有限元分析-热分析 PPT
传热问题有限元分析

【问题描述】本例对覆铜板模型进行稳态传热以及热应力分析,图I所示的是铜带以及基板的俯视图,铜带和基板之间由很薄的胶层连接,可以认为二者之间为刚性连接,这样的模型不包含胶层,只有长10mm的铜带(横截面2mm×0.1mm)和同样长10mm的基板(横截面2mm×0.2mm)。
材料性能参数如表1所示,有限元分析模型为实体——实体单元,单元大小0.05mm,边界条件为基板下表面温度为100℃,铜带上表面温度为20℃,通过二者进行传热。
图I 铜带与基板的俯视图表1 材料性能参数名称弹性模量泊松比各向同性导热系数基板 3.5GPa 0.4 300W/(m·℃)铜带110GPa 0.34 401W/(m·℃)【要求】在ANSYS Workbench软件平台上,对该铜板及基板模型进行传热分析以及热应力分析。
1.分析系统选择(1)运行ANSYS Workbench,进入工作界面,首先设置模型单位。
在菜单栏中找到Units下拉菜单,依次选择Units>Metric(kg,m,s,℃,A,N,V)命令。
(2)在左侧工具箱【Toolbox】下方“分析系统”【Analysis Systems】中双击“稳态热分析”【Steady-State Thermal】系统,此时在右侧的“项目流程”【Project Schematic】中会出现该分析系统共7个单元格。
相关界面如图1所示。
图1 Workbench中设置稳态热分析系统(3)拖动左侧工具箱中“分析系统”【Analysis Systems】中的“静力分析”【Static Structural】系统进到稳态热分析系统的【Solution】单元格中,为之后热应力分析做准备。
完成后的相关界面如图2所示。
图2 热应力分析流程图2.输入材料属性(1)在右侧窗口的分析系统A中双击工程材料【Engineering Data】单元格,进入工程数据窗口。
ANSYS_热分析(两个实例)有限元热分析上机指导书

第四讲 热分析上机指导书CAD/CAM 实验室,USTC实验要求:1、通过对冷却栅管的热分析练习,熟悉用ANSYS 进行稳态热分析的基本过程,熟悉用直接耦合法、间接耦合法进行热应力分析的基本过程。
2、通过对铜块和铁块的水冷分析,熟悉用ANSYS 进行瞬态热分析的基本过程。
内容1:冷却栅管问题问题描述:本实例确定一个冷却栅管(图a )的温度场分布及位移和应力分布。
一个轴对称的冷却栅结构管内为热流体,管外流体为空气。
冷却栅材料为不锈钢,特性如下:导热系数:25.96 W/m ℃弹性模量:1.93×109 MPa热膨胀系数:1.62×10-5 /℃泊松比:0.3边界条件:(1)管内:压力:6.89 MPa流体温度:250 ℃对流系数249.23 W/m 2℃(2)管外:空气温度39℃对流系数:62.3 W/m 2℃假定冷却栅管无限长,根据冷却栅结构的对称性特点可以构造出的有限元模型如图b 。
其上下边界承受边界约束,管内部承受均布压力。
练习1-1:冷却栅管的稳态热分析步骤:1.定义工作文件名及工作标题1)定义工作文件名:GUI: Utility Menu> File> Change Jobname ,在弹出的【Change Jobname 】对话框中输入文件名Pipe_Thermal ,单击OK 按钮。
2)定义工作标题:GUI: Utility Menu> File> Change Title ,在弹出的【Change Title 】对话框中2D Axisymmetrical Pipe Thermal Analysis ,单击OK 按钮。
3)关闭坐标符号的显示:GUI: Utility Menu> PlotCtrls> Window Control> Window Options ,在弹出的【Window Options 】对话框的Location of triad 下拉列表框中选择No Shown 选项,单击OK 按钮。
有限元分析实例-----电线生热稳态热分析

有限元分析实例-----电线生热稳态热分析(使用ANSYS17.0软件)一个典型的ANSYS分析过程可分为以下6个步骤:①定义参数②创建几何模型③划分网格④加载数据⑤求解⑥结果分析一、进行平面的轴对称分析启动ANSYS17.0软件。
1.定义文件分析名。
选择Utility Menu--file--change jobname命令,输入“exercise-1”,单击ok按钮。
2.定义单元类型。
Main Menu--Preprocessor--Element type--add/edit/delete。
选择add-Thermal mass--solid--Quad 4node 55单元,单击ok按钮。
选择options--k3---Axisymmetric,单击ok按钮。
单击close按钮。
3.定义参数,直接在键盘输入R=0.001015 (半径)Q=1.718e9 (热流密度)LB=19.03 (导热系数)4.定义材料属性。
选择Main Menu--Preprocessor--Material props--Material Models,弹出对话框,选择各向同性的温度材料,如图设置,单击ok按钮。
5.创建模型。
选择Main Menu--Preprocessor--Modeling--create--Areas--Rectangle--By Dimensions命令。
如图设置,单击ok按钮,建立矩形,如下图。
6.设置网格单元密度。
选择Main Menu--Preprocessor--Meshing--Sizecntrls---ManualSize---Global--size。
如图设置,单击ok按钮。
有限元模型如下图。
7.划分单元。
选择Main Menu--Preprocessor--Meshing--Mesh---Areas---TargetSurf,选择pick all。
8.施加热载荷。
MainMenu--Preprocessor---Loads---DefineLoads---Apply---Thermal---Heat Generat----On Areas,选择整个矩形。
有限元分析法

2个移动自由度 1个转动自由度
3个移动自由度 (平面杆单元2个) 3个移动自由度(平面梁2个) 3个转动自由度(平面梁1个) 3个移动自由度(平面2个) 3个转动自由度(平面1个)
梁结构
弹簧结构
网格划分方法
. . .. . ..
线性
体(三维实体)
. . . . . ... .. .. . ..
二次
低阶单 元
更高阶单元
线单元
• 线单元: 用于螺栓(杆),弹簧,桁架或细长构件
面单元
• 壳单元: –Shell (壳)单元 每块面板的主尺寸不低于其厚度的10倍。
面单元
-平面应力 分析是用来分析诸如承受面内载荷的平 板、承受压力或远离中心载荷的薄圆盘等结构。
details ignored
Geometric model for FEA
单元类型选择
Element type:
3节点三角形平面应力单元
单元特性定义
Element properties:
材料特性:E, µ 单元厚度:t
网格划分
模型检查 • • • • 低质量单元 畸形单元 重合节点 重合单元
2 nodes
. .
A
. .
..
B
1 node
. .
. .
A
. .
B
具有公共节点的单元 之间存在信息传递
. .
分离但节点重叠的单元 A和B之间没有信息传递 (需进行节点合并处理)
第2节 有限元建模方法
Finite element model
Input data
2021热分析及耦合分析完美版PPT

CT +KT 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;
out thru the boundar y
generated
• 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。
2-7
〔一〕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,
那么系统处于热稳态。在稳态热分析中任一节点的温度不随
2-3
A 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
平衡。 • 热传导的傅立叶定律满足因为它用于推导根本方程并用于从单元温
度梯度中求解单元热流。
2-13
1、有限元热分析中的根本符号
• 一般来说,稳态分析中网格上结点温度比实际温度要低。也就是说 ,如果加密网格,温度将增加,但加密到一定程度,结果将不显著 增加(i.e., 结果收敛)。
热分析及耦合分析
ANSYS有限元基础教程(第3版)课件 (13)[15页]
![ANSYS有限元基础教程(第3版)课件 (13)[15页]](https://img.taocdn.com/s3/m/90152faf964bcf84b8d57b15.png)
13.1.5 ANSYS热分析的基本过程 从ANSYS的使用过程可将大型通用有限元软件热分析概 括为三大步。
(1)建模:定类型,设属性,画模型,分网格。 (2)加载求解:添约束,加载荷,查错误,求结果。 (3)后处理:列结果,绘图形,显动画,下结论。
13.2 供热管道稳态热分析
某供热管道截面如图13-1所示,管路内部通有液体, 外部包有保温层,保温层与空气接触。管路由铸铁制造, 其导热系数为70W/(m·℃);保温层的导热系数为 0.02W/(m·℃);管路内液体温度为70℃,对流换热系数 为1W/(m·℃);外部空气温度为-20℃,对流换热系数为 0.5W/(m·℃)。试求解其温度场分布。
第13章 热分析
13.1 13.2 13.3 13.4 13.5
热分析概述 供热管道稳态热分析 淬火过程瞬态热分析 铸造过程瞬态热分析 包含焊缝的金属板热膨胀分析
13.1 热分析概述 13.1.1 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他热物 理参数,如热量的获取或损失、热梯度及热流密度等。
图13-31 温度场分布等值线图
图7-32 X方向位移场分布等值线图
图13-33 X方向应力场分布等值线图 图13-34 等效应力场分布等值线图
本例为受热载荷作用的双层壁圆筒的温度场求解。经
分析可知该问题属于轴对称问题,利用轴对称结构的特性, 分析时的计算模型可进行简化,如图13-2所示。
图13-1 供热管道截面
图13-2 轴对称计算模型
图13-6 温度分布
图13-7 3/4三维扩展计算结果
13.3 淬火过程瞬态热分析 一长方形金属板,板的长度为80mm,宽度为50mm, 板中央有一半径为10mm的圆孔。板的初始温度为500℃, 将其突然置于温度为20℃且对流换热系数为100W/(m2·℃) 的流体介质中。该金属板的基本材料性质如下:密度为 5000kg/m3;质量热容为200J/(kg·℃);热传导系数为 5W/(m·℃)。试计算第50s这个时刻金属板内的温度分布, 整个金属板在前50s内的温度变化及金属板上左上角点在前 50s内的温度变化。
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。
有限元法PPT课件

Motorola– Drop Test Fujitsu-Computers Intel –Chip Integrity
电子
Baxter - Equipment J&J – Stents Medtronic - Pacemakers
医疗
Principia-spain Arup-U.K. T.Y. Lin - Bridge
有限元法
左图所示,为分析齿轮上一个齿内的应力分布,可分析图中所示的一个平面截面内位移分布.作为近似解,可以先求出图中各三角形顶点的位移.这里的 三角形就是单元,其顶点就是节点。
从物理角度理解, 可把一个连续的齿形截面单元之间在节点处以铰链相链接,由单元组合而成的结构近似代替原连续结构,在一定的约束条件下,在给定的载荷作用下,就可以求出各节点的位移,进而求出应力.
一.Abaqus公司简介
公司
’00 ’01 ’02 ’03 ’04 ‘05 ’06 ‘07
18%
18%
20%
SIMULIA公司(原ABAQUS公司)成立于1978年,全球超过600名员工,100% 专注于有限元分析领域。 全球28个办事处和9个代表处 业务迅速稳定增长,是当前有限元软件行业中唯一保持两位数增长率的公司。 2005年5月ABAQUS加入DS集团,将共同成为全球PLM的领导者
Where :
Displacement interpolation functions (位移插值函数)
13.3 Approximating Functions for Two-Dimensional Linear Triangular Elements (二维线性三角形单元的近似函数)
node (节点)
element(单元)
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六、稳态热分析与瞬态热分析:
(1)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,则系统处于热稳态。在稳态热分析中任一 节点的温度都不随时间变化。
(2)瞬态传热: 瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过
式中:
q=êɡA1F12(T41-T42)
➢ q为热流率;
➢ ê为实际物体的辐射率,或称黑度,它的数值
处于0~1之间;
➢ ɡ为斯蒂芬—波尔兹曼常数,约为
5.67×108W/m2.K4;
➢ A1为辐射面1的面积; ➢ F12为由辐射面1到辐射面2的形状系数; ➢ T1为辐射面对1的绝对温度; ➢ T2为辐射面2的绝对温度。
4. 加载求解 4.1 分析类型选择:
4.2 求解控制选择:Basic选项(变化)和Transient选项(没变)的 设置 :
4.3 施加温度载荷:先对全部施加均布温度载荷500℃
再对线2和线3上的各节点施加温度及对流载荷。首先点击Select Entities:如下图(选定所要加对流和温度的线:通过拾取获得):
颜色设置:PlotCtrls>Style>Colors>Graph Colors:在CURVE Graph curve number 1下拉列表中选择黄色:
4.4 定义时域后处理变量:Main Menu>TimeHist Postpro>Define Variables,点Add :
4.5 在Define Nodal Data文本框中输入1(即为中心点)后,点OK :
CGS代表厘米、克、秒单位制,其基本单 位为cm,g,s,℃。
BFT代表以英尺为主的英制单位制,其基 本单位为ft,slug,s,℉。
BIN代表以英寸为主的英制单位制,其基本 单位为in,ibm,s,℉。
USER代表用户自定义单位制,即用户可以 根据需要定义基本单位。
三、热分析时的三类边界条件和初始条件: 第一类边界条件:物体边界上的温度函数已知; 第二类边界条件:物体边界上的热流密度已知; 第三类边界条件:与物体相接触的流体介质的温
简要分析: 该问题属于瞬态热传导问题。由于材料沿长度方向
的尺寸远大于其它两个方向的尺寸,将其简化为平面 应变问题。在分析过程中取型材横截面的1/4建立模。
0.2
0.4
1. 建立工作文件名和工作标题,并选择Preferences进行筛选::
2. 定义单元类型和材料属性:
3. 创建几何模型、划分网格 3.1 几何建模:
ANSYS提供了两种分析耦合场的方法:直 接耦合法与间接耦合法。
二、单位制问题:在ANSYS热分析过程中,不一 定都要采用国际单位制,但必须要使所有物理 量的单位统一起来。 ANSYS中共有五种单位可供选择(命令流 方式:/UNITS;或Main menu>Preprocessor>Material Props>Material Library >Select Units): SI(MKS)代表国际单位制,其基本单位 为m,kg,s,K。
五、热分析时的三种传热方式及材料基本属性
(1)热传导:当物体内部存在温差,即存在温度 梯度时,热量从物体的高温部分传递到低温部 分;而且不同温度的物体相互接触时热量会从 高温物体传递到低温物体。这种热量传递的方 式称为热传导。 Q/t=KA(Thot-Tcold)/d 式中:Q为时间t内的传热量或热流量;K为热 传导率或热传导系数;
对线进行标注并画线,结果如下图所示 :
3.2 划分网格:先设置单元尺寸(对所选1号线进行定义):
结果如下图所示:
对3号线进行相似操作:
对2号线进行相似操作:
对4号线进行相似操作(NDIV取30,SPACE取5)后得 :
3.3 用Mesh Tool划分网格:
结果如下图所示 :
Change Title:ELEMENTS IN MODEL后点击Plot Elements为 :
(5)生热率:生热率既可看成是材料的一种基本 属性,又可作为载荷施加在单元上。它可以施 加在有限元模型的节点及单元上,也可以施加 在实体模型的关键点、线段、面及体上。
(6)热辐射率:热辐射率也是一种面载荷,通 常施加于实体的外表面。它可以施加在有限元 模型的节点及单元上,也可以施加在实体模型 的线段和面上。
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。
七、线性与非线性热分析 ANSYS在热分析过程中,如果有下列情况中
的一种或几种出现,则该分析为非线性热分析:
➢ 材料热性能随温度变化; ➢ 边界条件随温度变化; ➢ 含有非线性单元; ➢ 考虑辐射传热。
7.1.2 稳态热分析实例1—长空心圆柱 体的热传导过程ANSYS分析
4.2 然后Plot Results,按下图设置:
最后,1分钟后型材横截面上温度场等值线图分布如下 :
4.3 察看中心温度云纹图。坐标轴设置: PlotCtrls>Style>Graphs>Modify Axes :
曲线设置:PlotCtrls>Style>Graphs>Modify Curves :
度和换热系数已知。 初始条件:初始条件是指传热过程开始时,物体
在整个区域中所具有的温度为已知值。
四、热分析时的载荷:ANSYS共提供了6种载荷, 可以施加在实体模型或单元模型上。
(1)温度:作为第一类边界条件,温度可以施加 在有限元模型的节点上,也可以施加在实体模 型的关键点、线段及面上。
(2)热流率:热流率(Heat Flow)是一种节点 集中载荷,只能施加在节点或关键点上,主要 用于线单元模型。
在ANSYS热分析中,在确定分析选项,即 Main Menu>Solution>Analysis Type>Analysis Options的对话框中有一个选项:Temperature difference,该选项用于确定绝对零度,即需要 将目前的温度值换算为绝对温度。如果在热分 析过程中使用的温度单位是摄氏度,则该值应 设定为273。
几何模型
1. 建立工作文件名和工作标题,并选择Preferences进行筛选:
2. 定义单元类型和材料属性
3. 创建几何模型、划分网格 3.1 几何建模
3.2 划分网格:先对线进行标注,然后画线以便于操作。
4 加载求解 4.1 选择分析类型:
4.2 对线上各节点施加温度载荷:先对1线上的节点加温 度载荷
问题描述: 有一空心钢圆柱体,内半径与外半径分别为
0.2 m、0.6 m,长度为10 m。钢的导热系数为 70W/(m.℃),现在柱体的外表面施加均匀温 度载荷80℃,假设柱体内表面温度为恒定值 20℃。试求钢柱体内部的温度场分布。
简要分析: 该问题属于稳态热力学问题。由于柱体的长度远大
于其直径,可忽略其终端效应,同时根据问题的对称 性,求解过程中取圆柱体横截面的1/4建立几何模型。
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,用有限元法计算物体内部各节点的温度,并 导出其它热物理参数。
运用ANSYS软件可进行热传导、热对流、热 辐射、相变、热应力以及接触热阻等问题的分析 求解 。
此外,ANSYS不仅能解决纯粹的热分析问 题,还能解决与热相关的其它问题,如热—应 力分析、热—电分析、热—磁分析等。一般称 这类涉及两个或多个物理场相互作用的问题为 耦合场分析。
(3)对流:对流(Convection)是一种面载荷, 用于计算流体与实体的热交换。它可以施加在 有限元模型的节点及单元上,也可以施加在实 体模型的线段和面上。
(4)热流密度:又称热通量(Heat Flux)单位为 W/m2。热流密度是一种面载荷,表示通过单 位面积的热流率。当通过单位面积的热流率已 知时,可在模型相应的外表面施加热流密度。 若输入值为正,则表示热流流入单元;反之, 则表示热流流出单元。它可以施加在有限元模 型的节点及单元上,也可以施加在实体模型的 线段和面上。
(2)对流:热对流是指固体的表面与它周围接触 的液体或气体(统称为流体)之间,由于温差 的存在而引起的热量交换。 高温物体表面(如暖气片)常常发生对流 现象,这是因为高温物体表面附近的空气因受 热而膨胀,密度降低并向上流动。与此同时, 密度较大的冷空气下降并代替原来的受热空气。
热对流可以分为两类:自然对流和强制对流。
4.6 关闭Define Time-History Variables,点击Graph Variables,输入 2后点击OK(即定义中心点处的温度等值线为变量2) :
结果如下图所示:
4.7 关闭Time History Variables-后,结果如下图所示:
结束
同学们辛苦了!
结束
点击所要加对流及温度的两条线:
然后选择从属于此线上的所有节点,按下图操作:
对所选节点施加对流及温度载荷:按下图选择,然后点击Pick All:
对流及温度值的设置 :
Select everything后得 :
分析类型选项的设置 :
3.4 求解
4. 查看结果 4.1 先点击Read Results中的Last Set
式中:
q’’=h(TS-TB)
➢ 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。
(3)辐射:热辐射是指物体发射电磁能,并被其 它物体吸收转变为热能的热量交换过程。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如下斯蒂芬—波尔 兹曼方程来计算: