有限元基础理论课件 第9章 温度和温度应力.ppt

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1、第第9章章 温度场和温度应力温度场和温度应力9.1 温度场的基本理论温度场的基本理论温度场是指在各个时刻物体内各点温度分布的总称。温度场是指在各个时刻物体内各点温度分布的总称。根据能量守恒定律和博立叶定律，建立导热物体中温度场的根据能量守恒定律和博立叶定律，建立导热物体中温度场的数学表达式：数学表达式：式中：第一项为体元升温需要的热量；右侧第一、二和三项是由x，y和z方向流入体元的热量；最后一项为体元内热源产生的热量。能量方程是目前温度场数值模拟中普遍使用的描述方程，它不仅适用于固体，也适用于流体。其中，为材料的密度(kg/m3)；c为材料的比热容(J/(kgK)；t为时间(s)；x、y、z分

2、别为材料沿x，y、z方向的热导率(W/(mK)；Q为材料内部的热源密度(W/kg)。导热微分方程的物理意义：反映了物体的温度随时间和空间的变化关系，体元导热微分方程的物理意义：反映了物体的温度随时间和空间的变化关系，体元升温所需的热量应该等于流入体元的热量与体元内产生的热量的总和。升温所需的热量应该等于流入体元的热量与体元内产生的热量的总和。第第8章章 瞬态动力学分析瞬态动力学分析根据系统有无内热源，导热过程是否为稳态导热，以及一维、二维和三维根据系统有无内热源，导热过程是否为稳态导热，以及一维、二维和三维的情况，可进行相应简化。的情况，可进行相应简化。三维稳态导热：三维稳态导热：9.2 三种

3、基本热传导方式三种基本热传导方式当物体内部存在温差，或不同温度的物体相互接触，热量从物体的高温部当物体内部存在温差，或不同温度的物体相互接触，热量从物体的高温部分传递到低温部分或从高温物体传递到低温物体。这种热量传递方式称为分传递到低温部分或从高温物体传递到低温物体。这种热量传递方式称为热传导。热传导。9.2.1 热传导热传导式中：式中：Q为时间为时间t内的传热量或热流量；内的传热量或热流量；K为热传导率或热传导系数；为热传导率或热传导系数；A为为平面面积；平面面积；d为两平面之间的距离。为两平面之间的距离。博立叶定律（热传导基本定律）：博立叶定律（热传导基本定律）：第第8章章 瞬态动力学分析

4、瞬态动力学分析热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。9.2.2 热对流热对流式中：式中：h为对流换热系数为对流换热系数(或称膜传热系数、给热系数、膜系或称膜传热系数、给热系数、膜系数等数等)；TS为固体表面的温度；为固体表面的温度；TB为周围流体的温度。为周围流体的温度。牛顿冷却方程：牛顿冷却方程：9.2.3 辐射辐射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。在真空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。在真空中的热辐射效率最高。中的热辐射效率最高。斯蒂芬斯蒂芬-波尔兹曼方程：波尔兹曼方程：式中：式中：q为热流率；为热流率；为

5、实际物体的辐射率，或称为黑度，它的数值处于为实际物体的辐射率，或称为黑度，它的数值处于01之之间；间；为斯蒂芬为斯蒂芬-波尔兹曼常数，约为波尔兹曼常数，约为5.6710-8W/（m2K4）；）；A1为辐射面为辐射面1的面积；的面积；F12为由辐射面为由辐射面1到辐射面到辐射面2的形状系数；的形状系数；T1为辐射面为辐射面1的的绝对温度绝对温度；T2为辐射面为辐射面2的绝对温度。的绝对温度。包含热辐射的热分析是非线性分析。包含热辐射的热分析是非线性分析。第第8章章 瞬态动力学分析瞬态动力学分析9.4 稳态温度场分析稳态温度场分析不需要考虑物体的初始温度分布对最后的稳态温度场的影响，因此不必考不需

6、要考虑物体的初始温度分布对最后的稳态温度场的影响，因此不必考虑温度场的初始条件，只需考虑换热边界条件。如何定义正确的换热边界虑温度场的初始条件，只需考虑换热边界条件。如何定义正确的换热边界条件是温度场计算的一个难点。条件是温度场计算的一个难点。稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统和部件的影响。稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统和部件的影响。另外，通常在进行瞬态热分析之前，进行稳态热分析用于确定初始温度分布。另外，通常在进行瞬态热分析之前，进行稳态热分析用于确定初始温度分布。9.4.1 注意事项注意事项9.4.2 使用场合使用场合二维：二维：Plane55或或plane77三维：三维：solid7

7、0或或solid90Solid87（四面体单元）（四面体单元）9.3 温度场分析单元温度场分析单元第第8章章 瞬态动力学分析瞬态动力学分析材料的热传导率为材料的热传导率为48W/（m）。假定材料无限长，高和宽）。假定材料无限长，高和宽各为各为1m1m，现分析其温度场分布情况。，现分析其温度场分布情况。9.5 实例实例1：简单热传导温度场模拟（稳态传热）：简单热传导温度场模拟（稳态传热）/prep7Length=1Height=1Blc4,0,0,length,heightEt,1,plane55Mp,kxx,1,48Esize,length/20Amesh,all/soluAntype,0Ns

8、el,s,loc,y,heightD,all,temp,500Nsel,s,loc,x,0Nsel,a,loc,x,lengthNsel,a,loc,y,0D,all,temp,100AllsSolve/post1Plnsol,temp对于稳态传热，一般只需定义热传导系数，它可以是恒定的，也对于稳态传热，一般只需定义热传导系数，它可以是恒定的，也可以是随温度变化的。可以是随温度变化的。ANSYS热分析的结果写入热分析的结果写入*.rth文件中，包含节点温度（基本数据）；文件中，包含节点温度（基本数据）；节点和单元的热流密度、热梯度、单元热流率（导出数据）。节点和单元的热流密度、热梯度、单元热流

9、率（导出数据）。第第8章章 瞬态动力学分析瞬态动力学分析9.7 实例实例3：瞬态温度场分析瞬态温度场分析带轮冷却过程：带轮密度带轮冷却过程：带轮密度7800，热传导系数，热传导系数48，比热，比热450。带轮的初始温度为。带轮的初始温度为500，将其放入，将其放入0的空气中自燃冷却，设对流系数为的空气中自燃冷却，设对流系数为10（均为标准单位）。（均为标准单位）。求解求解1分钟及分钟及5分钟后带轮的温度场分布。分钟后带轮的温度场分布。9.6 实例实例2：辐射温度场分析辐射温度场分析第第8章章 瞬态动力学分析瞬态动力学分析9.8 热热-结构应力耦合场分析结构应力耦合场分析9.9 间接耦合法间接耦

10、合法单有温度的变化并不一定在物体内产生应力。只有当单有温度的变化并不一定在物体内产生应力。只有当温度变化所引起的膨胀或收缩受到限制时，才会在物体内产生应力。温度变化所引起的膨胀或收缩受到限制时，才会在物体内产生应力。在同一物体中，由于各部分温度分布不均，则在物体内各相邻部分也会在同一物体中，由于各部分温度分布不均，则在物体内各相邻部分也会因收缩或膨胀不均而相互约束产生应力。因收缩或膨胀不均而相互约束产生应力。对于不均质的物体，即使整个物体温度是均匀的，也会产生热应力。对于不均质的物体，即使整个物体温度是均匀的，也会产生热应力。9.9.19.9.1步骤：步骤：进行热分析，求得结构的温度场；将模型中的单元转变为对应的结构分进行热分析，求得结构的温度场；将模型中的单元转变为对应的结构分析单元（析单元（ETCHG,STT），并读入第一步求得的热分析结果；定义其余，并读入第一步求得的热分析结果；定义其余结构分析需要的内容，进行结构分析。结构分析需要的内容，进行结构分析。第第8章章 瞬态动力学分析瞬态动力学分析9.9.1 热热-结构应力耦合场分析实例结构应力耦合场分析实例1：辐射热应力辐射热应力9.9.2 热热-结构应力耦合场分析实例结构应力耦合场分析实例1：带轮热与结构应力带轮热与结构应力9.10 直接耦合法直接耦合法