Ansys热分析教程(全)

目录目录第1章–介绍–概述–相关讲座&培训–其他信息来源第2章–基本概念第3章–稳态热传导(nomasstransportofheat)第4章–附加考虑非线性分析第5章–瞬态分析1-31-51-121-132-13-14-15-1第6章–复杂的,时间和空间变化的边界条件第7章–附加对流/热流载荷选项和简单的热/流单元第8章–辐射热传递–例题-使用辐射矩阵的热沉分析第9章–相变分析–相变分析例题-飞轮铸造分析第10章–耦合场分析6-17-18-18-439-19-1410-1目录目录((续续))第第11章章先决条件先决条件•理解热传递讲座的先决条件包括:–掌握ANSYS第1部分的培训课程或具备相应的ANSYS实践经验。–理工科学士或具备相等程度的热传递知识。章节内容概述章节内容概述•第1章-介绍•第2章-基本概念–术语–符号和单位–热传递的类型–能量守恒定律(热力学第一定律)–瞬态热传导的控制微分方程–有限元方法–有限元热分析中的基本符号–如何使热传递分析包括非线性?章节内容概述章节内容概述•第2章-续–何时需要定义比热和密度?–同结构分析的比较–单元库概况�功能和限制–例题1-基本热传递分析•第3章-稳态热传递–稳态热传递的控制方程–热边界条件类型–热分析样板–GUI和ANSYS命令–分析过程逐步的讲解�使用例题:带Fins的钢管的热分析章节内容概述章节内容概述•第3章-续•前处理-建立模型•求解处理器•后处理器-“后处理101”–例题2-晶体管的稳态热分析•第4章-附加考虑非线性分析–时间�载荷步,子步和迭代方程–收敛准则–初始温度–阶跃或渐进载荷–其他非线性选项–输出控制选项章节内容概述章节内容概述•第4章-续–控制/查看非线性分析–例题3-晶体管的非线性热分析•第5章-瞬态分析–控制方程–与稳态分析的区别–查看瞬态结果–例题4-晶体管的瞬态热分析•第6章-复杂的,时间和空间变化的边界条件–表格化的热边界条件(载荷)–基本变量–用户定义的因变变量章节内容概述章节内容概述•第6章-续–典型的应用实例–优点和缺点–定义关键时间和输出时间–ANSYS表格和数组复习–例题5-有表格化载荷的瞬态练习•第7章-附加对流/热流载荷选项和简单的热/流单元–对流作为平面载荷施加–对流连接单元–平面效果单元–接触热阻的建模–1D热/流单元–用户对流子程序章节内容概述章节内容概述•第7章-续–例题6-低压气轮机箱的热分析•第8章-辐射–辐射概念的回顾–基本定义–辐射建模的可选择方法–辐射矩阵模块–辐射分析例题-使用辐射矩阵模块进行热沉分析�隐式和非隐式方法。•第9章-相变–基本模型/术语–在ANSYS中求解相变–相变例题-飞轮铸造分析章节内容概述章节内容概述•第10章-耦合场分析(重点是热应力)–直接和序贯耦合场–物理环境–热应力分析–例题7-带Fins的钢管的热应力分析•例题2的附录-每步的说明相关讲座相关讲座&&培训培训ANSYS介绍,第II部分Flotran介绍Flotran高级电子封装第第22章章下列符号在全文中的意义如下�tTchKQqqE============timetemperaturedensityspecificheatfilmcoefficientemissivityStefan-Boltzmannconstantthermalconductivityheatflow(rate)heatfluxinternalheatgeneration/volumeenergyρεσ*&&&fANSYSANSYS(())•温度•热流量•热传导率•密度•比热•对流换热系数•热流•温度梯度•内部热生成•DegreesF•BTU/hr•BTU/(hr-inch-degreeF)•lbm/(inch3)•BTU/(lbm-degreeF)•BTU/(hr-inch2-degreeF)•BTU/(hr-inch2)•degreeF/inch•BTU/(hr-inch3)注,对于结构热容量,密度/Gc和比热*Gc经常使用该单位。其中Gc=386.4(lbm-inch)/(lbf-sec2)ANSYSANSYS((SI)SI)•温度•热流量•热传导率•密度•比热•对流换热系数•热流•温度梯度•内部热生成•DegreesC(orK)•Watts•Watts/(meter-degreeC)•kilogram/(meter3)•(Watt-sec)/(kilogram-degreeC)•Watt/(meter2-degreeC)•Watt/(meter2)•degreeC/meter•Watt/(meter3)•热传递有三种基本类型:–传导-两个良好接触的物体之间的能量交换或一个物体内由于温度梯度引起的内部能量交换。–对流-在物体和周围介质之间发生的热交换。–辐射-一个物体或两个物体之间通过电磁波进行的能量交换。•在绝大多数情况下�我们分析的热传导问题都带有对流和/或辐射边界条件。•传导的热流由传导的傅立叶定律决定�•负号表示热沿梯度的反向流动(i.e.,热从热的部分流向冷的).qKTnKTTnnnnn*=−∂∂=∂∂=heatflowrateperunitareaindirectionnWhere,=thermalconductivityindirectionn=temperaturethermalgradientindirectionnTnq*dTdn•对流的热流由冷却的牛顿准则得出:•对流一般作为面边界条件施加qhTThTTfSBfSB*()=−=heatflowrateperunitareabetweensurfaceandfluidWhere,=convectivefilmcoefficient=surfacetemperature=bulkfluidtemperatureTBTs•从平面i到平面j的辐射热流由施蒂芬-玻斯曼定律得出:•在ANSYS中将辐射按平面现象处理(i.e.,体都假设为不透明的)。QAFTTAFTTiijijiijij=−=σεσε()44heatflowratefromsurfaceitosurfacejWhere,=Stefan-BoltzmannConstant=emissivity=areaofsurfacei=formfactorfromsurfaceitosurfacej=absolutetemperatureofsurfacei=absolutetemperatureofsurfacejij•能量守恒要求系统的能量改变与系统边界处传递的热和功数值相等。•能量守恒在一个短的时间增量下可以表示为方程形式•将其应用到一个微元体上�就可以得到热传导的控制微分方程。EEEEstoredinthrutheboundaryoutthrutheboundarygenerated+++=0•热传导的控制微分方程∂∂∂∂FHGIKJ+∂∂∂∂FHGIKJ+∂∂∂∂FHGIKJ+==∂∂+∂∂+∂∂+∂∂=xKTxyKTyzKTzqcdTdtdTdtTtVTxVTyVTzVVVxxyyzzxyzxyz&&&,,ρρexpandingthetotaltimederivative,yieldswherevelocitiesoftheconductingmedium.Thetermswhichincludevelocitiescomefrommasstransportofheateffects.Itisinterestingtonotethat,eveninsteady-state,andcareimportantwhenmasstransportofheateffectsareincluded.•将控制微分方程转化为等小的积分形式(参阅ANSYS理论手册第6.1节)。ρδδδδδδcTTtvLTLTDLTdvolTqdSThTTdSTqdvolvolLxyzqhTqTTvolSfBSvolTfB∂∂+FHGIKJ+FHGIKJ=+−+=∂∂∂∂∂∂LNMOQP===zzzzlqlqlqlqchlq()()()()()&&&()&&&**2323where=volumeoftheelement=heatflux,filmcoefficient,bulkfluidtemp.heatgenerationperunitvolumeT=anallowablevirtualtemperaturesurfaceswithappliedfluxsurfaceswithappliedconvectionSS23==(())•将区域分解(i.e.,划分)为简单的形状;2-D模型中的四边形和/或三角形,3-D模型中的四面体�金字塔形或六面体。1(())•假设单元内温度变化可以用多项式表示。一般情况下�根据单元类型的不同�应当包含不同的一次项,平方和混合的立方项。多项式假设保证了温度在单元内部和单元边界上都是连续的。•写出以单元结点温度为未知数的多项式:TNTNTTeTe==lqlqlqlqwhererowvectorofelementshapeorinterpolationfunctionsandisavectorofelementnodaltemperatures.Theshapefunctionsarefunctionsofx,yandz.(())•由单元结点温度得出每个单元的温度梯度和热流。LTBTaLxyzBBNqqDLTDBTDaDeTTelqlqlqlqlqlqlqlqlqlq===∂∂∂∂∂∂LNMOQP====thermalgradientvectorwhereThematrixiscalculatedbydifferentiatingtheshapefunctions:=LThefluxvector,,isgivenbywhereisthematrixofthermalconductivityproperties(())•将假设的温度变化代入积分方程�注意到每项都乘上了实际的温度数值�将两边约去得到ρρcNNdvolTcNvBdvolTBDBdvolTNqdSThNdShNNTdSqNdvolvolTevolTevolTeSBfSfSTevollqlqmrlqlqlqlqlqlqlqlqlqlqzzzzzzz++=+−+()&()()()()()&&&()*233233(())方程可以重新写为简化形式:CTKKKTQQQCKmdcfcgmdc&,,mrejlqmrmrmrmr+++=++==wherethesubscriptehasbeendroppedanditisunderstoodthatthesematricesapplyattheelementlevel.specificheatmatrix(energystorage)=contributionstothermalconductivityduetomasstransportofheat,diffusion,andconvection,respectivelyQcontributionstothenodalheatflowsfromflux,convectionandinternalheatgeneration,respectivelyf,c,g(())其中,CcNNdvolKcNvBdvolKBDBdvolKhNNTdSQNqdSQThNdSQqNdvolKvolTmvolTdvolTcfSTefScBfSgvolm=======zzzzzzzρρlqlqlqlqlqlqlqmrlqmrlqmrlq()()()()(),(),&&&()*323323Note,isnotsymmetric.Ifmasstransportofheateffectsareincludedamore,computer-intensive,unsymmetricequationsolvermustbeemployed(i.e.,Frontal,JCG,orICCGsolvers).(()