ANSYS非稳态热分析及实例详解.docx

1、ANSYS非稳态热分析及实例详解第 7 章 非稳态热分析及实例详解本章向读者介绍非稳态热分析的基本知识，主要包括非稳态热分析的应用、非稳态热分析单元、非稳态热分析的基本步骤。本章要点& 非稳态导热的基本概念& 非稳态热分析的应用& 非稳态热分析单元& 分析的基本步骤本章案例 & 钢球非稳态传热过程分析& 不同材料金属块水中冷却的非稳态传热过程分析& 高温铜导线冷却过程分析7.1 非稳态热分析概述物体的温度随时间而变化的导热过程称为非稳态导热。根据物体温度随着时间的推移而变化的特性可以区分为两类非稳态导热：物体的温度随时间的推移逐渐趋于恒定的值以及物体的温度随时间而作周期性的变化。无论在自然界还

2、是工程实际问题中，绝大多数传热过程都是非稳态的。许多工程实际问题需要确定物体内部的温度场随时间的变化，或确定其内部温度达到某一限定值所需要的时间。例如：在机器启动、停机及变动工况时，急剧的温度变化会使部件因热应力而破坏，因此需要确定物体内部的瞬时温度场；钢制工件的热处理是一个典型的非稳态导热过程，掌握工件中温度变化的速率是控制工件热处理质量的重要因素。再例如，金属在加热炉内加热时，需要确定它在加热炉内停留的时间，以保证达到规定的中心温度。可见，非稳态热分析是有相当大的应用价值的。ANSYS 11.0及其相关的下属产品均支持非稳态的热分析。非稳态热分析确定了温度以及其它随时间变化的热参数。7.1

3、.1 非稳态热分析特性瞬态热分析用于计算一个系统的随时间变化的温度场及其它热参数。在工程上一般用瞬态热分析计算温度场，并将之作为热载荷进行应力分析。瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似。主要的区别是瞬态热分析中的载荷是随时间变化的。为了表达随时间变化的载荷，首先必须将载荷-时间曲线分为载荷步。对于每一个载荷步，必须定义载荷值及时间值，同时必须选择载荷步为渐变或阶越。7.1.2 非稳态热分析的控制方程热储存项的计入将稳态系统变为非稳态系统，计入热储存项的控制方程的矩阵形式如下：其中，为热储存项。在非稳态分析时，载荷是和时间有关的函数，因此控制方程可表示如下：若分析为分线性，则各参数除了和时间有关

4、外，还和温度有关。非线性的控制方程可表示如下：7.1.3 时间积分与时间步长1、时间积分从求解方法上来看，稳态分析和非稳态分析之间的差别就是时间积分。利用ANSYS 11.0分析问题时，只要在后续载荷步中将时间积分效果打开，稳态分析即转变为非稳态分析；同样，只要在后续载荷步中将时间积分关闭，非稳态分析也可转变为稳态分析。2、时间步长两次求解之间的时间称为时间步，一般来说，时间步越小，计算结果越精确。确定时间步长的方法有两种：（1）指定裕度较大的初始时间步长，然后使用自动时间步长增加时间步。（2）大致估计初始时间步长。在非稳态热分析中估计初始时间步长，可以使用Biot数和Fourier数。Bio

5、t数是不考虑尺寸的热阻对流和传导比例因子，其定义为：式中：名义单元宽度； 平均表面换热系数； 平均导热系数。Fourier数是不考虑尺寸的时间（），其定义为：式中：平均密度； 比热容；如果，可将Fourier数设为常数并求解来预测时间步长： 式中：热耗散。如果，时间步长可应用Fourier数和Biot数的乘积预测：求解得到：其中， 时间步长的预测精度随单元宽度的取值、平均的方法、比例因子的变化而变化。7.1.4 数值求解过程当前温度矢量假设为已知，可以是初始温度或由前面的求解得到的。定义下一个时间点的温度矢量为：其中称为欧拉参数，默认为1，下一个时间点的温度为：由上面两式可得：其中欧拉参数的数

6、值在0.51之间。在这个范围内，时间积分算法是不明显而且是不稳定的。因此，ANSYS 11.0总是忽略时间积分步的幅值来计算。但是，这样的计算结果并不总是准确的。下面是选择积分参数的一些建议：当=0.5时，时间积分方法采用“Crank-Nicolson”技术。本设置对于绝大多数热瞬态问题都是精确有效的。当=1时，时间积分方法采用“Backward Euler”技术。这是缺省的和最稳定的设置，因为它消除了可能带来严重非线性或高阶单元的非正常振动。 本技术一般需要相对Crank-Nicolson较小的时间积分步得到精确的结果。7.2 非稳态热分析单元 非稳态热分析和稳态热分析使用的分析单元相同，具

7、体请读者参见本书第6章。7.3 非稳态热分析基本步骤 非稳态热分析的基本步骤主要包括：建模、加载求解和后处理。下面分别对这三个基本步骤进行具体的阐述。7.3.1 建立有限元模型就这一步骤而言，并没有稳态和非稳态之分，可参照稳态分析的建模方法进行。因此，在这里不在赘述。7.3.2 加载求解1、定义分析类型如果第一次进行分析或重新进行分析，操作步骤如下：Command: ANTYPE,TRANSIENT,NEWGUI：Main MenuSolutionAnalysis TypeNew AnalysisTransient如果接着上次的分析继续进行（例如增加其它载荷），操作步骤如下：Command:

8、ANTYPE,TRANSIENT,RESTGUI：Main MenuSolutionAnalysis TypeRestart2、获得非稳态热分析的初始条件（1）定义均匀温度场如果已知模型的起始温度是均匀的，可设定所有节点初始温度，操作步骤如下：Command: TUNIFGUI: Main MenuSolutionLoadsSettingsUniform Temp如果不在对话框中输入数据，则默认为参考温度，参考温度的值默认为零，但可通过如下方法设定参考温度：Command: TREFGUI: Main MenuSolutionLoadsSettingsReference Temp注意：设定均匀

9、的初始温度，与如下的设定节点的温度（自由度）不同，设定节点温度的操作步骤如下：Command: DGUI: Main MenuSolutionLoadsApplyThermalTemperatureOn Nodes初始均匀温度仅对分析的第一个子步有效；而设定节点温度将保持贯穿整个瞬态分析过程，除非通过下列方法删除此约束：Command: DDELEGUI: Main MenuSolutionLoadsDeleteThermalTemperatureOn Nodes（2）设定非均匀的初始温度在瞬态热分析中，节点温度可以设定为不同的值，操作步骤如下：Command: CGUI: Main Menu

10、SolutionLoadsApplyInitial ConditnDefine如果初始温度场是不均匀的且又是未知的，就必须首先作稳态热分析确定初始条件，步骤如下：设定载荷（如已知的温度、热对流等）将时间积分设置为OFF：Command: TIMINT, OFFGUI: Main MenuPreprocessorLoadsLoad Step OptsTime/FrequencTime Integration设定一个只有一个子步的，时间很小的载荷步（例如0.001）：Command: TIMEGUI: Main MenuPreprocessorLoadsLoad Step OptsTime/Fre

11、quencTime and Substps写入载荷步文件：Command: LSWRITEGUI: Main MenuPreprocessorLoadsWrite LS File或先求解：Command: SOLVEGUI: Main MenuSolutionSolveCurrent LS3、设定载荷步选项（1）普通选项设置时间和时间步步，操作如下：Command: TIMEGUI: Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTime-Time Step设置每个载荷步的载荷子步数，或时间增量Command: NSUBST or DELTIMGUI:

12、 Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTime and Substps（2）非线性选项设置迭代次数：（每个子步默认的次数为25，这对大多数非线性热分析已经足够）Command: NEQITGUI: Main MenuSolutionLoad step optsNonlinearEquilibrium Iter自动时间步长：（本选项为ON时，在求解过程中将自动调整时间步长）Command: AUTOTSGUI: Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTime and Substps时间积分效果：

13、（如果将此选项设定为OFF，将进行稳态热分析）Command: TIMINTGUI: Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTime Integration（3）输出选项控制打印输出：（本选项可将任何结果数据输出到*.out 文件中）Command: OUTPRGUI: Main MenuSolutionLoad Step OptsOutput CtrlsSolu Printout控制结果文件：（控制*.rth的内容）Command: OUTRES GUI: Main MenuSolutionLoad Step OptsOutput Ctrls

14、DB/Results File（4）存盘求解7.3.3 后处理ANSYS提供两种后处理方式：POST1，可以对整个模型在某一载荷步（时间点）的结果进行后处理；Command: POST1GUI: Main MenuGeneral Postproc.POST26，可以对模型中特定点在所有载荷步（整个瞬态过程）的结果进行后处理。Command: POST26GUI: Main MenuTimeHist Postproc1、用POST1进行后处理进入POST1后，可以读出某一时间点的结果：Command: SETGUI: Main MenuGeneral PostprocRead ResultsBy

15、 Time/Freq如果设定的时间点不在任何一个子步的时间点上，ANSYS会进行线性插值。此外还可以读出某一载荷步的结果：GUI: Main MenuGeneral PostprocRead ResultsBy Load Step然后就可以采用与稳态热分析类似的方法，对结果进行彩色云图显示、矢量图显示、打印列表等后处理。2、用POST26进行后处理首先要定义变量：Command: NSOL or ESOL or RFORCEGUI: Main MenuTimeHist PostprocDefine Variables然后就可以绘制这些变量随时间变化的曲线：Command: PLVARGUI:

16、Main MenuTimeHist PostprocGraph Variables或列表输出：Command: PRVARGUI: Main MenuTimeHist PostprocList Variables此外，POST26还提供许多其它功能，如对变量进行数学操作等，请参阅ANSYS Basic Analysis Procedures Guide实例71：钢球非稳态传热过程分析一个直径为12cm，温度为1000的钢制小球突然被放入了盛满了水的、完全绝热的横截面直径和高度均为60cm的圆柱体水槽内（钢球放在水槽的正中央），水的温度为18，材料参数表如表7.1所示。试求10分钟后钢球与水的温

17、度场分布。表7.1 物性参数表热性能单位制铁水导热系数W/m700.60密度Kg/m378001000比热J/kg4484200该问题是典型的瞬态传热问题，研究对象为钢球和水。由于对称性，在求解过程中取钢球和水中心纵截面的1/4建立几何模型，如图7-1所示。本例选取PLANE55轴对称单元进行求解。图7-1 几何模型附带光盘“Ch7实例71_start” 附带光盘“Ch7实例71_end”附带光盘“AVICh771.avi”1、定义工作文件名选择Utility MenuFileChange Jobname，弹出Change Jobname对话框。在对话框中将工作名改为example7-1，单击

18、OK关闭该对话框。选择Main MenuPreferences，弹出Preferences for GUI Filtering对话框，选中Thermal复选框，然后单击Ok按钮关闭该对话框。2、定义单元类型选择Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete，弹出Element Type对话框，单击Add按钮，弹出Library of Element Types对话框。在Library of Element Types对话框的两个列表框中分别选择Thermal Solid、Quad 4node 55选项，如图7-2所示。单击OK按钮关闭该对话框。

19、图7-2 单元类型列表对话框单击Element Type对话框中的Options按钮，弹出PLANE55 element type options对话框，在Element behavior K3下拉列表框中选择Axisymmetric选项，其余选项均采用默认设置，如图7-3所示，单击OK关闭该对话框。单击Element Type对话框中的Close按钮关闭该对话框。图7-3 PLANE55单元属性设置对话框3、定义材料性能参数1、选择Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Model，弹出Define Material Model Behavio

20、r对话框，如图7-4所示。2、在Material Models Available列表中依次双击Thermal、Conductivity、Isotropic选项，弹出Conductivity for Material Number1对话框，在文本框中输入钢的导热系数70，如图7-5所示，点击OK关闭对话框。3、双击Define Material Model Behavior对话框上的Specific Heat按钮，弹出Specific Heat for Material Number1对话框，在文本框中输入钢的比热448，如图7-6所示，单击OK按钮关闭该对话框。4、双击Define Mate

21、rial Model Behavior对话框上的Density按钮，弹出Density for Material Number1对话框，在文本框中输入钢的密度7800，如图7-7所示，单击OK按钮关闭该对话框。 图7-4 定义材料属性对话框 图7-5 定义材料导热系数对话框 图7-6 定义材料比热对话框 图7-7 定义材料密度对话框5、定义水的材料属性：在Define Material Model Behavior对话框中选择MaterialNew Model，弹出Define Material ID对话框，在文本框中输入材料参数号2，如图7-8所示单击OK按钮关闭该对话框。图7-8 定义材料

22、编号对话框6、在Material Models Available列表中依次双击Thermal、Conductivity、Isotropic选项，弹出Conductivity for Material Number2对话框，在文本框中输入水的导热系数0.6，点击OK关闭对话框。7、双击Define Material Model Behavior对话框上的Specific Heat按钮，弹出Specific Heat for Material Number2对话框，在文本框中输入水的比热4200，单击OK按钮关闭该对话框。8、双击Define Material Model Behavior对话框

23、上的Density按钮，弹出Density for Material Number2对话框，在文本框中输入水的密度1000，单击OK按钮关闭该对话框。关闭Define Material Model Behavior对话框。4、创建几何模型1、选择Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasRectangleBy Dimensions，弹出Create Rectangle by Dimensions对话框，如图7-9所示，在X1、X2文本框中分别输入0、0.3，在Y1、Y2文本框中分别输入0、0.3，然后单击OK按钮确认设置。2、选择Main MenuPrep

24、rocessorModelingCreateAreasCircleBy Dimensions，弹出Circular Areas by Dimensions对话框。参照图7-10对其进行设置，然后单击OK确认设置。 图7-9 创建矩形面对话框 图7-10 创建圆面对话框3、选择Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansOverlapAreas，弹出Overlap Areas对话框。单击Pick All按钮选取所有的面。4、选择Main MenuPreprocessorNumbering CtrlsCompress Numbers，弹出Compress

25、 Numbers对话框。在Label Item to be compressed下拉列表框中选择All选项，单击OK按钮确认设置。5、选择Utility MenuPlotCtrlsNumbering，弹出Plot Numbering Controls对话框，选择LINE选项，使其状态从Off变为On，其余选项均采用默认设置，单击OK按钮关闭该对话框。完成上述操作后，生成的几何模型如图7-11所示。图7-11 生成的几何模型5、划分有限元网格1、选择Utility MenuPlotLines。2、选择Main MenuPreprocessorMeshingSize CntrlsManualSiz

26、eLinesPicked Lines，弹出Element Size on菜单，在文本框中输入4，5，单击OK按钮，弹出Element Size on Picked Lines对话框，在NDIV文本框中输入划分的网格单元个数30，在SPACE文本框中输入0.1，如图7-12所示，单击OK按钮关闭对话框。3、选择Main MenuPreprocessorMeshingSize CntrlsManualSizeLinesPicked Lines，弹出Element Size on菜单，在文本框中输入6，7，单击OK按钮，弹出Element Size on Picked Lines对话框，在NDIV文

27、本框中输入划分的网格单元个数32，在SPACE文本框中输入0.1，单击OK按钮关闭对话框。4、选择Main MenuPreprocessorMeshingSize CntrlsManualSizeLinesPicked Lines，弹出Element Size on菜单，在文本框中输入3，单击OK按钮，弹出Element Size on Picked Lines对话框，在NDIV文本框中输入划分的网格单元个数30，单击OK按钮关闭对话框。选择Utility MenuSelectEverything。图7-12 设置单元个数对话框5、选择Main MenuPreprocessorMeshingM

28、eshVolumesMappedConcatenateLines，弹出Concatenate Lines菜单，在文本框中输入2，1，单击OK按钮关闭该菜单。6、选择Main MenuPreprocessorMeshingMesh AttributesDefault Attribs，弹出Meshing Attributes对话框，在MAT下拉列表中选择1，如图7-13所示，单击OK按钮关闭该对话框。图7-13 网格划分属性设置对话框7、选择Main MenuPreprocessorMeshingMesh Tool，弹出Mesh Tool菜单，在Shape选项组中选中Quad和Mapped单选按钮

29、，单击Mesh按钮，弹出Mesh Areas菜单，在文本框中输入1，单击OK关闭该对话框。钢球部分网格如图7-14所示。选择Utility MenuSelectEverything。8、选择Main MenuPreprocessorMeshingMesh AttributesDefault Attribs，弹出Meshing Attributes对话框，在MAT下拉列表中选择2，单击OK按钮关闭该对话框。9、选择Main MenuPreprocessorMeshingMesh Tool，弹出Mesh Tool菜单，单击Mesh按钮，弹出Mesh Areas菜单，在文本框中输入2，单击OK关闭该

30、对话框。10、选择Utility MenuPlotElement，整体网格划分结果如图7-15所示。图7-14 钢球模型网格划分 图7-15 整体网格划分6、加载求解1、选择Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis，弹出New Analysis对话框。选择分析类型为Transient，如图7-16所示，单击OK按钮，弹出Transient Analysis对话框，在TRNOPT选项组中选中Full单选按钮，如图7-16所示，单击OK按钮关闭该对话框。选择Utility MenuSelectEverything。 图7-16 定义求解类型对话框 图7-17 非稳态分析选项设置对话框2、选择Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTime-Time Step，弹出Time and Time Step Options对话框，参照图7-18进行设置，然后单击OK按钮关闭该对话框。图7-18 时间和时间步长设置对话框3、选择Main MenuSolutionLoad Step Opts