ansys-热分析-瞬态-稳态教学文稿.ppt

2001年10月1日2020 5 6 ANSYS培训教程 版本5 5 XJTUMSSVBy HaichGao 011001 Them 1 ANSYS热分析 Guidelines 2001年10月1日2020 5 6 ANSYS培训教程 版本5 5 XJTUMSSVBy HaichGao 011001 Them 2 目录 第一章简介一 热分析的目的二 ANSYS的热分析三 ANSYS热分析分类四 耦合分析第二章基础知识一 符号与单位二 传热学经典理论回顾三 热传递的方式四 稳态传热五 瞬态传热六 线性与非线性七 边界条件 初始条件八 热分析误差估计 Guidelines 2001年10月1日2020 5 6 ANSYS培训教程 版本5 5 XJTUMSSVBy HaichGao 011001 Them 4 第一章热分析简介 2001年10月1日2020 5 6 ANSYS培训教程 版本5 5 XJTUMSSVBy HaichGao 011001 Them 5 在完成本章学习后 我们应该对热分析的基本概念有所了解 并了解它的基本分类 ModuleObjective 第一讲热分析的目的第二讲ANSYS的热分析第三讲ANSYS热分析分类第四讲耦合分析 LessonObjectives 目标 2001年10月1日2020 5 6 ANSYS培训教程 版本5 5 XJTUMSSVBy HaichGao 011001 Them 6 热分析的目的 P 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 如热量的获取或损失 热梯度 热流密度 热通量 等 热分析在许多工程应用中扮演重要角色 如内燃机 涡轮机 换热器 管路系统 电子元件等 Objective Definition 2001年10月1日2020 5 6 ANSYS培训教程 版本5 5 XJTUMSSVBy HaichGao 011001 Them 7 ANSYS的热分析 P 2 ANSYS的热分析在ANSYS Multiphysics ANSYS Mechanical ANSYS Thermal ANSYS FLOTRAN ANSYS ED五种产品中包含热分析功能 ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程 用有限元法计算各节点的温度 并导出其它热物理参数 ANSYS热分析包括热传导 热对流及热辐射三种热传递方式 此外 还可以分析相变 有内热源 接触热阻等问题 Objective 2001年10月1日2020 5 6 ANSYS培训教程 版本5 5 XJTUMSSVBy HaichGao 011001 Them 8 ANSYS的热分析分类 P 3 ANSYS的热分析分类稳态传热 系统的温度场不随时间变化瞬态传热 系统的温度场随时间明显变化 Objective Guidelines 2001年10月1日2020 5 6 ANSYS培训教程 版本5 5 XJTUMSSVBy HaichGao 011001 Them 9 耦合分析 P 4 与热有关的耦合分析 热 结构耦合 热 流体耦合 热 电耦合 热 磁耦合 热 电 磁 结构耦合等 Objective Guidelines 2001年10月1日2020 5 6 ANSYS培训教程 版本5 5 XJTUMSSVBy HaichGao 011001 Them 10 第二章基础知识 2001年10月1日2020 5 6 ANSYS培训教程 版本5 5 XJTUMSSVBy HaichGao 011001 Them 11 本章学习 我们简单介绍热分析的基础知识 以助于大家对以后的热分析有个大体概念 ModuleObjective 第一讲 符号与单位第二讲 传热学经典理论回顾第三讲 热传递的方式第四讲 稳态传热第五讲 瞬态传热第六讲 线性与非线性第七讲 边界条件 初始条件第八讲 热分析误差估计 LessonObjectives 目标 2001年10月1日2020 5 6 ANSYS培训教程 版本5 5 XJTUMSSVBy HaichGao 011001 Them 12 第一讲 符号与单位 表征物体吸收的热量 为一个体系的内能与体系的体积和外界施加于体系的压强的乘积之和 2001年10月1日2020 5 6 ANSYS培训教程 版本5 5 XJTUMSSVBy HaichGao 011001 Them 13 第二讲 传热学经典理论回顾 2001年10月1日2020 5 6 ANSYS培训教程 版本5 5 XJTUMSSVBy HaichGao 011001 Them 14 第三讲 热传递的方式 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 热传导遵循付里叶定律 qn k dT dx 式中qn为热流密度 W m2 k为导热系数 W m 表示热量流向温度降低的方向 2 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 qn 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 Definition 2001年10月1日2020 5 6 ANSYS培训教程 版本5 5 XJTUMSSVBy HaichGao 011001 Them 15 第三讲 热传递的方式 3 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 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 q A1F12 T14 T24 式中q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 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1的绝对温度 T2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 Definition 2001年10月1日2020 5 6 ANSYS培训教程 版本5 5 XJTUMSSVBy HaichGao 011001 Them 16 第四讲 稳态传热 如果系统的净热流率为 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 q流入 q生成 q流出 0 则系统处于热稳态 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 K T Q 式中 K 为传导矩阵 包含导热系数 对流系数及辐射率和形状系数 T 为节点温度向量 Q 为节点热流率向量 包含热生成 ANSYS利用模型几何参数 材料热性能参数以及所施加的边界条件 生成 K T 以及 Q Guidelines 2001年10月1日2020 5 6 ANSYS培训教程 版本5 5 XJTUMSSVBy HaichGao 011001 Them 17 第五讲 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 C K T Q 式中 K 为传导矩阵 包含导热系数 对流系数及辐射率和形状系数 C 为比热矩阵 考虑系统内能的增加 T 为节点温度向量 为温度对时间的导数 Q 为节点热流率向量 包含热生成 Guidelines 2001年10月1日2020 5 6 ANSYS培训教程 版本5 5 XJTUMSSVBy HaichGao 011001 Them 18 第六讲 线性与非线性 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 考虑辐射传热非线性热分析的热平衡矩阵方程为 C T K T T Q T Guidelines 2001年10月1日2020 5 6 ANSYS培训教程 版本5 5 XJTUMSSVBy HaichGao 011001 Them 19 第七讲 边界条件 初始条件 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 Guidelines 2001年10月1日2020 5 6 ANSYS培训教程 版本5 5 XJTUMSSVBy HaichGao 011001 Them 20 第八讲 热分析误差估计 仅用于评估由于网格密度不够带来的误差 仅适用于SOLID或SHELL的热单元 只有温度一个自由度 基于单元边界的热流密度的不连续 仅对一种材料 线性 稳态热分析有效 使用自适应网格划分可以对误差进行控制 Guidelines 2001年10月1日2020 5 6 ANSYS培训教程 版本5 5 XJTUMSSVBy HaichGao 011001 Them 21 第三章稳态传热分析 2001年10月1日2020 5 6 ANSYS培训教程 版本5 5 XJTUMSSVBy HaichGao 011001 Them 22 本章学习 我们将介绍稳态传热分析的知识 以助于大家了解以后的稳态传热分析 并能对简单的问题进行求解 ModuleObjective 第一讲 稳态传热的定义第二讲 热分析的单元第三讲 ANSYS稳态热分析的基本过程练习 LessonObjectives 目标 2001年10月1日2020 5 6 ANSYS培训教程 版本5 5 XJTUMSSVBy HaichGao 011001 Them 23 第一讲 稳态传热的定义 稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响 通常在进行瞬态热分析以前 进行稳态热分析用于确定初始温度分布 稳态热分析可以通过有限元计算确定由于稳定的热载荷引起的温度 热梯度 热流率 热流密度等参数 Definition 2001年10月1日2020 5 6 ANSYS培训教程 版本5 5 XJTUMSSVBy HaichGao 011001 Them 24 第二讲 热分析的单元 热分析涉及到的单元有大约40种 其中纯粹用于热分析的有14种 线性 LINK32两维二节点热传导单元LINK33三维二节点热传导单元LINK34二节点热对流单元LINK31二节点热辐射单元二维实体 PLANE55四节点四边形单元PLANE77八节点四边形单元PLANE35三节点三角形单元PLANE75四节点轴对称单元PLANE78八节点轴对称单元三维实体SOLID87六节点四面体单元SOLID70八节点六面体单元SOLID90二十节点六面体单元壳SHELL57四节点点MASS71有关单元的详细解释 请参阅 ANSYSElementReferenceGuide 2001年10月1日2020 5 6 ANSYS培训教程 版本5 5 XJTUMSSVBy HaichGao 011001 Them 25 第三讲 ANSYS稳态热分析的基本过程 ANSYS热分析可分为三个步骤 前处理 建模 求解 施加载荷计算 后处理 查看结果 2001年10月1日2020 5 6 ANSYS培训教程 版本5 5 XJTUMSSVBy HaichGao 011001 Them 26 稳态热分析步骤一 建模 确定jobname title unit 进入PREP7前处理 定义单元类型 设定单元选项 定义单元实常数 定义材料热性能参数 对于稳态传热 一般只需定义导热系数 它可以是恒定的 也可以随温度变化 创建几何模型并划分网格 请参阅 ANSYSModelingandMeshingGuide Guidelines 2001年10月1日2020 5 6 ANSYS培训教程 版本5 5 XJTUMSSVBy HaichGao 011001 Them 27 稳态热分析步骤二 施加载荷计算。