2022年瞬态热分析实例 .pdf
模型1热传导问题：如图，110Rcm，220Rcm，密度为36000/kg m，比热容为220/ ()Jkg K，热传导率为6/()Wm K，初始温度为300，突然放入30的液体中冷却，这种液体对流换热系数2120/ ()hWmK。计算：（1）第 1 秒和第 60 秒这两个时刻温度分布情况；（2）内外边在60 秒内温度变化。1设置环境设置分析模块。 本例是温度分布分析，所以只需要选择热分析模块，这样就可以把结构分析模块、电磁场分析模块和流体分析模块的菜单都过滤掉。设置如图设置单位在命令行输入“/units,SI” ，SI 为设定为国际单位制。必须注意：1 秦宇 .ANSYS 11.0 基础与实例教程 M. 北京 ,化学工业出版社 ,2009:318-330 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 15 页 - - - - - - - - - ANSYS 程序不会为你的分析假定一个单位制，除了磁场分析以外，你可以使用任何单位制， 只要你能保证你输入的所有数据都是按照这个单位制进行的。也就是说， 单位制在所有输入数据中应该保持一致。使用 /UNITS 命令，你可以在ANSYS 数据库中进行标记来表示你使用的单位制。但是请注意， 这个命令并不将一个单位转化为另一个。它仅仅只作为对分析的一个评论记录。什么意思呢？就是/UNITS 只是个标记，告诉别人程序的单位制，即使程序中没有使用这种单位制，它也不能将这种单位制转化为自己标记的那个单位制。所以，如果你要让ANSYS 的单位为国际单位制，你在输入物理量之前，先将所有的物理量转换为国际单位制，如：原先你的图纸上均为毫米，比如一个矩形截面尺寸是400mm*500mm ，那么，你在建模之前先转化为0.4m*0.5m 然后输入的长度为0.4 和 0.5，ANSYS 只知道你输入的是0.4 和 0.5，它不知道你的单位是什么。2定义单元类型和材料属性选择单元类型。如图：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 15 页 - - - - - - - - - 我们选择【 Quad 4node 55】即选择了PLANE55 单元。下面介绍一下PLANE55 单元，我们直接从ANSYS 帮助文档中摘录。PLANE55 Element Description PLANE55 can be used as a plane element or as an axisymmetric ring element with a 2-D thermal conduction capability. The element has four nodes with a single degree of freedom, temperature, at each node. The element is applicable to a 2-D, steady-state or transient thermal analysis. The element can also compensate for mass transport heat flow from a constant velocity field. If the model containing the temperature element is also to be analyzed structurally, the element should be replaced by an equivalent structural element (such as PLANE182). A similar element with midside node capability is PLANE77. A similar axisymmetric element which accepts nonaxisymmetric loading is PLANE75. An option exists that allows the element to model nonlinear steady-state fluid flow through a porous medium. With this option the thermal parameters are interpreted as analogous fluid flow parameters. See PLANE55 in the Mechanical APDL Theory Reference for more details about this element. Figure 55.1 PLANE55 Geometry 总体来说，对于我们要分析二维热传导问题，PLANE55 单元是比较合适的，对于其他情况所用单元可参考相关文档。定义厚度。 一般对于二维问题，不需定义厚度。 定义厚度的原因在帮助文档里有这样一句话：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 15 页 - - - - - - - - - This element can also have a Z-depth specified by KEYOPT(3) and real constant THK. Be careful when using this option with other physics, especially radiation. Radiation view factors will be based on a unit Z-depth (only). 可见对于我们纯粹的热传导问题可以完全不需要定义厚度，这里仍按照其方法设置。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 15 页 - - - - - - - - - 定义材料属性。对于该热传导问题，需要定义的材料属性有：密度为36000/kg m，比热容为220/ ()Jkg K，热传导率为6/ ()Wm K，定义方式如图。3建立模型及网格划分建立模型。建立模型方法较为简单，使用如下模块即可：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 15 页 - - - - - - - - - 设定划分网格密度。按照如下方式调出【MeshTool】对话框。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 15 页 - - - - - - - - - 下面根据我们的模型，对每条线划分为20 份（一个圆由四条线构成）。选择需进行网格划分的边，单击【 Size Controls】 【Lines 】区中的【 Set 】按钮，如图。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 15 页 - - - - - - - - - 按上图设置，确定。为模型划分网格。 在前面的 【MeshTool】点选【Mesh】区中的【Free】 ，点选【Shape】选项中的【 Quad】选项，最后单击【Mesh】 ，选择区域即可。最终划分网格如图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 15 页 - - - - - - - - - 4定义分析类型我们的热传导问题是非稳态问题，定义为非稳态。5施加初始条件与边界条件初始温度为300，边界为第三类边界条件，外界温度为30，对流换热系数2120/()hWmK。定义位置如图：（在这里似乎每次运算前都要重新定义初始温度，不知是不是ANSYS 的本身的缺陷。 ）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 15 页 - - - - - - - - - 6求解设置时间与时间步参数。我们计算实际是60s，每步是1s。至于图中【AUTOTS 】的设置是设置为自动时间步长。设置 Stepped和 Ramped 选项。 如果载荷在这个载荷步是恒定的，需要设为Stepped （阶跃）选项；如果载荷值随时间线性变化，则要设定为Ramped（斜坡）选项。对于这里的热传导，对流换热系数恒定，设定为Stepped。（在这里，除了总时间其他都可以默认设置，具体还需根据具体要求来。）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 15 页 - - - - - - - - - 时间积分效果设置。如果将此选项设置为OFF，将进行稳态热分析。 （这里和前面分析类型的设置似乎有重复，但似乎必须这样设置。）设置输出控制。对于这里的非稳态问题，要求每一步的结果都予以保留。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 15 页 - - - - - - - - - 求解。7后处理查看第 1 秒和第 60 秒这两个时刻零件温度分布。读入结果，如下图，在【TIME 】后的文本框中输入“1” ，即读入第1 秒的数据。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 15 页 - - - - - - - - - 显示结果，选择如图：得到第 1 秒时的温度分布，如图：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 15 页 - - - - - - - - - 同样方法可得到第60 秒时刻的温度分布，如图：查看内外边在60 秒内温度变化。首先选择内外边界点，具体不在详述。如图：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 15 页 - - - - - - - - - 内外边界温度变化如图：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 15 页 - - - - - - - - -
