Workbench-DS热分析.ppt

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1、ANSYS BASIC TRAININGDS热分析介绍热分析介绍ANSYS BASIC TRAINING热分析热分析在本章中，在本章中，将讲述如何在将讲述如何在DS中进行稳态热分析：中进行稳态热分析：几何模型和单元几何模型和单元 环境，包括载荷和约束环境，包括载荷和约束求解模型求解模型结果和后处理结果和后处理ANSYS BASIC TRAINING稳态传热基础稳态传热基础稳态热分析是用于研究结构在稳态热载荷下的热响应。稳态热分析是用于研究结构在稳态热载荷下的热响应。温度和热流率通常是关心的量，虽然同时也能得到热通量。温度和热流率通常是关心的量，虽然同时也能得到热通量。通用热方程如下：通用热方程

2、如下：这里，这里，t 是时间，是时间，T 是温度矩阵，是温度矩阵，C 是比热矩阵是比热矩阵(热容热容)，K 是热是热传导矩阵，传导矩阵，Q 是热流率载荷向量。是热流率载荷向量。在稳态热分析中，在稳态热分析中，所有时间相关的项都不考虑，所有时间相关的项都不考虑，但非线性现象还可能但非线性现象还可能存在。存在。ANSYS BASIC TRAINING稳态传热基础稳态传热基础对于一个对于一个DS中的稳态热分析，中的稳态热分析，温度温度 T 是由如下的矩阵求解：是由如下的矩阵求解：这就导致了如下的一些假设：这就导致了如下的一些假设：在稳态热分析中不考虑任何瞬态效应；在稳态热分析中不考虑任何瞬态效应；K

3、 可以是常量或是温度的函数；可以是常量或是温度的函数；每种材料属性中都可输入温度相关的热传导率；每种材料属性中都可输入温度相关的热传导率；Q 也可是常量或是温度的函数；也可是常量或是温度的函数；在对流边界条件中可以输入温度相关的对流传热膜系数在对流边界条件中可以输入温度相关的对流传热膜系数ANSYS BASIC TRAINING 热分析使用的单元热分析使用的单元在在DS中，中，可使用如下一些单元：可使用如下一些单元：实体通常用实体通常用10节点四面体单元节点四面体单元或或 20节点六面体单元节点六面体单元划分划分SOLID87和和 SOLID90面通常用面通常用 4节点节点 四边形壳单元四边形

4、壳单元划分划分SHELL57 使用实常数使用实常数（SHELL131或或SHELL132 目前已不使用）目前已不使用）线通常用线通常用 2节点节点 线单元线单元划分划分LINK33 使用实常数使用实常数LINK33 还需要还需要DM中定义的等效截面积中定义的等效截面积 对对热应力热应力分析，不使用耦合场单元。热应力分析顺序进行，因分析，不使用耦合场单元。热应力分析顺序进行，因此可使用上面的热单元，此可使用上面的热单元，然后把温度场读进相应的结构单元中。然后把温度场读进相应的结构单元中。ANSYS BASIC TRAINING材料属性材料属性唯一需要的材料属性是传导系数。唯一需要的材料属性是传导

5、系数。材料输入在材料输入在“Engineering Data”分支下，然后在分支下，然后在“Geometry”分分支下指定每个支下指定每个part的材料。的材料。传导系数传导系数 作为材料属性的作为材料属性的 一个子分支输入。一个子分支输入。温度相关的传导系数可以温度相关的传导系数可以 用表输入。用表输入。比热比热 同样也可输入，同样也可输入，但目但目 前用不到。前用不到。其它的材料输入在热分析其它的材料输入在热分析 中用不到。中用不到。如果存在任何温度相关的材料属性，都将导致非线性如果存在任何温度相关的材料属性，都将导致非线性求解。这是因为，温度是要求解的量，而材料又取决求解。这是因为，温度

6、是要求解的量，而材料又取决于温度，因此求解不再是线性。于温度，因此求解不再是线性。ANSYS BASIC TRAINING载荷载荷在热分析中有三种类型的载荷：在热分析中有三种类型的载荷：热负荷热负荷：这类载荷往系统中输入能量这类载荷往系统中输入能量热负荷可以用已知的热流率或单位面积热负荷可以用已知的热流率或单位面积/体积上的热流率输入。体积上的热流率输入。绝热条件绝热条件：这是自然产生的边界条件，此时没有热量从表面上流过。这是自然产生的边界条件，此时没有热量从表面上流过。热边界条件热边界条件：这些边界条件的作用如同已知温度条件下的热源或汇这些边界条件的作用如同已知温度条件下的热源或汇 这些边界

7、条件可以是确定的温度或已知环境温度下的对流边界这些边界条件可以是确定的温度或已知环境温度下的对流边界条件条件ANSYS BASIC TRAINING热负荷热负荷热流率热流率（heat flow）:热流率可以施加到热流率可以施加到点、边、或表面点、边、或表面上。当有多次选择时，载荷会分上。当有多次选择时，载荷会分布到这些选择对象上。布到这些选择对象上。热流的单位是热流的单位是 能量能量/时间时间(i.e.,power).热通量热通量（heat flux）:热通量只能施加到热通量只能施加到表面表面上。上。热通量的单位是：热通量的单位是：能量能量/时间时间/面积面积(i.e.,power/area)

8、内部生成热内部生成热（internal heat generation）:内部热生成速率只能施加到内部热生成速率只能施加到体体上。上。热生成的单位是：热生成的单位是：能量能量/时间时间/体积体积正的热负荷值将会向系统中添加能量。正的热负荷值将会向系统中添加能量。而且，如果有多个载荷存在，而且，如果有多个载荷存在，其效果是累加的。其效果是累加的。ANSYS BASIC TRAINING绝热边界绝热边界完全绝热完全绝热(perfectly insulated)完全绝热条件施加到表面上；完全绝热条件施加到表面上；可认为是零热流率加载可认为是零热流率加载在热分析中，当不施加任何载荷时，它实际上是自然产

9、生的边在热分析中，当不施加任何载荷时，它实际上是自然产生的边界条件界条件至少应存在一种类型的热边界条件至少应存在一种类型的热边界条件，否则，如果热量源源不断地输，否则，如果热量源源不断地输入到系统中，稳态时的温度将会达到无穷大。入到系统中，稳态时的温度将会达到无穷大。给定的温度或对流载荷不能施加到已经施加了某种热负荷或热边界给定的温度或对流载荷不能施加到已经施加了某种热负荷或热边界条件的表面上条件的表面上。如果施加到已经承受热载荷的实体上，温度边界条件将忽略如果施加到已经承受热载荷的实体上，温度边界条件将忽略完全绝热条件将忽略其它的热边界条件完全绝热条件将忽略其它的热边界条件ANSYS BAS

10、IC TRAINING热边界条件热边界条件给定温度给定温度(temperature):强加温度到点、线、或面上强加温度到点、线、或面上温度是求解的自由度，但这种热边界条件却使选定的实体有固定的温度是求解的自由度，但这种热边界条件却使选定的实体有固定的温度值。温度值。对流对流(convection):只能施加到表面上只能施加到表面上对流使对流使“环境温度环境温度”与表面温度相关：与表面温度相关：ANSYS BASIC TRAININGANSYS中的热载荷中的热载荷ANSYS中载荷的内部表示法：中载荷的内部表示法：边或点的热流是热流率边或点的热流是热流率(F,HEAT)面上的热通量或热流是面载荷面

11、上的热通量或热流是面载荷(SF,HFLUX)内部生成热作为体载荷施加内部生成热作为体载荷施加(BFE,HGEN)给定温度作为一种强制约束施加给定温度作为一种强制约束施加(D,TEMP)完全绝热条件会删除在完全绝热条件会删除在DS中施加到那些面上的任何载荷中施加到那些面上的任何载荷对流通过表面效应单元对流通过表面效应单元SURF152 定义定义ANSYS BASIC TRAINING 热载荷总结热载荷总结对一些对一些 structural 的用户，提供一些结构分析与热分析的类比将会很有的用户，提供一些结构分析与热分析的类比将会很有用。用。这是一些没有任何类比的载荷类型这是一些没有任何类比的载荷类

12、型对于像旋转速度、加速度之类的惯性载荷，没有热当量对于像旋转速度、加速度之类的惯性载荷，没有热当量对流边界条件的类比是一个结构分析中的对流边界条件的类比是一个结构分析中的“基础刚度基础刚度”支撑，支撑，类似于接地弹簧类似于接地弹簧ANSYS BASIC TRAINING结果和后处理结果和后处理可得到各种结果用于后处理：可得到各种结果用于后处理：温度温度热通量热通量“反作用反作用”热流率热流率ANSYS BASIC TRAINING温度场温度场可以请求温度场的云图显示可以请求温度场的云图显示:温度是求解的自由度，且是请求的最基本的输出温度是求解的自由度，且是请求的最基本的输出温度是标量，因此，没

13、有与之相关的方向温度是标量，因此，没有与之相关的方向.ANSYS BASIC TRAINING热通量热通量热通量云图或矢量显示也可得到：热通量云图或矢量显示也可得到：热通量热通量 q 有下式定义：有下式定义：且与温度梯度且与温度梯度 T有关。热通量输出有三个分量，有关。热通量输出有三个分量，可以帮助用户看到可以帮助用户看到热量是如何流动的。热量是如何流动的。云图显示云图显示“Total Heat Flux”大小大小矢量显示矢量显示“Vector Heat Flux”的大小和方向的大小和方向 在显示矢量时，用轮廓显示最清晰在显示矢量时，用轮廓显示最清晰热通量的分量可以用热通量的分量可以用“Dir

14、ectional Heat Flux”请求，并可映射到任意坐标系下。请求，并可映射到任意坐标系下。ANSYS BASIC TRAINING“反作用反作用”热流率热流率对任何给定的温度或对流边界条件，可得到对任何给定的温度或对流边界条件，可得到 Reaction heat flow rate给定的温度和对流都能直接或非直接地补充给定的温度和对流都能直接或非直接地补充 一个已知的温度，一个已知的温度，因此，因此，它就相当于一个热源它就相当于一个热源/汇，流入（正）或流出（负）支撑的热量就可汇，流入（正）或流出（负）支撑的热量就可以输出。以输出。对每个单独的给定温度或对流载荷，对每个单独的给定温度或对流载荷，Reaction heat flow rate会在会在求解之后在求解之后在“Details view”中输出。中输出。ANSYS BASIC TRAINING热分析实例热分析实例目标目标:分析如下所示泵室的传热特性。分析如下所示泵室的传热特性。