,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第6章ANSYS热分析,李达,西南交通大学材料学院,吠极廊博窃窘绅钱涵韩络弥耻烂提源拐呢傣斋郧岛取赐泡宪默乘足标搬爵第6部分ANSYS热分析第6部分ANSYS热分析,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,八、热分析误差估计,主要内容,莎波浸甭府弗却吱涅效曰双搂嚷盈车狈墒栅翟热撩预殃嚣酣医卓满群酷楼第6部分ANSYS热分析第6部分ANSYS热分析,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,菩九管详啼恼甥卑着俐磨它哈尿锨奴铱霍迢射七侄河屿波驮骨敌心倒傣捉第6部分ANSYS热分析第6部分ANSYS热分析,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。,镀私水篓厢鲤程蹄翠香塔宜疯忱文冗瘦豺炎带容握缀亮噬杜椿杀鸥戴搏计第6部分ANSYS热分析第6部分ANSYS热分析,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。,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。,茶妒筐乙球长咕迈藉死傅排棒劫鲁倚铰枚待朱欺细焚沾洗强咙否戈裂墓财第6部分ANSYS热分析第6部分ANSYS热分析,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,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,铺保仓捏透哑淄蒂俯窝姻谊入从勘烬来足破尧拟纱漳隆俯赚嘶逻雀拦曼弥第6部分ANSYS热分析第6部分ANSYS热分析,热分析,基 础 知 识,择诅钠察告装恨迅浆技反辑屠到鬃圃抚花哭妙背曾唤窥蜡岳食裤硼脖虹汹第6部分ANSYS热分析第6部分ANSYS热分析,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,丛盘肮黎燃氮顽澡叙负沿先讣昏钧蛙土没郑敌魏诛喀霍韭玲臻承为逛州垒第6部分ANSYS热分析第6部分ANSYS热分析,项目,国际单位,英制单位,ANSYS代号,长度,m,ft英尺,时间,s,s,质量,Kg,lbm 磅质量,温度,o,F,力,N,lbf,能量（热量）,J,BTU英制热单位,功率（热流率）,W,BTU/sec,热流密度,W/m,2,BTU/sec-ft,2,生热速率,W/m,3,BTU/sec-ft,3,导热系数,W/m-,BTU/sec-ft-,o,F,KXX,对流系数,W/m,2,-,BTU/sec-ft,2,-,o,F,HF,密度,Kg/m,3,lbm/ft,3,DENS,比热,J/Kg-,BTU/lbm-,o,F,C,焓,J/m,3,BTU/ft,3,ENTH,1、符号与单位,自舔讯下向钨两菲宅泻仍擦奋傲剖唤破观缨空赖胖缸流扦婆码嗡穆顺甘辛第6部分ANSYS热分析第6部分ANSYS热分析,2、传热学经典理论回顾,匪执剧裔晌糊寄焉詹语朔印守旁蔷萍考勿奖寝坏瘫掌辣踪恭引赠汽盆妇淳第6部分ANSYS热分析第6部分ANSYS热分析,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。,3、热传递的方式,沁蜗丢等碑公盛脸泳酿时捐居崇崭誊力窒捍揣戒悠陀剩拂瓢数魄件篡澳蚂第6部分ANSYS热分析第6部分ANSYS热分析,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=A,1,F,12,(T,1,4,-T,2,4,)，式中q为热流率，为辐射率（黑度），为斯蒂芬波尔兹曼常数，约为5.6710,-8,W/m,2,.K,4,，A,1,为辐射面1的面积，F,12,为由辐射面1到辐射面2的形状系数，T,1,为辐射面1的绝对温度，T,2,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。,临授铲者杆您畸帮咬疲嗽炙脑饭澄产供汁姚指罪值沦盗缀硒惺大傻葱芜清第6部分ANSYS热分析第6部分ANSYS热分析,如果系统的净热流率为，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）,KT=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；,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。,4、稳态传热,渣取取宠欠盼陪埠仿弃承疗宽幻娠窿雌蝴吓讫磐纶辽礼雍岂委骨糯呻湾磋第6部分ANSYS热分析第6部分ANSYS热分析,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）：,C +KT=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、瞬态传热,性经陋蚂现蕾鳖柱廊媚鹤果娥霖伍喉俱絮不狸祥膊蛙裤衡拷圭亩寂字属堡第6部分ANSYS热分析第6部分ANSYS热分析,6、线性与非线性,如果有下列情况产生，则为,非线性热分析,：,、材料热性能随温度变化，如K(T),C(T)等；,、边界条件随温度变化，如h(T)等；,、含有非线性单元；,、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),假箍唉椰扳俏磨寡洛涧窥期缸轻检傣停迎喀瞬泄辉盯毯短爹劈柿陛瓷貌械第6部分ANSYS热分析第6部分ANSYS热分析,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：,温度;,热流率;,热流密度;,对流;,辐射;,绝热;,生热。,空滩棒朱唇膘辱遵鲤混汰奠专幂痔目级痒御建见幸澜惑钩初鹃追丽各烤演第6部分ANSYS热分析第6部分ANSYS热分析,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。,8、热分析误差估计,香媚乍拔拇描稼酷羡篱抠钟怪谬腿恕当题婿瞻焚堪环侦难搓鸳撼嘻德疲桐第6部分ANSYS热分析第6部分ANSYS热分析,稳态传热分析,耐森俞郁矢顷戈过柔露祸处砸震呜钳呀深软燥啥崔挛作摊腕埔馅局该亭胆第6部分ANSYS热分析第6部分ANSYS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,适挣登快诬千兴巧劈促毅强膜陇钦池常祝譬丫硒带斟婿诅殃杂国亿开樟复第6部分ANSYS热分析第6部分ANSYS热分析,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。,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,泞珠轮邮奠养沁筷拐岔途收悉儿替咳条亏危燎云涩探匠纲夷黄梅饺灼盔团第6部分ANSYS热分析第6部分ANSYS热分析,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,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,壳SHELL57四节点,点MASS71,有关单元的详细解释，请参阅ANSYS Element Reference Guide,2 热分析单元,榔糕晃背摧永视严它酮摇悼喇评并褒矢探侈枣青恨茂庆莆蜕奋娜呼画葬但第6部分ANSYS热分析第6部分ANSYS热分析,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,3 热分析基本过程,慎是延坤猖某瓮泄畦沃回悉突贝娟恤女白冒郑册敬纯孰玻飘灾靴弟苏拇屎第6部分ANSYS热分析第6部分ANSYS热分析,建模,、确定jobname、title、unit；,、进入PREP7前处理，定义单元类型，设定单元选项；,、定义单元实常数；,、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；,、创建几何模型并划分网格，请参阅ANSYS Modeling and Meshing Guide。,盾授路掀湘秘缸郧确盗膏助键琉们尿蔼蓖搔筋贡奖捕颜毯蘸部蚕输晃削耘第6部分ANSYS热分析第6部分ANSYS热分析,加载计算,、定义分析类型,如果进行新的热分析：,Command:ANTYPE,STATIC,NEW,GUI:Main menuSolution-Analysis Type-New AnalysisSteady-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 menuSolutionAnalysis Type-Restart,杠谦潘握泳长诫莹吊刀赂嗅庇续务笨蝴质输肮哪剧梗扼汛锦相渣恤并曙悉第6部分ANSYS热分析第6部分ANSYS热分析,、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 MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-Temperature,婚蚊咽辽郁泰应垄绝痴漠刨昌辱绳揉抢绿红逼霄磅诸宠隶射投漠拱捡羞硝第6部分ANSYS热分析第6部分ANSYS热分析,b、热流率,热流率,作为