第6部分ANSYS热分析
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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，请参阅 《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。
加载计算
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 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
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程 来描述： qn= h*(TS-TB)，式中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。
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-> Time/Frequenc >Time-Time Step
4、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
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(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
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。
·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。
6-3. 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
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
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
Fra Baidu bibliotek
壳
SHELL57 四节点
Command Family: SF GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-
Convection
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。
温度; 热流率; 热流密度; 对流; 辐射; 绝热; 生热。
8、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。
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。它们之间的净热量 传递可以用斯蒂芬—波尔兹曼方程来计算： q=εσA1F12(T14-T24)，式中q为热流率， ε为辐射率（黑 度）， σ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1的绝对温度，T2为辐射面 2的绝对温度。由上式可以看出，包含热辐射的热分析 是高度非线性的。
BT位U/]sec BTU/sec-ft2 BTU/sec-ft3 BTU/sec-ft-oF BTU/sec-ft2-oF
lbm/ft3 BTU/lbm-oF
BTU/ft3
ANSYS代号
KXX HF DENS C ENTH
2、传热学经典理论回顾
3、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
点
MASS71
有关单元的详细解释，请参阅《ANSYS Element Reference
Guide》
3 热分析基本过程
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
递进或阶越选项：如果定义阶越(stepped)选 项，载荷值在这个载荷步内保持不变；如 果 为 递 进 (ramped) 选 项 ， 则 载 荷 值 由 上 一 载荷步值到本载荷步值随每一子步线性变 化。
八、热分析误差估计
3 稳态传热分析 (1)、稳态传热的定义 (2)、热分析的单元 (3)、ANSYS稳态热分析的基本过程 练习
4 瞬态传热分析 (1)、瞬态传热分析的定义 (2)、瞬态热分析的单元及命令 (3)、ANSYS瞬态热分析的主要步骤
1、建模 2、加载求解 3、后处理
(4)、相变问题 练习
6-1. 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、换热器、管路系统、电子元件等。
6-2. 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。
第6章 ANSYS热分析
李达 西南交通大学材料学院
主要内容
1 简介
一、热分析的目的
二、ANSYS的热分析
三、ANSYS热分析分类
四、耦合分析
2 基础知识
一、符号与单位
二、传热学经典理论回顾
三、热传递的方式
四、稳态传热
五、瞬态传热
六、线性与非线性
七、边界条件、初始条件
1、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
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：
[C(T)]{ }+[K(T)]{T}={Q (T)}
7、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：
[C]{ }+[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；
[C]为比热矩阵,考虑系统内能的增加;
{T}为节点温度向量；
{ }为温度对时间的导数;
{Q}为节点热流率向量，包含热生成。
6、线性与非线性
如果有下列情况产生，则为非线性热分析：
Command Family: F GUI ： Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-
Heat Flux
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>-
稳态传热分析
目的：通过学习，介绍稳态传热分析的知 识，以助于大家了解以后的稳态传热分析，并 能对简单的问题进行求解。
1、稳态传热的定义 2、热分析的单元 3、 ANSYS稳态热分析的基本过程 练习
1 稳态传热定义
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。
9-4.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
热分析 基础知识
1、符号与单位 2、传热学经典理论回顾 3、热传递的方式 4、稳态传热 5、瞬态传热 6、线性与非线性 7、边界条件、初始条件 8、热分析误差估计
Command Family: F GUI ： Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-
Heat Flow
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。
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
2 热分析单元
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
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；
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} 。
6、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）：
Thermal-Heat Generat
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
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
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，请参阅 《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。
加载计算
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 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
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程 来描述： qn= h*(TS-TB)，式中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。
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-> Time/Frequenc >Time-Time Step
4、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
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(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
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。
·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。
6-3. 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
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
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
Fra Baidu bibliotek
壳
SHELL57 四节点
Command Family: SF GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-
Convection
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。
温度; 热流率; 热流密度; 对流; 辐射; 绝热; 生热。
8、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。
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。它们之间的净热量 传递可以用斯蒂芬—波尔兹曼方程来计算： q=εσA1F12(T14-T24)，式中q为热流率， ε为辐射率（黑 度）， σ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1的绝对温度，T2为辐射面 2的绝对温度。由上式可以看出，包含热辐射的热分析 是高度非线性的。
BT位U/]sec BTU/sec-ft2 BTU/sec-ft3 BTU/sec-ft-oF BTU/sec-ft2-oF
lbm/ft3 BTU/lbm-oF
BTU/ft3
ANSYS代号
KXX HF DENS C ENTH
2、传热学经典理论回顾
3、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
点
MASS71
有关单元的详细解释，请参阅《ANSYS Element Reference
Guide》
3 热分析基本过程
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
递进或阶越选项：如果定义阶越(stepped)选 项，载荷值在这个载荷步内保持不变；如 果 为 递 进 (ramped) 选 项 ， 则 载 荷 值 由 上 一 载荷步值到本载荷步值随每一子步线性变 化。
八、热分析误差估计
3 稳态传热分析 (1)、稳态传热的定义 (2)、热分析的单元 (3)、ANSYS稳态热分析的基本过程 练习
4 瞬态传热分析 (1)、瞬态传热分析的定义 (2)、瞬态热分析的单元及命令 (3)、ANSYS瞬态热分析的主要步骤
1、建模 2、加载求解 3、后处理
(4)、相变问题 练习
6-1. 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、换热器、管路系统、电子元件等。
6-2. 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。
第6章 ANSYS热分析
李达 西南交通大学材料学院
主要内容
1 简介
一、热分析的目的
二、ANSYS的热分析
三、ANSYS热分析分类
四、耦合分析
2 基础知识
一、符号与单位
二、传热学经典理论回顾
三、热传递的方式
四、稳态传热
五、瞬态传热
六、线性与非线性
七、边界条件、初始条件
1、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
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：
[C(T)]{ }+[K(T)]{T}={Q (T)}
7、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：
[C]{ }+[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；
[C]为比热矩阵,考虑系统内能的增加;
{T}为节点温度向量；
{ }为温度对时间的导数;
{Q}为节点热流率向量，包含热生成。
6、线性与非线性
如果有下列情况产生，则为非线性热分析：
Command Family: F GUI ： Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-
Heat Flux
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>-
稳态传热分析
目的：通过学习，介绍稳态传热分析的知 识，以助于大家了解以后的稳态传热分析，并 能对简单的问题进行求解。
1、稳态传热的定义 2、热分析的单元 3、 ANSYS稳态热分析的基本过程 练习
1 稳态传热定义
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。
9-4.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
热分析 基础知识
1、符号与单位 2、传热学经典理论回顾 3、热传递的方式 4、稳态传热 5、瞬态传热 6、线性与非线性 7、边界条件、初始条件 8、热分析误差估计
Command Family: F GUI ： Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-
Heat Flow
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。
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
2 热分析单元
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
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；
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} 。
6、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）：
Thermal-Heat Generat
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
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