU/sec-ft3 BTU/sec-ft-oF BTU/sec-ft2-oF lbm/ft3 BTU/lbm-oF BTU/ft3
(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: D GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-
Temperature
施加载荷计算(续)
b、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 Family: F GUI ： Main Menu>Solution>-Loads-Apply>Thermal-Heat Flow
施加载荷计算(续)
e、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 Family: BF GUI ： Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-
Thermal-Heat Generat
施加载荷计算(续)
③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
热分析
➢ 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
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
Analysis>Steady-state ❖ 如果继续上一次分析，比如增加边界条件等：
Command: ANTYPE, STATIC, REST GUI: Main menu>Solution>Analysis Type->Restart
施加载荷计算(续)
② 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
数，Stefan-Boltzmann常数，“空间节点”的温度 作为可选项输入 ✓ 绝热面： “完全绝热”面，该面上不发生热传递 ✓ 热通量：单位面积上的热流率已知的面 ✓ 热生成率：体的生热率已知的区域
热分析误差估计
➢ 仅用于评估由于网格密度不够带来的误差； ➢ 仅适用于SOLID或SHELL的热单元(只有温度
Biblioteka Baidu单元类型
❖下表给出了常用的热单元类型 ❖每个结点只有一个自由度: 温度
Linear Quadratic
2-D Solid
PLANE55 PLANE77 PLANE35
3-D Solid
SOLID70 SOLID90 SOLID87
3-D Shell
SHELL57
Line Elements LINK31,32,33,34
➢ 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} 。
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]{ }+[TK ]{T}={Q}
ANSYS代号
KXX HF DENS C 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
传热学经典理论回顾
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：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 方数体(表程或面来称的描膜温述传度：热，系qnT数=B为、h*周给(T围热S-流系TB体数)，的、式温膜中度系h。数为等对)流，换TS热为系固
热分析的单元(续)
三维实体：SOLID87 六节点四面体单元
SOLID70 八节点六面体单元
SOLID90 二十节点六面体单元
壳：
SHELL57 四节点
点：
MASS71
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 • 求解：施加载荷计算 • 后处理：查看结果
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。
几何尺寸(模型)
❖ 既可用ANSYS建立模型，也可用其它方法建好模 型后导入
❖ 模型建好后，以上两种建模方法的具体过程将不 再显示
划分网格
❖ 首先定义单元属性: 单元类型, 实常数, 材料属性.
划分网格(续)
材料属性
必须输入导热系数, KXX 如果施加了内部热生成率，则需指定比热 (C) ANSYS提供的材料库 (/ansys57/matlib)包括几种
常用材料的结构属性 和热属性, 但是建议用户创 建、使用自己的材料库 把优先设置为 “热分析” ，使材料模型图形用 户界面只显示材料的热属性
热传递的方式(续)
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
➢ 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； {T }为温度对时间的导数; {Q}为节点热流率向量，包含热生成。
线性与非线性
如果有下列情况产生，则为非线性热分析： ① 材料热性能随温度变化，如K(T),C(T)等； ② 边界条件随温度变化，如h(T)等； ③ 含有非线性单元； ④ 考虑辐射传热 非线性热分析的热平衡矩阵方程为：
一个自由度)； ➢ 基于单元边界的热流密度的不连续； ➢ 仅对一种材料、线性、稳态热分析有效； ➢ 使用自适应网格划分可以对误差进行控制。
稳态传热分析
➢ 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。
➢ 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
施加载荷计算(续)
c、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 Family: SF GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-
施加载荷计算(续)
·每载荷步中子步的数量或时间步大小：对于 非线性分析，每一载荷步需要多个子步。
Command: NSUBST GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts->
Time/Frequenc >Time and Substps Command: DELTIM GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts->
及输出控制。 a. 普通选项 ·时间选项：虽然对于稳态热分析，时间选项并没有实
际的物理意义，但它提供了一个方便的设置载荷步 和载荷子步的方法。
Command: TIME GUI: Main Menu>Solution >-Load Step OptsTime/Frequenc> Time-Time Step/ Time and Substps