ANSYS热分析指南Word格式.docx
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除了前面提到的三种热传递方式外，ANSYS热分析还可以解决一些诸如：
相变（熔融与凝固）、内部热生成（如焦耳热）等的特殊问题。
例如，可使用热质点单元MASS71模拟随温度变化的内部热生成。
1.3热分析的类型
ANSYS支持两种类型的热分析：
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。
1.4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，或者在独立的物理环境中使用序惯荷载耦合。
有关耦合场分析的详细描述，请参阅《ANSYSCoupled-FieldAnalysisGuide》。
1.5关于菜单路径和命令语法
在本指南中，您将会看到相关的ANSYS命令及其等效的菜单路径。
这些参考的命令仅仅包括命令名，因为并不总是需要指定所有的参数，而且不同的参数组合会有不同的作用。
有关ANSYS命令的更多的叙述，请参考《ANSYSCommandsReference》。
菜单路径将近可能完整得列出。
对于多数情况，选择菜单就能够完成所需要的功能;
但还有一些情况，选择文中所示菜单后会弹出一个菜单或是对话框，由此定义其他的选项来执行一些特定的任务。
第二章基础知识
2.1符号与单位
项目
国际单位
英制单位
ANSYS代号
长度
m
ft
时间
s
质量
Kg
lbm
温度
℃
oF
TEMP
力
N
lbf
能量（热量）
J
BTU
功率（热流率）
W
BTU/sec
HEAT
热流密度
W/m2
BTU/sec-ft2
HFLUX
生热速率
W/m3
BTU/sec-ft3
HGEN
导热系数
W/m-℃
BTU/sec-ft-oF
KXX
对流系数
W/m2-℃
BTU/sec-ft2-oF
HF
密度
Kg/m3
lbm/ft3
DENS
比热
J/Kg-℃
BTU/lbm-oF
C
焓
J/m3
BTU/ft3
ENTH
2.2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：
；
通常不考虑做功：
，则
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。
2.3热传递的方式
2.3.1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。
2.3.2热对流
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。
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）：
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，包括热生成；
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
。
2.5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）：
为比热矩阵，考虑系统内能的增加；
为温度对时间的导数；
2.6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；
k,1,5!
建模
k,2,6
k,3,12
k,4,12,0.25
k,5,6,0.25
k,6,6,1
k,7,5,1
k,8,5,0.25
a,1,2,5,8
a,2,3,4,5
a,8,5,6,7
esize,0.125!
定义网格尺寸
amesh,all!
划分网格
eplot
finish
/solu!
热分析求解
nsel,s,loc,x,5!
选择内表面节点
sf,all,conv,1,450!
施加对流边界条件
nsel,s,loc,x,6,12!
选择外表面节点
nsel,r,loc,y,0.25,1
nsel,a,loc,x,12
sf,all,conv,0.25,70!
nsel,all
/pse,conv,hcoef,1
nplot
solve!
求解生成PIPE_FIN.rth文件
/post1
plnsol,temp!
得到温度场分布
/prep7!
重新进入前处理
etchg,tts!
将热单元转换为结构单元
plane42
keyopt,1,3,1!
定义轴对称特性
mp,ex,1,28e6!
定义弹性模量
mp,nuxy,1,0.3!
定义泊松比
mp,alpx,1,0.9e-5!
定义热膨胀系数
进入结构分析求解
nsel,s,loc,y,0!
选择对称边界
nsel,a,loc,y,1
dsym,symm,y!
定义对称条件
选择内表面
sf,all,pres,1000!
施加压力边界条件
/pbc,all,1
/psf,pres,,1
tref,70!
设定参考温度
ldread,temp,,,,,,rth!
读入PIPE_FIN.rth节点温度
/pbc,all,0
/psf,pres,,0分布
/pbf,temp,,1
求解
/post1,plnsol,s,eqv!
得到等效应力
7.4直接法热应力分析实例
7.4.1 问题描述
两个同心圆管之间有一个小间隙，内管中突然流入一种热流体，求经过3分钟后外管表面的温度。
已知条件:
管材弹性模量：
2E11N/m2
热膨胀系数：
5E-41/oF
泊松比：
0.3
导热系数：
10W/m.oC
密度：
7880Kg/m3
比热：
500J/Kg.oC
外管外半径：
0.131m
外管内半径：
0.121m
内管外半径：
0.12m
内管内半径：
0.11m
流体温度：
300oC
流体与内管内壁对流系数：
300W/m2.oC
内、外管接触热导：
0.1W/oC
7.4.2 命令流方法
/filename,contact_thermal
/title,contact_thermalexample
/prep7
et,1,13,4,,1!
选择直接耦合单元PLANE13，单元自由度为ux,uy,temp
!
定义为轴对称
et,2,48!
定义结构接触单元
keyopt,2,1,1!
设定接触单元的相应选项
keyopt,2,2,1
keyopt,2,7,1
r,2,2e11,0,0.0001,,,0.1!
定义接触单元实常数
mp,ex,1,2e11!
定义管材结构及热属性
mp,alpx,1,5e-5
mp,kxx,1,10
mp,dens,1,7880
mp,c,1,500
rect,0.11,0.12,0,0.02!
建模
rect,0.121,0.131,0,0.02
amesh,all
nsel,s,loc,x,0.11!
将内管内壁的X方向位移及温度耦合
cp,1,ux,all
cp,2,temp,all
nsel,s,loc,x,0.12!
将内管外壁的X方向位移及温度耦合
cp,3,ux,all
cp,4,temp,all
nsel,s.loc,x,0.121!
将外管内壁的X方向位移及温度耦合
cp,5,ux,all
cp,6,temp,all
nsel,s,loc,x,0.131!
将外管外壁的X方向位移及温度耦合
cp,7,ux,all
cp,8,temp,all
nsel,s,loc,y,0.02!
将内管顶部节点的Y方向位移及温度耦合
nsel,r,loc,x,0,0.12
cp,9,uy,all
将外管顶部节点的Y方向位移及温度耦合
nsel,r,loc,x,0.121,0.131
cp,10,uy,all
创建接触单元
cm,cont,node
nsel,s,loc,x,0.121
cm,targ,node
type,2
real,2
gcgen,cont,targ,3
/solu
antype,trans!
瞬态分析
tunif,20!
初始平均温度
tref,20!
参考温度
sfl,4,conv,300,,300!
内管内壁对流边界
sfl,6,conv,10,,20!
外管外壁对流边界
约束所有底边单元的Y向位移
d,all,uy,0
time,180!
载荷步时间
deltime,10,5,15!
定义时间步长
outres,all,all
kbc,1
autots,on!
自动时间步长
allsel
求解
显示温度分布
plnsol,s,eqv!
显示等效应力
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