有限元分析-热分析.ppt

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1、7.1有限元技术在热分析中的应用主要讲授三方面内容：ANSYS热分析基础知识简介稳态热分析实例瞬态热分析实例7.1.1ANSYS热分析基础知识简介一、ANSYS热分析功能介绍ANSYS热分析模块主要有：ANSYS/MultiphysicsANSYS/MechanicalANSYS/ThermalANSYS/FLOTRANANSYS/ED其中，ANSYS/FLOTRAN不含相变热分析。ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算物体内部各节点的温度，并导出其它热物理参数。运用ANSYS软件可进行热传导、热对流

2、、热辐射、相变、热应力以及接触热阻等问题的分析求解。此外，ANSYS不仅能解决纯粹的热分析问题，还能解决与热相关的其它问题，如热—应力分析、热—电分析、热—磁分析等。一般称这类涉及两个或多个物理场相互作用的问题为耦合场分析。ANSYS提供了两种分析耦合场的方法：直接耦合法与间接耦合法。二、单位制问题：在ANSYS热分析过程中，不一定都要采用国际单位制，但必须要使所有物理量的单位统一起来。ANSYS中共有五种单位可供选择（命令流方式：/UNITS；或Mainmenu>Preprocessor>MaterialProps>Ma

3、terialLibrary>SelectUnits）：SI（MKS）代表国际单位制，其基本单位为m，kg，s，K。CGS代表厘米、克、秒单位制，其基本单位为cm，g，s，℃。BFT代表以英尺为主的英制单位制，其基本单位为ft，slug，s，℉。BIN代表以英寸为主的英制单位制，其基本单位为in，ibm，s，℉。USER代表用户自定义单位制，即用户可以根据需要定义基本单位。三、热分析时的三类边界条件和初始条件：第一类边界条件：物体边界上的温度函数已知；第二类边界条件：物体边界上的热流密度已知；第三类边界条件：与物体相接触的流

4、体介质的温度和换热系数已知。初始条件：初始条件是指传热过程开始时，物体在整个区域中所具有的温度为已知值。四、热分析时的载荷：ANSYS共提供了6种载荷，可以施加在实体模型或单元模型上。（1）温度：作为第一类边界条件，温度可以施加在有限元模型的节点上，也可以施加在实体模型的关键点、线段及面上。（2）热流率：热流率（HeatFlow）是一种节点集中载荷，只能施加在节点或关键点上，主要用于线单元模型。（3）对流：对流（Convection）是一种面载荷，用于计算流体与实体的热交换。它可以施加在有限元模型的节点及单元上，也可以施加

5、在实体模型的线段和面上。（4）热流密度：又称热通量（HeatFlux）单位为W/m2。热流密度是一种面载荷，表示通过单位面积的热流率。当通过单位面积的热流率已知时，可在模型相应的外表面施加热流密度。若输入值为正，则表示热流流入单元；反之，则表示热流流出单元。它可以施加在有限元模型的节点及单元上，也可以施加在实体模型的线段和面上。（5）生热率：生热率既可看成是材料的一种基本属性，又可作为载荷施加在单元上。它可以施加在有限元模型的节点及单元上，也可以施加在实体模型的关键点、线段、面及体上。（6）热辐射率：热辐射率也是一种面载荷

6、，通常施加于实体的外表面。它可以施加在有限元模型的节点及单元上，也可以施加在实体模型的线段和面上。五、热分析时的三种传热方式及材料基本属性（1）热传导：当物体内部存在温差，即存在温度梯度时，热量从物体的高温部分传递到低温部分；而且不同温度的物体相互接触时热量会从高温物体传递到低温物体。这种热量传递的方式称为热传导。Q/t=KA(Thot-Tcold)/d式中：Q为时间t内的传热量或热流量；K为热传导率或热传导系数；（2）对流：热对流是指固体的表面与它周围接触的液体或气体（统称为流体）之间，由于温差的存在而引起的热量交换。高

7、温物体表面（如暖气片）常常发生对流现象，这是因为高温物体表面附近的空气因受热而膨胀，密度降低并向上流动。与此同时，密度较大的冷空气下降并代替原来的受热空气。热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。q’’=h(TS-TB)式中：h为对流换热系数（或称膜传热系数、给热系数、膜系数等）；TS为固体表面的温度；TB为周围流体的温度。（3）辐射：热辐射是指物体发射电磁能，并被其它物体吸收转变为热能的热量交换过程。物体温度越高，单位时间辐射的热量越多。热传导和热对流都需要有传热介质，而热辐射无须任何介质。实质上，在真空中的热辐射效率最

8、高。在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物体同时辐射并吸收热量，它们之间的净热量传递可以用如下斯蒂芬—波尔兹曼方程来计算：q=êɡA1F12(T41-T42)式中：q为热流率；ê为实际物体的辐射率，或称黑度，它的数值处于0～1之间；ɡ为斯蒂芬—波尔兹曼常数，约为5.67×108W/m