热稳态分析实例

分析人员：培训王兴旺专用教程――晓光够意思吧☺院校专业：哈尔滨理工大学使用软件：Ansys10.0版本比较熟悉：热、应力、疲劳等综合场机械方面的计算GUI：图形菜单操作方式，命令流：输入命令操作方式，将综合这两种操作方式。现画的图，难免不够美观，见凉！一、热稳态分析实例工作分析：有一双层板（层1与层2），其几何形状与边界条件如图1所示。其中层1中间有一个边长为1.5cm的正方形孔。层1与层2的几何尺寸分别为6*6，6*10；热传导率分别为20W/m·K，50W/m·K；方孔中的热流密度为100W/m2。双层板左右两侧的温度分别为220℃，60℃。板周围流体介质的对流介质的对流换热系数为150W/m2·K，温度25℃。最下面绝热。求稳态条件下，双层板内的温度分布。h=150W/m2·KTfluid=25℃k=20W/m·Kk=50W/m·K5cmT=220℃q=100W/m2T=60℃6cm10cm图1双层板几何形状及其边界条件问题求解步骤：1、将Ansys系统单位制变成国际单位制命令流：/units,si2、设置本题的标题为“Steadystateslabproblem”GUI：UtilityMenuFileChangeTitle在弹出的对话框中键入“Steadystateslabproblem”，如图2所示.图2输入标题对话框3、进入模块创建处理器：命令流：/prep74、设置单元类型本题中，由于给定的是二维几何中的条件，且只涉及温度分布的求解，故可采用二维平面单元PLAN55。点击PreprocessorElementType,将出现ElementType菜单,点击ElementTypeAdd/Edit/Delet…,将出现如图3所示，提示添加单元。图3添加单元对话框点击Add。。。按钮，将出现单元类型库对话框，如图4所示。图4单元类型库如图4所示，选择ThermalSolid单元中的Quad4node55。完成单元定义后，点击图4中的OK及图4中的Close按钮即可。5、设置材料类型根据本题给定的条件，需设置双层板中对应的两种材料，其热传导率分别为20W/m·K，50W/m·K。先设置左侧板的材料属性，点击PreprocessorMaterialPropsMaterialModels,将出现DefineMaterialModelBehavior对话框，如图5所示。图5DefineMaterialModelBehavior对话框将出现如图5所示的对话框，左面的MaterrialModelNumber1即为指定的1号材料。。因材料各向性，故点击Istropic。。。点击OK按钮后，将出现图6指定1号材料的属性。即完成材料1的属性设置。图6各向同性材料属性对话框－1号材料同理材料2的属性可按以上GUI方式设置，在图5中，点击菜单Material中的NewModel。。。，出现图7，同时点击右面的Istropic。点击OK按钮后，将出现图8指定2号材料的属性。即完成材料2的属性设置。图7DefineMaterialModelBehavior对话框图8各向同性材料属性对话框－2号材料6、建立几何模型首先创建左侧板的几何模型，其基本形状为一矩形。点击MainMenuPreprocessorModelingCreatAreasRectangleByDimensions,将出现如图9所示的对话框，在其中输入矩形1的各关键点坐标值，之后点击OK按钮。图9创建矩形对话框按同样的方法，创建右侧板的几何模型，其基本形状为一矩形。点击MainMenuPreprocessorModelingCreatAreasRectangleByDimensions，其输入的参数值为x1＝0.06，x2＝0.16，y1＝0，y2＝0.06。此时，将出现如图10所示的两个矩形。矩形1矩形2图10生成两个矩形接下来，创建左侧板中的方孔。为此，先创建一个与方孔大小的正方形。点击MainMenuPreprocessorModelingCreatAreasRectangleByDimensions，将出现如图9所示的对话框。在图中输入其输入的参数值为x1＝0，x2＝0.015，y1＝0，y2＝0.015。此时，将出现如图11所示的左下角的正方形，边长为1.5cm。图11箭头所指生成一个小正方形接下来，要做的工组就是将该正方形移至矩形1的中心，并通过布尔运算，由此获得原始条件中所定义的方形孔。为此，应先选中该圆。点击MainMenuPreprocessorModelingMove/ModifyAreasAreas,将出现如图12所示的面积移动对话框。用鼠标点击小正方形的中心处，将出现如图14所示的对话框，要求输入要移动正方形要移动的X、Y的坐标值。图12MoveAreas对话框图13选中小左下角小正方形图14输入正方形要移动的X、Y坐标值分别在X-offsetinactiveCS、Y-offsetinactiveCS框中输入“0.025”、“0.025”，则可将原来处于矩形1左下角的小正方形移至矩形1的中心处，如图15所示。图15箭头所指所移动位置兴旺，如果你细心你会发现，原来的正方形在图形窗口中并没有消失。不用担心，这是因为该圆在屏幕中的信息尚未及时清除，如果点击工具菜单（窗口顶部）中的PlotReplot，即可进行刷新，从而出现如图16所示的画面，此时就只有移动后的小正方形了☺，哈哈。图16箭头所指所移动位置为了更清除的显示各个绘制的图形，可点击PlotCtrlsNumbering…，将出现如图17所示的对话框。图17PlotNumberingControls对话框选中其中Areanumbers对应的复选框，并点击OK按钮，将出现如图18所示画面，由图可见，左侧矩形，右侧矩形及小正方形被分别标定为A1、A2、A3。图18对面积编号如果执行布尔操作A1-A3，则可在矩形1中生成需要的方孔。为此，点击MainMenuPreprocessorModelingOperateBooleansSubtractAreas,将出现如图19所示的对话框，要求用鼠标选择执行布尔操作（面积相减）的基本图元。图19SubstractAreas对话框图20Multiple_Entities用鼠标点击矩形1的中心，将出现如图20所示大的对话框，询问究竟选择哪个图元。这是因为矩形1（A1）与小正方形（A3）的几何中心点重叠在了一起；因要执行A1-A3，故应先选中矩形1（A1），点击图19的OK按钮，则将出现如图21所示画面。图21执行布尔操作以后的图形此时，你可能发现原来的A1与A2已不存在了，取而代之的是A4。若希望新生成的图元编号紧凑，可以点击MainMenuPreprocessorNumberingCtrlsCompressNumbers。由于A4与A2之间并非简单的接触关系，故应该将两者通过布尔运算粘在一起，以保证两面积在边界处共节点。点击MainMenuPreprocessorCreateOperateGlueAreas后，在弹出的对话框中点击PickAll按钮，将出现如图22的界面。图22执行GLUE操作以后的图形变为一体，A1－A3由图22可见，在执行了布尔操作后，面积自动进行了重新编号，原来的A2变成了A1。7、划分网格划分网格是利用有限元思想求解问题中最重要的步骤之一。为利于没入门的人例如你掌握，这里采用网格划分工具的自由划分法，这是一种比较简洁易用的方法。点击MainMenuPreprocessorMeshingMeshTool…，将出现网络划分工具对话框，如图22所示。图22网络划分工具对话框图23MeshAreas对话框选中图22中的SmartSize复选框，指定划分单元的大小（注：单元类型已在步骤4中进行了指定），滑动滚动条，使其值为4。在图22中还可以看到，Shape对应的单选按钮中，已默认为自由网络划分－Free方式，直接点击Mesh按钮，将出现面积网格划分对话框，要求选择需要进行网格划分的面积图元，如图23所示。点击图23中的PickAll按钮，将对图23新近生成的A1与A3两个面积进行网格划分，如图24所示。图24生成网格后的几何模型8、指定材料属性到目前为止，已为几何模型生成了单元及节点，但尚未为其指明材料属性。为此应首先选择实体对象，在赋予其一定的材料属性。点击工具菜单中的SelectEntities…，将出现实体选择对话框，如图25所示。图25实体选择对话框图26面积选择对话框提示：如果在图25中点击Apply按钮，则可以作下一次选择；如果点击OK按钮，则将关闭该对话框。移动鼠标选定A3，并点击图26中的OK按钮，将完成选择面积A3的选择。接着，回到图25中，从第一个下拉列表选择Elements，并从第二个下拉列表中选择Attachedto，则图25将变成图27所示。图27实体选择对话框图28只显示选定的单元和面积在图27中，选择Areas单选按钮，表示所要选择的单元为已选定的面积中的单元。点击OK按钮即选定了A3中的所有单元。点击PlotReplot，将只显示已选定的单元和面积，如图28所示。点击MainMenuPreprocessorMaterialPropsChangeMatNum，将出现图29对话框。图29ChangeMatNumber对话框在Newmaterialnumber文本框中输入“1”，在Elementno.tobemodified文本框中输入“All”表示所选定的所有单元对应的材料类型均为1。之后点击OK按钮。提示：实际上如果不设定材料类型，所有单元的材料类型号均将默认为1。因此，对于原本为材料1的单元，可以不必进行此步操作。点击SelectEverything，恢复对所有图元的选择。点击PlotReplot，显示处所有图元，显然可以类似刚才的方法（如图30和图31）将右侧矩形中的单元材料属性设置为2，完成后应再次点击SelectEverything，再点击PlotReplot，显示全部图形。对于刚学的人，点击SelectEverything是在完成对局部图元进行操作后非常重要却易遗忘的一步。如果遗忘这步，往往会导致一些意想不到的错误发生。图30选择右侧矩形A1图31只显示右侧矩形A1完成以上步骤后，点击PlotCtrlsNumbering…，将出现如图17所示的对话框。在Elem/Attribnumbering所在的下拉列表中选择Materialnumber，并点击OK按钮，将出现如图32所示的画面，图中显示出所有单元及其对应的材料类型。图32显示出所有单元及其对应的材料类型9、添加边界条件现在需要添加边界条件，并进行求解了。首先，应进入求解器（温度分布计算求解器），需点击MainMenuSolution。然后，点击DefineLoadsApplyThermalTemperatureOnNodes,这时将出现对话框，如图33所示。可采用框选方式进行选择，为此应选择中Box单选按钮。并移动鼠标将左侧矩形的左边界框选住，将出现如图34所示的画面。图33添加温度载荷到节点图34选中左侧矩形的左边界随后点击OK按钮，将出现如图35所示的对话框，要有输入所选各节点的温度值。图35对左边界赋值220℃根据本题最初给定的条件，左边一侧温度为220℃，故在IfConstantvaluethen:对应的文本框输入“220”，并点击OK按钮进行确认。读者可按类似的方法，为右边一侧各节点添加温度值为60℃。完成了左右两侧各节点的温度赋值如下图36所示。图36两侧各节点的温度赋值边界图.完成了左右两侧各节点的温度赋值，现在应该添加对流边界条件了！点击MainMenuSolutionApplyConvectionOnLines,在出现的对话框中点击Box单选按钮，选择框选方式。移动鼠标框选住整个几何模型的顶边一侧。