有限元分析-热分析

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 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 MaterialLibrary 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 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 A1F12 T41 T42 式中 q为热流率 为实际物体的辐射率 或称黑度 它的数值处于0 1之间 为斯蒂芬 波尔兹曼常数 约为5 67 108W m2 K4 A1为辐射面1的面积 F12为由辐射面1到辐射面2的形状系数 T1为辐射面对1的绝对温度 T2为辐射面2的绝对温度 在ANSYS热分析中 在确定分析选项 即MainMenu Solution AnalysisType AnalysisOptions的对话框中有一个选项 Temperaturedifference 该选项用于确定绝对零度 即需要将目前的温度值换算为绝对温度 如果在热分析过程中使用的温度单位是摄氏度 则该值应设定为273 从上式可以看出 包含热辐射的热分析是高度非线性的 4 比热容 SpecificHeat 是指单位质量的物质每升高 或降低 1 所吸收 或放出 的热量 简称比热 其单位为J Kg 其计算公式为 C Q m T 式中 T TE TB 为TE为终止时刻温度 TB为开始时刻温度 Q为该时间段内物体吸收或放出的总热量 m为质量 5 焓 Enthalpy 定义为H U PV 式中H为焓 U为内能 P V分别为压力和体积 对于常压情况 上式又可表示为 H U P V Q说明在常压条件下 焓的变化即为热量的变化 6 生热率 HeatGenerationRate 生热率既可以材料属性的形式进行定义 同时又可以体载荷的形式施加到单元上 用于模拟化学反应生热或电流生热 其单位是单位体积的热流率 六 稳态热分析与瞬态热分析 1 稳态传热 如果系统的净热流率为0 即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量 则系统处于热稳态 在稳态热分析中任一节点的温度都不随时间变化 2 瞬态传热 瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程 在这个过程中 系统的温度 热流率 热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化 七 线性与非线性热分析ANSYS在热分析过程中 如果有下列情况中的一种或几种出现 则该分析为非线性热分析 材料热性能随温度变化 边界条件随温度变化 含有非线性单元 考虑辐射传热 7 1 2稳态热分析实例1 长空心圆柱体的热传导过程ANSYS分析 问题描述 有一空心钢圆柱体 内半径与外半径分别为0 2m 0 6m 长度为10m 钢的导热系数为70W m 现在柱体的外表面施加均匀温度载荷80 假设柱体内表面温度为恒定值20 试求钢柱体内部的温度场分布 简要分析 该问题属于稳态热力学问题 由于柱体的长度远大于其直径 可忽略其终端效应 同时根据问题的对称性 求解过程中取圆柱体横截面的1 4建立几何模型 1 建立工作文件名和工作标题 并选择Preferences进行筛选 2 定义单元类型和材料属性 创建几何模型 划分网格3 1几何建模 3 2划分网格 先对线进行标注 然后画线以便于操作 4加载求解4 1选择分析类型 4 2对线上各节点施加温度载荷 先对1线上的节点加温度载荷 4 3定义载荷 4 4定义2线上的温度载荷 4 5定义温度载荷值 4 6载荷步及输出结果控制选项设置 4 7求解 5 查看求解结果 7 1 3瞬态热分析实例1 型材瞬态传热过程ANSYS分析 问题描述 有一横截面为矩形的各向异性型材 其初始温度为500 现突然将其置于温度为20 的空气中 求1分钟后该型材的温度场分布及其中心温度随时间的变化规律 材料性能参数如下 密度为2400kg m3 导热系数KXX为30W m KYY KZZ为弹性模量为10W m 比热为352J kg 对流系数为110W m2 简要分析 该问题属于瞬态热传导问题 由于材料沿长度方向的尺寸远大于其它两个方向的尺寸 将其简化为平面应变问题 在分析过程中取型材横截面的1 4建立模 1 建立工作文件名和工作标题 并选择Preferences进行筛选 2 定义单元类型和材料属性 3 创建几何模型 划分网格3 1几何建模 对线进行标注并画线 结果如下图所示 3 2划分网格 先设置单元尺寸 对所选1号线进行定义 结果如下图所示 对3号线进行相似操作 对2号线进行相似操作 对4号线进行相似操作 NDIV取30 SPACE取5 后得 3 3用MeshTool划分网格 结果如下图所示 ChangeTitle ELEMENTSINMODEL后点击PlotElements为 4 加载求解4 1分析类型选择 4 2求解控制选择 Basic选项 变化 和Transient选项 没变 的设置 4 3施加温度载荷 先对全部施加均布温度载荷500 再对线2和线3上的各节点施加温度及对流载荷 首先点击SelectEntities 如下图 选定所要加对流和温度的线 通过拾取获得 点击所要加对流及温度的两条线 然后选择从属于此线上的所有节点 按下图操作 对所选节点施加对流及温度载荷 按下图选择 然后点击PickAll 对流及温度值的设置 Selecteverything后得 分析类型选项的设置 3 4求解 查看结果4 1先点击ReadResults中的LastSet 4 2然后PlotResults 按下图设置 最后 1分钟后型材横截面上温度场等值线图分布如下 4 3察看中心温度云纹图 坐标轴设置 PlotCtrls Style Graphs ModifyAxes 曲线设置 PlotCtrls Style Graphs ModifyCurves 颜色设置 PlotCtrls Style Colors GraphColors 在CURVEGraphcurvenumber1下拉列表中选择黄色 4 4定义时域后处理变量 MainMenu TimeHistPostpro DefineV