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ANSYS 热分析指南 (6)  

2010-12-04 07:57:47|  分类: ANSYS 热分析 |  标签: |举报 |字号 订阅

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七、相变问题

  ANSYS热分析最强大的功能之一就是可以分析相变问题,例如凝固或熔化等。含有相变问题的热分析是一个非线性的瞬态问题:

·      相变问题需要考虑熔融潜热,即在相变过程中吸收或释放的热量。ANSYS 通过定义材料的焓随温度变化来考虑熔融潜热(如下图所示):

                   ANSYS 热分析指南 (6) - htbbzzg - htbbzzg的博客

    焓的单位是 J/m3,是密度与比热的乘积对温度的积分:

              H = ∫ρc(T)dT

·      求解相变问题,应当设定足够小的时间步长,并将自动时间步长设置为 ON

·      选用低阶的热单元,例如 PLANE55 或 SOLID70。如果必须选用高阶单元,请将单元选项 KEYOPT(1)设置为1:

      命令: keyopt(1)=1

       GUI: Main Menu > Prepocessor > Element Type > Add/Edit/Delete > Options > Specific heat matrix > 

            Diagonalized

   ·      在设定瞬态积分参数时,请将 THETA 值设置为 1 (默认为 0.5):

              命令: TINTP

               GUI: Main Menu > Solution>-Load and Step Opts->Time/Frequence>Time intergration>THETA

      ·      线性搜索将有助于加速相变问题的求解。

    命令: LNSRCH

              GUI: Main Menu > Solution > Load and Step Opts > Nonlinear > Line Search

 

实例1:

一个 30 公斤重、温度为 70℃ 的铜块以及一个 20 公斤重、温度为 80℃ 的铁块,突然放入温度为 20、盛满了 300 水的、完全绝热的水箱中如图所示。过了一个小时,求铜块与铁块的最高温度 (假设忽略水的流动)

材料热物理性能如下:

                ANSYS 热分析指南 (6) - htbbzzg - htbbzzg的博客
 

  以下列出log文件及菜单操作说明

 

    /filename,transient1                     

    /title, Thermal Transient Exercise 1

    !进入前处理

    /prep7           

    et,1,plane77                         ! 定义单元类型

    mp,kxx,1,383                         ! 定义材料热性能参数

    mp,dens,1,8889                       ! 1~铜,2~铁,3~水

    mp,c,1,390                  

    mp,kxx,2,70

    mp,dens,2,7837

    mp,c,2,448

    mp,kxx,3,0.61

    mp,dens,3,996

    mp,c,3,4185

 

    rectnag,0,0.6,0,0.5                  创建几何实体

    rectang,0.15,0.225,0.225,0.27

    rectang,0.6-0.2-0.058,0.6-0.2,0.225,0.225+0.044

    aovlap,all                            ! 布尔操作

    /pnum,area,1

    aplot

 

    aatt,1,1,1                            ! 划分网格

    eshape,2

    esize,0.02

    amesh,2

    aatt,2,1,1

    amesh,3

    aatt,3,1,1

    eshape,3

    esize,0.05

    amesh,4 

    /pnum,mat,1

    eplot

    finish

 

    ! 加载求解

    /solu                           

    antype,trans

    timint,off                      ! 先作稳态分析,确定初始条件

    time,0.01                       ! 设定只有一个子步的时间很小的载荷步

    deltim,0.01

    esel,s,mat,,3

    nsle,s

    d,all,temp,20 

    esel,s,mat,,2

    nsle,s

    d,all,temp,80 

    esel,s,mat,,1

    nsle,s

    d,all,temp,70 

    allsel

    solve                                ! 得到初始温度分布

 

    time,3600                            ! 进行瞬态分析

    timint,on                            ! 打开时间积分

    deltim,26,2,200                      ! 设置时间步长,最大及最小时间步长

    autots,on                            ! 打开自动时间步长

 

    ddelet,all,temp                      ! 删除稳态分析中定义的节点温度            

    outres,all,1                         ! 将每个子步的值写入数据库文件

    solve

    finish

    save

 

    ! 进入POST26后处理                       

    /post26                                      

    solu,2,dtime,,dtime                             ! 2~每一子步采用的时间步长

    nsol,3,node(0.1875,0.2475,0),temp,,T_Copper     ! 3~铜块的中心点

    nsol,4,node(0.371,0.247,0),temp,,T_Iron         ! 4~铁块的中心点

    nsol,5,node(30,0,0),temp,,T_H2O_Bot             ! 5~水箱的底部

    nsol,6,node(30,50,0),temp,,T_H2O_Top            ! 6~水箱的顶部

    nsol,7,node(0,25,0),temp,,T_H2O_Left            ! 7~水箱的左部

    nsol,8,node(60,25,0),temp,,T_H2O_Right          ! 8~水箱的右部

    Plvar,2

    plvar,3,4,5,6,7,8

    finish

 

    ! 进入POST1后处理

    /post1                                          ! 设置为最后一个载荷子步

    set,last

    esel,s,mat,,1

    nsle,s

    plnsol,temp 

    esel,s,mat,,2

    nsle,s

    plnsol,temp 

    finish

 

GUI 菜单操作:

    1、Utility Menu: File > Change Jobname, 输入文件名 Transient1

    2、Utility Menu: File > Change Title,输入标题 Thermal Transient Exercise 1

    3、Main Menu > Preprocessor,进入前处理;

    4、Main Menu > Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete, 选择单元 plane77

    5、Main Menu > Preprocessor > Material Props > Isotropic, 

        定义材料 1(铜)的 KXX 等于 383DENS 等于 8889等于 1390

    6、Main Menu > Preprocessor > Material Props > Isotropic, 

        定义材料 2(铁)的 KXX 等于 70DENS 等于 7837等于 448

    7、Main Menu > Preprocessor > Material Props > Isotropic, 

        定义材料 3(水)的 KXX 等于 0.61DENS 等于 996等于 4185

    8、Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Retangle > By Dimensions, 

        输入 X1=0, Y1=0, X2=0.6, Y2=0.5, 选择 Apply, 输入X1=0.15, Y1=0.225, X2= 0.225,  Y2=0.27, 选择 Apply, 

        输入 X1=0.6-0.2-0.058, Y1=0.225, X2=0.6-0.2, Y2=0.225+0.044, 选择 OK

    9、Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Overlap, 选择 Pick All

    10、Utility Menu: Plotctrls > Numbering > Areas, on

    11、Utility Menu: Plot > Areas

    12、Main Menu > Preprocessor > Attributes > Define > All Areas, 选择材料 1

    13、Main Menu > Preprocessor > Meshing > Size Cntrls > Manualsize > Global > Size, 输入单元大小 0.02

    14、Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh > Areas > Mapped > 3 or 4 sided, 选择铜块;

    15、Main Menu > Preprocessor > Attributes > Define > All Areas, 选择材料 2

    16、Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh > Areas > Mapped > 3 or 4 sided, 选择铁块;

    17、Main Menu > Preprocessor > Attributes > Define > All Areas, 选择材料 3

    18、Main Menu > Preprocessor > Meshing > Size Cntrls > Manualsize > Global > Size, 输入单元大小 0.05

    19、Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh > Areas > Free, 选择水箱;

    20、Utility Menu > Plot > Area

    21、Main Menu > Solution,进入加载求解;

    22、Main Menu > Solution > Analysis Type > New Analysis, 选择 Transient,定义为瞬态分析;

    23、Main Menu > Solution > Load Step Opts > Time/Frenquenc > Time Integration, TIMINT, off,首先进行稳态分析;

    24、Main Menu > Solution > Load Step Opts > Time/Frenquenc > Time-Time Step,设定 TIME 为 0.01DELTIM 也为 0.01

    25、Utility Menu: Select > Element > mat, 输入 3, 选择 Apply, 选择 Nodes > Attached to, 选择 Element

    26、Main Menu > Solution > Loads > Apply > Thermal > Temperature > On Nodes, 选择 Pick All, 输入 20

    27、Utility Menu: Select > Element > mat, 输入 2, 选择 Apply, 选择 Nodes > Attached to, 选择 Element

    28、Main Menu > Solution > Loads > Apply > Thermal > Temperature > On Nodes, 选择 Pick All, 输入 80

    29、Utility Menu: Select > Element > mat, 输入 1, 选择 Apply, 选择 Nodes > Attached to, 选择 Element

    30、Main Menu > Solution > Loads > Apply > Thermal > Temperature > On Nodes, 选择 Pick All, 输入 70

    31、Utility Menu: Select > Everything

    32、Main Menu > Solution > Solve > Current LS

    33、Main Menu > Solution > Load Step Opts > Time/Frenquenc > Time-Time Step,设定 TIME=3600,  DELTIM=26, 最小、最大时间步长分别为 2, 200, 将 Autots 设置为 ON

    34、Main Menu > Solution > Load Step Opts > Time/Frenquenc > Time Integration, 将 TIMINT 设置为 ON

    35、Main Menu > Solution > Loads > Delete > Thermal > Temperature > On Nodes, 选择 Pick All,删除稳态分析定义的节点温度;

    36、Main Menu > Solution > Load Step Opts > Output Ctrls > DB/Results, 选择 Every Substeps

    37、Main Menu > Solution > Solve > Current LS

    38、Main Menu > TimeHist PostPro,进入 POST26

    39、Main Menu > TimeHist PostPro > Define Variables > Add > Solution summary,在 User specified label 框中

        输入 dtime,选择 Solution Items > Step Time,选择 OKAdd > Nodal result >,在 Node number 框中输入

        node(0.1875,0.2475,0),在 User specified label 框中输入 T_Copper,同样输入其它节点;

    40、Main Menu > TimeHist PostPro > Graph Virables, 输入变量代号,显示各变量随时间变化的曲线;

    41、Main Menu > General Postproc,进入 POST1

    42、Main Menu > General Postproc > Read Results > Last set

    43、Utility Menu > Select > Element > mat,输入 1,选择 ApplyNodes > Attach to,选择 Element, OK;

    44、Main Menu > General Postproc > Plot result > Nodal Solution,选择 temperature;

    45、Utility Menu > Select > Element > mat,输入 2,选择 ApplyNodes > Attach to,选择 Element, OK;

    46、Main Menu > General Postproc > Plot result > Nodal Solution,选择 temperature。

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