ANSYS多物理耦合场有限元分析

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1、ANSYS多物理耦合场有限元分析王晓军航空科学与工程学院固体力学研究所<<航空工程先进数值计算技术>>ANSYS多物理耦合场有限元分析结构-热耦合分析流体-固体耦合分析ANSYS中的典型物理量(国际单位制)温度热流量热传导率密度比热对流换热系数热流温度梯度内部热生成DegreesC(orK)WattsWatts/(meter.degreeC)kilogram/(meter3)(Watt.sec)/(kilogram.degreeC)Watt/(meter2.degreeC)Watt/(meter2)degreeC/meterWatt/(meter3)ANSYS热分析热传递的类型热传递有三

2、种基本类型:传导-两个良好接触的物体之间或一个物体内部不同部分之间由于温度梯度引起的能量交换。对流-在物体和周围流体之间发生的热交换。辐射-一个物体或两个物体之间通过电磁波进行的能量交换。在绝大多数情况下，分析的热传导问题都带有对流和/或辐射边界条件。ANSYS热分析传导引起的热通量流由传导的傅立叶定律决定：负号表示热量沿梯度的反向流动(例如,热量从热的部分流向冷的部分).传导Tnq*dTdnANSYS热分析对流对流引起的热通量由冷却牛顿定律得出:对流一般作为面边界条件施加TsTBANSYS热分析热力学第一定律能量守恒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。能量守恒在一个微小

3、的时间增量下可以表示为方程形式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。ANSYS热分析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至少需要Kxx—稳态分析热传导系数。如果是瞬态分析，则需要比热(C)。优先设置为“thermal”（热分析），在GUI方式中只显示热材料特性。实常数主要用于壳和线单元。热分析有限元模型ANSYS热分析稳态热传递如果热量流动不随时间变化的话，热传递就称为是稳态的。由于热量流动不随时间变化,系统的温度和热载荷也都不随时间变化。由热力学第一定律，稳态热平衡可以表示为:输入能量—输出能量=0ANSYS热分析稳态

4、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:相应的节点处的有限元平衡方程为:ANSYS热分析热载荷和边界条件的类型温度自由度约束，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于估计随温度变化材料特性的初值。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。施加该载荷到热传导率相差很大的区域上时应注意。ANSYS热分析热载荷和边界条件的类型对流施加在模型外表面上的面载荷，模拟模型表面与周

5、围流体之间的热量交换。热通量(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。正的热流密度值表示热量流入模型。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。ANSYS热分析热载荷和边界条件的类型ANSYS热载荷分为四大类:1.DOF约束-指定的DOF(温度)数值2.集中载荷-施加在点上的集中载荷(热流)3.面载荷-在面上的分布载荷(对流、热流密度)4.体载荷-体积或场载荷（热生成）ANSYS热分析热载荷和边界条件注意事项在ANSYS中,没有施加载荷的边界作为完全绝热处理。通过施加绝热边界条件（缺省条件）得到对称边界条件。如果模型某一区域的温度已知，就可以固

6、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ANSYS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,如果需要知道系统随时间的响应，就需要进行瞬态分析。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。时变载荷时变响应ANSYS热分析除了导热系数(k),还要定义密度(r)和比热(c)。稳态分析和瞬态分析对明显的区别在于加载和求解过程。*MASS71热质量单元比较特殊，它能够存贮热能单不能传导热能。因此，本单元不需要热传导系数。瞬态分析前处理考虑因素ANSYS热分析控制方程

7、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:在瞬态分析中，载荷随时间变化......或,对于非线性瞬态分析,时间和温度:热存储项=(比热矩阵)x(时间对温度的微分)ANSYS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。如果时间步长太小,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。时间步大小建议TtDt如果时间步长太大,就不能得到足够的温度梯度。一种方法是先指定一个相对较