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ANSYS 热分析指南 (2)  

2010-11-30 07:34:23|  分类: ANSYS 热分析 |  标签: |举报 |字号 订阅

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第三章 稳态传热分析

一、稳态传热的定义

  稳态传热用于分析不随时间变化 (静态) 的热载荷对系统或部件的影响。通常在进行瞬态热分析以前,进行稳态热分析用于确定初始温度分布。

  稳态热分析可以通过有限元计算确定由于静态的热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数

二、热分析的单元

  热分析涉及到的单元有大约 40 种,其中纯粹用于热分析的有 14 种:

线性:      LINK32      两维二节点热传导单元

                 LINK33      三维二节点热传导单元

          LINK34      二节点热对流单元

          LINK31      二节点热辐射单元

二维实体:     PLANE55          四节点四边形单元

         PLANE77          八节点四边形单元

         PLANE35          三节点三角形单元

         PLANE75          四节点轴对称单元

         PLANE78          八节点轴对称单元

三维实体   SOLID87          六节点四面体单元

         SOLID70          八节点六面体单元

         SOLID90          二十节点六面体单元

       SHELL57          四节点

       MASS71    

  有关单元的详细解释,请参阅帮助文件中的 《ANSYS Element Reference Guide


三、ANSYS 稳态热分析的基本过程

  ANSYS 热分析可分为三个步骤:

·      前处理:    建模

·      求解: 施加载荷计算

·      后处理:    查看结果


1、建模

①、确定 jobnametitleunit

②、进入 PREP7 前处理,定义单元类型,设定单元选项;

③、定义单元实常数;

④、定义材料热性能参数,对于稳态传热,一般只需定义导热系数,它可以是恒定的,也可以随温度变化;

⑤、创建几何模型并划分网格,请参阅《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。


2、施加载荷计算

①、定义分析类型

 l  如果进行新的热分析:

    命令: ANTYPE, STATIC, NEW

    GUI: Main menu > Solution > Analysis Type > New Analysis > Steady-state

 l  如果继续上一次分析,比如增加边界条件等:

   命令: ANTYPE, STATIC, REST

   GUI: Main menu > Solution > Analysis Type > Restart

②、施加载荷

  可以直接在实体模型或单元模型上施加五种载荷(边界条件)

a、恒定的温度

 通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上。

   命令族:D

   GUIMain Menu > Solution > Loads > Apply > Thermal > Temperature

b、热流率

  热流率作为节点集中载荷,主要用于线单元模型中(通常线单元模型不能施加对流或热流密度载荷),如果输入的值为正,代表热流流入节点,即单元获取热量。如果温度与热流率同时施加在一节点上则 ANSYS 读取温度值进行计算。

   注意:如果在实体单元的某一节点上施加热流率,则此节点周围的单元要密一些,在两种导热系数差别很大的两个单元的公共节点上施加热流率时,尤其要注意。此外,尽可能使用热生成或热流密度边界条件,这样结果会更精确些。

    命令族: F

    GUIMain Menu > Solution > Loads > Apply > Thermal > Heat Flow

c、对流

  对流边界条件作为面载施加于实体的外表面,计算与流体的热交换,它仅可施加于实体和壳模型上,对于线模型,可以通过对流线单元 LINK34 考虑对流。

    命令族:SF

    GUIMain Menu > Solution > Loads > Apply > Thermal > Convection

d、热流密度

  热流密度也是一种面载荷。当通过单位面积的热流率已知或通过 FLOTRAN CFD 计算得到时,可以在模型相应的外表面施加热流密度。如果输入的值为正,代表热流流入单元。热流密度也仅适用于实体和壳单元。热流密度与对流可以施加在同一外表面,但 ANSYS 仅读取最后施加的面载进行计算。

    命令族: F

    GUIMain Menu > Solution > Loads > Apply > Thermal > Heat Flux

e、生热率

  生热率作为体载施加于单元上,可以模拟化学反应生热或电流生热。它的单位是单位体积的热流率。

    命令族:BF

    GUIMain Menu > Solution > Loads > Apply > Thermal > Heat Generat

③、确定载荷步选项

  对于一个热分析,可以确定普通选项、非线性选项以及输出控制。

a. 普通选项

    ·   时间选项:虽然对于稳态热分析,时间选项并没有实际的物理意义,但它提供了一个方便的设置载荷步和载荷子步的方法。

    命令: TIME

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

    ·   每载荷步中子步的数量或时间步大小:对于非线性分析,每一载荷步需要多个子步。

    命令: NSUBST

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

    或:

    命令: DELTIM

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

    ·   递进或阶越选项:如果定义阶越 (stepped) 选项,载荷值在这个载荷步内保持不变;如果为递进 (ramped) 选项,则载荷值由上一载荷步值到本载荷步值随每一子步线性变化。

    命令: KBC

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

b. 非线性选项

    ·   迭代次数:本选项设置每一子步允许的最多的迭代次数。默认值为 25,对大数热分析问题足够。

    命令:NEQIT

    GUI: Main Menu > Solution > Load Step Opts > Nolinear > Equilibrium Iter

    ·   自动时间步长对于非线性问题,可以自动设定子步间载荷的增长,保证求解的稳定性和准确性。

    命令: AUTOTS

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

    ·   收敛误差:可根据温度、热流率等检验热分析的收敛性。

    命令: CNVTOL

    GUI: Main Menu > Solution > Load Step Opts > Nolinear > Convergence Crit

    ·   求解结束选项:如果在规定的迭代次数内,达不到收敛,ANSYS 可以停止求解或到下一载荷步继续求解。

    命令: NCNV

    GUI: Main Menu > Solution > Load Step Opts > Nolinear > Criteria to Stop

    ·   线性搜索:设置本选项可使 ANSYS 用 Newton-Raphson 方法进行线性搜索。

    命令: LNSRCH

    GUI: Main Menu > Solution > Load Step Opts > Nolinear > Line Search

    ·   预测矫正:本选项可激活每一子步第一次迭代对自由度求解的预测矫正。

    命令: PRED

    GUI: Main Menu > Solution > Load Step Opts > Nolinear > Predictor

c.   输出控制

    ·   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、确定分析选项

a.   Newton-Raphson 选项(仅对非线性分析有用)

    命令: NROPT

    GUI: Main Menu > Solution > Analysis Options

b.   选择求解器:可选择如下求解器中一个进行求解:

·      Frontal solver (默认)

·      Jacobi Conjugate Gradient (JCG)  solver

·      JCG out-of-memory solver

·      Incomplete Cholesky Conjugate Gradient (ICCG)  solver

·      Pre-Conditioned Conjugate Gradient Solver (PCG)

·      Iterative(automatic solver selection option)

    命令: EQSLV

    GUI: Main Menu > Solution > Analysis Options

    注意:热分析可选用 Iterative 选项进行快速求解,但如下情况除外:

·      热分析包含 SURF19 或 SURF22 或超单元;

·      热辐射分析;

·      相变分析

·      需要 restart an analysis

c.   确定绝对零度:

     在进行热辐射分析时,要将目前的温度值换算为绝对温度。如果使用的温度单位是摄氏度,此值应设定为 273;如果使用的是华氏度,则为 460

    命令: TOFFST

    GUI: Main Menu > Solution > Analysis Options

⑤、保存模型: 点击 ANSYS 工具条 SAVE_DB

⑥、求解

    命令: SOLVE

    GUI: Main Menu > Solution > Current LS


3、后处理

  ANSYS将热分析的结果写入 *.rth 文件中,它包含如下数据:

  基本数据:

·      节点温度

  导出数据:

·      节点及单元的热流密度

·      节点及单元的热梯度

·      单元热流率

·      节点的反作用热流率

·      其它

  对于稳态热分析,可以使用 POST1 进行后处理,关于后处理的完整描述,可参阅《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》。

  进入 POST1 后,读入载荷步和子步:

            命令: SET

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

  可以通过如下三种方式查看结果:

·      彩色云图显示

            命令: PLNSOL, PLESOL, PLETAB

            GUI: Main Menu > General Postproc > Plot Results > Nodal Solu, Element Solu, Elem Table

·      矢量图显示

            命令: PLVECT

            GUI: Main Menu > General Postproc > Plot Results > Pre-defined or Userdefined

·      列表显示

            命令: PRNSOL, PRESOL, PRRSOL

            GUI: Main Menu > General Postproc > List Results > Nodal Solu, Element Solu, Reaction Solu

  详细过程请参阅《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》。

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