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ANSYS 热分析指南 (5)  

2010-12-03 08:02:09|  分类: ANSYS 热分析 |  标签: |举报 |字号 订阅

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第四章 瞬态传热分析

一、瞬态传热分析的定义

  瞬态热分析用于计算一个随时间变化的系统的温度场及其它热参数。在工程上一般用瞬态热分析计算温度场,并将之作为热载荷进行应力分析。

瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似。主要的区别是瞬态热分析中的载荷是随时间变化的。为了表达随时间变化的载荷,首先必须将载荷~时间曲线分为载荷步。载荷~时间曲线中的每一个拐点为一个载荷步,如下图所示。

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对于每一个载荷步,必须定义载荷值及时间值,同时必须选择载荷步为渐变或阶越。

二、瞬态热分析中的单元及命令

  瞬态热分析中使用的单元与稳态热分析相同。要了解每个单元的详细说明,请参阅《ANSYS Element Reference Guide》。要了解每个命令的详细功能,请参阅《ANSYS Command Reference Guide》。

三、ANSYS 瞬态热分析的主要步骤

·      建模

·      加载求解

·      后处理

四、建模

·      确定jobnametitleunits, 进入PREP7

·      定义单元类型并设置选项;

·      如果需要,定义单元实常数;

·      定义材料热性能:一般瞬态热分析要定义导热系数、密度及比热;

·      建立几何模型;

·      对几何模型划分网格。

  关于建模及划分网格,请参阅《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。

五、加载和求解

1、定义分析类型

·      如果第一次进行分析,或重新进行分析

GUI: Main Menu > Solution > Analysis Type > New Analysis > Transient

命令: ANTYPE,TRANSIENT,NEW

·      如果接着上次的分析继续进行(例如增加其它载荷)

GUI: Main Menu > Solution > Analysis Type > Restart

命令: ANTYPE,TRANSIENT,REST

2、获得瞬态热分析的初始条件

①、定义均匀温度场

  如果已知模型的起始温度是均匀的,可设定所有节点的初始温度:

命令: TUNIF

GUI:  Main Menu > Solution > Loads > Settings > Uniform Temp

  如果不在对话框中输入数据,则默认初始温度为参考温度。参考温度的值默认为零,但可通过如下方法设定参考温度:

命令: TREF

GUI:  Main Menu > Solution > Loads > Settings > Reference Temp

    注意:设定整个结构的均匀的初始温度,与如下的设定 (部分) 节点的温度(自由度)不同

命令: D

GUI: Main Menu > Solution > Loads > Apply > Thermal > Temperature > On Nodes

  初始均匀温度仅对分析的第一个子步有效;而设定节点温度将保持贯穿整个瞬态分析过程,除非通过下列方法删除此约束:

命令: DDELE

GUI: Main Menu > Solution > Loads > Delete > Thermal > Temperature > On Nodes

②、设定非均匀的初始温度

  在瞬态热分析中,节点的初始温度可以设定为不同的值:

命令: IC

GUI:  Main Menu > Solution > Loads > Apply > Initial Condit'n > Define

  如果初始温度场是不均匀的且又是未知的,就必须首先作稳态热分析确定初始条件:

·      设定载荷(如已知的温度、热对流等)

·      将时间积分设置为 OFF

命令:  TIMINT, OFF

GUI: Main Menu > Preprocessor > Loads > Load Step Opts > Time/Frequenc > Time Integration

·      设定一个只有一个子步的,时间很小的载荷步(例如 0.001):

命令:  TIME

GUI: Main Menu > Preprocessor > Loads > Load Step Opts > Time/Frequenc > Time and Substps

·      写入载荷步文件:

命令: LSWRITE

GUI: Main Menu > Preprocessor > Loads > Write LS File

      或先求解:

命令: SOLVE

GUI:  Main Menu > Solution > Solve > Current LS

   注意:在第二个载荷步中,要删去所有设定的温度,除非这些节点的温度在瞬态分析与稳态分析相同。

3、设定载荷步选项

(1)、普通选项

  l      时间:本选项设定每一载荷步结束时的时间:

命令: TIME

GUI: Main Menu > Solution > Load Step Opts > Time/Frequenc > Time and Substps

  l     每个载荷步的载荷子步数,或时间增量

  对于非线性分析,每个载荷步需要多个载荷子步。时间步长的大小关系到计算的精度。步长越小,计算精度越高,同时计算的时间越长。根据线性传导热传递,可以按如下公式估计初始时间步长:

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     其中δ为沿热流方向热梯度最大处的单元的长度,α为导温系数,它等于导热系数除以密度与比热的乘积 (α= k/ρc

命令:  NSUBST or DELTIM

GUI:  Main Menu > Solution > Load Step Opts > Time/Frequenc > Time and Substps

  如果载荷在这个载荷步是恒定的,需要设为阶越选项;如果载荷值随时间线性变化,则要设定为渐变选项:

命令:  KBC

GUI:  Main Menu > Solution > Load Step Opts > Time/Frequenc > Time and Substps

(2)、非线性选项

  l       迭代次数:每个子步默认的次数为25,这对大多数非线性热分析已经足够。

命令:  NEQIT

GUI:  Main Menu > Solution > Load step opts > Nonlinear > Equilibrium Iter

  l       自动时间步长:本选项为 ON 时,在求解过程中将自动调整时间步长。

命令:  AUTOTS

GUI:  Main Menu > Solution > Load Step Opts > Time/Frequenc > Time and Substps

  l       时间积分效果:如果将此选项设定为 OFF,将进行稳态热分析。

命令:  TIMINT

GUI:  Main Menu > Solution > Load Step Opts > Time/Frequenc > Time Integration

(3)、输出选项

      ·      控制打印输出:本选项可将任何结果数据输出到 *.out  文件中

命令: OUTPR

GUI: Main Menu > Solution > Load Step Opts > Output Ctrls > Solu Printout

      ·      控制结果文件:控制 *.rth 的内容

命令: OUTRES

GUI:  Main Menu > Solution > Load Step Opts > Output Ctrls > DB/Results File

(4)、存盘求解


六、后处理

  ANSYS 提供两种后处理方式:

        ·      POST1,可以对整个模型在某一载荷步(时间点)的结果进行后处理;

命令: POST1

GUI:  Main Menu > General Postproc.

        ·      POST26,可以对模型中特定点在所有载荷步(整个瞬态过程)的结果进行后处理。

命令: POST26

GUI:  Main Menu >TimeHist Postproc

1、用POST1进行后处理

      ·      进入 POST1 后,可以读出某一时间点的结果:

命令:  SET

GUI:  Main Menu > General Postproc > Read Results > By Time/Freq

  如果设定的时间点不在任何一个子步的时间点上,ANSYS 会进行线性插值。

      ·      此外还可以读出某一载荷步的结果:

GUI:  Main Menu > General Postproc > Read Results > By Load Step

  然后就可以采用与稳态热分析类似的方法,对结果进行彩色云图显示、矢量图显示、打印列表等后处理。


2、用 POST26 进行后处理

·      首先要定义变量:

命令:  NSOL 或 ESOL 或 RFORCE

GUI:  Main Menu > TimeHist Postproc > Define Variables

·      然后就可以绘制这些变量随时间变化的曲线:

命令: PLVAR

GUI:  Main Menu > TimeHist Postproc > Graph Variables

或列表输出:

命令:  PRVAR

GUI: Main Menu>TimeHist Postproc>List Variables

  此外,POST26 还提供许多其它功能,如对变量进行数学操作等,请参阅《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》。


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