ANSYS_热分析有限元热分析上机指导书

1、第四讲 热分析上机指导书CAD/CAM 实验室， USTC实验要求：1、通过对冷却栅管的热分析练习，熟悉用ANSYS进行稳态热分析的基本过程，熟悉用直接耦合法、间接耦合法进行热应力分析的基本过程。2、通过对铜块和铁块的水冷分析，熟悉用ANSYS进行瞬态热分析的基本过程。内容 1：冷却栅管问题问题描述： 本实例确定一个冷却栅管（图 a）的温度场分布及位移和应力分布。一个轴对称 的冷却栅结构管内为热流体，管外流体为空气。冷却栅材料为不锈钢，特性如下：导热系数： W/m 弹性模量：× 109 MPa 热膨胀系数：× 10-5 / 泊松比：边界条件：（ 1）管内：压力： MPa 流

2、体温度： 250 对流系数 W/m2（2）管外：空气温度 39 对流系数： W/m2假定冷却栅管无限长， 根据冷却栅结构的对称性特点可以构造出的有限元模型如图b。其上下边界承受边界约束，管内部承受均布压力。练习 1 1：冷却栅管的稳态热分析步骤：1. 定义工作文件名及工作标题1）定义工作文件名： GUI: Utility Menu> File> Change Jobname，在弹出的【 Change Jobname】对话框中输入文件名 Pipe_Thermal ，单击 OK按钮。2）定义工作标题： GUI: Utility Menu> File> Change Titl

3、e ，在弹出的【 Change Title 】 对话框中 2D Axisymmetrical Pipe Thermal Analysis，单击 OK按钮。3）关闭坐标符号的显示： GUI: Utility Menu> PlotCtrls> Window Control> Window Options ，在弹出的【 Window Options 】对话框的 Location of triad 下拉列表框 中选择 No Shown 选项，单击 OK按钮。2. 定义单元类型及材料属性1）定义单元类型： GUI: Main Menu> Preprocessor> Elem

4、ent Type> Add/Edit>Delete 命令，弹出【 Element Types 】对话框，单击 Add 按钮，弹出【 Library Type 】对 话框，选择 Thermal Solid Quad 8node 77选项，单击 OK按钮。2）设置单元选项： 单击【 Element Type】对话框的 Options 按钮，弹出【Plane77 element type options 】对话框，在 Element behavior 下拉列框中选择 Axisymmetrical 选项，单击 OK按钮，单击 Close 按钮。3)设置材料属性： GUI: Main Men

5、u> Preprocessor> Material Props> Material Models ，弹出【 Define Material Models Behavior】窗口，双击 Material Model选项，弹出【Linear 】对话框，在 EX和 PRXY 1 设置导热系数，点击 for Material Number1】Available 列表框中的 StructuralLinearElasticIsotropicIsotropic Material Properties for Material Number1 文本框中分别输入和，单击 OK 按钮。接着为材料

6、 ThermalConductivityIsotropic ，弹出【 Conductivity对话框，在 KXX文本框中填入，单击 OK按钮，关闭材料属性定义对话框。3. 建立几何模型1) 创 建 矩 形 面 ： GUI: Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Areas> Rectangle> By Dimensions ，弹出【 Create Rectangle by Dimensions 】对话框， 在 X-coordinates 文本框中输入， ，在 Y-coordinates 文本框中输入 0 ，单击

7、 Apply 按钮。接着在 X-coordinates 文本框中输入， ，在 Y-coordinates 文本框中输入 0， 单击 OK按钮。2) 面相加操作： GUI: Main Menu> Preprocessor> Operate> Booleans> Add> Areas，弹出一个拾取框，单击 Pick All 按钮。3) 打开线编号控 制： GUI: Utility Menu> PlotCtrls>Numbering ，弹出【 PlotNumbering Controls 】对话框，选择 Line numbers 复选框，单击 OK按钮。4)

8、 线倒角： GUI: Main Menu>P reprocessor> Modeling> Create> Lines> Line Fillet ， 弹出一个拾取框， 拾取编号为 L11和 L13的线，单击 OK按钮，弹出【 Line Fillet 】 对话框，在 RAD Fillet radius文本框中输入，单击 OK按钮。5) 显示线： GUI: Utility Menu> Plot> Lines。6) 生成面： GUI: Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Areas&g

9、t; Arbitrary> By Lines ，弹出一个拾取框，拾取编号为 L2，L5和 L4的线，单击 OK按钮。7) 面相加操作： GUI: Main Menu> Preprocessor> Modeling> Add> Areas，弹出一个拾取框，单击 Pick All 按钮。4. 生成有限元模型1) 显示工作平面： GUI: Utility Menu> WorkPlane> Display Workplane2) 打开关键点编 号： GUI: Utility Menu> PlotCtrls>Numbering ，弹出【 PlotNu

10、mbering Controls 】对话框， 选择 Keypoint numbers 复选框， 清除 Line numbers 复选框，单击 OK按钮。3) 平移工作平面： GUI: Utility Menu> WorkPlane> Offset WP to> Keypoint，弹出一个拾取框，拾取编号为 10 的关键点，单击 OK按钮。4) 旋转工作平面： GUI: Utility Menu> WorkPlane> Offset WP By Increments，显示【 Offset WP 】工具栏，在 XY,YZ,ZX Angles 文本框中输入 0,0,90

11、 ，单击 Apply 按钮。5) 面分解： GUI: Main Menu> Preprocessor> Modeling> Operate> Booleans> Divide< Area by WorkPlane ，显示一个拾取框，单击 Pick All 按钮，将面在工作平面处分为两个面。6) 打开面的编号： GUI: Utility Menu> WorkPlane> PlotCtrls> Numbering ，弹出【 Plot Numbering Controls 】对话框，选择 Area number 复选框，单击 OK按钮。7) 平移

12、工作平面： GUI: Utility Menu> WorkPlane> Offset WP to> Keypoint，弹出一个拾取框，拾取编号为 5 的关键点，单击 OK按钮。8) 旋转工作平面： GUI: Utility Menu> WorkPlane> Offset WP By Increments，显示【 Offset WP 】工具栏，在 XY,YZ,ZX Angles 文本框中输入 0,90,0 ，单击 Apply 按钮。9) 面分解： GUI: Main Menu> Preprocessor> Modeling> Operate>

13、 Booleans> Divide< Area by WrkPlane ，显示一个拾取框，拾取 A3，单击 OK 按钮，将 A3 在工作平面 分为两个面。10) 创建关键点： GUI: Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Keypoints> On Line W/Ratio ，拾取编号为 L3 的线，单击 OK按钮，弹出【 Create KP on Line 】 对话框，在 Line ratio(0-1) 文本框中输入，单击 OKANNIU生 成一个编号为 12 的 关键点。11) 平移工作平面： GU

14、I: Utility Menu> WorkPlane> Offset WP to> Keypoint，弹出一个拾取框，拾取编号为 12 的关键点，单击 OK按钮。12) 旋转工作平面： GUI: Utility Menu> WorkPlane> Offset WP By Increments，显示【 Offset WP 】工具栏，在 XY,YZ,ZX Angles 文本框中输入 0,-90,0 ，单击 OK按 钮。13) 面分解： GUI: Main Menu> Preprocessor> Modeling> Operate> Boolea

15、ns> Divide< Area by WrkPlane ，显示一个拾取框，拾取 A2 和 A4，单击 OK按钮。14) 关闭工作平面： GUI: Utility Menu> WorkPlane> Display Working Plane15) 线相加操作： GUI: Main Menu>P reprocessor> Modeling> Operate> Booleans> Add> Lines ，弹出一个拾取框， 拾取编号为 L9和L14的线，单击 OK按钮弹出【Add Lines 】 对话框，单击 Apply 按钮，接着拾取编号

16、为 L9和L21的线，单击 OK按钮弹出【Add Lines 】对话框，单击 OK按钮。16) 设 置 单 元 尺 寸 ： GUI: Main Menu> Preprocessor> Meshing> Size Cntrls> ManulSize> Global> Size ，弹出 【Global Element Size 】对话框，在 Element edge length 文本框中输入，单击 OK按钮。17) 划分映射网格： GUI: Main Menu> Preprocessor> Meshing> Mesh> Areas>

17、; Mapped> 3 or 4 sided ，弹出一个拾取框，拾取编号为 A1，A3，A5，A6 的面，单击 OK按钮。18) 对 A7 划分网格： GUI: Main Menu> Preprocessor> Meshing> Mesh> Areas> Mapped> By conners ，弹出一个拾取框，拾取编号为A7 的面，单击 OK，接着拾取编号为 5，14，9，10 的关键点，单击 OK。19) 保存网格： ToolBar> Save_DB5. 施加载荷及求解1) 在线上施加对流载荷： GUI: Main Menu>S olut

18、ion> Define Loads> Apply> Thermal> Convection> On Lines ，弹出一个拾取框，拾取编号为L2， L6， L13， L11 的线，单击 OK按钮，弹出【 Apply CONV on Lines 】对话框，在 Film coefficient 文本 框中输入，在 Bulk temperature 文本框中输入 39 ，单击 Apply 按钮。拾取编号为 L9 和 L8 的线，单击 OK按钮，在 Film coefficient 文本框中输入，在 Bulk temperature 文本框中输入 250，单击 OK按钮。

19、2) 列表显示边界条件： GUI: Utility> List> Loads> Surface> On All Loads，检查所有对流边界条件是否加载。3) 求解：GUI: Main Menu>S olution> Solve> Current LS，弹出一个提示窗口和 【 Solve Current Load Step 】对话框，确认后关闭提示窗口，单击OK求解。4) 求解完成后，保存结果文件： GUI： Utility Menu>F ile> Save as，弹出【 Save as】 对话框，在 Save Database To 文本

20、框中输入 Thermal ，单击 OK。6. 后处理1) 绘制温度分布云图： GUI: Main> General Postproc> Plot Results> Contour> Plot> Nodal Solu ，弹出【 Contour Nodal Solution Data】对话框，点击 Nodal SolutionDOF SolutionTemperature ， Undisplaced Shape key 下拉框中选择 Deformed shape with undeformed model 。2) 绘制热流量分布云图： GUI: Main> Ge

21、neral Postproc> Plot Results> Contour> Plot> Nodal Solu ，弹出【 Contour Nodal Solution Data 】对话框，点击 Thermal flux Thermal flux vector sum ，单击 OK。3) 绘制热梯度分布云图： GUI: Main> General Postproc> Plot Results> Contour> Plot> Nodal Solu ，弹出【 Contour Nodal Solution Data 】对话框，点击 Thermal

22、gradient vector sum ，单击 OK按钮。练习 1 2：间接法计算冷却栅管的热应力这个练习是接着上一个的，如果ANSYS还没有关闭，则忽略下面的第 1 步，否则从第 1 步开始往下做。步骤：1、恢复数据库文件GUI: Utility Menu> File> Resume from ，弹出【 Resume Database 】对话框，在 Resume Database from 列表框中选择选项，单击 OK按钮。2、改变工作标题和分析类型1) 改变工作标题： GUI: Utility Menu> File> Change title，弹出【 Change

23、Title 】对话框，输入 2D Axisymmetrical Pipe Thermal_Stress Analysis ，单击 OK按钮。2) 改变分析类型： GUI: Main Menu> Preferences ，在弹出的【 Preference for GUIFiltering 】对话框中选择 Structural ，单击 OK按钮。3、转换单元类型及重新设置材料属性1) 删除对流边界： GUI: Main Menu> Preprocessor> Loads> Define Loads> Delete> All Load Data> All S

24、olidMod Lds，弹出【 Delete All Solid Model Loads】对话框，单击 OK按钮，则施加在实体上的所有载荷均被删除。2) 转换单元类型为结构单元： GUI: Main Menu>P reprocessor> Element Type> Switch Elem Type ，弹出【 Switch Elem Type 】对话框。在 Change element type 下拉框 中选择 Thermal to Struc ，单击 OK后会弹出一个警告，提示单元类型已经转变， 单击 Close 按钮。3) 设 置 单 元 为 轴 对 称 ： GUI: M

25、ain Menu> Preprocessor> Element Type>Add/Edit/Delete ，弹出【 Element Type】对话框，单击 Options 按钮，弹出 【 PLANE82 elemnt type options 】对话框，在 Element behavior K3 下拉框中选 择 Axisymmetrical 选项，单击 OK按钮。4) 设置材料的线胀系数： GUI: Main Menu> Preprocessor> Material Pros> Material Models ，弹出【 Define Material Mod

26、el Behavior】窗口，点击 Material ModelAvailable 列表框中的 Structural Thermal Secant Coefficienet Isotropic ， 弹出【 Thermal Expansion Coef for Material Number 1】对话框，在 ALPX文本框中填入，单击 OK按钮，关闭材料属性设置对话框。4、施加结构分析载荷并求解1) 施 加 对 称 边 界 约 束 ： GUI: Main Menu> Solution> Define Loads> Apply> Structural> Displac

27、ement>Symmetry .> On Lines，弹出一个拾取对话框。拾取编号为 L19，L7 和 L4的线，单击 Apply 。接着拾取 L12，L17，单击 OK按钮。2) 显示线： GUI: Utility Menu> Plot> Line3) 施 加 节 点 温 度 载 荷 ： GUI: Main Menu> Solution> Define Loads> Apply> Structural> Temperature> From Therm Analy，弹出【 Apply TEMP from ThermalAnalysis

28、 】对话框，在 Nameo f result file 文本框中输入文件名，单击 OK按钮。4) 在管的内壁施加面载荷：GUI: Main Menu> Solution> Define Loads> Apply>Structural> Pressure> On Lines ，弹出一个拾取框，拾取编号为 L9 和 L8 的线， 单击 OK按钮，弹出【 Apply PRES on lines 】对话框，在 VALUE Load PRES value 文本框中输入，单击 OK按钮。5) 显示节点的温度体载荷： GUI: Utility Menu> PlotC

29、trls> Symbols ，弹出【 Symbols】 对话框。在 Body Load Symbols 下拉框中选择 Structural temps 选项，单击 OK 按钮。6) 显示单元： GUI: Utility Menu> Plot> Element7) 求解：求解： GUI: Main Menu> Solution> Solve> Current LS8) 求解完成后，保存结果文件： GUI： Utility Menu>F ile> Save as，弹出【 Save as】对话框，在 Save Database To 文本框中输入，单击

30、 OK。5、普通后处理1) 显示变形： GUI: Main Menu> General Postproc> Plot Results> Deformed Shape ， 弹出【 Plot Deformed Shape 】对话框，选择 Def + undeformed 单选框，单击 OK 按钮。2) 显示位移云图： GUI: Main Menu> General Postproc> Plot Results>Nodal Solu，弹出【 Contour Nodal Solution Data】对话框，点击 Nodal Solution DOFS olution

31、 Displament vector sum ，接着在 Undisplaced shape key 下拉框中选择 Deformed shape with undeformed edge ，单击 OK按钮。3) 显 示 Von Mises 应 力分布 云 图 ： GUI: Main Menu> General Postproc> Plot Results>Nodal Solu ，弹出【 Contour Nodal Solution Data 】对话框，点击 Nodal Solution Stress von Mises stress ，单击 OK按钮。6、扩展后处理(针对轴对称

32、结构)1) 绕 Y 方向扩展 1/4 ：GUI： Utility Menu>P lotCtrls> Style> Symmetry Expansion> 2D Axi-symmetric ，弹出【 2D Axi-symmetric Expansion】对话框，选择 1/4expansion 单选框和 Also reflect about X-Z plane复选框，单击 OK按钮。2) 转 换 视 角 ： GUI ： Utility Menu> PlotCtrls> Pan,Zoom,Rotate ， 利 用 Pan-Zoom-Rotate 工具调整视角。3)

33、 显示轴向应力云图： GUI: Main Menu> General Postproc> Plot Results>Nodal Solu ，弹出【 Contour Nodal Solution Data 】对话框，点击 Nodal Solution Stress Y-Component of stress ，单击 OK按钮。4) 显示环向应力分布： GUI: Main Menu> General Postproc> Plot Results>Nodal Solu ，弹出【 Contour Nodal Solution Data 】对话框，点击 Nodal S

34、olution Stress Z-Component of stress ，单击 OK按钮。轴向应力分布环向应力分布提示： 冷却栅管的热应力分布也可以用直接耦合法求解。 回顾上课时的内容， 直接耦合 法的求解和间接法有何区别？与间接耦合法分别求解不同， 直接耦合法将结构分析的载荷和热分析的载荷同时加 载求解。大家可以试一试，看求解结果是否和间接耦合法一致。注意： 单元类型必须是耦合单元，推荐 Coupled Field Vector Quad13 。其余过程大致 和间接耦合法差不多。内容 2：铜铁水冷问题问题描述： 一个 30公斤重、温度为 70的铜块 ,以及一个 20公斤重、温度为 80的铁

35、 块，突然放入温度为 20、盛满了 300 升水的、完全绝热的水箱中 , 如图所示。过了一个小 时，求铜块与铁块的最高温度 （ 假设忽略水的流动 ） 。材料热物理性能如下 ：热性能单位制铜铁水导热系数W/m38370密度3Kg/m388897833996比热J/kg 3904484185练习 2：铜块和铁块的水冷瞬态热分析步骤：1. 设置工作名称、工作目录和标题1）如果上一个练习的文件没有关闭，在命令输入窗口输入： finish 回车，再输入： /clear,nostart 回车2）设 定 工 作 名 称 ： GUI: Utility Menu: File>Change Jobname

36、， 输 入 文 件 名 Thermal_Transient ；勾选 New log and error files单选框。3）设定工作目录： GUI: Utility Menu: File>Change> Directory4）设置标题： GUI: Utility Menu: File>Change Title ，输入 Thermal Transient Exercise ；2. 建立几何模型1）定义单元类型： GUI: Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete, 选择单元 Thermal

37、Solid Quad 8node 77 ；2）设置铜的材料属性： GUI: Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material Models ， 打 开 【 Define Material Model Behavior 】 对 话 框 ， 点 击 Thermal Conductivity Isotropic, 定义材料 1（ 铜）的热传导系数 KXX为 383；点击 Specific Hea，定义比热为 C 为 390；再点击 Density ，定义密度 DENS为 8889；3）定义铁的材料属性： GUI: Main Menu

38、> Preprocessor> Material Props> Material Models ，（如果上一步的【 Define Material Model Behavior 】对话框没有关闭，则 点击其上的菜单 Material> New Model ），参考上一步，定义材料 2（铁）的 KXX为 70、 C为 448、DENS为 7833；4）定义水的材料属性： GUI: Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material Models ，同样的方法定义材料 3（水）的 KXX等于、 C等于 418

39、5、DENS等于 996；5) 建 立 几 何 模 型 ： GUI: Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Areas> Rectangle > By Dimensions输入 X1=0, X2=, Y1=0, Y2=, 点击 Apply;输入 X1=, X2= , Y1=, Y2=,点击 Apply;输入 X1= X2= Y1=, Y2=+, 点击 OK。6) 交叠运算： GUI: Main Menu> Preprocessor> Modeling> Operate > Boolean

40、s > Overlap , 选择 Pick All ；7) 显示面编号： GUI: Utility Menu> Plotctrls> Numbering> Areas numbers, on ；3. 建立有限元模型1）设置材料属性： GUI ：Main Menu>P reprocessor> Meshing> Mesh Attributes> Picked Areas, 选择编号为 A2 的面（铜），点击 OK后，在弹出的【 Area Attributes 】对话 框的 Material Number下拉框中选择 1；用同样的方面为编号 A3 的

41、面（铁）定义材 料类型为 2；为编号 A4 的面定义材料类型为 3。定义好后，可以用 GUI: Utility Menu> List> Areas 查看是否定义正确。2）设 定 单 元 尺 寸 ： GUI: Main Menu> Preprocessor> Meshing> Size Cntrls> ManualSize> Global> Size, 输入单元大小；3）给铜块和铁块划分网格： GUI: Main Menu> Preprocessor> Meshing> Mesh> Areas> Mapped>

42、3 or 4 sided ,选择 A2 面（铜）和 A3 面（铁），点击 OK；4）设 定 单 元 尺 寸 ： GUI: Main Menu> Preprocessor> Meshing> Size Cntrls> ManualSize> Global> Size, 输入单元大小；5）给水箱划分网格： GUI: Main Menu> Preprocessor> Meshing> Mesh> Areas> Free, 选择 A4 面（水箱）。4. 施加载荷并求解1） 定义分析类型： GUI: Main Menu> Solut

43、ion>Analysis Type> New Analysis,选择Transient ，定义为瞬态分析 , 单击 OK。在接下来跳出的对话框中单击OK，采用缺省值；2） 关闭时间积分选项 ：GUI: Main Menu> Solution> Load Step Opts> Time/Frenquenc> Time Integration> Amplitude ，将 TIMINT 复选框设置为 off ，首先进行稳态分析 计算初始温度分布。3）设置载荷步选项： GUI: Main Menu> Solution> Load Step Opts

44、> Time/Frenquenc> Time-Time Step ，设定 TIME为，DELTIM也为； 这相当于定义了一个只有一个载析。 荷步的时间为的瞬态热分（可以看成是稳态的）4）选择水的所有节点： GUI: Utility Menu: Select> Entities ，在【 Select Enti 】 对话框的第一个下拉框选择 Elements ，第二个下拉框选择 By Attributes ，在输入 框输入 3，然后点击 Apply 。接着第一个下拉框选择Nodes，第二个下拉框选择Attached to, 选择 Elements ，单击 OK。可以用 GUI:

45、Utility Menu> Plot> Nodes 查看选择是否正确。5) 定 义 水 温 ： GUI: Main Menu> Solution> Define Loads> Apply> Thermal> Temperature> On Nodes, 点击 Pick All, 在弹出的【 Apply TEMP on Nodes 】对 话框的 Load TEMP value 文本框中输入 20；6) 选择铁的所有节点： GUI: Utility Menu: Select> Entities ，在【 Select Enti 】 对话框的第一个

46、下拉框选择 Elements ，第二个下拉框选择 By Attributes ，在输入 框输入 2，然后点击 Apply 。接着第一个下拉框选择Nodes，第二个下拉框选择Attached to, 选择 Elements ，单击 OK。可以用 GUI: Utility Menu> Plot> Nodes 查看选择是否正确。7) 定义铁块的温度： GUI: Main Menu> Solution> Define Loads> Apply> Thermal> Temperature> On Nodes, 点击 Pick All, 在弹出的【 Appl

47、y TEMP on Nodes 】对 话框的 Load TEMP value 文本框中输入 80；8) 选择铜的所有节点： GUI: Utility Menu: Select> Entities ，在【 Select Enti 】 对话框的第一个下拉框选择 Elements ，第二个下拉框选择 By Attributes ，在输入 框输入 1，然后点击 Apply 。接着第一个下拉框选择Nodes，第二个下拉框选择Attached to, 选择 Elements ，单击 OK。可以用 GUI: Utility Menu> Plot> Nodes 查看选择是否正确。9) 定义铁

48、块的温度： GUI: Main Menu> Solution> Define Loads> Apply> Thermal> Temperature> On Nodes, 点击 Pick All, 在弹出的【 Apply TEMP on Nodes 】对 话框的 Load TEMP value 文本框中输入 70；10) 选择所有： GUI: Utility Menu> Select Everything11) 显示单元： GUI: Utility Menu> Plot> Elements12) 进行稳态热分析计算初始温度分布 ： GUI:

49、Main Menu> Solution> Solve> Current LS13) 设定载荷步选项： GUI: Main Menu> Solution> Load Step Opts> Time/Frenquenc> Time-Time Step ，设定 TIME=3600, DELTIM=26, 最小、最大时间步长分别为 2, 200, 将 Autots 设置为 ON；14) 打开时间积分选项： GUI: Main Menu> Solution> Load Step Opts> Time/Frenquenc> Time Integration> Amplitude ， 将 TIMINT 复选框设置为 on15) 删除稳态分析定义的节点温度 ：GUI: Main Menu>S olution> Define Loads> Delete> Thermal> Temperature> On Nodes, 选择 Pick All ，在弹出来的【 Delete Node Constraints 】对话框的 DOFs to be deleted 下拉框中选择 TEMP，单击 OK按钮。16) 施加