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10 稳态热传递


第十课

稳态热传递
(没有热质量交换)

稳态热传递
? ? 如果热能流动不随时间变化的话,热传递就称为是稳态的。 由于热能流动不随时间变化, 系统的温度和热载荷也都不随时间变化 。 由热力学第一定律,稳态热平衡可以表示为:

?

输入的能量— 输出的能量 = 0


3-2

稳态热传递 控制方程
? 对于稳态热传递,表示热平衡的微分方程为:

? ? ?T ? ? ? ?T ? ? ? ?T ? ... ? ? ? k zz ? k xx ? ? ? k yy ?? q ? 0 ?x ? ?x ? ?y ? ?y ? ?z ? ?z ?
? 相应的有限元平衡方程为:

?K??T? ? ?Q?
3-3

热载荷和边界条件的类型
? ? 温度
– 自由度约束,将确定的温度施加到模型的特定区域。

均匀温度
– 可以施加到所有结点上,不是一种温度约束。一般只用于施加初始温度而非约束, 在稳态或瞬态分析的第一个子步施加在所有结点上。它也可以用于在非线性分析中 估计随温度变化材料特性的初值。

?

热流率
– 是集中结点载荷。正的热流率表示能量流入模型。热流率同样可以施加在关键点上 。这种载荷通常用于对流和热流不能施加的情况下。施加该载荷到热传导率有很大 差距的区域上时应注意。

3-4

热载荷和边界条件的类型
? 对流
– 施加在模型外表面上的面载荷,模拟平面和周围流体之间的热量交 换。
同样是面载荷。使用在通过面的热流率已知的情况下。正的热流值 表示热流输入模型。 作为体载荷施加,代表体内生成的热,单位是单位体积内的热流率 。

?

热流


?

热生成率


3-5

热载荷和边界条件的类型
? ANSYS 热载荷分为四大类:
1. DOF 约束 - 指定的 DOF (温度) 数值

2. 集中载荷 - 集中载荷(热流)施加在点上
3. 面载荷 -在面上的分布载荷(对流,热流)

4. 体载荷 - 体积或区域载荷

3-6

热载荷和边界条件的类型
施加的载荷 温度 载荷分类
约束

实体模型载荷
在关键点上 在线上 在面上 在关键点上 在线上(2D) 在面上(3D) 在线上(2D) 在面上(3D) 在关键点上 在面上 在体上

有限元模型载荷
在结点上 均匀 在结点上 在结点上 在单元上 在结点上 在单元上 在结点上 在单元上 均匀
3-7

热流率 对流

集中力 面载荷

热流 热生成率

面载荷 体载荷

热载荷和边界条件的类型
热载荷和边界条件注意事项 – 在 ANSYS中, 没有施加载荷的边界作为完全绝热处理。 – 对称边界条件的施加是使边界绝热得到的。 – 如果模型某一区域的温度已知,就可以固定为该数值。 – 响应热流率只在固定温度自由度时使用。

3-8

热分析样板
?

建立模型 – 指定分析名称和工作文件名。 – 如果需要,记录单位制。 – 进入前处理器 ? 定义单元类型,检查基本设置。 ? 如果需要,定义实参。 ? 定义材料特性。 ? 生成或导入模型。 ? 划分网格。

3-9

热分析样板
?

求解器 – – – – 定义分析类型,检查分析选项。 施加载荷和边界条件。 指定载荷步选项。 执行求解。

3-10

热分析样板
? 查看结果

– – – –

进入通用处理器和/或时序后处理器。 使用列表, 绘图, 等查看结果。 查看误差估计。 验证求解。

3-11

GUI 和 ANSYS 命令
? ? ? ? ANSYS 是命令驱动程序。 ANSYS 命令可以手工输入,或用GUI(Graphical User Interface)输入或 两种方法混用。 GUI提供了一种和ANSYS交流的简单的方法。 GUI根据用户操作自动生成ANSYS命令。

所有使用的命令列表在 jobname.log 文件中。

3-12

GUI 和 ANSYS 命令
? 查看ANSYS输出 窗口中命令执行 和文字输出。

3-13

稳态热传递
例题说明
分析过程中的每一步使用简单的例子说明。
基本描述 一个带有举行肋骨的长 钢管从管中流动的热气 体通过对流吸收能量。 外表面暴露在大气中, 热流从肋骨端部释放。.
高亮度的方框中标出了例子 的步骤。

ANSYS命令流文件在附录B中

3-14

稳态热传递
例题说明
例题描述: ? 热气体的温度是600 °F。内部的对流热 交换系数是0.40 BTU/hr-in2-°F。 ? 外部大气温度是100 °F。外部的对流热 交换系数为0.025 BTU/hr-in2-°F。 ? 每个肋骨端部热流为 -20 BTU/in2 。 分析目标: ? 分析其中最小的循环部分,要求得到如下 结果: 1) 温度场分布。 2) 肋骨上下端面的对流热耗散。

3-15

稳态热传递
例题说明
? 下面是一个截面。

建模说明: ? 内部对流载荷使用平面效果 单元。 ? 使用 “在线上施加对流”施 加肋骨外表面上的对流载荷 。 ? 在肋骨短部施加热流。 ? 假设钢管是非常长的,不考 虑钢管端部的影响。 ? 只对最小的循环部分建模。

3-16

稳态热传递
例题说明
绝热对称边界

对流面
对流面

肋骨端部的热流

绝热对称边界

简化成了最小的可重复2D几何模型。

3-17

稳态热传递
例题说明
稳态热传递例题的指导说明: ? 使用最小的可循环部分求解下列问题: – 钢管/肋骨中的温度场分布 – 钢管/肋骨的对流热损耗 – 绘出钢管/肋骨面上的温度变化情况。 ? 使用轴对称的PLANE55单元划分网格。 ? 在钢管内荆使用带有附加结点的平面效果单元SURF151。 ? 假设为恒定的,各向同性的材料特性。 ? 没有随温度变化的特性。
高亮度的方框中标出了例子的步骤。

3-18

建模
? ? 热分析的第一阶段包括建模和划分网格。 在本部分,我们要: – 指定文件名和标题。 – 记录使用的单位。 – 进入前处理器 ? 定义单元类型和基本选项。 ? 查看实参定义。 ? 定义材料特性。 ? 生成几何模型。 ? 划分网格。

3-19

建模
设置GUI的菜单过滤选项
使用界面选项激活GUI菜单过滤; 只有与热分析有关的菜单项可以显 示和使用。如果不设置,所有的菜单都可以看到并使用。

激活热菜单过滤并单 击 “OK”。

3-20

建模
指定文件名
定义单独的文件名与其他分析题目区别开来。所有文件名将为 jobname.ext,除了.log和.err文件是初始文件的jobname.log 和 .err。

变换文件名为 “stltube”
3-21

建模
指定标题
为分析指定一个描述性的标题。标题将打印在图形的底部,并在载 荷步文件和结果文件中显示。

输入标题: “Example - Steel Tube with Fins” 并单击 “OK”。
3-22

建模
单位
使用/UNITS命令记录分析中使用的单位制。
本例中使用的单位制 记为British/Inches, 缩写为 “bin” ? ? 除了电磁场分析,用户不需“告诉”ANSYS你所使用的单位制。但是, 你可以使用/UNITS命令记录你所使用的单位。 一旦你决定了使用的单位制,请一直使用它。ANSYS 不提供任何单位转 换。 选择的单位制将影响你的模型,材料特性,实参和载荷。 再次使用/UNITS并不完成单位制转换。

? ?

3-23

建模
单位
如要获得/UNITS命令的更多说明,请使用线上文档。
在输入窗口输入 “help, /UNITS” 查看 线上文档。

要使用帮助,在输入窗口中输入 “help,xxxxx”; “xxxxx” 可以是单元类型 (77), 命令(/units), 或单元类别(solid)。或者 ,使用UtilityMenu>>Help下拉式菜单。
3-24

建模
单位

3-25

建模
现在,我们准备开始前处理……….

请记住,高亮度的方框中标出了例子的步骤。
稳态热传递的例子。
3-26

前处理:建模
定义单元类型

定义分析中使用的单元类型。
开始定义单元类型。注意现在还没有 定义单元类型。单击“Add….”开始 添加。

3-27

前处理:建模
定义单元类型
选择热实体单元PLANE55作为单元类型, 单击“Apply”。

先选择一个类别

然后选择本类别中的 单元类型

? ? ?

使用HELP按钮得到单元库中的更多信息。 缺省状态下,第一个定义的单元类型其单元类型号为1。 因为GUI菜单过滤为热分析,只有热单元类型显示出来。

3-28

前处理:建模
基本选项 ? 基本选项或 KEYOPTs 是与单元类型相关的选项。 ? 查看或修改基本选项的方法是选择下图中的“Options”: 查看并选择基本选项

查看PLANE55缺 省的基本选项。

3-29

前处理:建模
查看并选择基本选项 使用下拉式菜单查看该单元的基本选项,并选择合适的数值。

改变单元特征。本例题需要轴对称 单元。缺省值为平面单元。

3-30

前处理:建模
平面效果单元

平面效果单元 - 介绍
? 平面效果单元象“皮肤”一样附着在实体单元的表面,经常用来施 加载荷。 平面效果单元为施加面载荷提供了更多的方式,特别是当在同一区 域施加对流和热流两种载荷时。

?

?

一个模型中附加的,离开模型表面一定距离的结点,可以用来代表 周围流体的介质温度。该“附加”结点同样对结果评估带来方便。

3-31

前处理:建模
平面效果单元 平面效果单元 - 介绍
? 平面效果单元可以用来施加热生成载荷。

?

当对流换热系数随温度变化时,平面效果单元很方便; 基本选项的不 同设置使得评估结果时选项也不相同。

注: 平面效果单元在第7章中还有更详细的解释。

3-32

前处理:建模
平面效果单元 平面效果单元和对流
? 对流载荷可以直接施加到平面效果单元,实体单元或几何模型实体 上。 在SURF151上使用“附加结点”选项可以在“附加结点”上指定结 点温度,相当于周围介质的温度。

?

注: 本例题实际上不需要 使用平面效果单元,因为每个平面上只有均匀的对流(Hf和Tb 为已知)。但是,在管的内径施加平面效果单元将使得我们在后处理中更方便地得到热 能耗散数值。

3-33

前处理:建模
定义单元类型
定义热平面效果单元SURF151。这是本例中的第二 种单元类型。

注意,第二个定义的单元自动定义为单元类型2 automatically。

3-34

前处理:建模
查看并选择基本选项
查看SURF151单元的缺省基本选项并单击 “Options”。

3-35

前处理:建模
查看并选择基本选项

将单元行为从平面改变为轴对称。注意 K4的改变, 移去中间结点;K5的改变, 对 流计算中包含附加结点。结束后单击 “Close” 。

3-36

前处理:建模
定义并检查实参 实参 ? ? ? ? ? 实参是指定单元类型的几何特征。 并不是所有的单元类型都需要实参。 有些单元类型只有在选择了某些基本选项时才需要实参。 使用ANSYS在线帮助得到更多的关于实参的说明。 第一个定义的实参缺省指定为 实参号1。

3-37

前处理:建模
定义并检查实参
检查需要的实参。注意现在 没有定义任何实参。单击 “Add….”开始。

3-38

前处理:建模
定义并检查实参 ? 定义实参: – 首先选中要定义实参的单元类型 – 然后,在对话框中输入相应的数字以定义实参。

注: 如果有HGEN载荷施 加到平面效果单元上时, 必须指定厚度。

例题中的单元类型都不需要实参。

3-39

前处理:建模
定义并查看材料特性 稳态热分析中关于材料特性的总体说明

– 对于稳态分析,热材料特性必须输入热传导率“k”-KXX, 和可 选的KYY, KZZ。 – 如果用户不定义,KYY和KZZ缺省等于KXX。 – 密度(DENS)和比热(C)或热焓(ENTH)在没有质量传递的稳态热 分析中不需要。 – 随温度变化的材料导热系数k, 使得热分析为非线性。 – 与温度有关的换热系数也被处理为材料特性。

3-40

前处理:建模
定义并查看材料特性

在ANSYS中定义材料特性的选项: – 在材料特性对话框中输入需要的数值。 – 从ANSYS材料库或用户自定义材料库中读入材料特性。 在定义了材料特性以后,也可以将材料特性写到文件中以备后用 。

3-41

前处理:建模
定义并查看材料特性 要从材料库中读入材料特性,只要指定包含所需数据的文件路径和 文件名即可。

3-42

前处理:建模
定义并查看材料特性 要手工输入材料特性,首先选择合适的材料行为特性选项( 均匀各向 同性,均匀各向异性,对温度变化) …….

本例中使用的材料特性是均匀各向同性 的。第一种材料缺省的材料号为1。

3-43

前处理:建模
定义并查看材料特性 然后,在对话框中输入需要的数值………..

本例中使用钢的热传导率为 0.75 BTU/hr-in-°F

对于均匀各向同性的稳态热 分析,只需要KXX的数值。

3-44

前处理:建模
随时间变化的材料特性 对于随时间变化的材料特性,先要定义指定数值所对应的温度……..

依次输入6个温度数值

只是举例,不要使用这些数据。
3-45

前处理:建模
随时间变化的材料特性 然后,指定特性标志并给出对应前面温度的数值……. 只是举例,不要使用这些数值。

输入的数值应该对应于温度表。

3-46

前处理:建模
使用随时间变化的材料特性 ANSYS如何使用这些数据? ? 随温度变化的材料特性在每个单元中计入一次。在单元体内材料特 性假设为均匀的。 ? 对于给定的单元,其温度为:

Tc ? ?N 0 ?T ?T ? where : Tc ? the temperatu re at which t he material property evaluation is done

?N 0 ? ? shape functions of element evaluated at the centroid for that element ?T ? ? nodal temperatu res

3-47

前处理:建模
列出材料特性 可以选择下列菜单列出材料特性…….. 对于均匀各向同性材料: 对于随温度变化材料:

3-48

前处理:建模
绘制材料特性 除了列表,还可以绘制随温度变化的材料特性。选择要绘制的材料特性 和温度数值范围和/或特性数值范围(可选)。

只是举例,不要使用该数据。
3-49

前处理:建模
绘制材料特性 随温度变化的材料特性绘图示例。

只是举例,不要使用该数据。
3-50

前处理:建模
删除材料特性

材料特性可以单独删除,或使用下面的菜单删除多个材料特性:

3-51

前处理:建模
使用输入的几何模型

几何模型可以从多种CAD程序的标准图形文件输入到ANSYS。使用 File>>Import菜单选项:

注: 下面的对话框是选择了IGES格 式后弹出的。

3-52

前处理:建模
生成几何模型 几何模型可以在ANSYS中生成。在这里我们使用预选定义好的几何 体生成例题中的模型。
使用预先定义的体生成两个面,并如 例题中所示输入尺寸。

3-53

前处理:建模
生成几何模型
输入矩形角点坐标。ANSYS将生成该矩形和其中的线和关键点。 选择“Apply”使对话框保持打开。选择“OK”关闭对话框。

3-54

前处理:建模
生成几何模型
画面。 ANSYS在生成两个矩形 后会自动生成右面的图 形。图形会自动fit到当 前的图形窗口中。

3-55

前处理:建模
生成几何模型 布尔操作如相交, 相加, 相减, 分割, 粘接, 覆盖和分离等都能够用于 对几何模型进行操作。

使用 Booleans >>Overlap>>Areas命令 以生成需要的几何模型。

3-56

前处理:建模
生成几何模型
“Pick All” 选择了两个面进行覆盖 操作并执行该命令。

3-57

前处理:建模
生成几何模型
要清楚地看到每个实体,打开Utility Menu中的号码控制。

使用PlotControls>>Numbering 命令打开面号。显示颜色和号码 (/NUM)。

3-58

前处理:建模
生成几何模型 覆盖操作后绘制面,面号选项打开,号码和颜色都显示。

3-59

前处理:建模
布尔操作的总体说明 ? ? ? 缺省情况下,布尔操作的输入实体在操作完成后删除。 删除的实体号码将为“空”。也就是说,它将会被重新赋值给布尔 操作新生成的实体,从最小可用号码开始。 对面进行覆盖操作时,在原来面的重合区域将生成一个新的面。然 后,其他新的面积将通过在原来面积上挖去这一公共区域而形成。 所有的面将共用边界线和关键点。 要复习布尔操作的步骤,请参看如下文档: – ANSYS 在线帮助 – ANSYS 建模和分网手册

?

3-60

前处理:建模
定义属性 单元属性 ? 单元属性是在划分网格之前要定义的模型特性。包括: – – – – ? 材料特性 单元类型 实参 单元坐标系

每个特定的属性类型在一个模型中都有一个独立的参考号。

3-61

前处理:建模
定义属性

材料特性 (续)
? 单元属性可以使用Attributes>>Define或使用MeshTool指定。 MeshTool更方便,因为网格控制等后续的工作在MeshTool中同样 可以设置。 当使用多个单元类型,材料或实参时,保证不同特性对应相应的模 型区域。 单元属性可以列表和绘图以方便检查模型。 属性可以全局的设置,也可以在划分网格之前设置给特定的体,面 ,线和关键点。

? ? ?

3-62

前处理:建模
定义属性 使用MeshTool定义属性:

选择要设置属性的实体。

3-63

前处理:建模
定义模型属性

设置属性时,使用下拉式菜单查看选项,并选择合适的数值。

注:在本步之前应该已 经定义好了单元类型, 材料和实参。

注:ESYS主要用于各向异性材料 的定义。
3-64

前处理:建模
设置网格控制

网格划分需要如下的步骤:
1) 设置单元属性。 (单元类型,实参,材料特性) 2) 设置网格控制。 设置控制网格大小(网格密度)和网格形状的选项 。 3) 存储数据库(可选)。 4) 生成网格。

3-65

前处理:建模
设置网格控制 ANSYS网格划分(续):

?

?

如果不设置网格控制时划分网格,网格将具有如下特征: – 将是自由划分,而不是映射划分。 – 单元大小由ANSYS确定( 可以满足普通的计算精度要求)。 – 单元类型1,材料1,实参1将用来划分网格。 有许多方法设置网格控制。参考ANSYS建模和分网手册以得到更多 的解释。

缺省状态下,网格属性设置为单元类型1,材料1和实参1,因此在例题中不需要重新定义。

3-66

前处理:建模
设置网格控制 下一步是设置划分网格的大小(网格密度)。全局大 小是用于生成均匀大小的网格。

例题中全局网格长度设置为0.06。

3-67

前处理:建模
划分模型

使用MeshTool, 指定: 1) Mesh: areas 2) Shape: quad 3) Mesher: mapped; 3 or 4 sided 4) 在选择菜单中选择 “Pick All” 5) 关闭MeshTool

3-68

前处理:建模
划分模型 得到的单元绘图如下。

3-69

前处理:建模
划分模型

继续划分网格; 生成平面效果单元

生成平面效果单元中的注意事项:
? 在生成平面效果单元之前,需要先作一些另外的前处理工作: – 设置属性为使用单元类型 2, SURF151。 – 生成“附加结点” ( KEYOPT5)。 平面效果单元将使用面上现有的结点生成,并且参考“附加结点 ”。

?

3-70

前处理:建模
划分模型 定义划分网格的属性使用菜单Attributes>>Define如下:
单元类型号设置为: 2 SURF151

3-71

前处理:建模
划分模型
绘制结点
注: 由于使用现有的结点定义平面效果单元,将图形转换到结点图可以方便选取 需要的结点。

3-72

前处理:建模
划分模型
生成 “附加结点”需要SURF151定义。
注: 使用直接生成来生成附加结点。活动坐标系是全局笛卡儿坐标系。

3-73

前处理:建模
划分模型
注: 这里,选择结点号1000, 比其他任意结点号码都大,以使得 “附加” 结点容易辨认。如果该域空白,则下一个可以使用的 结点号码将赋值给新的结点。

注: “附加” 结点的位置是可 选的,这里是x=1.0, y=2.5。

3-74

前处理:建模
划分模型
结点图将自动更新以包括新的结点。使用Use Box Zoom 或其他 Zoom 命令查看需要 看清的部分。

3-75

前处理:建模
划分模型 现在已经准备好生成平面效果单元。
生成平面效果单元

3-76

前处理:建模
划分模型

使用Box选择选项只选择管内部的结 点生成平面效果单元。

3-77

前处理:建模
划分模型
检查所有9个结点是否全部选中; 单击“Apply”

3-78

前处理:建模
划分模型

使用鼠标点取附加结点,或在输入窗口中 输入1000。然后,单击“OK”。

3-79

前处理:建模
划分模型 现在平面效果单元将自动绘制出来。

3-80

前处理:建模
用绘图方法检查属性 可以打开Numbering Controls用绘图方法检查属性。 只需要打开特定实体的on/off开关并选择使用和种方式。

要检查单元类型是正确指定 的,只要打开基于单元类型 号的号码显示即可。

3-81

前处理:建模
用绘图方法检查属性
在本例中,用绘图方法检查单元类型是否正确指定。 注: 在本例中,我们如果不在划分网格之前将单元属性改变的话,就无法得 到单元类型 2, SURF151单元。

3-82

前处理:建模
用绘图方法检查属性
在此,切换到向量图将生成单元的边框图。

使用/SHOW命令切换到向量绘图。要使得号码更容易阅读,设置 Plot Controls>>Device Options中的选项。

3-83

前处理:建模
用绘图方法检查属性

单元以向量方式绘制,单元类型用颜色和号码打开来 区别。

使用命令 /SHOW 重新设置绘图选项。
3-84

求解过程
? 求解过程

? ?

我们现在将要开始热分析的下一个分析过程;求解过程 在本步,我们要: – 定义分析类型,检查分析选项 – 施加载荷和边界条件 – 进行求解

3-85

求解过程
定义分析类型
指定这是一个新的分析,类型为稳态分 析(这是缺省值)。

3-86

求解过程
定义分析选项
分析选项

?

对于只有一个载荷步的线性,稳态,热分析,只需要设置方程求解 器。 注: 在ANSYS 5.5中, 当求解控制打开,缺省求解器 为稀疏矩阵求解器

?

其他分析选项如牛顿-拉夫森选项和温度偏移设置,只在非线性辐射 问题中需要,在后面的章节中讨论。

3-87

求解过程
定义分析选项

改变到迭代求解器求解大 的3-D模型。

检查温度偏移; 通常在辐 射问题中需要。

3-88

求解过程
定义分析选项 求解器 ? 下列求解器可以选择*: – 波前求解器(缺省) – 雅可比共轭梯度求解器(JCG) – JCG 超内存求解器 – 不完全的Cholesky共轭梯度求解器(ICCG) – 预条件共轭梯度求解器(PCG) – PCG 超内存求解器 – 迭代 (快速求解;自动求解器选择)
* provided there are no mass transport of heat effects
3-89

求解过程
定义分析选项
迭代(快速求解)选项 快速求解选项可以用于除了以下情况的任意线性,非线性,稳态或 瞬态热分析: – 可能不能用于旧的平面效果单元, SURF19和SURF22。 – 可能不能用于辐射计算。 – 不推荐用于带相变的热传递问题。

注: 本选项不生成jobname.emat和jobname.erot文件,可以节约机时 和硬盘空间。分析重启动在使用快速求解选项时不能使用。

3-90

求解过程
定义分析选项
使用快速求解选项时,必须指定精度级别。

3-91

求解过程
定义分析选项
温度偏移 ? ? ? 温度偏移是指绝对零度和所使用温度系统的零度之间的差值。 温度偏移可以使用分析选项菜单指定,或使用命令TOFFST,value 。 温度偏移是可选的,但在下列情况下必须使用: – 有辐射效果,并且使用了°F 或°C。 – 使用了随温度变化的热生成率(MASS71)。

例题中使用了BIN单位,和华氏温度。华氏温度比列氏温度要偏移 460度。

3-92

求解过程
施加温度载荷和边界条件
? 几何模型载荷和有限元模型载荷

– 温度载荷可以施加到几何模型和/或有限元模型上。
– 几何模型载荷独立与网格划分。网格可以改变但载荷保持不变。 – 几何模型载荷比较容易施加,特别是在图形窗口选择时。 – 在关键点上施加温度时要当心。使用扩展选项将温度扩展到线上的所有 结点上,而不是只施加到线段的终点上。 – 在ANSYS 5.5中, 温度可以直接施加到线上。 – 在同一区域内,几何模型载荷比有限元模型载荷优先施加。

3-93

求解过程
施加温度载荷和边界条件 ? ? ? ? ? 常量数值和表格输入 使用表格数组参数,同样使用相应的命令和菜单选项。但是,不 是指定实际的数值,而是指定表格数组的名字。 新表格可以在交互施加载荷时选择 “new table” 选项。一系列的 对话框将引导用户定义表格。 这些特性同时适用于几何模型和有限元模型。 表格输入的其它细节可以参考第6章。

3-94

求解过程
施加温度载荷和边界条件
节点温度设置 ? ? 温度约束 (DOF 约束) 指定于模型中已知温度的部分。 指定到几何模型(关键点,线,面)的温度在求解之前将转换到节点 上。

3-95

求解过程
施加温度载荷和边界条件
节点温度指定 温度约束 (DOF 约束) 指定于模型中已知温度的部分。

注: 当GUI过滤设置到热时,只有热载 荷出现的 “Apply” 菜单里。

3-96

求解过程
施加温度载荷和边界条件
均匀初始温度 通用说明: ? 均匀温度可以施加到没有温度约束的节点上。 ? 设置初始温度有两种基本原因: – 作为瞬态分析第一个载荷步的起始温度。 – 在非线性分析中估计随温度变化的材料特性的初始值。

注: 第4,5章详细讨论了初始条件荷均匀初始温度的细节。

3-97

求解过程
施加温度载荷和边界条件 ? 节点热流速率

– 热流速率代表节点上单位时间的热流。
– 正的热流表示热能流入模型。 – 热流速率主要用于线单元 (传导杆件,对流单元等)热网络模型对流荷热 流不能施加的情况下。 – 如果节点上既有温度又有热流速率,温度约束优先。 – 热流可以施加在关键点上。 – 热流作为集中载荷处理。

3-98

求解过程
施加温度载荷和边界条件
节点热流速率

3-99

求解过程
施加温度载荷和边界条件
热流 热流是面载荷,代表分布在平面上的热流 (单位平面上的热量)。

? ? ?

正的热流表示能量流入模型。 热流载荷只能用于体,壳和平面效果单元。 如果相同实体上既有热流又有对流载荷,则最后施加的载荷被使用 。

注: 要在相同区域同时施加热流和对流,就要使用平面效果单元。 (见平面效果单元说明)。

3-100

求解过程
施加温度载荷和边界条件
热流

热流施加在例题的叶片顶端;作为线上的实体 模型载荷施加。

3-101

求解过程
施加温度载荷和边界条件

施加在叶片顶端的热流。

3-102

求解过程
施加温度载荷和边界条件

负值表示热量从模型中 流出。

3-103

求解过程
施加温度载荷和边界条件
绘制载荷和边界条件的说明: ? ? 要显示色标,绘制载荷和边界条件时打开图例。 在 Utility Menu>>Plot Controls>>Symbols, 施加的边界条件,响应和 其它项目的图形标记可以打开/关闭。这在求解前后检查模型时很有用 。特别地: – 节点载荷标记可以显示 – 几种面载荷可以使用箭头或平面轮廓线显示 – 体载荷可以图形显示

3-104

求解过程
施加温度载荷和边界条件

打开图例。
注: 缺省情况下,图例在前处理时是关闭的 ,可以得到更多图形区域。但是,在施加/检 查载荷时图例非常有用,而且可以容易的开 关。

3-105

求解过程
施加温度载荷和边界条件
控制边界条 件的显示

控制面边界 条件的显示

打开面载荷标记。选择热流,在施 加区域以箭头方式显示。

控制体载荷的 显示

3-106

求解过程
施加温度载荷和边界条件

显示标记,数值和载荷位置。

3-107

求解过程
施加温度载荷和边界条件 对流 ? 对流是面载荷,表示热从周围介质传入或传出。 ? 在定义对流时要输入换热系数和介质温度。 ? 对流载荷只适用于体,壳和平面效果单元。 ? 如果同样的模型区域既有对流又有热流,则最后施加的载荷被使用 。 – 注: 要在相同区域同时使用对流和热流,就要使用平面效果单元

。(参考第 2 & 7 章平面效果单元的讨论)
? 对流载荷可以通过表格施加。

3-108

求解过程
施加温度载荷和边界条件
随温度变化的换热系数

? ? ? ?
?

换热系数 (HF)可能是随温度变化的。 在ANSYS中它们作为随温度变化的材料特性处理。 使用时,指定材料号码n, 并定义温度表格。然后对每个温度定义相 应的换热系数。 施加对流载荷时,在加载命令的HF数值域使用-n ,其中n是定义随 温度变化对流曲线的材料号码。 随温度变化的换热系数使得热分析成为非线性。

3-109

求解过程
施加温度载荷和边界条件
例题需要在管和叶片外表面施加对流。这里,对流载荷施加在几何模型上。

3-110

求解过程
施加温度载荷和边界条件

选择施加对流的两条线,并点击 “Apply”。

3-111

求解过程
施加温度载荷和边界条件

如果使用随温度变 化的对流载荷,在 此处输入-n

例题中的换热系数和介质温度。输入如图 数值,并点击 “OK” 关闭对话框。

3-112

求解过程
施加温度载荷和边界条件

当图例打开时,我们可以清晰的看到载荷标记,数 值和位置。注意,对流或热流(不是全部)都可以在图 上显示因为ANSYS使用同样的图形标记两者。

3-113

求解过程
施加温度载荷和边界条件
在内径平面效果单元上施加对流载荷。 注: 由于这些单元覆盖载PLANE55单元上,如果我们在施加载荷时 将平面效果单元分离会容易一些。使用选择技术选出所有2号单元, 然后点击 “OK”。

3-114

求解过程
施加温度载荷和边界条件
列出单元可以检查所有的平面效果单元(类型2)都被选中。

3-115

求解过程
施加温度载荷和边界条件
对流可以施加载线,面,节点和单元上。
现在我们将均匀对流载荷直接施加在平面效果单元上。

3-116

求解过程
施加温度载荷和边界条件

“Pick All” 在所有选中的单元上施 加载荷。

3-117

求解过程
施加温度载荷和边界条件
输入管内部的换热系数,然后点击 “OK”。

注: 介质温度保持空白。介质温度将在附加节点上作为温度约束指定。

3-118

求解过程
施加温度载荷和边界条件
在附加节点上施加温度约束为600 F, 介质温度。

3-119

求解过程
施加温度载荷和边界条件

使用节点 1000。

3-120

求解过程
施加温度载荷和边界条件

输入 600。

3-121

求解过程
施加温度载荷和边界条件
选择所有实体进行分析。

在求解前要选择所有实体。
3-122

求解过程
施加温度载荷和边界条件

改变面载荷标记显示对流 换热系数。检查所加载荷 。

3-123

求解过程
施加温度载荷和边界条件
画单元。单元图用来快速查看施加的对流载荷。它显示所有激活的单元,在附加节点上施加的 温度,在平面效果单元上施加的对流载荷。

3-124

求解过程
施加温度载荷和边界条件
热生成 ? ? ? ? 热生成是体载荷,代表单元内生成的热 (单位体积的热生成速率)。 热生成速率可以施加在实体模型,有限元单元上。载荷将转换为单元 载荷。 均匀热生成率可以用一个命令(BFUNIF)施加在模型中所有节点上。 热生成可以使用表格施加。

注: 使用BFA和BFK命令将载荷分布在单元上的结果不同。 在使用前复习命令的使用方法。

3-125

求解过程
施加温度载荷和边界条件
使用合适的菜单施加热生成。 这里显示理在面上施加热生成的方式。

3-126

求解过程
Transferring Solid Model Loads to FE model
? Transfer of solid model thermal loads and boundary conditions to the finite element model occurs automatically when a solution is requested (SOLVE command ).
Solid model thermal loads and boundary conditions may also be transferred manually, either by load category, or all at the same time. For example, you may manually transfer: – only DOF constraints (temperatures) – only Force loads (heat flow) – only Surface loads (convection/heat flux) – only Body loads ( heat generation) – all Solid Model loads Manual transfer, when used, is typically for model checking.
3-127

?

?

求解过程
将实体模型载荷传递到有限元模型
注意将实体载荷传递给FE模型的选项 。选中的选项传递所有实体模型载荷 。

载荷也可以根据载荷类别传递。

3-128

求解过程
删除热载荷和边界条件
载荷可以使用下列菜单删除:
用施加相同的方式删除 载荷 ( 例如线上的热 流) 。

用于删除整个 模型上某种类 型的载荷。 用于删除特 定实体上的 载荷。

3-129

求解过程
列出热载荷和边界条件 载荷可以使用下列菜单列出。
这里,所有线上的面载荷列表显示类例题中作用在管和叶片外表面的对流后热流 载荷。

注: 回忆一下第二个对流载荷,在管的内部,是施加在平面效果单元上,因此不 在这个列表中显示。

3-130

求解过程
准备求解

?
?

在定义好所有载荷和载荷选项后,求解过程的最后一步就是开始求 解。 求解之前存储数据库。

?

要查看ANSYS求解过程和程序信息,将ANSYS输出窗口在求解时 放在前面。

3-131

求解过程
求解单个载荷步
要求解单个载荷步: ? ? ? 使用菜单 使用 Solve>>Current LS 开 Solve>>Current LS 始求解。 检查状态窗口中求解和载荷步选项 是否正确。 如果可以开始求解,点击 “OK” 开 始求解过程。

3-132

求解过程
求解单个载荷步

查看状态窗口,点击 “OK” 开始求解。
3-133

求解过程
载荷步
? ? 载荷步 是一系列边界条件和载荷选项,至少可以进行一次求解。 ANSYS 分析可以包括: – 一个单独载荷步 或 – 多个载荷步。 我们将讨论定义和求解多个载荷步的两种方法: – 多重求解 方法 – 载荷步文件 方法

?

3-134

求解过程
多重求解方法 ? ? 最容易理解的方法 缺点 -- GUI 使用时必须等到一步求解结束才能开始下一步。

要使用多重求解方法: 1. 指定分析控制并指定第一个载荷步的载荷和选项。 2. 求解 (见前面) 并后处理。 3. 改变标题和下一步求解使用的载荷。 4. 如果在最后求解后离开了求解器 (如做后处理) ,则指定 RESTART可以避免新的分析覆盖前面的结果文件。 5. 求解和后处理。 6. 重复步骤 3, 4, 和 5 直到所有载荷步完成。

3-135

求解过程
? ?

载荷步文件方法 GUI用户求解多载荷步很方便。 需要将载荷和选项写入载荷步文件且使用一个命令读入每个文 件并求解。
要使用载荷步方法: 1. 指定分析控制,指定第一载荷步的载荷和选项,改变标 题。 2. 写载荷步文件。 3. 改变为下一个载荷步中的载荷和选项,改变标题。 4. 写下一个载荷步文件。 5. 对于剩余的载荷步重复步骤 3和4 。 6. 求解载荷步文件。 7. 后处理
注: LSWRITE 文件如果求解控制打开时可能需要编辑。
3-136

求解过程
求解中生成的文件
? 对于线性,静态单载荷步分析,热结果文件jobname.rth 缺省情况 下在求解执行时写出并存储在数据库中。 缺省情况下,ANSYS只存储最后载荷步的结果。使用Output Controls 可以控制写出其它子步的结果。 jobname.out 文件 (ASCII)如果需要,也可以写出。

?

?

3-137

后处理 查看结果
? ? 求解完成后,开始后处理查看结果。 结果可以使用 通用后处理器 (POST1), 和/或 时间历程后处理器 (POST26)查看。

POST1
POST26

3-138

后处理: 查看结果
通用后处理器 (POST1)
? 通用后处理器, POST1, 用于查看整个模型 或选中的实体特定载荷步或子步的结果。 对于单个载荷步,单个子步的分析,使用 POST1 。 POST1 的常用输出包括: – 云图显示 – 向量显示 – 结果列表显示 – 误差估计 – 载荷工况组合 – 结果数据计算 – 路径操作

?
?

3-139

后处理: 查看结果
时间历程后处理器(POST26)
? 时间历程后处理器, POST26, 用于查看模 型特殊点在多个时间步中结果随时间的变 化。 时间历程后处理器用于: – 生成结果相对时间的曲线。 – 生成结果相对时间的列表。 – 数据表格操作。 关于 POST26的更多细节在第5章,瞬态 分析中。

?

?

3-140

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基础
jobname.rth 文件中存储了哪些信息? ? 基本数据项 – 节点温度 (TEMP) – 节点响应热流速率 (HEAT) ? 推导数据项 – 热流 (TFX, TFY, TFZ) – 温度梯度 (TGX, TGY, TGZ) ? 特殊数据项 – 单元表格项 – 求解结论项 – 其它
3-141

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基础 绘制结果云图时,可以选择节点或单元数据: 节点DOF 结果 是求得的节点温度数值。温度云图在单元边界上是连续的


单元梯度/热流结果 是由温度求解(如热流的x分量)推导的项。这些数据先
由单元积分点计算并在单元节点上插值。由于这些数据是基于单元计算 的,没有在公共节点上平均,这些项目的云图通常是不连续的。

节点梯度/热流结果 是在公共节点平均的单元项。因为在每个节点上只有
一个平均值 (象节点DOF解), 节点数值的云图显示是连续的。

3-142

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基础 在 jobname.rth 文件中得到载荷步的求解结论:
进入通用后处理器查看例题的结果。使用 结 果结论列出结果文件中的载荷步和标题的求 解结论。

对于非线性或瞬态分析,可 能有多个求解用于查看。

3-143

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作
? 节点解或单元解的云图可以在组元上显示。

3-144

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作 画温度

画节点解,温度

3-145

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作 温度云图

注: 本图显示所有实体解,包括 附加节点。

3-146

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作 画温度云图

? 生成温度云图 ? 选择所有1号单元 (PLANE55) 进行后 处理 ? 选择单元下的所有实 体

3-147

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作

注意温度比例已经重新设置。

3-148

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作
画热流
绘制TFSUM, 热流幅值。

3-149

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作

注: 由于模型的不连续性,角部区域的热流和梯度结果不准确。

3-150

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作

画TGSUM, 温度梯度幅值。注意组元 选项也可以使用。

3-151

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作

注:由于模型的不连续性,角部区域的热流和梯度结果不准确。

3-152

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作
单元解(未平均) 同样可以绘制。画TFSUM - 未平均数值。

3-153

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作

注意单元解的云图与节点解云图相比不光滑。这是一种估计网格划 分误差的方法。(见第2章)。

注:由于模型的不连续性,角部区域的热流和梯

度结果不准确。
3-154

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作

画TGSUM, 未平均。

3-155

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作

注意单元解的云图与节点解云图相比不光滑。这是一种估计网格划 分误差的方法。(见第2章)。

注:由于模型的不连续性,角部区域的热流和梯

度结果不准确。
3-156

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作 温度梯度的向量绘制

预定义的向量绘制包括热流向量和 温度梯度向量。

3-157

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作

注:由于模型的不连续性,角部区域的热流和梯度结果

不准确。

3-158

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作
生成热流的向量绘图
热流

3-159

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作

注:由于模型的不连续性,角部区域的热流和梯度结果

不准确。

3-160

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作
下面,我们使用两种不同的方法检查结果。首先,我们得到管/叶片面和周围流体 的热流损失。然后我们检查从内部管面流入的热。这些数值应该是相等的。

?

对于外表面,由于我们没有使用平面效果单元,因此要使用单元表 。 包括以下步骤: – 选择单元 (PLANE55 体单元) – 建立单元表,每项存放的是选定的单元每个单元面上的对流热流 速率。(PLANE55有四个面,因此要做四次)。 – 将单元表格相加得到总值。

?

3-161

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作 ? 要得到内部表面上平面效果单元的类似结果,只需要一个步骤 : – 列出附加节点的响应结果。

3-162

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作 单元表格 - 简介 ? 在ANSYS中, 单元表格主要有两个功能:
– 它提供结果数据间的顺序运算。 – 它允许得到不能直接得到的单元结果。

? ?

单元表可以看作表格,每行代表特殊的单元,每列包括该单元的数 值。 对于一些单元,ETABLE是得到结果数据的唯一方式(COMBIN, LINK, 等)。

3-163

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作

查看PLANE55单元帮助得到 ETABLE项目列表。记住热流速率 项只用于对流。 注: FC1 表示单元面 1, FC2 表示面 2等。所有PLANE55单元的所有面 上的数据必须收集起来。

3-164

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作
开始定义单元表收集数据。

3-165

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作
定义ETABLE项目,使用序列号码。收集所有PLANE55单元所有面上的 数据。

3-166

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作

继续定义 ETABLE项目heat2, heat3, 和heat4 ,使用NMISC 11, 17 和 23 。

3-167

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作

当前单元表中的实体:

3-168

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作 单元表可以列出或绘制。

3-169

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作
列出所有结果数据的总和。

3-170

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作
使用 ETABLE 数据检查结果。
ETABLE元素总和表示PLANE55单元对流带来的热消耗。 将叶片尖端的热损失相加,结果 应等于从管内径输入系统的热。

Sum of ETABLE items : heat1, heat2, heat3 and heat4 ? 32.0515 ? 175.856 ? 207.9075
要计算叶片尖端的热损失,计算面积并乘以热流数值:

Surface area ? 2?rh ? ?2?? ?4.0??0.125? ? 3.14159in 2 3.14159 x Heat Flux ? 3.14159(20) ? 62.8318
3-171

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作
续….使用 ETABLE 数据检查结果。
例题中, 外表面总的热损失 = 对流损失 + 热流损失

From ETABLE data, convection loss ? 207.91 From heat flux loss calculation ? 62.83 Total Heat Loss from exterior surfaces ? 270.74
然后,我们将平面效果单元附加节点的响应结果与之比较。

3-172

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作

计算完成后,使用Select >>Everything 继续对整个模型后处理。

3-173

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作
现在要找出流入管的热流速率,只显示响应结果。

3-174

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作
这里,显示节点1000(平面效果单元定义时的附加节点)的响应结果 。

现在,使用两种方法比较结果: 1.) ETABLE (对于对流) + 热流数值 = 270.74 2.) 附加节点响应结果 = 270.74

结果与预期的一致。
3-175

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作

列出结果

列出节点温度代替绘图。

3-176

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作

列出结果(续)

这是“未排序”的结果列表。缺省 按照节点号码排序。

3-177

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作 列表可以根据选择的项目排序。

现在根据节点温度按照降序排列并列表。

3-178

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作 排序列表 (续)

查看本表,已经按照节点温度降序排列。

注: 由于选择了整个模型,我们也可以看到节点1000上施加的温 度。

3-179

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作 不排序将恢复数据的原始排列。

恢复原始排列。

3-180

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作

单元数据同样可以排序。

3-181

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作

查询结果
? ? ? ? 查询结果允许用户使用图形拾 取方式查询数据结果。 数据显示在现存的图形中。 当前图形与查询的结果可以不 一致。 在绝大多数情况下,关闭 Powergraphics 。

3-182

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作

3-183

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作

基本路径操作

生成模型外表面温度随距离变化的函 数图形。

3-184

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作

1 2 3

选择3 顶点定义路径。

3-185

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作

路径可以给予一个单独的名字。

命名路径为 “top”。

3-186

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作

将数据标记并将需要的数据映射到路径上。
选择温度映射到路径上。注意在单元平均结果选项打开; 数据 命名为 “toptemp”。

3-187

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作 生成图形。

XG, YG, ZG and S are predefined variables

选择要绘制的项目,生成 “toptemp”数据图形。

3-188

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作

注意路径为 1.75英寸长。

3-189

后处理: 查看结果
后处理 101 - 基本操作 清除路径数据

3-190

后处理语句
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? asel,s,,,areanumber !选取轴承内表面的面积 号 nsla,s,1 !选取和该面积相关联的节点集 合 *Get,nnod,NODE,0,COUNT !获取该节点集合中的总节点数 *Get,_nd,NODE,0,Num,MIN !获取该节点集合中最小的节点号 *Dim,ansnode,array, 4, nnod *DO,I,1,nnod,1 ansnode(1,I)= _nd ansnode(2,I) = Nx(_nd) ansnode(3,I) =Ny(_nd) ansnode(4,I) = Nz(_nd) _nd = Ndnext(_nd) *EndDO

3-191


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