有限元分析-热分析资料

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
7.1 有限元技术在热分析中的应用
主要讲授三方面内容：
➢ ANSYS热分析基础知识简介 ➢ 稳态热分析实例 ➢ 瞬态热分析实例
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：
➢ ANSYS/Multiphysics ➢ ANSYS/Mechanical ➢ ANSYS/Thermal ➢ ANSYS/FLOTRAN ➢ ANSYS/ED
其中，ANSYS/FLOTRAN不含相变热分析。
源自文库
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。
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。
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；
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：
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。
（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。
（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。
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。
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。
（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。
从上式可以看出，包含热辐射的热分析是 高度非线性的。
（4）比热容（Specific Heat）：是指单位质量的 物质每升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的 热量，简称比热，其单位为J/(Kg.℃)。其计算 公式为： C=Q/（m.△T） 式中：△T= TE-TB，为TE为终止时刻温度；TB 为开始时刻温度；Q为该时间段内物体吸收或 放出的总热量；m为质量。