基于ANSYS的温度场计算

基于ANSYS的温度场计算
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。

由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS
开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD 工具之一。

应用ansys分析软件对一个具体的对象进行分析和计算时，完整的ansys
分析过程可分成三个阶段:即前处(Preprocessing)，前处理是建立有限元模型，完成单元网格剖分:求解(Solution)和后处理(Postprocessing)，后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。

下面分别进行说明。

Ansys的前处理
Ansys的前处理技术一般由两部分组成:一、对求解场域进行离散，生成有限元网格;二、区域物理参数的处理。

网格剖分主要是实现对求解场域单元的自动剖分，自动把各个单元和节点进行编号，确定各节点的坐标、边界节点的编号等数据，形成一个数据文件，作为有限元程序的输入数据。

为了方便查看各单元剖分情况，判断合理性，还要绘制网格剖分图。

自适应网格剖分(Adaptive Mesh Generation)及其加密技术是近年来ansys温度场计算中发展比较快和比较完整的内容，它也属于ansys的前处理范畴。

前处理程序是定义问题的程序，它安排所有必须进行汇编的实体数据。

它由可分开的两部分组成。

第一部分是几何图形和拓扑结构的描述，即该实体有一定几何形状和材料性质，这是对原型样机的结构仿真，我们通过第一部分的工作建立有限元分析实体模型。

第二部分可以认为是对原型样机进行仿真的实验描述，包括边界条件、激励和时间变化情况的处理。

一个恰当的、剖分质量好的有限元网格，对计算的作用是致关重要的。

网格单元的数量、形状与密度分布，将会对计算结果的精确度、计算效率和计算资源的利用产生直接的影响。

而对于复杂的几何体，网格的划分相当费时且容易出错。

现在，为了适应分析对象的大型化、高精度的计算结果要求和运行处理自动化的需要，必须实现有限元网格的自动生成，来解决手工操作时存在的工作量大、处理过程繁琐和出错率高等问题。

随着有限元数值计算技术的日益成熟，网格生成
自动化水平已经成为数值计算软件适应范围与应用价值的关键因素。

所以如何自动的根据目标区域的几何结构情况，对它进行离散化，生成满足数值计算需要的网格数据，以及根据计算结果的误差分布情况对网格进行重处理，这些一直都是有限元应用技术研究的热点问题。

在网格剖分时，应当注意控制节点数量。

一般来说，节点数越多，则解的精度越高，但同时所费的计算时间也越长，计算机的数据存储量也越大。

另一方面，在同样节点数的条件下，网格单元在区域中的疏密配置的合理性对计算精度的影响也是相当大的。

所以这就要求事先对所要分析的场域中场的分布有一个初步了解，以便在网格剖分时能做到比较合理的剖分，达到较高的计算精度。

在设计有限元网格生成的算法过程中，都有一些基本的性能指标和准则，以及一些共同的方法和步骤可遵循。

如将一连续场域离散成有限数目的元素之和，都是有一定的规律可循的。

因有限元网格的形状、数量以及分布的密度等特征，对后续的计算精度和所占用的CPU资源有着相当密切的关系。

所以在网格剖分中必须注意以下情况:
①网格各单元边彼此间的长度不能相差太大，以避免出现尖锐形的单元，对三维单元剖分而言，单元形状不能扭曲，这样才能保证计算的精度;
②考虑到压缩系数矩阵的总存储量，不宜在一个节点周围集中很多的单元。

但当矩阵非常稀疏时，如采用非零元素存贮技术，可不考虑这个因素;
③各单元边上节点的分布应当尽可能的使他们大致均匀;
④在一个单元内部，介质参数应当为常数;
⑤在场域的对称部分，单元的形态也应当尽量对称;
⑥需要着重分析的区域，或那些场量变化剧烈的地方，单元分布的密度应比其它的地方要高;
⑦求解域边界上节点的配置应当使单元边尽量逼近边界;
⑧单元及节点的编排方法应尽量规格化。

评价一个网格生成算法的性能，一般从以下四个方面来考虑:
(1)自动化程度:在数据准备阶段，需要手工处理的工作量;在程序执行过程中，需要人工干预的工作量;在计算结果和网格单元剖分之间，应能根据最终计算结果来反应误差的分布情况，实现局部加密，即所谓的网格自适应加密。

(2)网格单元质量：如果一个三角形单元呈小内角长薄型，即认为是畸形。

网格单元之间，一般要求满足Delaunay准则：即对于有一条公用边的两个相邻接单元，其中一个三角形单元的外接圆不能包含另外一个三角形单元的第三个顶点。

(3)扩张性和健壮性：扩张性指的是能否从二维空间延伸到三维空间。

健壮性指的是算法对待剖分目标区域的边界要求是否很高，比如在凸区域、凹区域、直线边界区域、曲线边界区域、单连通区域、多连通区域、单介质区域和多介质区域内是不是都正常工作;能否应用于多种分析领域。

(4)算法实现的难易程度、程序执行效率以及对计算机硬件性能的要求。

到目前为止，国内外学者在这方面做了大量卓有成效的研究工作，提出了许多网格自动生成的算法。

现在已经发展到对任意边界区域、多连通区域及三维空间的剖分，自动化的程度越来越高。

在网格自动剖分技术的发展过程中，逐步形成两种模式：第一类是按生成单元的类型可分为生成结构化网格方法(Construction)和生成非结构化网格方法(Non-Construction)。

第二类是按照单元和节点生成的先后顺序来分类。

Ansys的求解
求解程序是用来构成从数学上模拟物理过程的代数方程组，并求出它们的解，最终结果是一组描述整个模型中的温度场位函数值。

在求解过程中，软件根据前处理过程所确定的物理数据，构造出用于求解所需的代数方程，然后用数值解法计算出方程的结果。

在求解的开始，我们只要选择合适的算法，有限元分析软件就会完成所有的计算步骤，基本上不需要人的干预。

在求解过程中，由于需要处理数目惊人的数据，并进行复杂的计算，所以对计算机的速度和计算成本功能要求较高。

Ansys的解后处理
由求解程序得到的位函数解所提供的是求解区域内温度场方面的原始材料，并受到在模型化和求解过程中的近似假设的影响。

仅这些数据还不够，我们还要求得到更多的物理和工程参数，如磁感应强度、阻抗、电感、能量损耗、电磁力和转矩等，因此需要通过进一步数学处理才能得到。

解后处理直接决定有限元分析的最后结果，从实际应用角度来看，解后处理方法将偏微分方程的数值解与实际物理量联系起来。

在解后处理过程中，所研究的对象已不再是抽象的函数，而是各种具体的问题了。