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6-1Workbench-Mechanical Introduction第六章第六章热分析热分析热分析热分析6-2Training Manual概念概念本章练习稳态热分析的模拟，包括：本章练习稳态热分析的模拟，包括：A.几何模型几何模型B.组件组件-实体接触实体接触C.热载荷热载荷D.求解选项求解选项E.结果和后处理结果和后处理F.作业作业 6.1本节描述的应用一般都能在本节描述的应用一般都能在ANSYS DesignSpace Entra或更高版本中使用，除了或更高版本中使用，除了 ANSYS Structural提示：在提示：在 ANSYS 热分析热分析 的培训中包含了包括热瞬态分析的高级分析的培训中包含了包括热瞬态分析的高级分析热分析热分析6-3Training Manual稳态热传导基础稳态热传导基础对于一个稳态热分析的模拟，温度矩阵对于一个稳态热分析的模拟，温度矩阵T通过下面的矩阵方程解得：通过下面的矩阵方程解得：假设：假设：在稳态分析中不考虑瞬态影响在稳态分析中不考虑瞬态影响K 可以是一个常量或是温度的函数可以是一个常量或是温度的函数Q可以是一个常量或是温度的函数可以是一个常量或是温度的函数热分析热分析6-4Training Manual稳态热传导基础稳态热传导基础上述方程基于傅里叶定律：上述方程基于傅里叶定律：固体内部的热流（固体内部的热流（Fouriers Law）是是 K的基础；的基础；热通量、热流率、以及对流热通量、热流率、以及对流 在在Q 为边界条件；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是很重要的。在模拟时，记住这些假设对热分析是很重要的。热分析热分析6-5Training ManualA.几何模型几何模型热分析里所有实体类都被约束：热分析里所有实体类都被约束：体、面、线体、面、线 线实体的截面和轴向在线实体的截面和轴向在 DesignModeler中定义中定义热分析里不可以使用点质量（热分析里不可以使用点质量（Point Mass）的特性的特性壳体和线体假设：壳体和线体假设：壳体：没有厚度方向上的温度梯度壳体：没有厚度方向上的温度梯度线体：没有厚度变化，假设在截面上是一个常量温度线体：没有厚度变化，假设在截面上是一个常量温度但在线实体的轴向仍有温度变化但在线实体的轴向仍有温度变化热分析热分析6-6Training Manual 材料特性材料特性Thermal Conductivity 在在Engineering Data 中输入中输入温度相关的导热性以表格温度相关的导热性以表格形式输入形式输入若存在任何的温度相关的材料特性，就将导致非线性求解。若存在任何的温度相关的材料特性，就将导致非线性求解。唯一需要的材料特性是导热性（唯一需要的材料特性是导热性（Thermal Conductivity）热分析热分析6-7Training ManualB.组件组件-实体接触实体接触对于结构分析，接触域是自动生成的，用于激活各部件间的热传导对于结构分析，接触域是自动生成的，用于激活各部件间的热传导热分析热分析6-8Training Manual 组件组件-接触区域接触区域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的解释）。的解释）。总结：总结：Pinball区域决定了什么时候发生接触，并且是自动定义的，同时还给了一个相区域决定了什么时候发生接触，并且是自动定义的，同时还给了一个相对较小的值来适应模型里的小间距。对较小的值来适应模型里的小间距。热分析热分析6-9Training Manual 组件组件-接触区域接触区域如果接触是如果接触是Bonded（绑定的）或（绑定的）或no separation（无分离的），那么当面出现在（无分离的），那么当面出现在pinball radius内时就会发生热传导（绿色实线内时就会发生热传导（绿色实线表示）。表示）。Pinball Radius右图中，两部件间的间距大于右图中，两部件间的间距大于pinball区域，因此在这两个部件间区域，因此在这两个部件间会发生热传导。会发生热传导。热分析热分析6-10Training Manual 组件组件-导热率导热率默认情况下，假设部件间是完美的热接触传导，默认情况下，假设部件间是完美的热接触传导，意味着界面上不会发生温意味着界面上不会发生温度降度降实际情况下，有些条件削弱了完美的热接触传导：实际情况下，有些条件削弱了完美的热接触传导：表面光滑度表面光滑度表面粗糙度表面粗糙度氧化物氧化物包埋液包埋液接触压力接触压力表面温度表面温度使用导电脂使用导电脂.接着接着 D DTTx热分析热分析6-11Training Manual 组件组件-导热率导热率穿过接触界面的热流速，由接触热通量穿过接触界面的热流速，由接触热通量q决定：决定：式中式中Tcontact 是一个接触节点上的温度，是一个接触节点上的温度，Ttarget 是对应目标节点上的温度是对应目标节点上的温度 默认情况下，基于模型中定义的最大材料导热性默认情况下，基于模型中定义的最大材料导热性KXX和整个几何边界框的对角线和整个几何边界框的对角线ASMDIAG，TCC 被赋以一个相对较大的值。被赋以一个相对较大的值。这实质上为部件间提供了一个完美接触传导这实质上为部件间提供了一个完美接触传导热分析热分析6-12Training Manual 组件组件-导热率导热率在在ANSYS Professional 或更高版本，用户可以为纯罚函数和增广拉格朗日或更高版本，用户可以为纯罚函数和增广拉格朗日方程定义一个有限热接触传导（方程定义一个有限热接触传导（TCC）。）。在细节窗口，为每个接触域指定在细节窗口，为每个接触域指定TCC输入值输入值如果已知接触热阻，那么它的相反数除以接触面积就可得到如果已知接触热阻，那么它的相反数除以接触面积就可得到TCC值值在接触界面上，可以像接触热阻一样在接触界面上，可以像接触热阻一样输入接触热传导输入接触热传导热分析热分析6-13Training Manual 组件组件-点焊点焊Spotweld（点焊）提供了离散的热传导点：（点焊）提供了离散的热传导点：Spotweld在在CAD软件中进行定义（目前只有软件中进行定义（目前只有DesignModeler和和Unigraphics可可用）用）。T1T2热分析热分析6-14Training ManualC.热载荷热载荷热流量：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。热流速可以施加在点、边或面上。它分布在多个选择域上。它的单位是能量比上时间（它的单位是能量比上时间（energy/time）完全绝热（热流量为完全绝热（热流量为0）：）：可以删除原来面上施加的边界条件可以删除原来面上施加的边界条件热通量：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）热通量只能施加在面上（二维情况时只能施加在边上）它的单位是能量比上时间在除以面积（它的单位是能量比上时间在除以面积（energy/time/area）热生成：热生成：内部热生成只能施加在实体上内部热生成只能施加在实体上它的单位是能量比上时间在除以体积（它的单位是能量比上时间在除以体积（energy/time/volume）正的热载荷会增加系统的能量。正的热载荷会增加系统的能量。热分析热分析6-15Training Manual 热边界条件热边界条件温度、对流、辐射：温度、对流、辐射：至少应存在一种类型的热边界条件，否则，如果热量将源源不断地输入到系统中，稳至少应存在一种类型的热边界条件，否则，如果热量将源源不断地输入到系统中，稳态时的温度将会达到无穷大。态时的温度将会达到无穷大。另外，给定的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的表面上。另外，给定的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的表面上。完全绝热条件将忽略其它的热边界条件完全绝热条件将忽略其它的热边界条件给定温度：给定温度：给点、边、面或体上指定一个温度给点、边、面或体上指定一个温度温度是需要求解的自由度温度是需要求解的自由度热分析热分析6-16Training Manual热边界条件热边界条件对流：对流：只能施加在面上（二维分析时只能施加在边上）只能施加在面上（二维分析时只能施加在边上）对流对流q 由导热膜系数由导热膜系数 h，面积，面积 A，以及表面温度，以及表面温度Tsurface与环境温度与环境温度Tambient的差值的差值来定义。来定义。“h”和和“Tambient”是用户指定的值是用户指定的值导热膜系数导热膜系数 h 可以是常量或是温度的函数可以是常量或是温度的函数热分析热分析6-17Training Manual热边界条件热边界条件与温度相关的对流：与温度相关的对流：为系数类型选择为系数类型选择Tabular(Temperature)输入对流换热系数输入对流换热系数-温度表格数据温度表格数据在细节窗口中，为在细节窗口中，为h(T)指定温度的处理指定温度的处理方式方式热分析热分析6-18Training Manual热边界条件热边界条件几种常见的对流系数可以从一个样本文件中导入。新的对流系数可以保存在几种常见的对流系数可以从一个样本文件中导入。新的对流系数可以保存在文件中。文件中。热分析热分析6-19Training Manual热边界条件热边界条件辐射辐射:施加在面上施加在面上（二维分析施加在边上）（二维分析施加在边上）式中：式中：=斯蒂芬一玻尔兹曼常数斯蒂芬一玻尔兹曼常数=放射率放射率A=辐射面面积辐射面面积F=形状系数形状系数（默认是（默认是1）只针对环境辐射，不存在于面面之间（形状系数假设为只针对环境辐射，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斯蒂芬一玻尔兹曼常数自动以工作单位制系统确定热分析热分析6-20Training ManualD.求解选项求解选项从从Workbench toolbox插入插入Steady-State Thermal将在将在project schematic里建立一个里建立一个 SS Thermal system（SS热分析）热分析）在在Mechanical 里，可以使用里，可以使用Analysis Settings 为热分为热分析设置求解选项。析设置求解选项。注意，第四章的静态分析中的注意，第四章的静态分析中的Analysis Data Management选项在这里也可以使用。选项在这里也可以使用。热分析热分析6-21Training Manual 求解模型求解模型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。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。在在Static Structural中插入了一个中插入了一个imported load分支，并同时导入了施分支，并同时导入了施加的结构载荷和约束。加的结构载荷和约束。求解结构求解结构热分析热分析6-22Training ManualE.结果和后处理结果和后处理后处理可以处理各种结果：后处理可以处理各种结果：温度温度热通量热通量反作用的热流速反作用的热流速用户自定义结果用户自定义结果模拟时，结果通常是在求解前指定但也可以在求解结束后指定。模拟时，结果通常是在求解前指定，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的求解。搜索模型求解结果不需要在进行一次模型的求解。热分析热分析6-23Training Manual 温度温度温度：温度：温度是标量，没有方向温度是标量，没有方向热分析热分析6-24Training Manual 热通量热通量可以得到热通量的等高线或矢量图：可以得到热通量的等高线或矢量图：热通量热通量 q 定义为定义为可以指定可以指定Total Heat Flux（整体热通量）和（整体热通量）和 Directional Heat Flux（方向热通量）（方向热通量）激活矢量显示模式显示热通量的大小和方向激活矢量显示模式显示热通量的大小和方向热分析热分析6-25Training Manual 响应热流速响应热流速对给定的温度、对流或辐射边界条件可以得到响应的热流量：对给定的温度、对流或辐射边界条件可以得到响应的热流量：通过插入通过插入probe指定响应热流量指定响应热流量，或，或用户可以交替的把一个边界条件拖放到用户可以交替的把一个边界条件拖放到Solution上后搜索响应上后搜索响应或或从从Probe菜单下菜单下选择选择拖放边界条件拖放边界条件热分析热分析6-26Training ManualF.作业作业 6 稳态热分析稳态热分析作业作业 6.1 稳稳态热分析态热分析目标：目标：分析图示泵壳的热传导特性分析图示泵壳的热传导特性