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ansys热分析
第三章稳态热分析
3.1稳态传热的定义
ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical，ANSYS/FLOTRAN和ANSYS/Professional这些产品支持稳态热分析。
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。
也可以在所有瞬态效应消失后，将稳态热分析作为瞬态热分析的最后一步进行分析。
稳态热分析可以计算确定由于不随时间变化的热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数。
这些热载荷包括：
对流
辐射
热流率
热流密度（单位面积热流）
热生成率（单位体积热流）
固定温度的边界条件
稳态热分析可用于材料属性固定不变的线性问题和材料性质随温度变化的非线性问题。
事实上，大多数材料的热性能都随温度变化，因此在通常情况下，热分析都是非线性的。
当然，如果在分析中考虑辐射，则分析也是非线性的。
3.2热分析的单元
ANSYS和ANSYS/Professional中大约有40种单元有助于进行稳态分析。
有关单元的详细描述请参考《ANSYSElementReference》，该手册以单元编号来讲述单元，第一个单元是LINK1。
单元名采用大写，所有的单元都可用于稳态和瞬态热分析。
其中SOLID70单元还具有补偿在恒定速度场下由于传质导致的热流的功能。
这些热分析单元如下：
表3-1二维实体单元
单元
维数
形状及特点
自由度
PLANE35
二维
六节点三角形单元
温度（每个节点）
PLANE55
二维
四节点四边形单元
温度（每个节点）
PLANE75
二维
四节点谐单元
温度（每个节点）
PLANE77
二维
八节点四边形单元
温度（每个节点）
PLANE38
二维
八节点谐单元
温度（每个节点）
表3-2三维实体单元
单元
维数
形状及特点
自由度
SOLID70
三维
八节点六面体单元
温度（每个节点）
SOLID87
三维
十节点四面体单元
温度（每个节点）
SOLID90
三维
二十节点六单元
温度（每个节点）
表3-3辐射连接单元
单元
维数
形状及特点
自由度
LINK31
二维或三维
二节点线单元
温度（每个节点）
表3-4传导杆单元
单元
维数
形状及特点
自由度
LINK32
二维
二节点线单元
温度（每个节点）
LINK33
三维
二节点线单元
温度（每个节点）
表3-5对流连接单元
单元
维数
形状及特点
自由度
LINK34
三维
二节点线单元
温度（每个节点）
表3-6壳单元
单元
维数
形状及特点
自由度
SHELL57
三维
四节点四边形单元
温度（每个节点）
表3-7耦合场单元
单元
维数
形状及特点
自由度
PLANE13
二维
四节点热－应力耦合单元
温度、结构位移、电位、磁矢量位
CONTACT48
二维
三节点热－应力接触单元
温度、结构位移
CONTACT49
三维
热－应力接触单元
温度、结构位移
FLUID116
三维
二或四节点热－流单元
温度、压力
SOLID5
三维
八节点热－应力和热－电单元
温度、结构位移、电位、磁标量位
SOLID98
三维
十节点热－应力和热－电单元
温度、结构位移、电位、磁矢量位
PLANE67
二维
四节点热－电单元
温度、电位
LINK68
三维
两节点热－电单元
温度、电位
SOLID69
三维
八节点热－电单元
温度、电位
SHELL157
三维
四节点热－电单元
温度、电位
表3-8特殊单元
单元
维数
形状及特点
自由度
MASS71
一维到三维
一个节点的质量单元
温度
COMBINE37
一维
四节点控制单元
温度、结构位移、转动、压力
SURF151
二维
二到四节点面效应单元
温度
SURF152
三维
四到九节点面效应单元
温度
MATRIX50
由包括在超单元中的单元类型决定
没有固定形状的矩阵或辐射矩阵超单元
由包括在超单元中的单元类型决定
INFIN9
二维
二节点无限边界单元
温度、磁矢量位
INFIN47
三维
四节点无限边界单元
温度、磁矢量位
COMBINE14
一维到三维
两节点弹簧－阻尼单元
温度、结构位移、转动、压力
COMBINE39
一维
两节点非线性弹簧单元
温度、结构位移、转动、压力
COMBINE40
一维
两节点组合单元
温度、结构位移、转动、压力
.3热分析的基本过程
ANSYS热分析包含如下三个主要步骤：
前处理：
建模
求解：
施加荷载并求解
后处理：
查看结果
以下的内容将讲述如何执行上面的步骤。
首先，对每一步的任务进行总体的介绍，然后通过一个管接处的稳态热分析的实例来引导读者如何按照GUI路径逐步完成一个稳态热分析。
最后，本章提供了该实例等效的命令流文件。
3.4建模
建立一个模型的内容包括：
首先为分析指定jobname和title；然后在前处理器（PREP7）中定义单元类型，单元实常数，材料属性以及建立几何实体。
《ANSYSModelingandMeshingGuide》中对本部分有详细说明。
对于热分析有：
定义单元类型
命令：
ET
GUI：
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete
定义固定材料属性
命令：
MP
GUI：
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Thermal
定义温度相关的材料属性，首先要定义温度表，然后定义对应的材料属性值。
通过下面的方法定义温度表
命令：
MPTEMP或MPTEGN，然后定义对应的材料属性，使用MPDATA
GUI：
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Thermal
对于温度相关的对流换热系数也是通过上述的GUI路径和命令来定义的。
注意--如果以多项式的形式定义了与温度相关的膜系数，则在定义其它具有固定属性的材料之前，必须定义一个温度表。
创建几何模型及划分划分网格的过程，请参阅《ANSYSModelingandMeshingGuide》
3.5施加荷载和求解
在这一步骤中，必须指定所要进行的分析类型及其选项，对模型施加荷载，定义荷载选项，最后执行求解。
3.5.1指定分析类型
在这一步中，可以如下指定分析类型：
GUI:
MainMenu>Solution>NewAnalysis>Steady-state（static）
命令：
ANTYPE,STATIC,NEW
如果是重新启动以前的分析，比如，附加一个荷载。
命令：
ANTYPE,STATIC,rest。
（条件是先前分析的jobname.ESAV、jobname.DB等文件是可以利用的）
3.5.2施加荷载
可以直接在实体模型（点、线、面、体）或有限元模型（节点和单元）上施加载荷和边界条件，这些载荷和边界条件可以是单值的，也可以是用表格或函数的方式来定义复杂的边界条件，详见《ANSYS基本分析过程指南》。
可以定义以下五种热载荷：
3.5.2.1恒定的温度（TEMP）
通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上。
3.5.2.2 热流率（HEAT）--------------可以的话，就避免了吧，它是用于提高精度的补充。
热流率作为节点集中载荷，主要用于线单元（如传导杆、辐射连接单元等）模型中，而这些线单元模型通常不能直接施加对流和热流密度载荷。
如果输入的值为正，表示热流流入节点，即单元获取热量。
如果温度与热流率同时施加在一节点上，则温度约束条件优先。
注意--如果在实体单元的某一节点上施加热流率，则此节点周围的单元应该密一些；特别是与该节点相连的单元的导热系数差别很大时，尤其要注意，不然可能会得到异常的温度值。
因此，只要有可能，都应该使用热生成或热流密度边界条件，这些热荷载即使是在网格较为粗糙的时候都能得到较好的结果。
3.5.2.3 对流（CONV）
对流边界条件作为面载施加于分析模型的外表面上，用于计算与模型周围流体介质的热交换，它仅可施加于实体和壳模型上。
对于线单元模型，可以通过对流杆单元LINK34来定义对流。
3.5.2.4 热流密度（HEAT）
热流密度也是一种面载荷。
当通过单位面积的热流率已知或通过FLOTRANCFD的计算可得到时，可以在模型相应的外表面或表面效应单元上施加热流密度。
如果输入的值为正，表示热流流入单元。
热流密度也仅适用于实体和壳单元。
单元的表面可以施加热流密度也可以施加对流，但ANSYS仅读取最后施加的面载进行计算。
3.5.2.5 热生成率（HGEN）
热生成率作为体载施加于单元上，可以模拟单元内的热生成，比如化学反应生热或电流生热。
它的单位是单位体积的热流率。
下表总结了在热分析中的载荷类型：
表3-9热荷载类型
载荷类型
类别
命令族
GUI路径
温度（TEMP）
约束
D
MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Temperature
热流率（HEAT）
力
F
MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-HeatFlow
对流（CONV）,热流密度（HFLUX）
面载荷
SF
MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Convection
MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-HeatFlux
热生成率（HGEN）
体载荷
BF
MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-HeatGenerat
下表详细列出了热分析中用于施加载荷，删除载荷，对载荷进行操作、列表的所以命令：
表3-10热荷载相关的命令
载荷类型
实体或有限元模型
实体
施加
删除
列表显示
运算
设置
温度
实体模型
关键点
DK
DKDELE
DKLIST
DTRAN
--
"
有限元模型
节点
D
DDELE
DLIST
DSCALE
DCUMTUNIF
热流率
实体模型
关键点
FK
FKDELE
FKLIST
FTRAN
--
"
有限元模型
节点
F
FDELE
FLIST
FSCALE
FCUM
对流,
热流密度
实体模型
线
SFL
SFLDELE
SFLLIST
SFTRAN
SFGRAD
"
实体模型
面
SFA
SFADELE
SFALIST
SFTRAN
SFGRAD
"
有限元模型
节点
SF
SFDELE
SFLIST
SFSCALE
SFGRADSFCUM
"
有限元模型
单元
SFE
SFEDELE
SFELIST
SFSCALE
SFBEAMSFCUMSFFUNSFGRAD
生热率
实体模型
关键点
BFK
BFKDELE
BFKLIST
BFTRAN
--
"
实体模型
线
BFL
BFLDELE
BFLLIST
BFTRAN
--
"
实体模型
面
BFA
BFADELE
BFALIST
BFTRAN
--
"
实体模型
体
BFV
BFVDELE
BFVLIST
BFTRAN
--
"
有限元模型
节点
BF
BFDELE
BFLIST
BFSCALE
BFCUM
"
"
单元
BFE
BFEDELE
BFELIST
BFSCALE
BFCUM
3.5.3 采用表格和函数边界条件
除了一般的使用表格来定义边界条件的方法，本节讨论热分析中特有的一些问题。
关于定义表参数的详细叙述，请参考《ANSYSAPDLProgrammer’sGuide》。
本节内容对单元类型没有特别的限制。
下表列出了热分析中能够用于每一种边界条件的自变量：
表3-11荷载边界条件及其自变量
热边界条件
命令族
自变量
固定温度
D
TIME,X,Y,Z
热流
F
TIME,X,Y,Z,TEMP
对流换热系数（对流）
SF
TIME, X,Y,Z,TEMP,VELOCITY
环境温度（对流）
SF
TIME,X,Y,Z
热流密度
SF
TIME,X,Y,Z,TEMP
热生成
BF
TIME,X,Y,Z,TEMP
流率
SFE
TIME
压力
D
TIME,X,Y,Z
后面有一个例题详细介绍在一个稳态热分析中如何采用表格边界条件。
为了使用更加灵活的热传导系数，可以使用函数的方式来定义边界条件。
有关这种用法的详细说明，可以参考《ANSYSBasicAnalysisProceduresGuide》。
除了上述自变量外，函数边界条件还可用下面的参数作为函数的自变量：
表面温度（TS）（SURF151、SURF152单元的表面温度）
密度（
）（材料属性DENS）
比热（材料属性C）
导热率（材料属性kxx）
导热率（材料属性kyy）
导热率（材料属性kzz）
粘度（材料属性μ）
辐射率（材料属性ε）
3.5.4定义载荷步选项
对于一个热分析，可以确定通用选项、非线性选项以及输出控制。
下表列出了热分析中可能用到的载荷步选项：
表3-12分析中的载荷步选项
选项
命令
GUI路径
通用选项
时间
TIME
MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Time
/Frequenc>Time-TimeStep
时间步数
NSUBST
MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Time
/Frequenc>TimeandSubstps
时间步长
DELTIM
Main Menu>Solution>-LoadStepOpts-Time
/Frequenc>Time-TimeStep
阶跃或斜坡加载
KBC
Main Menu>Solution>-LoadStepOpts-Time
/Frequenc>Time-TimeStep
非线性选项
最大平衡迭代数
NEQIT
MainMenu>Solution>-LoadStepOpts
-Nonlinear>EquilibriumIter
自动时间步长
AUTOTS
MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Time
/Frequenc>Time-TimeStep
收敛容差
CNVTOL
MainMenu>Solution>-LoadStepOpts
-Nonlinear>ConvergenceCrit
求解中断选项
NCNV
Main Menu>Solution>-LoadStepOpts
-Nonlinear>CriteriatoStop
线性搜索选项
LNSRCH
Main Menu>Solution>-LoadStepOpts
-Nonlinear>LineSearch
预测－矫正因子
PRED
Main Menu>Solution>-LoadStepOpts
-Nonlinear>Predictor
输出控制选项
打印输出
OUTPR
MainMenu>Solution> -LoadStepOpts-OutputCtrls>SoluPrintout
数据库和结果文件输出
OUTRES
MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Output
Ctrls>DB/ResultsFile
结果外插
ERESX
MainMenu>Solution>-LoadStepOpts-Output
Ctrls>IntegrationPt
3.5.5通用选项
时间选项
该选项定义载荷步的结束时间，虽然对于稳态热分析来说，时间选项并没有实际的物理意义，但它提供了一个方便的设置载荷步和载荷子步的方法。
缺省情况下，第一个荷载步结束的时间是1.0，此后的荷载步对应的时间强逐次加1.0。
每载荷步中子步的数量或时间步大小
对于非线性分析，每一载荷步需要多个子步。
缺省情况下每个荷载步有一个子步。
阶跃或斜坡加载
如果定义阶跃载荷，则载荷值在这个载荷步内保持不变；如果为斜坡加载，则载荷值在当前载荷步的每一子步内线性变化。
3.5.6非线性选项
如果存在非线性则需要定义非线性荷载步选项，包括
平衡迭代次数
本选项设置每一子步允许的最大迭代次数，默认值为25，对大多数非线性热分析问题已经足够。
自动时间步长
对于非线性问题，可以自动设定子步间载荷的增量，保证求解的稳定性和准确性。
收敛容差
只要运算满足所说明的收敛判据，程序就认为它收敛，收敛判据可以基于温度、也可以是热流率，或二者都有。
在实际定义时，需要说明一个典型值（CNVTOL命令的VALUE域）和收敛容差（TOLER域），程序将VALUE*TOLER的值视为收敛判据。
例如，如说明温度的典型值为500，容差为0.001，那么收敛判据则为0.5度。
对于温度，ANSYS将连续两次平衡迭代之间节点上温度的变化量（
）与收敛准则进行比较来判断是否收敛。
就上面的例子来说，如果在某两次平衡迭代间，每个节点的温度变化都小于0.5度，则认为求解收敛。
对于热流率，ANSYS比较不平衡载荷矢量与收敛标准。
不平衡载荷矢量表示所施加的热流与内部（计算）热流之间的差值。
ANSYS公司推荐VALUE值由缺省确定，TOLER的值缺省为1.0e-3。
求解结束选项
假如在规定平衡迭代数内，其解并不收敛，那么ANSYS程序会根据用户设置的终止选项，来决定程序停止计算或是继续进行下一个载荷步。
线性搜索
设置本选项可使ANSYS用Newton-Raphson方法进行线性搜索
预测－矫正
本选项在每一子步的第一次迭代时，对自由度求解进行预测矫正。
3.5.6.1用图形跟踪收敛
进行非线性热分析时，ANSYS在每次平衡迭代完成后，都计算收敛范数，并与相应的收敛标准比较。
不管是使用在批处理还是交互式方式的方法，都可以在计算过程中，使用图形求解跟踪（GST）来显示计算的收敛范数和收敛标准。
在交互式时，缺省为图形求解跟踪（GST）打开，批处理运行时，缺省为GST关闭。
使用下面的方法可以，可打开或关闭GST：
命令：
/GST
GUI：
MainMenu>Solution>LoadStepOpts-OutputCtrls>GrphSoluTrack
下图是一个典型的GST图形。
图3-1使用GST追踪收敛范数
3.5.7输出控制
可以控制下列三种输出：
控制打印输出
本选项控制将何种结果数据输出到打印输出文件（jobname.out）中。
控制数据库和结果文件输出
该选项控制将何种结果数据输出到结果文件（jobname.rth）中。
外推结果
该选项可将单元积分点结果拷贝到节点上，而不是按常规的方式外推到节点上（缺省采用外推方式）。
3.5.8定义分析选项
可考虑的分析选项有：
Newton-Raphson选项。
该选项仅对非线性分析有用，用以定义在求解过程中切线矩阵的更新频率，有四种选择：
1．Program-chosen（程序选择，此为默认值，在热分析中建议采用）
2．Full（完全法）
3．Modified（修正法）
4．InitialStiffness（初始刚度法）
注意--对于单物理场非线性热分析，ANSYS通常采用全N-R算法。
要定义该选项，或打开/关闭N-R自适应下降功能（只对全N-R法有效），方发如下：
命令：
NROPT
GUI：
MainMenu>Solution>UnabridgedMenu>AnalysisOptions
选择求解器
ANSYS中可以选择下列的求解器：
1．Sparse求解器（静态和全瞬态分析的默认求解器）
2．Frontal求解器
3．JacobiConjugateGradient（JCG）求解器
4．JCGout-of-memory求解器
5．IncompleteCholeskyConjugateGradient（ICCG）求解器
6．Pre-ConditionedConjugateGradient（PCG）求解器
7．PCGout-of-memory求解器
8．AlgebraicMultigrid（AMG）求解器
9．DistributedDomainSolver（DDS）求解器
10．Iterative（程序自动选择求解器）
注意--AMG和DDS求解器属并行求解器，需要单独的ANSYS产品支持。
在《ANSYSAdvancedAnalysisTechniquesGuide》中对并行求解有更详细描述。
选择求解器的方法如下：
命令：
EQSLV+-
GUI:
MainMenu>Solution>AnalysisOptions
注意：
对于不含超单元（辐射分析中用AUX12可产生超单元）的热分析模型，可选用Iterative（快速求解）求解器，但对于含相变的传热问题，则不建议采用（可用sparse或frontal求解器）。
该求解器在解算过程中不生成Jobname.EMAT和Jobname.EROT文件。
定义温度偏移
温度偏移为当前所采用温度系统的零度与绝对零度之间的差值。
温度偏移包含在相关单元（诸如有辐射效应或蠕变特性的的单元）计算中。
偏移温度输入可以是摄氏度，也可以是华氏度，在进行热辐射分析时，要将目前的温度值换算为绝对温度。
如果使用的温度单位是摄氏度，此值应设定为273；如果使用的是华氏度，则为460。
在后处理中，不同的温度可以用同样的方法进行处理。
设置温度偏移的方式如下：
命令：
TOFFST
GUI：
MainMenu>Solution>AnalysisOptions
3.5.9保存模型
在完成了加载和指定分析类型后，通常建议保存数据库文件，以备在求解过程中由于计算机系统故障而导致数据丢失后能够恢复数据。
命令:
SAVE
GUI:
点击ANSYS工具条SAVE_DB
3.5.10求解
命令:
SOLVE
GUI:
MainMenu>Solution>CurrentLS
3.5.11后处理
ANSYS将热分析的结果写入热结果文件jobname.rth中，该文件包含如下数据:
基本数据：
节点温度
导出数据：
节点及单元的热流密度（TFX,TFY,TFZ,TFSUM）
节点及单元的热梯度（TGX,TGY,TGZ,TGSUM）
单元热流率
节点的反作用热流率
其它
可以用通用后处理
升级会员 