ANSYS-Workbench-热分析教程

传热学上机实验指导书ANSYSWorkbench热分析基础教程编制：杨润泽汽车工程系热能教研室2012年7月1.大平板一维稳态导热问题1.1.问题描述长500mm，宽300mm，厚度30mm的大钢板，钢板上下表面的温度分别为200℃和60℃，钢的导热率为30W/(m·K)，试分析钢板温度分布和热流密度。图1-1大平板一维稳态导热模型1.2.问题分析该问题为稳态导热问题，分析思路如下：1.选择稳态热分析系统。2.确定材料参数：稳态导热问题，仅输入平板导热率。3.【DesignModeler】建立钢板的几何模型。4.进入【Mechanical】分析程序。5.网格划分：采用系统默认网格。6.施加边界条件：钢板上下表面施加温度载荷，四周对称面无热量交换，为绝热边界，系统默认无需输入。7.设置需要的结果：温度分布和热流密度。8.求解及结果显示。1.3.数值模拟过程1、选择稳态热分析系统1)工程图解中调入稳态热分析系统Steady-StateThermal（ANSYS）2)工程命名ConductionThermalAnalysis3)保存工程名为ConductionHeatTransfer2、确定材料参数1)编辑工程数据模型，添加材料的导热率，右击鼠标选择【EngineeringData】【Edit】2)选择钢材料属性【PropertiesofOutlineRow3:StructureSteel】【IsotropicThermalConductivity】3)出现【TableofPropertiesRow2:ThermalConductivity】材料属性表，双击鼠标，点击每个区域输入材料属性参数：温度20℃，导热率30W/(m·℃)。4)参数输完后，工程数据表显示导热率-温度图表。3、DM建立模型1)选择【Geometry】【NewGeometry】，出现【DesignModeler】程序窗口，选择尺寸单位【Millimeter】。2)【DesignModeler】中在平面XYPlane创建平板截面草图。（图1-2）图1-1-2创建平板截面草绘3)用截面草绘生成平板。（图1-3）图1-3生成平板4、进入【Mechanical】分析程序切换回Workbench窗口，选择【Setup】【Edit】，进入【Mechanical】分析环境。6、划分网格（图1-4）1)选择【Mesh】【GenerateMesh】；2)图形区显示程序自动生成的网格模型。图1-4网格划分7、施加边界条件1)添加温度载荷，钢板上表面温度为200℃。（图1-5）图1-5添加温度载荷2)同以上步骤，建立钢板下表面的温度载荷Temperature2。8、设置需要的结果（图1-6）1)选择【Solution（A6）】2)工具栏中选择【Thermal】【Temperature】3)添加热流密度结果输出（图1-6）图1-6设置热流密度结果输出9、求解及结果显示（图3-9，图3-8）运行【Solve】求解，选【SolutionInformation】时，可以从输出工作表看求解状态，求解结束后可以显示结果：1)导航树选择【Solutionl】【Temperature】可以查看温度分布云图。2)导航树选择【Solutionl】【DirectionHeatFlux】可以查看z方向热流密度分布云图，计算结果为-140kW/m2。图1-7温度计算结果图1-8热流密度计算结果2.保温桶的传热过程分析2.1.问题描述四层保温桶，最外层为钢，次外层为铝，中间为隔热的树脂基复合材料，里层为铝，筒内为热水，筒外为空气，忽略接触热阻试确定筒壁的温度场分布。已知：筒内半径0.1m、筒长度0.2m、四层厚度为0.01m、0.02m、0.01m、0.005m，钢、复合材料及铝导热系数70W/(m·℃)、0.055W/(m·℃)、236W/(m·℃)，保温桶内壁温度为80℃，空气温度为20℃，空气对流换热系数12.5W/(m2·℃)。图2-1保温桶模型2.2.问题分析该问题为稳态传热问题，由于几何结构，载荷及边界条件的轴对称，可取圆柱体任意圆周角的一部分，这里取45度。分析思路如下：1.选择稳态热分析系统。2.确定材料参数：稳态传热问题，仅输入导热系数。3.【DesignModeler】建立几何模型：考虑对称性，建立1/8圆柱体。4.进入【Mechanical】分析程序。5.网格划分：采用系统默认网格。6.施加边界条件：圆柱体对称面无热量交换，为绝热边界，系统默认无需输入，圆柱体其它外表面输入温度。7.设置需要的结果：温度分布。8.求解及结果显示。2.3.数值模拟过程1、选择稳态热分析系统（图2-2）1)工程图解中调入稳态热分析系统Steady-StateThermal（ANSYS）2)工程命名AttemperatorThermalAnalysis3)保存工程名为ConvectionHeatTransfer图2-2建立保温桶分析文件2、确定材料参数（图2-3）1)编辑工程数据模型，添加材料的导热率，右击鼠标选择【EngineeringData】【Edit】2)工程数据属性中增加新材料：【OutlineofSchematicA2：EngineeringData】【Clickheretoaddnewmaterial】输入材料名称Aluminium3)选择【Thermal】【IsotropicThermalConductivity】4)选择铝材料属性【PropertiesofOutlineRow3:Aluminium】【IsotropicThermalConductivity】5)出现【TableofPropertiesRow2:ThermalConductivity】材料属性表，双击鼠标，点击每个区域输入材料属性参数：温度20℃，导热率236W/(m·℃)。6)参数输完后，工程数据表显示导热率-温度图表。7)同样输入树脂基复合材料热传导率0.055W/(m·℃)。8)同样输入钢材料热传导率70W/(m·℃)。图2-3设置材料属性3、DM建立几何模型1)选择【Geometry】【NewGeometry】，出现【DesignModeler】程序窗口，选择尺寸单位【Meter】。2)【DesignModeler】中在工作平面XYPlane创建圆柱体截面草图。（图2-4，图2-5，图2-6）图2-4创建内层草绘图2-5创建中层草绘图2-6创建外层草绘3)草图旋转生成1/8圆柱体（图2-7，图2-8）图2-7创建内层实体图2-8创建中层实体4)同样创建旋转体【Revolve3】【Revolve4】，4个体合成一个零件：【Tools】【FormNewPart】，见图2-9图2-9创建外层实体并合成零件4、进入【Mechanical】分析程序切换回Workbench窗口，选择【Setup】【Edit】，进入【Mechanical】分析环境。5、给几何体分配材料属性（图2-10）图2-10分配材料属性6、网格划分（图2-11）1)选择【Mesh】【GenerateMesh】；2)图形区显示程序自动生成的六面体网格模型；图2-11网格划分7、施加边界条件施加内层表面温度80℃：（图2-12）1)选择Steady-StateThermal；2)工具栏中选择Temperature；3)图形区选取内层表面；4)确认选择：【Detailsof“Temperature”】【Scope】【Geometry】=Apply选中1Face5)设置温度：【Detailsof“Temperature”】【Definiton】【Magnitude】=80℃图2-12施加内层表面温度施加外表面对流换热系数及环境温度20C：（图2-13）6)工具栏中选择Convection；7)图形区选取外表面；8)确认选择：【Detailsof“Convection”】【Scope】【Geometry】=Apply选中1Face9)设置对流换热系数：【Detailsof“Convection”】【Definiton】【FilmCoefficient】=12.5W/(m2·℃)10)设置环境温度：【Detailsof“Temperature”】【Definiton】【AmbientTemperature】=0℃图2-13施加对流换热边界条件8、设置需要的结果（图2-14）1)选择【Solution（A6）】2)工具栏中选择【Thermal】【Temperature】图2-14设置温度结果9、求解及结果显示（图2-15）运行【Solve】求解，选【SolutionInformation】时，可以从输出工作表看求解状态，求解结束后可以显示结果：1)导航树选择【Solutionl】【Temperature】2)图形区显示稳态热传导计算得到的温度变化，温度从内向外逐步减少。3)动画演示：图形区下方选择【play】播放按钮，可以动画演示温度的变化。4)温度详细信息窗口显示最小温度值29.22℃和最大温度值80℃。图2-15温度计算结果3.两平行平板间辐射换热3.1.问题描述两平板平行，平板尺寸为30mm×50mm，平板间距S可变。两平板的外表面流入热流为2W，空间温度27℃，所有热流最终都将辐射到空间中，平板发射率为0.10，试分析平板的温度分布。图3-1平行平板辐射模型3.2.问题分析该问题为稳态辐射换热问题，分析思路如下：1.选择稳态热分析系统。2.确定材料参数：稳态辐射换热问题，仅输入平板导热系数。3.【DesignModeler】建立两平板几何模型。4.进入【Mechanical】分析程序。5.网格划分：采用系统默认网格。6.施加边界条件：平板四周对称面无热量交换，为绝热边界，系统默认无需输入，环境温度20℃。7.设置需要的结果：温度分布。8.求解及结果显示。3.3.数值模拟过程1、选择稳态热分析系统1)工程图解中调入稳态热分析系统Steady-StateThermal（ANSYS）2)工程命名RadiationThermalAnalysis3)保存工程名为RadiationHeatTransfer2、确定材料参数这个问题的理论解建立在假设平板均匀热属性的基础上。对于这种情况，导热率肯定非常高。默认时，两个平板是结构钢制成。编辑结构钢的材料属性，将热导率增大到10000W/(m·℃)。1)编辑工程数据模型，添加材料的导热率，右击鼠标选择【EngineeringData】【Edit】2)选择钢材料属性【PropertiesofOutlineRow3:StructureSteel】【IsotropicThermalConductivity】3)出现【TableofPropertiesRow2:ThermalConductivity】材料属性表，双击鼠标，点击每个区域输入材料属性参数：温度20℃，导热率10000W/(m·℃)。4)参数输完后，工程数据表显示导热率-温度图表。3、DM建立模型1)选择【Geometry】【NewGeometry】，出现【DesignModeler】程序窗口，选择尺寸单位【Millimeter】。2)【DesignModeler】中在平面XYPlane创建平板截面草图。（图3-2）图3-2创建平板截面草绘3)新建平面Plane4。（图3-3）图3-3创建平面Plane44)同样在平面Plane4上创建另一平板截面草图。5)用截面草图生成平板。（图3-4）图3-4生成平板6)同样创建另一平板。4、进入【Mechanical】分析程序切换回Workbench窗口，选择【Setup】【Edit】，进入【Mechanical】分析环境。5、辐射表面选择分别选择两平板的内表面，右键点击，选择CreateselectionGroup，分别命名为Innerfront和Innerback。6、划分网格1)选择【Mesh】【GenerateMesh】；2)图形区显示程序自动生成的网格模型。图3-5网格划分7、施加边界条件1)右键单击Steady-S