ANSYS多物理耦合场有限元分析_精品文档PPT格式课件下载.ppt
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对流一般作为面边界条件施加对流一般作为面边界条件施加TsTBANSYSANSYS热分析热分析热力学第一定律能量守恒能量守恒要求系统的能量改变与系统边要求系统的能量改变与系统边界处传递的热和功数值相等。
界处传递的热和功数值相等。
能量守恒在一个微小的时间增量下可以能量守恒在一个微小的时间增量下可以表示为方程形式表示为方程形式将其应用到一个微元体上，就可以得到将其应用到一个微元体上，就可以得到热传导的控制微分方程。
热传导的控制微分方程。
ANSYSANSYS热分析热分析单元类型单元类型下表显示通常使用的热单元类型。
下表显示通常使用的热单元类型。
节点自由度是：
TEMP。
常用的热单元类型材料特性材料特性至少需要至少需要KxxKxx稳态分析热传导系数。
稳态分析热传导系数。
如果是瞬态分析，则需要比热如果是瞬态分析，则需要比热（C）C）。
优先设置为优先设置为“thermalthermal”（热分析），在热分析），在GUIGUI方式中只显示热材料特性。
方式中只显示热材料特性。
实常数实常数主要用于壳和线单元。
主要用于壳和线单元。
热分析有限元模型ANSYSANSYS热分析热分析稳态热传递稳态热传递如果热量流动不随时间变化的话，热传如果热量流动不随时间变化的话，热传递就称为是稳态的。
递就称为是稳态的。
由于热量流动不随时间变化由于热量流动不随时间变化,系统的温度系统的温度和热载荷也都不随时间变化。
和热载荷也都不随时间变化。
由热力学第一定律，稳态热平衡可以表由热力学第一定律，稳态热平衡可以表示为示为:
输入能量输入能量输出能量输出能量=0ANSYSANSYS热分析热分析稳态热传递控制方程对于稳态热传递，表示热平衡的微分方程为对于稳态热传递，表示热平衡的微分方程为:
相应的节点处的有限元平衡方程为相应的节点处的有限元平衡方程为:
ANSYSANSYS热分析热分析热载荷和边界条件的类型热载荷和边界条件的类型温度温度自由度约束，将确定的温度施加到模型的特定区域。
自由度约束，将确定的温度施加到模型的特定区域。
均匀温度均匀温度可以施加到没有温度约束的所有节点上。
可以在稳态或瞬态分析的第一可以施加到没有温度约束的所有节点上。
可以在稳态或瞬态分析的第一个子步对所有节点施加初始温度而非约束。
它也可以在非线性分析中用个子步对所有节点施加初始温度而非约束。
它也可以在非线性分析中用于估计随温度变化材料特性的初值。
于估计随温度变化材料特性的初值。
热流率热流率是集中节点载荷。
正的热流率表示热量流入模型。
热流率同样可以施加是集中节点载荷。
热流率同样可以施加在关键点上。
此载荷通常用于不能施加对流和热通量的情况下。
施加该在关键点上。
施加该载荷到热传导率相差很大的区域上时应注意。
载荷到热传导率相差很大的区域上时应注意。
ANSYSANSYS热分析热分析热载荷和边界条件的类型热载荷和边界条件的类型对流对流施加在模型外表面上的面载荷，模拟模型表面与周围流体之间的热量施加在模型外表面上的面载荷，模拟模型表面与周围流体之间的热量交换。
交换。
热通量热通量（热流密度热流密度）同样是面载荷。
当通过面的热流率已知的情况下使用。
正的热流密度同样是面载荷。
正的热流密度值表示热量流入模型。
值表示热量流入模型。
热生成率热生成率作为体载荷施加，代表体内生成的热，单位是单位体积内的热流率。
作为体载荷施加，代表体内生成的热，单位是单位体积内的热流率。
ANSYSANSYS热分析热分析热载荷和边界条件的类型ANSYS热载荷分为四大类热载荷分为四大类:
1.DOF约束约束-指定的指定的DOF（温度温度）数值数值2.集中载荷集中载荷-施加在点上的集中载荷施加在点上的集中载荷（热流热流）3.面载荷面载荷-在面上的分布载荷在面上的分布载荷（对流、热流密度对流、热流密度）4.体载荷体载荷-体积或场载荷（热生成）体积或场载荷（热生成）ANSYSANSYS热分析热分析热载荷和边界条件注意事项热载荷和边界条件注意事项在在ANSYS中中,没有施加载荷的边界作为完全没有施加载荷的边界作为完全绝热绝热处理。
处理。
通过施加绝热边界条件（缺省条件）得到通过施加绝热边界条件（缺省条件）得到对称对称边界条件。
边界条件。
如果模型某一区域的温度已知，就可以固定为该数值。
反作用热流率只在固定了温度自由度时才具有。
热载荷和边界条件的类型ANSYSANSYS热分析热分析何为瞬态分析?
由于受随时间变化的载荷和边界条件由于受随时间变化的载荷和边界条件,如果需要知道系统随时间的响应，就如果需要知道系统随时间的响应，就需要进行需要进行瞬态分析瞬态分析。
热能存储效应在稳态分析中忽略，在此要考虑进去。
时间，在稳态分析中热能存储效应在稳态分析中忽略，在此要考虑进去。
时间，在稳态分析中只用于计数，现在有了确定的物理含义。
只用于计数，现在有了确定的物理含义。
涉及到相变的分析总是瞬态分析。
时变载荷时变载荷时变响应时变响应ANSYSANSYS热分析热分析除了导热系数除了导热系数（k）,还要定义还要定义密度密度（rr）和和比热比热（c）。
稳态分析和瞬态分析对明显的区别在于稳态分析和瞬态分析对明显的区别在于加载和求解加载和求解过程。
过程。
*MASS71热质量单元比较特热质量单元比较特殊，它能够存贮热能单不能传殊，它能够存贮热能单不能传导热能。
因此，本单元不需要导热能。
因此，本单元不需要热传导系数。
热传导系数。
瞬态分析前处理考虑因素ANSYSANSYS热分析热分析控制方程回忆线性系统热分析的控制方程矩阵形式。
热存储项的计入将静态系统转变为瞬态回忆线性系统热分析的控制方程矩阵形式。
热存储项的计入将静态系统转变为瞬态系统系统:
在瞬态分析中，载荷随在瞬态分析中，载荷随时间时间变化变化.或或,对于非线性瞬态分析对于非线性瞬态分析,时间时间和和温度温度:
热存储项热存储项=（比热矩阵比热矩阵）x（时间对温度的微分时间对温度的微分）ANSYSANSYS热分析热分析选择合理的时间步很重要，它影响求解的精度和收敛性。
选择合理的时间步很重要，它影响求解的精度和收敛性。
如果时间步长如果时间步长太小太小,对于有中间节点的单元会对于有中间节点的单元会形成不切实际的振荡，造成温度结果不真实。
形成不切实际的振荡，造成温度结果不真实。
时间步大小建议TtDDt如果时间步长如果时间步长太大太大,就不能就不能得到足够的温度梯度。
得到足够的温度梯度。
一种方法是先指定一个相对较保守的初始时间步长，然后使用自动时间步长一种方法是先指定一个相对较保守的初始时间步长，然后使用自动时间步长按需要增加时间步。
下面说明使用自动时间步长大致估计初始时间步长的方按需要增加时间步。
下面说明使用自动时间步长大致估计初始时间步长的方法。
法。
ANSYSANSYS热分析热分析在瞬态热分析中大致估计初始时间步长，可以使用在瞬态热分析中大致估计初始时间步长，可以使用Biot和和Fourier数。
数。
Biot数数是无量纲的对流和传导热阻的比率是无量纲的对流和传导热阻的比率:
其中其中Dx是名义单元宽度是名义单元宽度,h是平均对流换热系数，是平均对流换热系数，K是平均导热系数。
是平均导热系数。
Fourier数数是无量纲的时间是无量纲的时间（Dt/t）,对于宽度为对于宽度为Dx的单元它量化了热传导的单元它量化了热传导与热存储的相对比率与热存储的相对比率:
其中其中r和和c是平均的密度和比热是平均的密度和比热。
时间步大小说明（续）ANSYSANSYS热分析热分析如果如果Bi1:
时间步长可以用时间步长可以用Fourier和和Biot数的乘积预测数的乘积预测:
求解求解Dt得到得到:
（Again,where0.1b0.5）时间步长的预测精度随单元宽度的取值，时间步长的预测精度随单元宽度的取值，材料特性的材料特性的平均方法和比例因子平均方法和比例因子b而变化。
而变化。
时间步大小说明（续）ANSYSANSYS热分析热分析进行瞬态分析ANSYS缺省情况下是稳态分析。
使用下列求解菜单指定要进行瞬态分析缺省情况下是稳态分析。
使用下列求解菜单指定要进行瞬态分析:
“FULL”是瞬态热分析唯一可以使用的选项。
7.用户要输入求解选项，并不是只对热分析有效用户要输入求解选项，并不是只对热分析有效（如求解器，如求解器，N-R选项等选项等）143256ANSYSANSYS热分析热分析初始条件初始条件初始条件必须对模型的每个温度自由度定义，使得时间积分过程得以必须对模型的每个温度自由度定义，使得时间积分过程得以开始。
开始。
施加在有温度约束的节点上的初始条件被忽略。
根据初始温度域的性质，初始条件可以用以下方法之一指定根据初始温度域的性质，初始条件可以用以下方法之一指定:
注注:
如果没有指定如果没有指定初始温度，初始初始温度，初始DOF数值为数值为0。
ANSYSANSYS热分析热分析均匀初始温度如果整个模型的初始温度为均匀且非如果整个模型的初始温度为均匀且非0，使用下列菜单指定，使用下列菜单指定:
1234ANSYSANSYS热分析热分析非均匀的初始温度如果模型的初始温度分布如果模型的初始温度分布已知已知但但不均匀不均匀，使用这些菜单使用这些菜单将初始条件施加在特定节点上将初始条件施加在特定节点上:
4.用图形选取或输入点号的方法用图形选取或输入点号的方法确定要建立初始温度的节点。
确定要建立初始温度的节点。
5.单击单击OK.注注:
当手动或借助于输入文件输入当手动或借助于输入文件输入IC命令时，可以使用节点组元名来命令时，可以使用节点组元名来区分节点。
区分节点。
12354ANSYSANSYS热分析热分析非均匀初始温度（续）注注:
没有定义没有定义DOF初始温度的节点初始温度的节点其初始温度缺省为其初始温度缺省为TUNIF命令指定命令指定的均匀数值。
的均匀数值。
6.选择选择DOF标记标记“TEMP”。
7.指定初
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