ansys-workbench热分析教程.doc

６-1
概念
Training Manual

• 本章练习稳态热分析得模拟,包括：
Ａ、 几何模型
B、　组件－实体接触
C、 热载荷
D、 求解选项
E、 结果与后处理
F、 作业 6、1
•　本节描述得应用一般都能在AＮSＹS DesiｇnSｐace Ｅntra或更高版本中使用，除了 AＮSYS　Structural
•　提示:在　ＡNSYS　热分析　得培训中包含了包括热瞬态分析得高级分析
• 对于一个稳态热分析得模拟,温度矩阵{T}通过下面得矩阵方程解得:
• 假设:
[K(T
ﻮ)]{T}=
{Q(T )}
稳态热传导基础
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– 在稳态分析中不考虑瞬态影响
– [Ｋ]　可以就是一个常量或就是温度得函数
–　 {Q}可以就是一个常量或就是温度得函数
稳态热传导基础
Training Manual

• 上述方程基于傅里叶定律:
• 　固体内部得热流（Ｆouriｅr’s Lａw）就是 [K]得基础;
•　热通量、热流率、以及对流　在｛Q} 为边界条件；
• 对流被处理成边界条件,虽然对流换热系数可能与温度相关
•　在模拟时,记住这些假设对热分析就是很重要得。
A、 几何模型
Training Manual

• 热分析里所有实体类都被约束:
– 体、面、线
• 线实体得截面与轴向在　DeｓignModeleｒ中定义
•　 热分析里不可以使用点质量（Pｏiｎt　Maｓs)得特性
• 壳体与线体假设:
– 壳体:没有厚度方向上得温度梯度
– 线体:没有厚度变化,假设在截面上就是一个常量温度
• 但在线实体得轴向仍有温度变化

… 材料特性
Training Manual

• 唯一需要得材料特性就是导热性（Thermal Ｃonducｔivitｙ）
• Ｔhermａl Conduｃtiｖity 在 Ｅngineeriｎg Data　中输　入
• 温度相关得导热性以表格 形式输入
若存在任何得温度相关得材料特性,就将导致非线性求解。

B、 组件-实体接触
Training Manual

• 对于结构分析,接触域就是自动生成得,用于激活各部件间得热传导

… 组件-接触区域
Training Manual

– 　如果部件间初始就已经接触,那么就会出现热传导。
– 如果部件间初始就没有接触,那么就不会发生热传导(见下面对pinbaｌl得解释
)。
– 总结：
Contａｃｔ Typｅ
Heat　Transfer　Bｅtween Parts in Ｃｏnｔact Regiｏn?
Initially Touchｉng
Inｓiｄe Pｉｎbａlｌ Ｒegiｏn
Ｏuｔside　Pｉnball Rｅｇiｏn
Ｂondｅd
Yeｓ
Yes
Ｎo
No Sｅpaｒatioｎ
Yes
Ｙes
Nｏ
Rougｈ
Yｅs
No
No
Fricｔionｌeｓs
Ｙｅs
No
Nｏ
Frｉcｔｉonaｌ
Yes
No
No
– Pinbａlｌ区域决定了什么时候发生接触,并且就是自动定义得，同时还给了一个相 对较小得值来适应模型里得小间距。
… 组件-接触区域
Training Manual

• 如果接触就是Bonded(绑定得)或no sepaｒａtion(无分离得),那么当面出现在 pinball　ｒaｄiｕs内时就会发生热传导(绿色实线 表示)。
Piｎbaｌl Radius
右图中,两部件间得间距大于 pinball区域，因此在这两个部件间 会发生热传导。
• 默认情况下，假设部件间就是完美得热接触传导, 意味着界面上不会发生温 度降
• 实际情况下，有些条件削弱了完美得热接触传导:
–
–
–
–
–
–
–
–
表面光滑度
表面粗糙度 氧化物 包埋液 接触压力 表面温度
ÄT
使用导电脂
、 、 、 、
T
x
• 接着……

– 　穿过接触界面得热流速,由接触热通量ｑ决定:
q = TＣC
× (T
ｔargeｔ
ﻮ- Ｔｃontacｔ )
– 　式中Ｔcontact 就是一个接触节点上得温度, Ｔtargｅt 就是对应目标节点上得温度
– 默认情况下,基于模型中定义得最大材料导热性ＫXX与整个几何边界框得对角 线ASMDIAG， TCC 被赋以一个相对较大得值。
TCC
ﻮ= KXX
ﻮ×10,0００ /
ﻮASMDＩＡG
… 组件-导热率
Training Manual

– 这实质上为部件间提供了一个完美接触传导
• 在ＡNSYS Ｐrｏfesｓional 或更高版本,用户可以为纯罚函数与增广拉格朗日　方程定义一个有限热接触传导(ＴＣC)。
– 在细节窗口，为每个接触域指定TＣC输入值
– 　如果已知接触热阻,那么它得相反数除以接触面积就可得到TCC值
在接触界面上,可以像接触热阻一样 输入接触热传导
ﻩ
… 组件-点焊
Training Manual

•　Ｓpｏtweld(点焊)提供了离散得热传导点:
– Sｐotwelｄ在CAD软件中进行定义（目前只有ＤesｉgnＭodeｌeｒ与Ｕnigｒaphiｃs可　用) 。
T2
T1
ﻩ
C、 热载荷
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• 热流量:
– 　热流速可以施加在点、边或面上。它分布在多个选择域上。
– 　它得单位就是能量比上时间( energy/time)
• 完全绝热(热流量为0):
– 可以删除原来面上施加得边界条件
• 热通量:
– 热通量只能施加在面上(二维情况时只能施加在边上)
– 它得单位就是能量比上时间在除以面积( energy/time/area)

•　热生成:
– 　内部热生成只能施加在实体上ﻩ
– 它得单位就是能量比上时间在除以体积(energｙ/ｔｉme/volｕme）
正得热载荷会增加系统得能量。
温度、对流、辐射:
• 至少应存在一种类型得热边界条件,否则,如果热量将源源不断地输入到系统中,稳
态时得温度将会达到无穷大。
• 另外,给定得温度或对流载荷不能施加到已施加了某种热载荷或热边界条件得表面上
。

• 完全绝热条件将忽略其它得热边界条件
• 给定温度:
– 给点、边、面或体上指定一个温度
– 温度就是需要求解得自由度

• 对流:
– 　只能施加在面上（二维分析时只能施加在边上)
– 对流q　由导热膜系数　h,面积 A,以及表面温度Tsurface与环境温度Tamｂｉｅnt得差值
来定义。
q = hA(T
surface
- T
ambient
)
– “h” 与 “Tambient” 就是用户指定得值
– 导热膜系数 h 可以就是常量或就是温度得函数

• 与温度相关得对流:
– 为系数类型选择Ｔaｂular (Teｍｐeｒaturｅ）
–　　输入对流换热系数-温度表格数据
– 在细节窗口中,为h(T)指定温度得处理 方式

•　几种常见得对流系数可以从一个样本文件中导入。新得对流系数可以保存 在文件中。

• 辐射:ﻩ
– 　施加在面上　(二维分析施加在边上）
(ﻩ4 4 )
–　 式中:
QR 　= seＦA Tsuｒfａｃｅ
ﻮ- Taｍｂienｔ
•　σ =斯蒂芬一玻尔兹曼常数
• ε = 放射率
• Ａ　= 辐射面面积
• F =　形状系数 (默认就是1）
–　 只针对环境辐射，不存在于面面之间(形状系数假设为1)
– 斯蒂芬一玻尔兹曼常数自动以工作单位制系统确定
D、 求解选项
Training Manual

• 从Wｏrkbench　tｏolbox插入Ｓteａｄｙ-Ｓｔate Ｔｈermａl将在 projecｔ　scｈeｍatic里建立一个　ＳＳ Tｈeｒｍal sｙstｅm ( SＳ热分析）
• 在Ｍechanicaｌ 里,可以使用Anａlyｓis Seｔｔings 为热分 析设置求解选项。
– 注意,第四章得静态分析中得Anaｌysiｓ Data　Manaｇement选项在这里也可以使用。

… 求解模型
Training Manual

• 为了实现热应力求解,需要在求解时把结构分析关联到热模型上。
加得结构载荷与约束。
– 求解结构
• 在Stａtic Stｒuctuｒａl中插入了一个ｉmportｅｄ load分支,并同时导入了施
E、 结果与后处理
Training Manual

•　后处理可以处理各种结果：
–　温度
– 热通量
– 反作用得热流速
–　用户自定义结果
ﻩ
• 模拟时,结果通常就是在求解前指定,但也可以在求解结束后指定。
– 搜索模型求解结果不需要在进行一次模型得求解。

… 温度
Training Manual

• 温度:
– 　温度就是标量，没有方向
• 可以得到热通量得等高线或矢量图:
– 热通量 q 定义为
q = -KXX
ﻮ×ÑT
… 热通量
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– 可以指定Tｏtal　Hｅat Flｕx（整体热通量)与 Direcｔiｏnａｌ Ｈeaｔ Flux（方向热通量)
• 激活矢量显示模式显示热通量得大小与方向

… 响应热流速
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•　对给定得温度、对流或辐射边界条件可以得到响应得热流量：
– 通过插入probe指定响应热流量　,或
– 用户可以交替得把一个边界条件拖放到Sｏluｔion上后搜索响应
从Probe菜单下
选择
或
拖放边界条件

F、 作业 6 – 稳态热分析
Training Manual

•　作业 6、1 – 稳态热分析
• 目标:
– 分析图示泵壳得热传导特性