ansys_workbench_热分析讲义

• 本节描述的应用一般都能在ANSYS DesignSpace Entra或更高版本中使用，除了 或更高版本中使用， 本节描述的应用一般都能在 或更高版本中使用 ANSYS Structural • 提示：在 ANSYS 热分析 的培训中包含了包括热瞬态分析的高级分析 提示：
6-2
热分析
稳态热传导基础
6-3
热分析
稳态热传导基础
• 上述方程基于傅里叶定律： 上述方程基于傅里叶定律：
• 固体内部的热流（Fourier’s Law） 是 [K]的基础； 固体内部的热流（ 的基础； ） 的基础 • 热通量、热流率、以及对流 在{Q} 为边界条件； 热通量、热流率、 为边界条件； • 对流被处理成边界条件，虽然对流换热系数可能与温度相关 对流被处理成边界条件，
Training Manual
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热分析
… 求解模型
Training Manual
• 为了实现热应力求解，需要在求解时把结构分析关联到热模型上。 为了实现热应力求解，需要在求解时把结构分析关联到热模型上。 • 在Static Structural中插入了一个 中插入了一个imported load分支，并同时导入了施 分支， 中插入了一个 分支 加的结构载荷和约束。 加的结构载荷和约束。
– 可以删除原来面上施加的边界条件
• 热通量： 热通量：
– 热通量只能施加在面上（二维情况时只能施加在边上） 热通量只能施加在面上（二维情况时只能施加在边上） – 它的单位是能量比上时间在除以面积（ energy/time/area） 它的单位是能量比上时间在除以面积（ ）
• 热生成： 热生成：
– 内部热生成只能施加在实体上 – 它的单位是能量比上时间在除以体积（energy/time/volume） 它的单位是能量比上时间在除以体积（ ）
– 在细节窗口，为每个接触域指定 在细节窗口，为每个接触域指定TCC输入值 输入值 – 如果已知接触热阻，那么它的相反数除以接触面积就可得到TCC值 如果已知接触热阻，那么它的相反数除以接触面积就可得到 值
在接触界面上， 在接触界面上，可以像接触热阻一样 输入接触热传导
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热分析
… 组件 点焊 组件-点焊
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热分析
D. 求解选项
• 从Workbench toolbox插入 插入Steady-State Thermal将在 插入 将在 project schematic里建立一个 SS Thermal system （ 里建立一个 SS热分析） 热分析） 热分析 • 在Mechanical 里，可以使用 可以使用Analysis Settings 为热分 析设置求解选项。 析设置求解选项。 – 注意，第四章的静态分析中的 注意，第四章的静态分析中的Analysis Data Management选项在这里也可以使用。 选项在这里也可以使用。 选项在这里也可以使用
Training Manual
• 对于一个稳态热分析的模拟，温度矩阵{T}通过下面的矩阵方程解得： 对于一个稳态热分析的模拟，温度矩阵 通过下面的矩阵方程解得 通过下面的矩阵方程解得：
[K(T)]{T} = {Q(T)}
• 假设： 假设：
– 在稳态分析中不考虑瞬态影响 – [K] 可以是一个常量或是温度的函数 – {Q}可以是一个常量或是温度的函数 可以是一个常量或是温度的函数
Training Manual
• 壳体和线体假设： 壳体和线体假设：
– 壳体：没有厚度方向上的温度梯度 壳体： – 线体：没有厚度变化，假设在截面上是一个常量温度 线体：没有厚度变化，
• 但在线实体的轴向仍有温度变化
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热分析
… 材料特性
• 唯一需要的材料特性是导热性（Thermal Conductivity） 唯一需要的材料特性是导热性（ ）
正的热载荷会增加系统的能量。 正的热载荷会增加系统的能量。
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热分析
… 热边界条件
温度、对流、辐射： 温度、对流、辐射：
Training Manual
• 至少应存在一种类型的热边界条件，否则，如果热量将源源不断地输入到系统中，稳 至少应存在一种类型的热边界条件，否则， 如果热量将源源不断地输入到系统中， 态时的温度将会达到无穷大。 态时的温度将会达到无穷大。 • 另外，给定的温度或对流载荷不能施加到已施加了某种热载荷或热边界条件的表面上 另外， 。 • 完全绝热条件将忽略其它的热边界条件
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热分析
… 组件 接触区域 组件-接触区域
• 如果接触是 如果接触是Bonded（绑定的）或no （绑定的） separation（无分离的），那么当面出现在 ），那么当面出现在 （无分离的）， pinball radius内时就会发生热传导（绿色实线 内时就会发生热传导（ 内时就会发生热传导 表示）。 表示）。
q = TCC ⋅ (Ttarget −Tcontact )
– 式中 contact 是一个接触节点上的温度， Ttarget 是对应目标节点上的温度 式中T 是一个接触节点上的温度， – 默认情况下，基于模型中定义的最大材料导热性KXX和整个几何边界框的对角 默认情况下，基于模型中定义的最大材料导热性 和整个几何边界框的对角 被赋以一个相对较大的值。 线ASMDIAG， TCC 被赋以一个相对较大的值。 ，
• Spotweld（点焊）提供了离散的热传导点： （点焊）提供了离散的热传导点：
Training Manual
– Spotweld在CAD软件中进行定义（目前只有 在 软件中进行定义（ 软件中进行定义 目前只有DesignModeler和Unigraphics可 和 可 用） 。
T2
T1
6-13
热分析
– 求解结构
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热分析
E. 结果和后处理
• 后处理可以处理各种结果： 后处理可以处理各种结果：
Training Manual
• 在模拟时，记住这些假设对热分析是很重要的。 在模拟时，记住这些假设对热分析是很重要的。
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热分析
A. 几何模型
• 热分析里所有实体类都被约束： 热分析里所有实体类都被约束：
– 体、面、线
• 线实体的截面和轴向在 DesignModeler中定义 中定义 • 热分析里不可以使用点质量（Point Mass）的特性 热分析里不可以使用点质量（ ）
q = hA(Tsurface −Tambient )
– “h” 和 “Tambient” 是用户指定的值 – 导热膜系数 h 可以是常量或是温度的函数
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热分析
…热边界条件 热边界条件
• 与温度相关的对流： 与温度相关的对流：
– 为系数类型选择 为系数类型选择Tabular (Temperature) – 输入对流换热系数 温度表格数据 输入对流换热系数-温度表格数据 – 在细节窗口中，为h(T)指定温度的处理 在细节窗口中， 指定温度的处理 方式
• 对于结构分析，接触域是自动生成的，用于激活各部件间的热传导 对于结构分析，接触域是自动生成的，
Training Manual
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热分析
… 组件 接触区域 组件-接触区域
Training Manual
– 如果部件间初始就已经接触，那么就会出现热传导。 如果部件间初始就已经接触，那么就会出现热传导。 – 如果部件间初始就没有接触，那么就不会发生热传导（见下面对 如果部件间初始就没有接触，那么就不会发生热传导（见下面对pinball的解释 的解释 ）。 – 总结： 总结：
• 给定温度： 给定温度：
– 给点、边、面或体上指定一个温度 给点、 – 温度是需要求解的自由度
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热分析
…热边界条件 热边界条件
• 对流： 对流：
Training Manual
– 只能施加在面上（二维分析时只能施加在边上） 只能施加在面上（二维分析时只能施加在边上） – 对流q 由导热膜系数 h，面积 A，以及表面温度 surface与环境温度 ambient的差值 与环境温度T 对流 ， ，以及表面温度T 来定义。 来定义。
Training Manual
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热分析
…热边界条件 热边界条件
Training Manual
• 几种常见的对流系数可以从一个样本文件中导入。新的对流系数可以保存 几种常见的对流系数可以从一个样本文件中导入。 在文件中。 在文件中。
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热分析
…热边界条件 热边界条件
Βιβλιοθήκη Baidu• 辐射 辐射:
– 施加在面上 （二维分析施加在边上） 二维分析施加在边上）
Heat Transfer Between Parts in Contact Region? Initially Touching Inside Pinball Region Outside Pinball Region Yes Yes No Yes Yes No Yes No No Yes No No Yes No No
Workbench - Mechanical Introduction
第六章 热分析
6-1
热分析
概念
• 本章练习稳态热分析的模拟，包括： 本章练习稳态热分析的模拟，包括：
A. 几何模型 B. 组件 实体接触 组件-实体接触 C. 热载荷 D. 求解选项 E. 结果和后处理 F. 作业 6.1
Training Manual
4 4 QR = σεFA Tsurface −Tambient
Training Manual
(
)
– 式中： 式中：
• σ =斯蒂芬一玻尔兹曼常数
• ε = 放射率 • A = 辐射面面积 • F = 形状系数 （默认是 ） 默认是1）
– 只针对环境辐射，不存在于面面之间（形状系数假设为 ） 只针对环境辐射，不存在于面面之间（形状系数假设为1） – 斯蒂芬一玻尔兹曼常数自动以工作单位制系统确定
– – – – – – – – 表面光滑度 表面粗糙度 氧化物 包埋液 接触压力 表面温度 使用导电脂 ....
∆T
T x
• 接着 接着……
6-10
热分析
… 组件 导热率 组件-导热率
– 穿过接触界面的热流速，由接触热通量q决定： 穿过接触界面的热流速，由接触热通量 决定 决定：
Training Manual
TCC = KXX ⋅10,000 / ASMDIAG
– 这实质上为部件间提供了一个完美接触传导
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热分析
… 组件 导热率 组件-导热率
Training Manual
• 在ANSYS Professional 或更高版本，用户可以为纯罚函数和增广拉格朗日 或更高版本， 方程定义一个有限热接触传导（ 方程定义一个有限热接触传导（TCC）。 ）。
Training Manual
Pinball Radius
右图中， 右图中，两部件间的间距大于 pinball区域，因此在这两个部件间 区域， 区域 会发生热传导。 会发生热传导。
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热分析
… 组件 导热率 组件-导热率
Training Manual
• 默认情况下，假设部件间是完美的热接触传导， 意味着界面上不会发生温 默认情况下，假设部件间是完美的热接触传导， 度降 • 实际情况下，有些条件削弱了完美的热接触传导： 实际情况下，有些条件削弱了完美的热接触传导：
C. 热载荷
• 热流量： 热流量：
– 热流速可以施加在点、边或面上。它分布在多个选择域上。 热流速可以施加在点、边或面上。它分布在多个选择域上。 – 它的单位是能量比上时间（ energy/time） 它的单位是能量比上时间（ ）
Training Manual
• 完全绝热（热流量为0）： 完全绝热（热流量为 ）：
Training Manual
• Thermal Conductivity 在 Engineering Data 中输 入
• 温度相关的导热性以表格 形式输入
若存在任何的温度相关的材料特性，就将导致非线性求解。 若存在任何的温度相关的材料特性，就将导致非线性求解。
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热分析
B. 组件 实体接触 组件-实体接触
Contact Type Bonded No Separation Rough Frictionless Frictional
– Pinball区域决定了什么时候发生接触，并且是自动定义的，同时还给了一个相 区域决定了什么时候发生接触，并且是自动定义的， 区域决定了什么时候发生接触 对较小的值来适应模型里的小间距。 对较小的值来适应模型里的小间距。