一、穩(wěn)態(tài)傳熱的定義

　　穩(wěn)態(tài)傳熱用于分析穩(wěn)定的熱載荷對(duì)系統(tǒng)或部件的影響。通常在進(jìn)行瞬態(tài)熱分析以前，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析用于確定初始溫度分布。

　　穩(wěn)態(tài)熱分析可以通過(guò)有限元計(jì)算確定由于穩(wěn)定的熱載荷引起的溫度、熱梯度、熱流率、熱流密度等參數(shù)

二、熱分析的單元

　　熱分析涉及到的單元有大約40種，其中純粹用于熱分析的有14種：

線性：      LINK32      兩維二節(jié)點(diǎn)熱傳導(dǎo)單元

                 LINK33     三維二節(jié)點(diǎn)熱傳導(dǎo)單元

                 LINK34     二節(jié)點(diǎn)熱對(duì)流單元

                 LINK31     二節(jié)點(diǎn)熱輻射單元

二維實(shí)體：     PLANE55         四節(jié)點(diǎn)四邊形單元

         PLANE77         八節(jié)點(diǎn)四邊形單元

         PLANE35         三節(jié)點(diǎn)三角形單元

         PLANE75         四節(jié)點(diǎn)軸對(duì)稱單元

         PLANE78         八節(jié)點(diǎn)軸對(duì)稱單元

三維實(shí)體   SOLID87          六節(jié)點(diǎn)四面體單元

         SOLID70          八節(jié)點(diǎn)六面體單元

         SOLID90          二十節(jié)點(diǎn)六面體單元

殼       SHELL57          四節(jié)點(diǎn)

點(diǎn)       MASS71    

　　有關(guān)單元的詳細(xì)解釋，請(qǐng)參閱《ANSYS Element Reference Guide》

三、ANSYS穩(wěn)態(tài)熱分析的基本過(guò)程

　　ANSYS熱分析可分為三個(gè)步驟：

·      前處理：    建模

·      求解： 施加載荷計(jì)算

·      后處理：    查看結(jié)果

1

建模

①、確定jobname、title、unit；

②、進(jìn)入PREP7前處理，定義單元類型，設(shè)定單元選項(xiàng)；

③、定義單元實(shí)常數(shù)；

④、定義材料熱性能參數(shù)，對(duì)于穩(wěn)態(tài)傳熱，一般只需定義導(dǎo)熱系數(shù)，它可以是恒定的，也可以隨溫度變化；

⑤、創(chuàng)建幾何模型并劃分網(wǎng)格，請(qǐng)參閱《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。

2

施加載荷計(jì)算

①、定義分析類型

l   如果進(jìn)行新的熱分析：

Command: ANTYPE, STATIC, NEW

GUI: Main menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis>Steady-state

l   如果繼續(xù)上一次分析，比如增加邊界條件等：

Command: ANTYPE, STATIC, REST

GUI: Main menu>Solution>Analysis Type->Restart

②、施加載荷

　　可以直接在實(shí)體模型或單元模型上施加五種載荷(邊界條件) ：

a、恒定的溫度

　　通常作為自由度約束施加于溫度已知的邊界上。

Command Family:　D

GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Temperature

b、熱流率

　　熱流率作為節(jié)點(diǎn)集中載荷，主要用于線單元模型中(通常線單元模型不能施加對(duì)流或熱流密度載荷)，如果輸入的值為正，代表熱流流入節(jié)點(diǎn)，即單元獲取熱量。如果溫度與熱流率同時(shí)施加在一節(jié)點(diǎn)上則ANSYS讀取溫度值進(jìn)行計(jì)算。

注意：如果在實(shí)體單元的某一節(jié)點(diǎn)上施加熱流率，則此節(jié)點(diǎn)周圍的單元要密一些，在兩種導(dǎo)熱系數(shù)差別很大的兩個(gè)單元的公共節(jié)點(diǎn)上施加熱流率時(shí)，尤其要注意。此外，盡可能使用熱生成或熱流密度邊界條件，這樣結(jié)果會(huì)更精確些。

Command Family: F

GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Flow

c、對(duì)流

　　對(duì)流邊界條件作為面載施加于實(shí)體的外表面，計(jì)算與流體的熱交換，它僅可施加于實(shí)體和殼模型上，對(duì)于線模型，可以通過(guò)對(duì)流線單元LINK34考慮對(duì)流。

Command Family: SF

GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Convection

d、熱流密度

　　熱流密度也是一種面載。當(dāng)通過(guò)單位面積的熱流率已知或通過(guò)FLOTRAN CFD計(jì)算得到時(shí)，可以在模型相應(yīng)的外表面施加熱流密度。如果輸入的值為正，代表熱流流入單元。熱流密度也僅適用于實(shí)體和殼單元。熱流密度與對(duì)流可以施加在同一外表面，但ANSYS僅讀取最后施加的面載進(jìn)行計(jì)算。

Command Family: F

GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Flux

e、生熱率

　　生熱率作為體載施加于單元上，可以模擬化學(xué)反應(yīng)生熱或電流生熱。它的單位是單位體積的熱流率。

Command Family: BF

GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Generat

③、確定載荷步選項(xiàng)

　　對(duì)于一個(gè)熱分析，可以確定普通選項(xiàng)、非線性選項(xiàng)以及輸出控制。

a. 普通選項(xiàng)

·      時(shí)間選項(xiàng)：雖然對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱分析，時(shí)間選項(xiàng)并沒(méi)有實(shí)際的物理意義，但它提供了一個(gè)方便的設(shè)置載荷步和載荷子步的方法。

Command: TIME

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time-Time Step/Time and Substps

·      每載荷步中子步的數(shù)量或時(shí)間步大小：對(duì)于非線性分析，每一載荷步需要多個(gè)子步。

Command: NSUBST

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time and Substps

Command: DELTIM

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time-Time Step

·      遞進(jìn)或階越選項(xiàng)：如果定義階越(stepped)選項(xiàng)，載荷值在這個(gè)載荷步內(nèi)保持不變；如果為遞進(jìn)(ramped)選項(xiàng)，則載荷值由上一載荷步值到本載荷步值隨每一子步線性變化。

Command: KBC

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time-Time Step/Time and Substps

b. 非線性選項(xiàng)

·      迭代次數(shù)：本選項(xiàng)設(shè)置每一子步允許的最多的迭代次數(shù)。默認(rèn)值為25，對(duì)大數(shù)熱分析問(wèn)題足夠。

Command: NEQIT

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Equilibrium Iter

·      自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng): 對(duì)于非線性問(wèn)題，可以自動(dòng)設(shè)定子步間載荷的增長(zhǎng)，保證求解的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

Command: AUTOTS

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time-Time Step/Time and Substps

·      收斂誤差：可根據(jù)溫度、熱流率等檢驗(yàn)熱分析的收斂性。

Command: CNVTOL

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Convergence Crit

·      求解結(jié)束選項(xiàng)：如果在規(guī)定的迭代次數(shù)內(nèi)，達(dá)不到收斂，ANSYS可以停止求解或到下一載荷步繼續(xù)求解。

Command: NCNV

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Criteria to Stop

·      線性搜索：設(shè)置本選項(xiàng)可使ANSYS用Newton-Raphson方法進(jìn)行線性搜索。

Command: LNSRCH

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Line Search

·      預(yù)測(cè)矯正：本選項(xiàng)可激活每一子步第一次迭代對(duì)自由度求解的預(yù)測(cè)矯正。

Command: PRED

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Predictor

c.   輸出控制

·      控制打印輸出：本選項(xiàng)可將任何結(jié)果數(shù)據(jù)輸出到*.out 文件中。

Command: OUTPR

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Output Ctrls>Solu Printout

·      控制結(jié)果文件：控制*.rth的內(nèi)容。

Command: OUTRES

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Output Ctrls>DB/Results File

④、確定分析選項(xiàng)

a.   Newton-Raphson選項(xiàng)（僅對(duì)非線性分析有用）

Command: NROPT

GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options

b.   選擇求解器：可選擇如下求解器中一個(gè)進(jìn)行求解：

·      Frontal solver(默認(rèn)）

·      Jacobi Conjugate Gradient(JCG) solver

·      JCG out-of-memory solver

·      Incomplete Cholesky Conjugate Gradient(ICCG) solver

·      Pre-Conditioned Conjugate Gradient Solver(PCG)

·      Iterative(automatic solver selection option)

Command: EQSLV

GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options

注意：熱分析可選用Iterative選項(xiàng)進(jìn)行快速求解，但如下情況除外：

·      熱分析包含SURF19或SURF22或超單元；

·      熱輻射分析；

·      相變分析

·      需要restart an analysis

c.   確定絕對(duì)零度：在進(jìn)行熱輻射分析時(shí)，要將目前的溫度值換算為絕對(duì)溫度。如果使用的溫度單位是攝氏度，此值應(yīng)設(shè)定為273；如果使用的是華氏度，則為460。

Command: TOFFST

GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options

⑤、保存模型: 點(diǎn)擊ANSYS工具條SAVE_DB。

⑥、求解

Command: SOLVE

GUI: Main Menu>Solution>Current LS

3

后處理

　　ANSYS將熱分析的結(jié)果寫入*.rth文件中，它包含如下數(shù)據(jù)：

　　基本數(shù)據(jù)：

·      節(jié)點(diǎn)溫度

　　導(dǎo)出數(shù)據(jù)：

·      節(jié)點(diǎn)及單元的熱流密度

·      節(jié)點(diǎn)及單元的熱梯度

·      單元熱流率

·      節(jié)點(diǎn)的反作用熱流率

·      其它

　　對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱分析，可以使用POST1進(jìn)行后處理，關(guān)于后處理的完整描述，可參閱《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》。

　　進(jìn)入POST1后，讀入載荷步和子步：

Command: SET

GUI: Main Menu>General Postproc>-Read Results-By Load Step

　　可以通過(guò)如下三種方式查看結(jié)果：

·      彩色云圖顯示

Command: PLNSOL, PLESOL, PLETAB等

GUI: Main Menu>General Postproc>Plot Results>Nodal Solu, Element Solu, Elem Table

·      矢量圖顯示

Command: PLVECT

GUI: Main Menu>General Postproc>Plot Results>Pre-defined or Userdefined

·      列表顯示

Command: PRNSOL, PRESOL, PRRSOL等

GUI: Main Menu>General Postproc>List Results>Nodal Solu, Element Solu, Reaction Solu

　　詳細(xì)過(guò)程請(qǐng)參閱《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》。

實(shí)例1：

　　某一潛水艇可以簡(jiǎn)化為一圓筒，它由三層組成，最外面一層為不銹鋼，中間為玻纖隔熱層，最里面為鋁層，筒內(nèi)為空氣，筒外為海水，求內(nèi)外壁面溫度及溫度分布。

幾何參數(shù)：     筒外徑       30  feet

                       總壁厚       2    inch

                       不銹鋼層壁厚   0.75     inch

                        玻纖層壁厚      1    inch

                        鋁層壁厚          0.25     inch

                         筒長(zhǎng)                200 feet

導(dǎo)熱系數(shù)   不銹鋼       8.27     BTU/hr.ft.^oF

         玻纖                0.028    BTU/hr.ft.^oF

         鋁              117.4    BTU/hr.ft.^oF

邊界條件   空氣溫度          70  ^oF

                海水溫度          44.5     ^oF

         空氣對(duì)流系數(shù)   2.5 BTU/hr.ft².^oF

         海水對(duì)流系數(shù)   80  BTU/hr.ft².^oF

　　沿垂直于圓筒軸線作橫截面，得到一圓環(huán)，取其中1度進(jìn)行分析,如圖示。

以下分別列出log文件和菜單文件。

菜單操作:

1.Utility Menu>File>change jobename, 輸入Steady1；

2.Utility Menu>File>change title,輸入Steady-state thermal analysis of submarine；

3.在命令行輸入:/units, BFT；

4.Main Menu: Preprocessor；

5.Main Menu: Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete,選擇PLANE55；

6.Main Menu: Preprocessor>Material Prop>-Constant-Isotropic,默認(rèn)材料編號(hào)為1,在KXX框中輸入8.27,選擇APPLY,輸入材料編號(hào)為2,在KXX框中輸入0.028,選擇APPLY,輸入材料編號(hào)為3,在KXX框中輸入117.4；

7.Main Menu: Preprocessor>-Modeling->Create>-Areas-Circle>By Dimensions ,在RAD1中輸入15,在RAD2中輸入15-(.75/12),在THERA1中輸入-0.5,在THERA2中輸入0.5,選擇APPLY,在RAD1中輸入15-(.75/12),在RAD2中輸入15-(1.75/12),選擇APPLY,在RAD1中輸入15-(1.75/12),在RAD2中輸入15-2/12,選擇OK；

8.Main Menu: Preprocessor>-Modeling->Operate>-Booleane->Glue>Area,選擇PICK ALL；

9.Main Menu: Preprocessor>-Meshing-Size Contrls>-Lines-Picked Lines,選擇不銹鋼層短邊,在NDIV框中輸入4,選擇APPLY,選擇玻璃纖維層的短邊,在NDIV框中輸入5,選擇APPLY,選擇鋁層的短邊,在NDIV框中輸入2,選擇APPLY,選擇四個(gè)長(zhǎng)邊,在NDIV中輸入16；

10.Main Menu: Preprocessor>-Attributes-Define>Picked Area,選擇不銹鋼層,在MAT框中輸入1,選擇APPLY,選擇玻璃纖維層,在MAT框中輸入2,選擇APPLY,選擇鋁層,在MAT框中輸入3,選擇OK；

11.Main Menu: Preprocessor>-Meshing-Mesh>-Areas-Mapped>3 or 4 sided,選擇PICK ALL；

12.Main Menu: Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Convection>On lines,選擇不銹鋼外壁,在VALI框中輸入80,在VAL2I框中輸入44.5,選擇APPLY,選擇鋁層內(nèi)壁,在VALI框中輸入2.5,在VAL2I框中輸入70,選擇OK；

13.Main Menu: Solution>-Solve-Current LS；

14.Main Menu: General Postproc>Plot Results>-Contour Plot-Nodal Solu,選擇Temperature。

實(shí)例2

一圓筒形的罐有一接管,罐外徑為3英尺，壁厚為0.2英尺，接管外徑為0.5英尺，壁厚為0.1英尺，罐與接管的軸線垂直且接管遠(yuǎn)離罐的端部。如圖所示：

罐內(nèi)流體溫度為華氏450度,與罐壁的對(duì)流換熱系數(shù)年為250BUT/hr-ft²-^oF,接管內(nèi)流體的溫度為華氏100度,與管壁的對(duì)流換熱系數(shù)隨管壁溫度而變。接管與罐為同一種材料，它的熱物理性能如下表所示：