有限元分析-热分析
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在整个区域中所具有的温度为已知值。
2021/3/10
讲解：XX
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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
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热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。
式中：
q’’=h(TS-TB)
Ø h为对流换热系数（或称膜传热系数、给热系数、 膜系数等）；
Ø TS为固体表面的温度； Ø TB为周围流体的温度。
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（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
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。
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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
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
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：
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式中：
Ø ANSYS/Mechanical
Ø ANSYS/Thermal
Ø ANSYS/FLOTRAN
Ø ANSYS/ED
其中，ANSYS/FLOTRAN不含相变热分析。
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ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方 程，用有限元法计算物体内部各节点的温度，并 导出其它热物理参数。
（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。
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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
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 。
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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。
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
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ห้องสมุดไป่ตู้
线段和面上。
（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。
Library >Select Units）：
SI（MKS）代表国际单位制，其基本单位
为m，kg，s，K。
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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，℉。
7.1 有限元技术在热分析中的应用
2021/3/10
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主要讲授三方面内容：
Ø ANSYS热分析基础知识简介 Ø 稳态热分析实例 Ø 瞬态热分析实例
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7.1.1 ANSYS热分析基础知识简介
一、ANSYS热分析功能介绍
ANSYS热分析模块主要有：
Ø ANSYS/Multiphysics
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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。
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。
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（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
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；
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（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。
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。
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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
q=êɡA1F12(T41-T42)
Ø q为热流率；
Ø ê为实际物体的辐射率，或称黑度，它的数值
处于0～1之间；
Ø ɡ为斯蒂芬—波尔兹曼常数，约为
5.67×108W/m2.K4；
Ø A1为辐射面1的面积；
Ø F12为由辐射面1到辐射面2的形状系数；
Ø T1为辐射面对1的绝对温度；
Ø T2为辐射面2的绝对温度。
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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
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热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。
式中：
q’’=h(TS-TB)
Ø h为对流换热系数（或称膜传热系数、给热系数、 膜系数等）；
Ø TS为固体表面的温度； Ø TB为周围流体的温度。
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（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
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。
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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
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
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：
2021/3/10
讲解：XX
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式中：
Ø ANSYS/Mechanical
Ø ANSYS/Thermal
Ø ANSYS/FLOTRAN
Ø ANSYS/ED
其中，ANSYS/FLOTRAN不含相变热分析。
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ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方 程，用有限元法计算物体内部各节点的温度，并 导出其它热物理参数。
（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。
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讲解：XX
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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
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 。
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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。
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
2021/3/10
讲解：XX
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ห้องสมุดไป่ตู้
线段和面上。
（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。
Library >Select Units）：
SI（MKS）代表国际单位制，其基本单位
为m，kg，s，K。
2021/3/10
讲解：XX
6
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，℉。
7.1 有限元技术在热分析中的应用
2021/3/10
讲解：XX
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主要讲授三方面内容：
Ø ANSYS热分析基础知识简介 Ø 稳态热分析实例 Ø 瞬态热分析实例
2021/3/10
讲解：XX
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7.1.1 ANSYS热分析基础知识简介
一、ANSYS热分析功能介绍
ANSYS热分析模块主要有：
Ø ANSYS/Multiphysics
2021/3/10
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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。
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。
2021/3/10
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（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
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；
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讲解：XX
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（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。
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。
2021/3/10
讲解：XX
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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
q=êɡA1F12(T41-T42)
Ø q为热流率；
Ø ê为实际物体的辐射率，或称黑度，它的数值
处于0～1之间；
Ø ɡ为斯蒂芬—波尔兹曼常数，约为
5.67×108W/m2.K4；
Ø A1为辐射面1的面积；
Ø F12为由辐射面1到辐射面2的形状系数；
Ø T1为辐射面对1的绝对温度；
Ø T2为辐射面2的绝对温度。