教育有限元方法与ANSYS应用第10讲-热分析

有限元方法与ANSYS应用

FiniteElementsMethod&ANSYS热分析ANSYS热分析热分析的目的:

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。ANSYS热分析热分析的内容:

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ANSYS热分析热分析的基本思路:

ANSYS热分析基于由能量守恒原理导出的热平衡方程，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热分析热分析的类型:

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。ANSYS热分析热分析的类型--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。

ANSYS热分析热分析的边界条件:

ANSYS热分析的边界条件或初始条件可分为七种：温度，热流率、热流密度、对流、辐射、绝热、生热。在ANSYS中有相关的命令及其等效的菜单路径。ANSYS热分析三种主要热传递方式:

热传导热对流热辐射ANSYS热分析热对流:

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，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。ANSYS热分析热辐射:

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）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ANSYS热分析--基础知识:

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：；ANSYS热分析--基础知识:

传热学经典理论回顾

通常不考虑做功：则：ANSYS热分析--基础知识:

传热学经典理论回顾

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：即流入流出的热传递速率等于系统内能的变化。ANSYS热分析--基础知识:

传热学经典理论回顾

对于热传导：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：式中为热流密度（W/m2），为导热系数(W/m-℃)，负号表示热量流向温度降低的方向。ANSYS热分析--基础知识:

传热学经典理论回顾

对于热对流：热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量的交换。热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。热对流用牛顿冷却方程来描述：

式中为对流热换系数（或称膜传热系数、给热系数、膜系数等）；

为固体表面的温度；表示为周围流体的温度。ANSYS热分析--基础知识:

传热学经典理论回顾

对于热辐射：热辐射指物体发射电磁能，并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程。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。ANSYS热分析--基础知识:

传热学经典理论回顾

对于热辐射：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斯蒂芬—波尔兹曼方程来计算：ANSYS热分析--基础知识:

传热学经典理论回顾

对于热辐射：式中为热流率，为辐射率（黑度），为斯蒂芬－波尔兹曼常数，约为5.67×10-8W/m2.K4，为辐射面1的面积，为由辐射面1到辐射面2的形状系数，ANSYS热分析--基础知识:

传热学经典理论回顾

对于热辐射：式中为辐射面1的绝对温度，为辐射面2的绝对温度。由上式可以看出，包含热辐射的热分析是高度非线性的。ANSYS热分析--基础知识:

传热学经典理论回顾

对于稳态传热：

如果系统的净流滤为0，即流入体统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量：则系统热稳态。

ANSYS热分析--基础知识:

传热学经典理论回顾

对于稳态传热：在稳态热分析中，任一节点的温度不随时间变化。稳态热分析的能量平衡方程为（以矩阵形式表示）：ANSYS热分析--基础知识:

传热学经典理论回顾

对于稳态传热：式中：为传导矩阵，包含热系数、对流系数及辐射和形状系数；为节点温度向量；为节点热流率向量，

ANSYS热分析--基础知识:

传热学经典理论回顾

对于稳态传热：

ANSYS利用模型几何差数、材料热性能参数以及所施加的边界条件，生成、及。ANSYS热分析--基础知识:

传热学经典理论回顾

对于瞬态传热：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。根据能量守恒原理，瞬态热平衡可以表达为（以矩阵形式表示）：

ANSYS热分析--基础知识:

传热学经典理论回顾

对于瞬态传热：

式中：为传导矩阵，包含热系数、对流系数及辐射和形状系数；为比热矩阵，考虑系统内能的增加；为节点温度向量；为温度对时间的导数；为节点热流率向量。ANSYS热分析--基础知识:

传热学经典理论回顾

对于非线性热分析：如果有下列情况产生，则为非线性热分析：材料热性能随温度变化，如K(T)，C(T)等；边界条件随温度变化，如h(T)等；含有非线性单元；考虑辐射传热。ANSYS热分析--基础知识:

传热学经典理论回顾

对于非线性热分析：非线性热分析的热平衡方程为：

ANSYS热分析热分析的基本过程—三步曲1建模2施加载荷计算3查看并显示结果ANSYS热分析热分析的基本过程—三步曲1建模ANSYS热分析热分析的基本过程—三步曲2施加载荷计算ANSYS热分析热分析的基本过程—三步曲2施加载荷计算ANSYS热分析热分析的基本过程—三步曲2施加