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。最后，本章提供了该实例等效的命令流文件。

3.4建模

建立一个模型的内容包括：首先为分析指定jobname和title；然后在前处理器（PREP7）中定义单元类型，单元实常数，材料属性以及建立几何实体。《ANSYS Modeling and Meshing Guide》中对本部分有详细说明。

对于热分析有：

定义单元类型

命令：ET

GUI：Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete

定义固定材料属性

命令：MP

GUI：Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material

Models>Thermal

定义温度相关的材料属性，首先要定义温度表，然后定义对应的材料属性值。通过下面的方法定义温度表

命令：MPTEMP或MPTEGN，然后定义对应的材料属性，使用MPDATA

GUI：Main Menu>Preprocessor>Material Props> Material

Models>Thermal

对于温度相关的对流换热系数也是通过上述的GUI路径和命令来定义的。

注意--如果以多项式的形式定义了与温度相关的膜系数，则在定义其它具有固定属性的材料之前，必须定义一个温度表。

创建几何模型及划分划分网格的过程，请参阅《ANSYS Modeling and Meshing Guide》

3.5施加荷载和求解

在这一步骤中，必须指定所要进行的分析类型及其选项，对模型施加荷载，定义荷载选项，最后执行求解。

3.5.1指定分析类型

在这一步中，可以如下指定分析类型：

GUI: Main Menu>Solution>New Analysis>Steady-state(static)

命令：ANTYPE,STATIC,NEW

如果是重新启动以前的分析，比如，附加一个荷载。命令：

ANTYPE,STATIC,rest。

（条件是先前分析的jobname.ESAV、jobname.DB等文件是可以利用的）3.5.2施加荷载

可以直接在实体模型（点、线、面、体）或有限元模型（节点和单元）上施加载荷和边界条件，这些载荷和边界条件可以是单值的，也可以是用表格或函数的方式来定义复杂的边界条件，详见《ANSYS基本分析过程指南》。

可以定义以下五种热载荷：

3.5.2.1恒定的温度(TEMP)

通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上。

3.5.2.2热流率（HEAT）

热流率作为节点集中载荷，主要用于线单元（如传导杆、辐射连接单元等）模型中，而这些线单元模型通常不能直接施加对流和热流密度载荷。如果输入的值为正，表示热流流入节点，即单元获取热量。如果温度与热流率同时施加在一节点上，则温度约束条件优先。

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应该密一些；特别是与该节点相连的单元的导热系数差别很大时，尤其要注意，不然可能会得到异常的温度值。因此，只要有可能，都应该使用热生成或热流密度边界条件，这些热荷载即使是在网格较为粗糙的时候都能得到较好的结果。

3.5.2.3对流（CONV）

对流边界条件作为面载施加于分析模型的外表面上，用于计算与模型周围流体介质的热交换，它仅可施加于实体和壳模型上。对于线单元模型，可以通过对流杆单元LINK34来定义对流。

3.5.2.4热流密度（HEAT）

热流密度也是一种面载荷。当通过单位面积的热流率已知或通过FLOTRAN CFD的计算可得到时，可以在模型相应的外表面或表面效应单元上施加热流密度。如果输入的值为正，表示热流流入单元。热流密度也仅适用于实体和壳单