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1、No Boundaries ANSYS熱分析指南 第一章 簡 介 一、熱分析的目的 　　熱分析用于計算一個系統(tǒng)或部件的溫度分布及其它熱物理參數(shù)，如熱量的獲取或損失、熱梯度、熱流密度（熱通量〕等。 　　熱分析在許多工程應用中扮演重要角色，如內(nèi)燃機、渦輪機、換熱器、管路系統(tǒng)、電子元件等。 二、ANSYS的熱分析 在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五種產(chǎn)品中包含熱分析功能,其中ANSYS/FLOTRAN不含相變熱分析。 ANSYS熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限

2、元法計算各節(jié)點的溫度，并導出其它熱物理參數(shù)。 ANSYS熱分析包括熱傳導、熱對流及熱輻射三種熱傳遞方式。此外，還可以分析相變、有內(nèi)熱源、接觸熱阻等問題。 三、ANSYS 熱分析分類 穩(wěn)態(tài)傳熱：系統(tǒng)的溫度場不隨時間變化 瞬態(tài)傳熱：系統(tǒng)的溫度場隨時間明顯變化 四、耦合分析 熱－結構耦合 熱－流體耦合 熱－電耦合 熱－磁耦合 熱－電－磁－結構耦合等 第二章 基礎知識 一、符號與單位 項目 國際單位 英制單位 ANSYS代號 長度 m ft 時間 s s 質(zhì)量 Kg lbm 溫度 ℃ oF 力 N lbf

3、 能量（熱量） J BTU 功率（熱流率） W BTU/sec 熱流密度 W/m2 BTU/sec-ft2 生熱速率 W/m3 BTU/sec-ft3 導熱系數(shù) W/m-℃ BTU/sec-ft-oF KXX 對流系數(shù) W/m2-℃ BTU/sec-ft2-oF HF 密度 Kg/m3 lbm/ft3 DENS 比熱 J/Kg-℃ BTU/lbm-oF C 焓 J/m3 BTU/ft3 ENTH 二、傳熱學經(jīng)典理論回顧 熱分析遵循熱力學第一定律，即能量守恒定律: l 對于一個封閉的系統(tǒng)（沒有質(zhì)量的流入

4、或流出〕 式中: Q —— 熱量; W —— 作功; ——系統(tǒng)內(nèi)能; ——系統(tǒng)動能； ——系統(tǒng)勢能； l 對于大多數(shù)工程傳熱問題：； l 通?？紤]沒有做功：, 則：； l 對于穩(wěn)態(tài)熱分析：，即流入系統(tǒng)的熱量等于流出的熱量； l 對于瞬態(tài)熱分析：，即流入或流出的熱傳遞速率q等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化。 三、熱傳遞的方式 1、熱傳導 　　熱傳導可以定義為完全接觸的兩個物體之間或一個物體的不同部分之間由于溫度梯度而引起的內(nèi)能的交換。熱傳導遵循付里葉定律：，式中為熱流密度（W/m2），為導熱系數(shù)（W/m-℃），“-”表示熱量流向溫度降低的方向。 2、熱對流 　　熱對流是指固體

5、的表面與它周圍接觸的流體之間，由于溫差的存在引起的熱量的交換。熱對流可以分為兩類：自然對流和強制對流。熱對流用牛頓冷卻方程來描述：，式中h為對流換熱系數(shù)（或稱膜傳熱系數(shù)、給熱系數(shù)、膜系數(shù)等），為固體表面的溫度，為周圍流體的溫度。 3、熱輻射 熱輻射指物體發(fā)射電磁能，并被其它物體吸收轉變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過程。物體溫度越高，單位時間輻射的熱量越多。熱傳導和熱對流都需要有傳熱介質(zhì)，而熱輻射無須任何介質(zhì)。實質(zhì)上，在真空中的熱輻射效率最高。 在工程中通?？紤]兩個或兩個以上物體之間的輻射，系統(tǒng)中每個物體同時輻射并吸收熱量。它們之間的凈熱量傳遞可以用斯蒂芬—波爾茲曼方程來計算：，式中為熱流率，為輻射率（

6、黑度），為斯蒂芬－波爾茲曼常數(shù)，約為5.6710-8W/m2.K4，A1為輻射面1的面積，為由輻射面1到輻射面2的形狀系數(shù)，為輻射面1的絕對溫度，為輻射面2的絕對溫度。由上式可以看出，包含熱輻射的熱分析是高度非線性的。 四、穩(wěn)態(tài)傳熱 　　如果系統(tǒng)的凈熱流率為０，即流入系統(tǒng)的熱量加上系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱量等于流出系統(tǒng)的熱量：q流入+q生成-q流出=0，則系統(tǒng)處于熱穩(wěn)態(tài)。在穩(wěn)態(tài)熱分析中任一節(jié)點的溫度不隨時間變化。穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程為（以矩陣形式表示） 　　 式中：為傳導矩陣，包含導熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)； 為節(jié)點溫度向量； 為節(jié)點熱流率向量，包含熱生成； 　　ANS

7、YS利用模型幾何參數(shù)、材料熱性能參數(shù)以及所施加的邊界條件，生成、以及。 五、瞬態(tài)傳熱 　　瞬態(tài)傳熱過程是指一個系統(tǒng)的加熱或冷卻過程。在這個過程中系統(tǒng)的溫度、熱流率、熱邊界條件以及系統(tǒng)內(nèi)能隨時間都有明顯變化。根據(jù)能量守恒原理，瞬態(tài)熱平衡可以表達為（以矩陣形式表示）： 式中: 為傳導矩陣，包含導熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)； 為比熱矩陣,考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加; 為節(jié)點溫度向量； 為溫度對時間的導數(shù); 為節(jié)點熱流率向量，包含熱生成。 六、線性與非線性 　　如果有下列情況產(chǎn)生，則為非線性熱分析： ①、材料熱性能隨溫度變化，如K(T),C(T)等； ②、邊界條件隨溫

8、度變化，如h(T)等； ③、含有非線性單元； 4、 考慮輻射傳熱 非線性熱分析的熱平衡矩陣方程為： 七、邊界條件、初始條件 ANSYS熱分析的邊界條件或初始條件可分為七種：溫度、熱流率、熱流密度、對流、輻射、絕熱、生熱。 八、熱分析誤差估計 僅用于評估由于網(wǎng)格密度不夠帶來的誤差； 僅適用于SOLID或SHELL的熱單元（只有溫度一個自由度）； 基于單元邊界的熱流密度的不連續(xù)； 僅對一種材料、線性、穩(wěn)態(tài)熱分析有效； 使用自適應網(wǎng)格劃分可以對誤差進行控制。 第三章　穩(wěn)態(tài)傳熱分析 一、穩(wěn)態(tài)傳熱的定義 　　穩(wěn)態(tài)傳熱用于分析穩(wěn)定的熱載荷對系統(tǒng)或部件的影響。通常

9、在進行瞬態(tài)熱分析以前，進行穩(wěn)態(tài)熱分析用于確定初始溫度分布。 　　穩(wěn)態(tài)熱分析可以通過有限元計算確定由于穩(wěn)定的熱載荷引起的溫度、熱梯度、熱流率、熱流密度等參數(shù) 二、熱分析的單元 　　熱分析涉及到的單元有大約40種，其中純粹用于熱分析的有14種： 線性： LINK32 兩維二節(jié)點熱傳導單元 LINK33 三維二節(jié)點熱傳導單元 LINK34 二節(jié)點熱對流單元 LINK31 二節(jié)點熱輻射單元 二維實體： PLANE55 四節(jié)點四邊形單元 PLANE77 八節(jié)點四邊形單元 PLANE35 三節(jié)點三角形單元 PLANE75 四節(jié)點軸對稱單元 P

10、LANE78 八節(jié)點軸對稱單元 三維實體 SOLID87 六節(jié)點四面體單元 SOLID70 八節(jié)點六面體單元 SOLID90 二十節(jié)點六面體單元 殼 SHELL57 四節(jié)點 點 MASS71 　　有關單元的詳細解釋，請參閱《ANSYS Element Reference Guide》 三、ANSYS穩(wěn)態(tài)熱分析的基本過程 　　ANSYS熱分析可分為三個步驟： 前處理： 建模 求解： 施加載荷計算 后處理： 查看結果 1、建模 ①、確定jobname、title、unit； ②、進入PREP7前處理，定義單元類型，設定單元選項； ③、定義

11、單元實常數(shù)； ④、定義材料熱性能參數(shù)，對于穩(wěn)態(tài)傳熱，一般只需定義導熱系數(shù)，它可以是恒定的，也可以隨溫度變化； ⑤、創(chuàng)建幾何模型并劃分網(wǎng)格，請參閱《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。 2、施加載荷計算 1、 定義分析類型 l 如果進行新的熱分析： Command: ANTYPE, STATIC, NEW GUI: Main menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis>Steady-state l 如果繼續(xù)上一次分析，比如增加邊界條件等： Command: ANTYPE, STATIC, REST GU

12、I: Main menu>Solution>Analysis Type->Restart 2、 施加載荷 　　可以直接在實體模型或單元模型上施加五種載荷(邊界條件) ： a、恒定的溫度 　　通常作為自由度約束施加于溫度已知的邊界上。 Command Family:　D GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Temperature b、熱流率 　　熱流率作為節(jié)點集中載荷，主要用于線單元模型中(通常線單元模型不能施加對流或熱流密度載荷)，如果輸入的值為正，代表熱流流入節(jié)點，即單元獲取熱量。如果溫度與熱流率同時施加在一節(jié)點上則ANS

13、YS讀取溫度值進行計算。 注意：如果在實體單元的某一節(jié)點上施加熱流率，則此節(jié)點周圍的單元要密一些，在兩種導熱系數(shù)差別很大的兩個單元的公共節(jié)點上施加熱流率時，尤其要注意。此外，盡可能使用熱生成或熱流密度邊界條件，這樣結果會更精確些。 Command Family: F GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Flow c、對流 　　對流邊界條件作為面載施加于實體的外表面，計算與流體的熱交換，它僅可施加于實體和殼模型上，對于線模型，可以通過對流線單元LINK34考慮對流。 Command Family: SF GUI：Mai

14、n Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Convection d、熱流密度 　　熱流密度也是一種面載。當通過單位面積的熱流率已知或通過FLOTRAN CFD計算得到時，可以在模型相應的外表面施加熱流密度。如果輸入的值為正，代表熱流流入單元。熱流密度也僅適用于實體和殼單元。熱流密度與對流可以施加在同一外表面，但ANSYS僅讀取最后施加的面載進行計算。 Command Family: F GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Flux e、生熱率 　　生熱率作為體載施加于單元上，可以模擬化

15、學反應生熱或電流生熱。它的單位是單位體積的熱流率。 Command Family: BF GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Generat ③、確定載荷步選項 　　對于一個熱分析，可以確定普通選項、非線性選項以及輸出控制。 a. 普通選項 時間選項：雖然對于穩(wěn)態(tài)熱分析，時間選項并沒有實際的物理意義，但它提供了一個方便的設置載荷步和載荷子步的方法。 Command: TIME GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time-Time Step/

16、Time and Substps 每載荷步中子步的數(shù)量或時間步大?。簩τ诜蔷€性分析，每一載荷步需要多個子步。 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 遞進或階越選項：如果定義階越(stepped)選項，載荷值在這個載荷步內(nèi)保持不變；如果為遞進(ramped)選項，則載荷值由上

17、一載荷步值到本載荷步值隨每一子步線性變化。 Command: KBC GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time-Time Step/Time and Substps b. 非線性選項 迭代次數(shù)：本選項設置每一子步允許的最多的迭代次數(shù)。默認值為25，對大數(shù)熱分析問題足夠。 Command: NEQIT GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Equilibrium Iter 自動時間步長: 對于非線性問題，可以自動設定子步間載荷的增長，保證求解的

18、穩(wěn)定性和準確性。 Command: AUTOTS GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time-Time Step/Time and Substps 收斂誤差：可根據(jù)溫度、熱流率等檢驗熱分析的收斂性。 Command: CNVTOL GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Convergence Crit 求解結束選項：如果在規(guī)定的迭代次數(shù)內(nèi)，達不到收斂，ANSYS可以停止求解或到下一載荷步繼續(xù)求解。 Command: NCNV GUI: Mai

19、n Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Criteria to Stop 線性搜索：設置本選項可使ANSYS用Newton-Raphson方法進行線性搜索。 Command: LNSRCH GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Line Search 預測矯正：本選項可激活每一子步第一次迭代對自由度求解的預測矯正。 Command: PRED GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Predictor c. 輸出控制

20、 控制打印輸出：本選項可將任何結果數(shù)據(jù)輸出到*.out 文件中。 Command: OUTPR GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Output Ctrls>Solu Printout 控制結果文件：控制*.rth的內(nèi)容。 Command: OUTRES GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Output Ctrls>DB/Results File ④、確定分析選項 a. Newton-Raphson選項（僅對非線性分析有用） Command: NROPT GUI: Main M

21、enu>Solution>Analysis Options b. 選擇求解器：可選擇如下求解器中一個進行求解： Frontal solver(默認） Jacobi Conjugate Gradient(JCG) solver JCG out-of-memory solver Incomplete Cholesky Conjugate Gradient(ICCG) solver Pre-Conditioned Conjugate Gradient Solver(PCG) Iterative(automatic solver selection option) Com

22、mand: EQSLV GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options 注意：熱分析可選用Iterative選項進行快速求解，但如下情況除外： 熱分析包含SURF19或SURF22或超單元； 熱輻射分析； 相變分析 需要restart an analysis c. 確定絕對零度：在進行熱輻射分析時，要將目前的溫度值換算為絕對溫度。如果使用的溫度單位是攝氏度，此值應設定為273；如果使用的是華氏度，則為460。 Command: TOFFST GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options 5、

23、保存模型: 點擊ANSYS工具條SAVE_DB。 ⑥、求解 Command: SOLVE GUI: Main Menu>Solution>Current LS 3、后處理 　　ANSYS將熱分析的結果寫入*.rth文件中，它包含如下數(shù)據(jù)： 　　基本數(shù)據(jù)： 節(jié)點溫度 　　導出數(shù)據(jù)： 節(jié)點及單元的熱流密度 節(jié)點及單元的熱梯度 單元熱流率 節(jié)點的反作用熱流率 其它 　　對于穩(wěn)態(tài)熱分析，可以使用POST1進行后處理，關于后處理的完整描述，可參閱《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》。 　　進入POST1后，讀入載荷步和子

24、步： Command: SET GUI: Main Menu>General Postproc>-Read Results-By Load Step 　　可以通過如下三種方式查看結果： 彩色云圖顯示 Command: PLNSOL, PLESOL, PLETAB等 GUI: Main Menu>General Postproc>Plot Results>Nodal Solu, Element Solu, Elem Table 矢量圖顯示 Command: PLVECT GUI: Main Menu>General Postproc>Plot Results>Pre-de

25、fined or Userdefined 列表顯示 Command: PRNSOL, PRESOL, PRRSOL等 GUI: Main Menu>General Postproc>List Results>Nodal Solu, Element Solu, Reaction Solu 　　詳細過程請參閱《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》。 實例1： 　　某一潛水艇可以簡化為一圓筒，它由三層組成，最外面一層為不銹鋼，中間為玻纖隔熱層，最里面為鋁層，筒內(nèi)為空氣，筒外為海水，求內(nèi)外壁面溫度及溫度分布。 幾何參數(shù)： 筒外徑 30 feet

26、 總壁厚 2 inch 不銹鋼層壁厚 0.75 inch 玻纖層壁厚 1 inch 鋁層壁厚 0.25 inch 筒長 200 feet 導熱系數(shù) 不銹鋼 8.27 BTU/hr.ft.oF 玻纖 0.028 BTU/hr.ft.oF 鋁 117.4 BTU/hr.ft.oF 邊界條件 空氣溫度 70 oF 海水溫度 44.5 oF 空氣對流系數(shù) 2.5 BTU/hr.ft2.oF 海水對流系數(shù) 80 BTU/hr.ft2.oF 　　沿垂直于圓筒軸線作橫截面，得到一圓環(huán)，取其中1度進行分析,如圖示。

27、 以下分別列出log文件和菜單文件。 /filename, Steady1 /title, Steady-state thermal analysis of submarine /units, BFT Ro=15 !外徑(ft) Rss=15-(0.75/12) !不銹鋼層內(nèi)徑ft) Rins=15-(1.75/12) !玻璃纖維層內(nèi)徑(ft) Ral=15-(2/12) !鋁層內(nèi)徑 (ft) Tair=70 !潛水艇內(nèi)空氣溫度 Tsea=44.5 !海水溫度 Kss=8.27 !不銹鋼的導熱系數(shù) (BTU/hr.ft.oF) Kins

28、=0.028 !玻璃纖維的導熱系數(shù) (BTU/hr.ft.oF) Kal=117.4 !鋁的導熱系數(shù)(BTU/hr.ft.oF) Hair=2.5 !空氣的對流系數(shù)(BTU/hr.ft2.oF) Hsea=80 !海水的對流系數(shù)(BTU/hr.ft2.oF) /prep7 et,1,plane55 !定義二維熱單元 mp,kxx,1,Kss !設定不銹鋼的導熱系數(shù) mp,kxx,2,Kins !設定玻璃纖維的導熱系數(shù) mp,kxx,3,Kal !設定鋁的導熱系數(shù) pcirc,Ro,Rss,-0.5,0.5 !創(chuàng)建幾何模型 pcir

29、c,Rss,Rins,-0.5,0.5 pcirc,Rins,Ral,-0.5,0.5 aglue,all numcmp,area lesize,1,,,16 !設定劃分網(wǎng)格密度 lesize,4,,,4 lesize,14,,,5 lesize,16,,,2 eshape,2 !設定為映射網(wǎng)格劃分 mat,1 amesh,1 mat,2 amesh,2 mat,3 amesh,3 /SOLU SFL,11,CONV,HAIR,,TAIR !施加空氣對流邊界 SFL,1,CONV,HSEA,,TSEA !施加海水對流邊界 SOLVE

30、/POST1 PLNSOL ！輸出溫度彩色云圖 finish 菜單操作: 1. Utility Menu>File>change jobename, 輸入Steady1； 2. Utility Menu>File>change title,輸入Steady-state thermal analysis of submarine； 3. 在命令行輸入:/units, BFT； 4. Main Menu: Preprocessor； 5. Main Menu: Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete,選擇PLANE55； 6.

31、Main Menu: Preprocessor>Material Prop>-Constant-Isotropic,默認材料編號為1,在KXX框中輸入8.27,選擇APPLY,輸入材料編號為2,在KXX框中輸入0.028,選擇APPLY,輸入材料編號為3,在KXX框中輸入117.4； 7. Main Menu: Preprocessor>-Modeling->Create>-Areas-Circle>By Dimensions ,在RAD1中輸入15,在RAD2中輸入15-(.75/12),在THERA1中輸入-0.5,在THERA2中輸入0.5,選擇APPLY,在RAD1中輸入15-(.7

32、5/12),在RAD2中輸入15-(1.75/12),選擇APPLY,在RAD1中輸入15-(1.75/12),在RAD2中輸入15-2/12,選擇OK； 8. Main Menu: Preprocessor>-Modeling->Operate>-Booleane->Glue>Area,選擇PICK ALL； 9. Main Menu: Preprocessor>-Meshing-Size Contrls>-Lines-Picked Lines,選擇不銹鋼層短邊,在NDIV框中輸入4,選擇APPLY,選擇玻璃纖維層的短邊,在NDIV框中輸入5,選擇APPLY,選擇鋁層的短邊,在NDIV框

33、中輸入2,選擇APPLY,選擇四個長邊,在NDIV中輸入16； 10. Main Menu: Preprocessor>-Attributes-Define>Picked Area,選擇不銹鋼層,在MAT框中輸入1,選擇APPLY,選擇玻璃纖維層,在MAT框中輸入2,選擇APPLY,選擇鋁層,在MAT框中輸入3,選擇OK； 11. Main Menu: Preprocessor>-Meshing-Mesh>-Areas-Mapped>3 or 4 sided,選擇PICK ALL； 12. Main Menu: Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Convect

34、ion>On lines,選擇不銹鋼外壁,在VALI框中輸入80,在VAL2I框中輸入44.5,選擇APPLY,選擇鋁層內(nèi)壁,在VALI框中輸入2.5,在VAL2I框中輸入70,選擇OK； 13. Main Menu: Solution>-Solve-Current LS； 14. Main Menu: General Postproc>Plot Results>-Contour Plot-Nodal Solu,選擇Temperature。 實例2 一圓筒形的罐有一接管,罐外徑為3英尺，壁厚為0.2英尺，接管外徑為0.5英尺，壁厚為0.1英尺，罐與接管的軸線垂直且接管遠離罐的端部。

35、如圖所示： 罐內(nèi)流體溫度為華氏450度,與罐壁的對流換熱系數(shù)年為250BUT/hr-ft2-oF,接管內(nèi)流體的溫度為華氏100度,與管壁的對流換熱系數(shù)隨管壁溫度而變。接管與罐為同一種材料，它的熱物理性能如下表所示： 溫度 70 200 300 400 500 oF 密度 0.285 0.285 0.285 0.285 0.285 lbm/in3 導熱系數(shù) 8.35 8.90 9.35 9.8 10.23 Btu/hr-ft-oF 比熱 0.113 0.117 0.119 0.122 0.125 Btu/lbm-oF 對流系數(shù)*

36、426 405 352 275 221 Btu/hr-ft2-oF *接管內(nèi)壁對流系數(shù) 求罐與接管的溫度分布。 以下分別列出LOG文件及菜單操作 /prep7 /title,Steady-state thermal analysis of pipe junction /units,bin ！使用英制單位 et,1,90 ！定義熱單元 mp,dens,1,.285 ！密度 mptemp,,70,200,300,400,500 ！建立溫度表 mpdata,kxx,1,,8.35/12,8.90/12,9.35/12,9.80

37、/12,10.23/12 ！導熱系數(shù) mpdata,c,1,,0.133,0.177,0.119,0.122,0.125 ！比熱 mpdata,hf,2,,426/144,405/144,352/144,275/144,221/144 ！接管對流系數(shù) ！定義幾何模型參數(shù) ri1=1.3 ！罐內(nèi)半徑 ro1=1.5 ！罐外半徑 z1=2 ！罐長 ri2=0.4 ！接管內(nèi)半徑 ro2=0.5 ！接管外半徑 z2=2 ！接管長 ！建立幾何模型 cylind,ri1,ro1,,z1,,90

38、 ！1/4罐體 wprota,0,-90 ！將工作平面旋轉到垂直于接管軸線 cylind,ri2,ro2,,z2,-90 ！1/4接管 wpstyl,defa ！將工作平面恢復到默認狀態(tài) vovlap,1,2 ！進行OVERLAP布爾操作 /pnum,volu,1 ！打開實體編號 /view,,-3,-1,1 ！定義顯示角度 /type,,4 /title, Volumes used in building pipe/tank junction vplot ！顯示實體 vdele,3,4,,1 ！刪除多余實

39、體 ！劃分網(wǎng)格 asel,,loc,z,z1 ！選擇罐上Z=Z1的面 asel,a,loc,y,0 ！添加選擇罐上Y=0的面 cm,aremote,area ！創(chuàng)建名為AREMOTE的面組 /pnum,area,1 /pnum,line,1 /title,lines showing the portion being modeled aplot /noerase lplot /erase accat,all ！組合罐遠端的面及線，為映射劃分網(wǎng) ！格作準備 lccat,12,7 lccat,10,5 lesize,20,,,4

40、 ！在接管壁厚方向分4等分 lesize,40,,,6 ！在接管長度方向分6等分 lesize,6,,,4 ！在罐壁厚方向分4等分 allsel ！選擇EVERYTHING esize,0.4 ！設定默認的單元大小 mshape,0,3d ！選擇3D映射網(wǎng)格 mshkey,1 save ！保存數(shù)據(jù)文件 vmesh,all ！劃分網(wǎng)格，產(chǎn)生節(jié)點與單元 /pnum,defa /title, elements in portion being modeled eplot ！顯示單元 finish

41、 ！加載求解 /solu antype,static ！定義為穩(wěn)態(tài)分析 nropt,auto ！設置求解選項為Program-chosen ！Newton-Raphson tunif,450 ！設定初始所有節(jié)點溫度 csys,1 ！變?yōu)橹鴺? nsel,s,loc,x,ri1 ！選擇罐內(nèi)表面的節(jié)點 sf,all,conv,250/144,450 ！定義對流邊界條件 cmsel,,aremote ！選擇AREMOTE面組 nsla,,1 ！選擇屬于AREMOTE面組的節(jié)點 d,all,temp,4

42、50 ！定義節(jié)點溫度 wprota,0,-90 ！將工作平面旋轉到垂直于接管軸線 cswpla,11,1 ！創(chuàng)建局部柱坐標 nsel,s,loc,x,ri2 ！選擇接管內(nèi)壁的節(jié)點 sf,all,conv,-2,100 ！定義對流邊界條件 allsel ！選擇EVERYTHING /pbc,temp,,1 ！顯示所有溫度約束 /psf,conv,,2 ！顯示所有對流邊界 /title,Boundary conditions nplot ！顯示節(jié)點 wpstyle,defa ！工作平面恢復默認

43、狀態(tài) csys,0 ！變?yōu)橹苯亲鴺? autots,on ！打開自動步廠長 nsubst,50 ！設定子步數(shù)量 kbc,0 ！設定為階越 outpr,nsol,last ！設置輸出 solve ！進行求解 finish ！進入后處理 /post1 /title,Temperature contrours at pipe/tank junction plnsol,temp ！顯示溫度彩色云圖 finish /exit,all 菜單操作 1、 設定標題:Utility Menu>File>Change

44、Title,輸入Steady-State analysis of pipe junction,選擇OK; 2、 設定單位制:在命令提示行輸入/UNITS,BIN; 3、 定義單元類型:Main Menu>Preprocesor>Element Type>Add/Edit/Delete,選擇Thermal Solid, Bricck 20 node 90號單元; 4、 定義材料屬性 (1) Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Constant->Isotropic,默認材料編號1,在DENSITY框中輸入0.285; (2) Main Menu

45、>Preprocessor>Material Props>-Temp Dependent->Temp Table,輸入溫度70,200,300,400,500; (3) Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Temp Dependent->Prop Table,選擇導熱系數(shù)KXX,材料編號為1,輸入與溫度表對應的導熱系數(shù)8.35/12,8.9/12,9.35/12,9.8/12,10.23/12,選擇APPLY; (4) 選擇比熱C,材料編號為1,輸入0.113,0.117,0.119,0.122,0.125,選擇APPLY; (5) 選擇對流系數(shù)

46、HF,材料編號為2,輸入426/144,405/144,352/144,275/144, 221/144，選擇OK。 5、 定義幾何模型參數(shù)：Utility Menu>Parameters>Scalar Parameters,輸入ri1=1.3,ro1=1.5,z1=2,ri2=0.4,ro2=0.5,z2=2; 6、 建立幾何模型 (1) Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Volumes->Cylinder>By Dimensions, Outer radius框中輸入ro1,Optional inner radium框中輸入r

47、i1,Z coordinates框中輸入0和Z1,Ending angle框中輸入90; (2) Utility Menu>WorkPlane>Offset WP by Increments,在XY,YZ,ZX框中輸入0,-90; (3) Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Volumes->Cylinder>By Dimensions; Outer radius框中輸入ro2, Optional inner radium框中輸入ri2, Z coordinates框中輸入0和Z2,Starting angle框中輸入-90,Ending

48、 angle框中輸入0; (4) Utility Menu>WorkPlane>Align WP with>Global Cartesian； 7、 進行布爾操作:Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Operate>-Booleans-> Overlap >Volumes,選擇Pick All； 8、 觀察幾何模型 (1) Utility Menu>PlotCtrls>Numbering,打開volumes; (2) Utility Menu>PlotCtrls>View Direction, 在Coords of view point框中輸入-3

49、,-1,1； 9、 刪除多余實體Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Delete>Volume and Below,在命令輸入行輸入3,4回車； 10、 創(chuàng)建組AREMOTE (1) Utility Menu>Select>Entities,選擇Area, By location, Z Coordinates, 在Min, Max框中輸入Z1,選擇APPLY,Y Coordinates, 在Min, Max框中輸入0,OK; (2) Utility Menu>Select>Comp/Assembly>Create Component,在Component

50、 name框中輸入AREMOTE, 在Components is made of菜單中選擇AREA； 11、 組合面及線 (1) Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Mesh>-Volumes->Mapped> -Concatenate->Area,選擇Pick all； (2) Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Mesh>-Volumes->Mapped> -Concatenate->Lines,在命令行中輸入12,7回車,選擇APPLY,在命令行中輸入10,5回車,OK； 12、 設定網(wǎng)格密度 (1) Main M

51、enu>Preprocessor>-Meshing->Size Cntrls>Picked Lines,選擇線6和20,OK,在No. of element divisions框中輸入4,OK； (2) Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Size Cntrls>Picked Lines,選擇線40,OK,在No. of element divisions框中輸入6,OK； (3) Utility Menu>Select>Everything； (4) Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Size Cntrls>-Global-

52、>Size,在element edge length框中輸入0.4,OK； 13、 劃分網(wǎng)格:Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Mesh>-Volumes->Mapped>4 to 6 sides,選擇Pick All； 14、 定義求解類型及選項 (1) Main Menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis,選擇Steady-State； (2) Main Menu>Solution>-Analysis Options,選擇Program-chosen； 15、 施加對流載荷 (1) Utility Men

53、u>WorkPlane>Change Active CS to>Global Cylindrical； (2) Utility Menu>Select>Entities,選擇Nodes, By location, X,在Min, Max框中輸入ri1,OK； (3) Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Convection>On Nodes,選擇Pick All, 輸入250/144及450,OK； 16、 在AREMOTE組上施加溫度約束 (1) Utility Menu>Select>Comp/Assembly>Select Com

54、p/Assembly,選aremote; (2) Utility Menu>Select>Entities,選擇Nodes, Attached to, On the Area all, OK； (3) Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Temperature>On Nodes,選擇Pick all,輸入45,OK； 17、 施加與溫度有關的對流邊界條件 (1) Utility Menu>WorkPlane>Offset WP by Increments,在XY,YZ,ZX Angles框中輸入0,-90,OK; (2) Utilit

55、y Menu>WorkPlane>Local Coordinate Systems>Create Local CS>At WP Origin,在Type of coordinate system菜單中,選擇Cylindrical 1,OK； (3) Utility Menu>Select Entities,選擇Nodes, By location, X, 在Min, Max框中輸入ri2,OK； (4) Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Convection>On Nodes,選擇Pick All,在Film coefficient框中輸

56、入-2,在Bulk temperature框中輸入100,OK; (5) Utility Menu>Select>Everything； (6) Utility Menu>PlotCtrls>Symbols,在Show pres and convect as菜單中選擇Arrow, OK; (7) Utility Menu>Plot>Nodes； 18、 恢復工作平面及坐標系統(tǒng) (1) Utility Menu>WorkPlane>Change Active CS to>Global Cartesian； (2) Utility Menu>WorkPlane>Align WP wit

57、h>Global Cartesian； 19、 設定載荷步選項: Main Menu>Solution>-Load Step Options->Time/Frequenc>Time and Substeps,在Number of substeps框中輸入50,設置Automatic time stepping為On； 20、 求解:Main Menu>Solution>-Solve->Current LS 21、 顯示溫度分布彩色云圖: Main Menu>General Postproc>Plot Results>-Contour Plot->Nodal Solu,選擇Temper

58、ature TEMP。 《ANSYS Verification Manual》中關于穩(wěn)態(tài)熱分析的實例： VM58 Centerline temperature of a heat generating wire VM92 Insulted wall temperature VM93 Temperature dependent conductivity VM94 Heat generating plate VM95 Heat transfer from a cooling spine VM96 Temperature distribution in

59、a short solid cylinder VM97 Temperature distribution along a straight fin VM98 Temperature distribution along a tapered fin VM99 Temperature distribution in a trapezoidal fin VM100 Heat conductivity across a chimney section VM101 Temperature distribution in a short solid cylinder VM102

60、 Cylinder with temperature dependent conductivity VM103 Thin plate with a central heat source VM105 Heat generation coil with temperature dependent conductivity VM108 Temperature gradient across a solid cylinder VM118 Centerline temperature of a heat generating wire VM160 Solid cylinder w

61、ith harmonic temperature load VM161 Heat flow from a insulated pipe VM162 Cooling of a circular fin of rectangular profile VM193 Adaptive analysis of two-dimensional heat transfer with convection  第四章　瞬態(tài)傳熱分析 一、瞬態(tài)傳熱分析的定義 　　瞬態(tài)熱分析用于計算一個系統(tǒng)的隨時間變化的溫度場及其它熱參數(shù)。在工程上一般用瞬態(tài)熱分析計算溫度場，并將之作為熱載荷進行應力分析。

62、瞬態(tài)熱分析的基本步驟與穩(wěn)態(tài)熱分析類似。主要的區(qū)別是瞬態(tài)熱分析中的載荷是隨時間變化的。為了表達隨時間變化的載荷，首先必須將載荷～時間曲線分為載荷步。載荷～時間曲線中的每一個拐點為一個載荷步，如下圖所示。 　　對于每一個載荷步，必須定義載荷值及時間值，同時必須選擇載荷步為漸變或階越。 二、瞬態(tài)熱分析中的單元及命令 　　瞬態(tài)熱分析中使用的單元與穩(wěn)態(tài)熱分析相同。要了解每個單元的詳細說明，請參閱《ANSYS Element Reference Guide》。要了解每個命令的詳細功能，請參閱《ANSYS Command Reference Guide》。 三、ANSYS 瞬態(tài)熱分析的主要步驟

63、 建模 加載求解 后處理 四、建模 確定jobname、title、units, 進入PREP7； 定義單元類型并設置選項； 如果需要，定義單元實常數(shù)； 定義材料熱性能：一般瞬態(tài)熱分析要定義導熱系數(shù)、密度及比熱； 建立幾何模型； 對幾何模型劃分網(wǎng)格。 　　關于建模及劃分網(wǎng)格，請參閱《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。 五、加載求解 1、定義分析類型 如果第一次進行分析，或重新進行分析 GUI: Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis>Transient Com

64、mand: ANTYPE,TRANSIENT,NEW 如果接著上次的分析繼續(xù)進行（例如增加其它載荷） GUI: Main Menu>Solution>Analysis Type>Restart Command: ANTYPE,TRANSIENT,REST 2、獲得瞬態(tài)熱分析的初始條件 ①、定義均勻溫度場 　　如果已知模型的起始溫度是均勻的，可設定所有節(jié)點初始溫度 Command:　TUNIF GUI: Main Menu> Solution>-Loads->Settings>Uniform Temp 　　如果不在對話框中輸入數(shù)據(jù)，則默認為參考溫度，參考溫度的值默認為零，但可

65、通過如下方法設定參考溫度： Command:　TREF GUI: Main Menu> Solution>-Loads->Settings>Reference Temp 注意：設定均勻的初始溫度，與如下的設定節(jié)點的溫度（自由度）不同 Command:　D GUI: Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Temperature>On Nodes 　　初始均勻溫度僅對分析的第一個子步有效；而設定節(jié)點溫度將保持貫穿整個瞬態(tài)分析過程，除非通過下列方法刪除此約束： Command:　DDELE GUI: Main Menu> Solutio

66、n>-Loads->Delete>-Thermal-Temperature>On Nodes ②、設定非均勻的初始溫度 　　在瞬態(tài)熱分析中，節(jié)點溫度可以設定為不同的值： Command:　IC GUI: Main Menu> Solution>Loads>Apply>-Initial Conditn>Define 　　如果初始溫度場是不均勻的且又是未知的，就必須首先作穩(wěn)態(tài)熱分析確定初始條件： 設定載荷（如已知的溫度、熱對流等） 將時間積分設置為OFF： Command: TIMINT, OFF GUI: Main Menu> Preprocessor>Loads>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time Integration 設定一個只有一個子步的，時間很小的載荷步（例如0.001）： Command: TIME GUI: Main Menu> Preprocessor>Loads>-Load S