有限元分析热分析.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,.,*,7.1,有限元技术在热分析中的应用,1,.,主要讲授三方面内容：,ANSYS,热分析基础知识简介,稳态热分析实例,瞬态热分析实例,2,.,7.1.1 ANSYS,热分析基础知识简介,一、,ANSYS,热分析功能介绍,ANSYS,热分析模块主要有：,ANSYS/,Multiphysics,ANSYS/Mechanical,ANSYS/Thermal,ANSYS/FLOTRAN,ANSYS/ED,其中，,ANSYS/FLOTRAN,不含相变热分析。,3,.,ANSYS,热分析基于能量守恒原理的热平衡方,程，用有限元法计算物体内部各节点的温度，并,导出其它热物理参数。,运用,ANSYS,软件可进行热传导、热对流、热,辐射、相变、热应力以及接触热阻等问题的分析,求解,。,4,.,此外，,ANSYS,不仅能解决纯粹的热分析问题，还能解决与热相关的其它问题，如热,应力分析、热,电分析、热,磁分析等。一般称这类涉及两个或多个物理场相互作用的问题为耦合场分析。,ANSYS,提供了两种分析耦合场的方法：直接耦合法与间接耦合法。,5,.,二、单位制问题：在,ANSYS,热分析过程中，不一定都要采用国际单位制，但必须要使所有物理量的单位统一起来。,ANSYS,中共有五种单位可供选择（命令流方式：,/UNITS,；或,Main menuPreprocessorMaterial PropsMaterial Library Select Units,）：,SI,（,MKS,）代表国际单位制，其基本单位为,m,，,kg,，,s,，,K,。,6,.,CGS,代表厘米、克、秒单位制，其基本单位为,cm,，,g,，,s,，。,BFT,代表以英尺为主的英制单位制，其基本单位为,ft,，,slug,，,s,，。,BIN,代表以英寸为主的英制单位制，其基本单位为,in,，,ibm,，,s,，。,USER,代表用户自定义单位制，即用户可以根据需要定义基本单位。,7,.,三、热分析时的三类边界条件和初始条件：,第一类边界条件：物体边界上的温度函数已知；,第二类边界条件：物体边界上的热流密度已知；,第三类边界条件：与物体相接触的流体介质的温,度和换热系数已知。,初始条件：初始条件是指传热过程开始时，物体,在整个区域中所具有的温度为已知值。,8,.,四、热分析时的载荷：,ANSYS,共提供了,6,种载荷，,可以施加在实体模型或单元模型上。,（,1,）温度：作为第一类边界条件，温度可以施加在有限元模型的节点上，也可以施加在实体模型的关键点、线段及面上。,（,2,）热流率：热流率（,Heat Flow,）是一种,节点集中载荷,，只能施加在节点或关键点上，主要用于线单元模型。,9,.,（,3,）对流：对流（,Convection,）是一种,面载荷,，用于计算流体与实体的热交换。它可以施加在有限元模型的节点及单元上，也可以施加在实体模型的线段和面上。,（,4,）热流密度：又称热通量（,Heat Flux,）单位为,W/m2,。热流密度是一种,面载荷,，表示通过单位面积的热流率。当通过单位面积的热流率已知时，可在模型相应的外表面施加热流密度。若输入值为正，则表示热流流入单元；反之，则表示热流流出单元。它可以施加在有限元模型的节点及单元上，也可以施加在实体模型的线段和面上。,10,.,（,5,）生热率：生热率既可看成是材料的一种基本属性，又可作为载荷施加在单元上。它可以施加在有限元模型的节点及单元上，也可以施加在实体模型的关键点、线段、面及体上。,（,6,）热辐射率：热辐射率也是一种,面载荷,，通常施加于实体的外表面。它可以施加在有限元模型的节点及单元上，也可以施加在实体模型的线段和面上。,11,.,五、热分析时的三种传热方式及材料基本属性,（,1,）热传导：当物体内部存在温差，即存在温度梯度时，热量从物体的高温部分传递到低温部分；而且不同温度的物体相互接触时热量会从高温物体传递到低温物体。这种热量传递的方式称为热传导。,Q/t=KA(T,hot,-T,cold,)/d,式中：,Q,为时间,t,内的传热量或热流量；,K,为热传导率或热传导系数；,12,.,（,2,）对流：热对流是指固体的表面与它周围接触的液体或气体（统称为流体）之间，由于温差的存在而引起的热量交换。,高温物体表面（如暖气片）常常发生对流现象，这是因为高温物体表面附近的空气因受热而膨胀，密度降低并向上流动。与此同时，密度较大的冷空气下降并代替原来的受热空气。,13,.,热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。,q=h(T,S,-T,B,),式中：,h,为对流换热系数（或称膜传热系数、给热系数、膜系数等）；,T,S,为固体表面的温度；,T,B,为周围流体的温度。,14,.,（,3,）辐射：热辐射是指物体发射电磁能，并被其它物体吸收转变为热能的热量交换过程。物体温度越高，单位时间辐射的热量越多。热传导和热对流都需要有传热介质，而热辐射无须任何介质。,实质上，在真空中的热辐射效率最高。在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物体同时辐射并吸收热量，它们之间的净热量传递可以用如下斯蒂芬,波尔兹曼方程来计算：,15,.,q=A,1,F,12,(T,4,1,-T,4,2,),式中：,q,为热流率；,为实际物体的辐射率，或称黑度，它的数值,处于,0,1,之间；,为斯蒂芬,波尔兹曼常数，约为,5.67108W/m2.K4,；,A,1,为辐射面,1,的面积；,F,12,为由辐射面,1,到辐射面,2,的形状系数；,T,1,为辐射面对,1,的绝对温度；,T,2,为辐射面,2,的绝对温度。,16,.,在,ANSYS,热分析中，在确定分析选项，即,Main MenuSolutionAnalysis TypeAnalysis Options,的对话框中有一个选项：,Temperature difference,，该选项用于确定绝对零度，即需要将目前的温度值换算为绝对温度。如果在热分析过程中使用的温度单位是摄氏度，则该值应设定为,273,。,从上式可以看出，包含热辐射的热分析是高度非线性的。,17,.,（,4,）比热容（,Specific Heat,）：是指单位质量的物质每升高（或降低）,1,所吸收（或放出）的热量，简称比热，其单位为,J/(Kg.),。其计算公式为：,C=Q/,（,m.T,）,式中：,T=T,E,-T,B,，为,T,E,为终止时刻温度；,T,B,为开始时刻温度；,Q,为该时间段内物体吸收或放出的总热量；,m,为质量。,18,.,（,5,）焓（,Enthalpy,）：,定义为,H=U+PV,，式中,H,为焓，,U,为内能，,P,、,V,分别为压力和体积。,对于常压情况，上式又可表示为：,H=U+P.V=Q,说明在常压条件下，焓的变化即为热量的变化。,19,.,（,6,）生热率（,Heat Generation Rate,）：,生热率既可以材料属性的形式进行定义，同时又可以体载荷的形式施加到单元上，用于模拟化学反应生热或电流生热，其单位是单位体积的热流率。,20,.,六、稳态热分析与瞬态热分析：,（,1,）稳态传热：,如果系统的净热流率为,0,，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量，则系统处于热稳态。在稳态热分析中任一节点的温度都不随时间变化。,（,2,）瞬态传热：,瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中，系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。,21,.,七、线性与非线性热分析,ANSYS,在热分析过程中，如果有下列情况中,的一种或几种出现，则该分析为非线性热分析：,材料热性能随温度变化；,边界条件随温度变化；,含有非线性单元；,考虑辐射传热。,22,.,7.1.2,稳态热分析实例,1,长空心圆柱 体的热传导过程,ANSYS,分析,问题描述：,有一空心钢圆柱体，内半径与外半径分别为,0.2 m,、,0.6 m,，长度为,10 m,。钢的导热系数为,70W/,（,m.),，现在柱体的外表面施加均匀温度载荷,80,，假设柱体内表面温度为恒定值,20,。试求钢柱体内部的温度场分布。,23,.,简要分析：,该问题属于稳态热力学问题。由于柱体的长度远大于其直径，可忽略其终端效应，同时根据问题的对称性，求解过程中取圆柱体横截面的,1/4,建立几何模型。,几何模型,24,.,1.,建立工作文件名和工作标题，并选择,Preferences,进行筛选：,25,.,26,.,27,.,2.,定义单元类型和材料属性,28,.,29,.,创建几何模型、划分网格,3.1,几何建模,30,.,31,.,3.2,划分网格：先对线进行标注，然后画线以便于操作。,32,.,33,.,34,.,35,.,36,.,4,加载求解,4.1,选择分析类型：,37,.,4.2,对线上各节点施加温度载荷：先对,1,线上的节点加温,度载荷,38,.,39,.,4.3,定义载荷,40,.,41,.,42,.,4.4,定义,2,线上的温度载荷：,43,.,44,.,4.5,定义温度载荷值：,45,.,46,.,4.6,载荷步及输出结果控制选项设置：,47,.,4.7,求解：,48,.,49,.,5.,查看求解结果：,50,.,51,.,7.1.3,瞬态热分析实例,1,型材瞬态传 热过程,ANSYS,分析,问题描述：,有一横截面为矩形的各向异性型材，其初始温度为,500,，现突然将其置于温度为,20,的空气中，求,1,分钟后该型材的温度场分布及其中心温度随时间的变化规律。材料性能参数如下：密度为,2400 kg/m,3,，导热系数,KXX,为,30 W/(m.),，,KYY,、,KZZ,为弹性模量为,10 W/(m.),，比热为,352 J/(kg.),，对流系数为,110W/(m,2,.),。,52,.,简要分析：,该问题属于瞬态热传导问题。由于材料沿长度方向的尺寸远大于其它两个方向的尺寸，将其简化为平面应变问题。在分析过程中取型材横截面的,1/4,建立模。,0.4,0.2,53,.,1.,建立工作文件名和工作标题，并选择,Preferences,进行筛选：,54,.,2.,定义单元类型和材料属性：,55,.,56,.,57,.,58,.,3.,创建几何模型、划分网格,3.1,几何建模：,59,.,对线进行标注并画线，结果如下图所示,：,60,.,3.2,划分网格：先设置单元尺寸（对所选,1,号线进行定义）：,61,.,62,.,结果如下图所示：,63,.,对,3,号线进行相似操作：,64,.,对,2,号线进行相似操作：,65,.,对,4,号线进行相似操作（,NDIV,取,30,，,SPACE,取,5,）后得,：,66,.,3.3,用,Mesh Tool,划分网格：,67,.,结果如下图所示,：,68,.,69,.,Change Title,：,ELEMENTS IN MODEL,后点击,Plot Elements,为,：,70,.,4.,加载求解,4.1,分析类型选择：,71,.,72,.,4.2,求解控制选择：,Basic,选项（变化）和,Transient,选项（没变）的,设置,：,73,.,74,.,4.3,施加温度载荷：先对全部施加均布温度载荷,500,75,.,再对线,2,和线,3,上的各节点施加温度及对流载荷。首先点击,Select,Entities,：如下图（选定所要加对流和温度的线：通过拾取获得）：,76,.,点击所要加对流及温度的两条线：,77,.,然后选择从属于此线上的所有节点，按下图操作：,78,.,对所选节点施加对流及温度载荷：按下图选择，然后点击,Pick All,：,79,.,对流及温度值的设置,：,80,.,Select everything,后得,：,81,.,分析类型选项的设置,：,82,.,3.4,求解,83,.,查看结果,4.1,先点击,Read Results,中的,Last Set,84,.,4.2,然后,Plot Results,，按下图设置：,85,.,最后，,1,分钟后型材横截面上温度场等值线图分布如下,：,86,.,4.3,察看中心温度云纹图。坐标轴设置：,PlotCtrls,StyleGraphsModify Axes,：,87,.,曲线设置：,PlotCtrls,StyleGraphsModify Curves,：,88,.,颜色设置：,PlotCtrls,StyleColorsGraph Colors,：在,CURVE Graph curve number 1,下拉列表中选择黄色：,89,.,4.4,定义时域后处理变量：,Main Menu,TimeHist,Postpro,Define,Variables,，点,Add,：,90,.,4.5,在,Define Nodal Data,文本框中输入,1,（即为中心点）后，点,OK,：,91,.,4.6,关闭,Define Time-History Variables,，点击,Graph Variables,，输入,2,后点击,OK,（即定义中心点处的温度等值线为变量,2,）,：,92,.,结果如下图所示：,93,.,4.7,关闭,Time History Variables-,file.rth,后，结果如下图所示：,94,.,结 束,同学们辛苦了！,95,.,