ANSYS热分析分析指南.pdf

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1、ANSYS热分析指南ANSYS热分析指南第一章简介………………………………………………………………………2第二章基础知识…………………………………………………………………4第三章稳态热分析………………………………………………………………8第四章瞬态热分析………………………………………………………………43第五章表面效应单元……………………………………………………………66第六章热辐射分析………………………………………………………………90第七章热应力分析………………………………………………………………1201ANSYS热分析指南第

2、一章简介1.1热分析的目的热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，我们一般关心的参数有：温度的分布热量的增加或损失热梯度热流密度热分析在许多工程应用中扮演着重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等等。通常在完成热分析后将进行结构应力分析，计算由于热膨胀或收缩而引起的热应力。1.2ANSYS中的热分析ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Professional、ANSYS/FLOTRAN四种产品中支持热分析功能。ANSYS热分析基于由能量守恒原理导出的热

3、平衡方程，有关细节，请参阅《ANSYSTheoryReference》。ANSYS使用有限元法计算各节点的温度，并由其导出其它热物理参数。ANSYS可以处理所有的三种主要热传递方式：热传导、热对流及热辐射。1.2.1对流热对流在ANSYS中作为一种面载荷，施加于实体或壳单元的表面。首先需要输入对流换热系数和环境流体温度，ANSYS将计算出通过表面的热流量。如果对流换热系数依赖于温度，可以定义温度表，以及在每一个温度点处的对流换热系数。1.2.2辐射ANSYS提供了四种方法来解决非线性的辐射问题：辐射杆单元（LINK31）2ANSY

4、S热分析指南使用含热辐射选项的表面效应单元（SURF151-2D,或SURF152-3D）在AUX12中，生成辐射矩阵，作为超单元参与热分析使用Radiosity求解器方法有关辐射的详细描述请阅读本指南第四章。1.2.3特殊的问题除了前面提到的三种热传递方式外，ANSYS热分析还可以解决一些诸如：相变（熔融与凝固）、内部热生成（如焦耳热）等的特殊问题。例如，可使用热质点单元MASS71模拟随温度变化的内部热生成。1.3热分析的类型ANSYS支持两种类型的热分析：1．稳态热分析确定在稳态的条件下的温度分布及其他热特性，稳态条件指热量

5、随时间的变化可以忽略。2．瞬态热分析则计算在随时间变化的条件下，温度的分布和热特性。1.4耦合场分析ANSYS中可与热分析进行耦合的方式有热—结构、热－电磁等。耦合场分析可以使用ANSYS中的矩阵耦合单元，或者在独立的物理环境中使用序惯荷载耦合。有关耦合场分析的详细描述，请参阅《ANSYSCoupled-FieldAnalysisGuide》。1.5关于菜单路径和命令语法在本指南中，您将会看到相关的ANSYS命令及其等效的菜单路径。这些参考的命令仅仅包括命令名，因为并不总是需要指定所有的参数，而且不同的参数组合会有不同的作用。有关

6、ANSYS命令的更多的叙述，请参考《ANSYSCommandsReference》。菜单路径将近可能完整得列出。对于多数情况，选择菜单就能够完成所需要的功能；但还有一些情况，选择文中所示菜单后会弹出一个菜单或是对话框，由此定义其他的选项来执行一些特定的任务。3ANSYS热分析指南第二章基础知识2.1符号与单位项目国际单位英制单位ANSYS代号长度mft时间ss质量Kglbmo温度℃FTEMP力Nlbf能量（热量）JBTU功率（热流率）WBTU/secHEAT22热流密度W/mBTU/sec-ftHFLUX33生热速率W/mBTU/

7、sec-ftHGENo导热系数W/m-℃BTU/sec-ft-FKXX22o对流系数　W/m-℃BTU/sec-ft-FHF33密度Kg/mlbm/ftDENSo比热J/Kg-℃BTU/lbm-FC33焓J/mBTU/ftENTH2.2传热学经典理论回顾热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律。对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出）：式中：—热量，—作功，—系统内能，—系统动能，—系统势能对大多数工程传热问题：；通常不考虑做功：，则；4ANSYS热分析指南对于稳态热分析：，即流入的热量等于流出的热量；对于瞬态热分析：，即流入流

8、出的热传递速率等于系统内能的变化。2.3热传递的方式2.3.1热传导热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。热传导遵循傅立叶定律：，式中2为热流密度（W/m），为导热系数(W/m-℃)，负号表示