ANSYS熱分析分析指南.pdf

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1、ANSYS熱分析指南ANSYS熱分析指南第一章簡介………………………………………………………………………2第二章基礎(chǔ)知識…………………………………………………………………4第三章穩(wěn)態(tài)熱分析………………………………………………………………8第四章瞬態(tài)熱分析………………………………………………………………43第五章表面效應(yīng)單元……………………………………………………………66第六章熱輻射分析………………………………………………………………90第七章熱應(yīng)力分析………………………………………………………………1201ANSYS熱分析指南第

2、一章簡介1.1熱分析的目的熱分析用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)或部件的溫度分布及其它熱物理參數(shù)，我們一般關(guān)心的參數(shù)有：溫度的分布熱量的增加或損失熱梯度熱流密度熱分析在許多工程應(yīng)用中扮演著重要角色，如內(nèi)燃機(jī)、渦輪機(jī)、換熱器、管路系統(tǒng)、電子元件等等。通常在完成熱分析后將進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，計(jì)算由于熱膨脹或收縮而引起的熱應(yīng)力。1.2ANSYS中的熱分析ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Professional、ANSYS/FLOTRAN四種產(chǎn)品中支持熱分析功能。ANSYS熱分析基于由能量守恒原理導(dǎo)出的熱

3、平衡方程，有關(guān)細(xì)節(jié)，請參閱《ANSYSTheoryReference》。ANSYS使用有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度，并由其導(dǎo)出其它熱物理參數(shù)。ANSYS可以處理所有的三種主要熱傳遞方式：熱傳導(dǎo)、熱對流及熱輻射。1.2.1對流熱對流在ANSYS中作為一種面載荷，施加于實(shí)體或殼單元的表面。首先需要輸入對流換熱系數(shù)和環(huán)境流體溫度，ANSYS將計(jì)算出通過表面的熱流量。如果對流換熱系數(shù)依賴于溫度，可以定義溫度表，以及在每一個(gè)溫度點(diǎn)處的對流換熱系數(shù)。1.2.2輻射ANSYS提供了四種方法來解決非線性的輻射問題：輻射桿單元（LINK31）2ANSY

4、S熱分析指南使用含熱輻射選項(xiàng)的表面效應(yīng)單元（SURF151-2D,或SURF152-3D）在AUX12中，生成輻射矩陣，作為超單元參與熱分析使用Radiosity求解器方法有關(guān)輻射的詳細(xì)描述請閱讀本指南第四章。1.2.3特殊的問題除了前面提到的三種熱傳遞方式外，ANSYS熱分析還可以解決一些諸如：相變（熔融與凝固）、內(nèi)部熱生成（如焦耳熱）等的特殊問題。例如，可使用熱質(zhì)點(diǎn)單元MASS71模擬隨溫度變化的內(nèi)部熱生成。1.3熱分析的類型ANSYS支持兩種類型的熱分析：1．穩(wěn)態(tài)熱分析確定在穩(wěn)態(tài)的條件下的溫度分布及其他熱特性，穩(wěn)態(tài)條件指熱量

5、隨時(shí)間的變化可以忽略。2．瞬態(tài)熱分析則計(jì)算在隨時(shí)間變化的條件下，溫度的分布和熱特性。1.4耦合場分析ANSYS中可與熱分析進(jìn)行耦合的方式有熱—結(jié)構(gòu)、熱－電磁等。耦合場分析可以使用ANSYS中的矩陣耦合單元，或者在獨(dú)立的物理環(huán)境中使用序慣荷載耦合。有關(guān)耦合場分析的詳細(xì)描述，請參閱《ANSYSCoupled-FieldAnalysisGuide》。1.5關(guān)于菜單路徑和命令語法在本指南中，您將會看到相關(guān)的ANSYS命令及其等效的菜單路徑。這些參考的命令僅僅包括命令名，因?yàn)椴⒉豢偸切枰付ㄋ械膮?shù)，而且不同的參數(shù)組合會有不同的作用。有關(guān)

6、ANSYS命令的更多的敘述，請參考《ANSYSCommandsReference》。菜單路徑將近可能完整得列出。對于多數(shù)情況，選擇菜單就能夠完成所需要的功能；但還有一些情況，選擇文中所示菜單后會彈出一個(gè)菜單或是對話框，由此定義其他的選項(xiàng)來執(zhí)行一些特定的任務(wù)。3ANSYS熱分析指南第二章基礎(chǔ)知識2.1符號與單位項(xiàng)目國際單位英制單位ANSYS代號長度mft時(shí)間ss質(zhì)量Kglbmo溫度℃FTEMP力Nlbf能量（熱量）JBTU功率（熱流率）WBTU/secHEAT22熱流密度W/mBTU/sec-ftHFLUX33生熱速率W/mBTU/

7、sec-ftHGENo導(dǎo)熱系數(shù)W/m-℃BTU/sec-ft-FKXX22o對流系數(shù)　W/m-℃BTU/sec-ft-FHF33密度Kg/mlbm/ftDENSo比熱J/Kg-℃BTU/lbm-FC33焓J/mBTU/ftENTH2.2傳熱學(xué)經(jīng)典理論回顧熱分析遵循熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律。對于一個(gè)封閉的系統(tǒng)（沒有質(zhì)量的流入或流出）：式中：—熱量，—作功，—系統(tǒng)內(nèi)能，—系統(tǒng)動能，—系統(tǒng)勢能對大多數(shù)工程傳熱問題：；通常不考慮做功：，則；4ANSYS熱分析指南對于穩(wěn)態(tài)熱分析：，即流入的熱量等于流出的熱量；對于瞬態(tài)熱分析：，即流入流

8、出的熱傳遞速率等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化。2.3熱傳遞的方式2.3.1熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)可以定義為完全接觸的兩個(gè)物體之間或一個(gè)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(dǎo)遵循傅立葉定律：，式中2為熱流密度（W/m），為導(dǎo)熱系數(shù)(W/m-℃)，負(fù)號表示