ansys热分析.doc
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第三章稳态热分析
3.1稳态传热的定义
ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical，ANSYS/FLOTRAN和ANSYS/Professional这些产品支持稳态热分析。
稳态传热用于分析稳定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。
也可以在所有瞬态效应消失后，将稳态热分析作为瞬态热分析的最后一步进行分析。
稳态热分析可以计算确定由于不随时间变化的热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数。
这些热载荷包括：
对流
辐射
热流率
热流密度（单位面积热流）
热生成率（单位体积热流）
固定温度的边界条件
稳态热分析可用于材料属性固定不变的线性问题和材料性质随温度变化的非线性问题。
事实上，大多数材料的热性能都随温度变化，因此在通常情况下，热分析都是非线性的。
当然，如果在分析中考虑辐射，则分析也是非线性的。
3.2热分析的单元
ANSYS和ANSYS/Professional中大约有40种单元有助于进行稳态分析。
有关单元的详细描述请参考《ANSYSElementReference》，该手册以单元编号来讲述单元，第一个单元是LINK1。
单元名采用大写，所有的单元都可用于稳态和瞬态热分析。
其中SOLID70单元还具有补偿在恒定速度场下由于传质导致的热流的功能。
这些热分析单元如下：
表3-1二维实体单元
单元
维数
形状及特点
自由度
PLANE35
二维
六节点三角形单元
温度（每个节点）
PLANE55
二维
四节点四边形单元
温度（每个节点）
PLANE75
二维
四节点谐单元
温度（每个节点）
PLANE77
二维
八节点四边形单元
温度（每个节点）
PLANE38
二维
八节点谐单元
温度（每个节点）
表3-2三维实体单元
单元
维数
形状及特点
自由度
SOLID70
三维
八节点六面体单元
温度（每个节点）
SOLID87
三维
十节点四面体单元
温度（每个节点）
SOLID90
三维
二十节点六单元
温度（每个节点）
表3-3辐射连接单元
单元
维数
形状及特点
自由度
LINK31
二维或三维
二节点线单元
温度（每个节点）
表3-4传导杆单元
单元
维数
形状及特点
自由度
LINK32
二维
二节点线单元
温度（每个节点）
LINK33
三维
二节点线单元
温度（每个节点）
表3-5对流连接单元
单元
维数
形状及特点
自由度
LINK34
三维
二节点线单元
温度（每个节点）
表3-6壳单元
单元
维数
形状及特点
自由度
SHELL57
三维
四节点四边形单元
温度（每个节点）
表3-7耦合场单元
单元
维数
形状及特点
自由度
PLANE13
二维
四节点热－应力耦合单元
温度、结构位移、电位、磁矢量位
CONTACT48
二维
三节点热－应力接触单元
温度、结构位移
CONTACT49
三维
热－应力接触单元
温度、结构位移
FLUID116
三维
二或四节点热－流单元
温度、压力
SOLID5
三维
八节点热－应力和热－电单元
温度、结构位移、电位、磁标量位
SOLID98
三维
十节点热－应力和热－电单元
温度、结构位移、电位、磁矢量位
PLANE67
二维
四节点热－电单元
温度、电位
LINK68
三维
两节点热－电单元
温度、电位
SOLID69
三维
八节点热－电单元
温度、电位
SHELL157
三维
四节点热－电单元
温度、电位
表3-8特殊单元
单元
维数
形状及特点
自由度
MASS71
一维到三维
一个节点的质量单元
温度
COMBINE37
一维
四节点控制单元
温度、结构位移、转动、压力
SURF151
二维
二到四节点面效应单元
温度
SURF152
三维
四到九节点面效应单元
温度
MATRIX50
由包括在超单元中的单元类型决定
没有固定形状的矩阵或辐射矩阵超单元
由包括在超单元中的单元类型决定
INFIN9
二维
二节点无限边界单元
温度、磁矢量位
INFIN47
三维
四节点无限边界单元
温度、磁矢量位
COMBINE14
一维到三维
两节点弹簧－阻尼单元
温度、结构位移、转动、压力
COMBINE39
一维
两节点非线性弹簧单元
温度、结构位移、转动、压力
COMBINE40
一维
两节点组合单元
温度、结构位移、转动、压力
.3热分析的基本过程
ANSYS热分析包含如下三个主要步骤：
前处理：
建模
求解：
施加荷载并求解
后处理：
查看结果
以下的内容将讲述如何执行上面的步骤。
首先，对每一步的任务进行总体的介绍，然后通过一个管接处的稳态热分析的实例来引导读者如何按照GUI路径逐步完成一个稳态热分析。
最后，本章提供了该实例等效的命令流文件。
3.4建模
建立一个模型的内容包括：
首先为分析指定jobname和title；然后在前处理器（PREP7）中定义单元类型，单元实常数，材料属性以及建立几何实体。
《ANSYSModelingandMeshingGuide》中对本部分有详细说明。
对于热分析有：
定义单元类型
命令：
ET
GUI：
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete
定义固定材料属性
命令：
MP
GUI：
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Thermal
定义温度相关的材料属性，首先要定义温度表，然后定义对应的材料属性值。
通过下面的方法定义温度表
命令：
MPTEMP或MPTEGN，然后定义对应的材料属性，使用MPDATA
GUI：
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Thermal
对于温度相关的对流换热系数也是通过上述的GUI路径和命令来定义的。
注意--如果以多项式的形式定义了与温度相关的膜系数，则在定义其它具有固定属性的材料之前，必须定义一个温度表。
创建几何模型及划分划分网格的过程，请参阅《ANSYSModelingandMeshingGuide》
3.5施加荷载和求解
在这一步骤中，必须指定所要进行的分析类型及其选项，对模型施加荷载，定义荷载选项，最后执行求解。
3.5.1指定分析类型
在这一步中，可以如下指定分析类型：
GUI:
MainMenu>Solution>NewAnalysis>Steady-state（static）
命令：
ANTYPE,STATIC,NEW
如果是重新启动以前的分析，比如，附加一个荷载。
命令：
ANTYPE,STATIC,rest。
（条件是先前分析的jobname.ESAV、jobname.DB等文件是可以利用的）
3.5.2施加荷载
可以直接在实体模型（点、线、面、体）或有限元模型（节点和单元）上施加载荷和边界条件，这些载荷和边界条件可以是单值的，也可以是用表格或函数的方式来定义复杂的边界条件，详见《ANSYS基本分析过程指南》。
可以定义以下五种热载荷：
3.5.2.1恒定的温度（TEMP）
通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上。
3.5.2.2 热流率（HEAT）--------------可以的话，就避免了吧，它是用于提高精度的补充。
热流率作为节点集中载荷，主要用于线单元（如传导杆、辐射连接单元等）模型中，而这些线单元模型通常不能直接施加对流和热流密度载荷。
如果输入的值为正，表示热流流入节点，即单元获取热量。
如果温度与热流率同时施加在一节点上，则温度约束条件优先。
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应该密一些；特别是与该节点相连的单元的导热系数差别很大时，尤其要注意，不然可能会得到异常的温度值。
因此，只要有可能，都应该使用热生成或热流密度边界条件，这些热荷载即使是在网格较为粗糙的时候都能得到较好的结果。
3.5.2.3 对流（CONV）
对流边界条件作为面载施加于分析模型的外表面上，用于计算与模型周围流体介质的热交换，它仅可施加于实体和壳模型上。
对于线单元模型，可以通过对流杆单元LINK34来定义对流。
3.5.2.4 热流密度（HEAT）
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FLOTRANCFD的计算可得到时，可以在模型相应的外表面或表面效应单元上施加热流密度。
如果输入的值为正，表示热流流入单元。
热流密度也仅适用于实体和壳单元。
单元的表面可以施加热流密度也可以施加对流，但ANSYS仅读取最后施加的面载进行计算。
3.5.2.5 热生成率（HGEN）
热生成率作为体载施加于单元上，可以模拟单元内的热生成，比如化学反应生热或电流生热。
它的单位是单位体积的热流率。
下表总结了在热分析中的载荷类型：
表3-9热荷载类型
载荷类型
类别
命令族
GUI路径
温度（TEMP）
约束
D
MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Temperature
热流率（HEAT）
力
F
MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-HeatFlow
对流（CONV）,热流密度（HFLUX）
面载荷
SF
MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Convection
MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-HeatFlux
热生成率（HGEN）
体载荷
BF
MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-HeatGenerat
下表详细列出了热分析中用于施加载荷，删除载荷，对载荷进行操作、列表的所以命令：
表3-10热荷载相关的命令
载荷类型
实体或有限元模型
实体
施加
删除
列表显示
运算
设置
温度
实体模型
关键点
DK
DKDELE
DKLIST
DTRAN
--
"
有限元模型
节点
D
DDELE
DLIST
DSCALE
DCUMTUNIF
热流率
实体模型
关键点
FK
FKDELE
FKLIST
FTRAN
--
"
有限元模型
节点
F
FDELE
FLIST
FSCALE
FCUM
对流,
热流密度
实体模型
线
SFL
SFLDELE
SFLLIST
SFTRAN
SFGRAD
"
实体模型
面
SFA
SFADELE
SFALIST
SFTRAN
SFGRAD
"
有限元模型
节点
SF
SFDELE
SFLIST
SFSCALE
SFGRADSFCUM
"
有限元模型
单元
SFE
SFEDELE
SFELIST
SFSCALE
SFBEAMSFCUMSFFUNSFGRAD
生热率
实体模型
关键点
BFK
BFKDELE
BFKLIST
BFTRAN
--
"
实体模型
线
BFL
BFLDELE
BFLLIST
BFTRAN
--
"
实体模型
面
BFA
BFADELE
BFALIST
BFTRAN
--
"
实体模型
体
BFV
BFVDELE
BFVLIST
BFTRAN
--
"
有限
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