穩態分析
關注創建者：博集華仿 創建時間：2019-12-30
穩態分析的視頻教程
ABAQUS-茶壺的熱穩態及瞬態分析
此案例是基于ABAQUS進行的純熱學分析，采用熱學單元DC3D10，tet單元形狀。采用兩個分析步，第一個是穩態分析，得出茶壺的穩態溫度場分布；第二個分析步是瞬態分析步，時長600s，茶壺在600s內的冷卻情況，冷卻方式涉及熱傳導，對流，輻射，輸出溫度場分布和熱流量云圖。
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ABAQUS穩態、瞬態熱分析—金屬散熱管的溫度場研究
ABAQUS穩態、瞬態熱分析—金屬管散熱的溫度場研究 此課程對金屬管散熱模擬的整個過程進行了講解，包括穩態、瞬態設置及對比分析等，此案例屬于在熱傳導、散熱等方面的實用分析案例。
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穩態分析的實例教程
應用二：熱流道穩態分析后，接續執行充填分析，以得到更真實熱流道信息
不同于充填分析，熱流道穩態分析考慮數次射出(直到平衡)后所累積的剪切生熱效應，例如不均勻/對稱熱流道溫度分布。因此若在熱流道穩態分析后接續充填分析，可取得更準確的熱流道初始訊息，會比以往的充填分析來得精準。以下為具體操作流程：
步驟1：重復上述步驟1與步驟2，新增并設定項目
步驟2：分析順序設定為先進行熱流道穩態分析，接著執行充填分析。
注：此分析順序需手動自定義，可參照下圖設定：
步驟3：計算完成后查看流動分析結果。
注：比較溫度、流動波前時間結果和充填結果紀錄文件，可觀察出在熱流道穩態分析─充填分析的差異。
展開 摘要：本文針對同一結構和條件進行瞬態和穩態分析，當瞬態分析經過一定時間后，趨于穩定，和穩態分析結果一致。瞬態分析和穩態分析相互驗證。
00 模型
水流速度40m/s，平板底部固定。
01 穩態分析
02 瞬態分析
03 結果對比
穩態分析：
瞬態分析：
穩態分析和瞬態分析，結果基本一致。
5）溫度分布仿真結果
2.4.解析解與有限元仿真解的比較
單軸直桿穩態熱傳導解析解與數值解計算結果如下表所示。可以看到數值解與解析解是完全一致的。根據熱流率的仿真結果看，流入熱量與流出熱量是相等的，滿足能量守恒定律。
3.單軸直桿瞬態熱分析
不同于穩態傳熱分析，瞬態傳熱分析是指一個系統的加熱或冷卻過程。在穩態傳熱分析中，分析步時間是沒有意義的；而在瞬態傳熱分析中，分析步的時間是有實際意義的。
3.1.問題描述
如圖所示的單軸直桿傳熱模型（不考慮輻射和對流換熱），熱流率Q=1W從溫度T(0)端流入，流過長度L=400mm，橫截面積A=10×10mm2的直桿，從溫度T(L)=20°C端流出，假設材料為鋁合金，導熱系數k=100W/(m°C)，計算直桿的左端點和中點的溫度隨時間的變化曲線。
3.2.有限元解
1）材料定義
不同于穩態熱分析，在瞬態熱分析中除了定義熱導率（Conductivity）之外，還需要定義密度（Density）和比熱容（Specific Heat）。
2）分析步設置
定義瞬態傳熱分析步，分析步時間為60s。初始增量步設為1s，最小增量步設為0.0006s，最大增量步設為1s。每個增量步所允許的溫度的最大變化設為50°C。
3）邊界條件和載荷
邊界條件和載荷同上述穩態熱分析。另外再對整個直桿施加20°C的初始溫度場。
4）網格劃分
網格劃分同上述穩態熱分析。
5）溫度分布仿真結果
展開 而頻響應曲線——激勵頻率與響應（位移、加速度等）的關系曲線就是一個直觀效果展示方式，即可以評價特定頻率下減振措施的減振效果，也可以觀察到具有減振效果的頻帶有多寬（這對于實際問題的魯棒性非常重要，因為材料與激勵并不會像分析計算模型一樣那么理想）。為了獲得如圖0所示的頻響曲線，可以進行穩態分析。為了在最終的頻響曲線中考慮到材料或者減（吸）振器阻尼耗能的頻率相關特性，就可以利用模態阻尼。本文主要介紹相關概念以及在Abaqus中的實現過程，并進而引出減振產品（結構）開發與優化問題的提法。
▲圖0 頻響曲線
2. 穩態動力學分析
在簡諧激振作用下的強迫振動，包含過渡過程和穩態響應兩部分。由于結構中不可避免地會出現阻尼力，過渡過程是迅速衰減的瞬態振動；同系統的穩態響應相比較，這種瞬態振動在某些問題中是相對次要的，因而可以不與考慮。所討論的穩態動力學分析(SteadyState Dynamics)是指在簡諧激勵作用下的系統穩態響應。盡管穩態分析是針對諧振激勵，但是由于任意一個振動激勵我們都可以通過看作是頻域上若干簡諧激勵的疊加，因此穩態分析對于控制某個隨機的振動過程也非常重要。可以指導減振產品開發與優化。
在Abaqus中的三種穩態動力分析計算方法：Direct, modal，subspace。對于三種方法的適用性可以參考Abqus用戶手冊或者《Abaqus動力學有限元分析指南》。由于modal方法的計算量較小便于快速評估產品方案，因此這里主要介紹基于modal法穩態分析得到頻響曲線。
3. 模態阻尼
對于粘彈性材料來說，材料本身的耗能特性就與頻率相關；而由粘彈性材料與其他材料一起制作而成的構件在不同頻率（或者不同模態/陣型/mode shape））對應的耗能特性（阻尼）并不一樣，由此引入模態阻尼的概念。
展開 Abaqus穩態動力學分析包含以下三種方法：
直接穩態動力學分析（Steady-stats dynamics,Direct）
模態穩態動力學分析（Steady-stats dynamics,Modal）
子空間穩態動力學分析（Steady-stats dynamics,Subspace）
① 直接穩態動力學
在直接穩態動力學分析中，系統的穩態諧波響應是通過對模型的原始方程直接積分計算出來的。
當系統具有以下特征時，不能提取特征模態，則可用直接法進行穩態響應分析：
l存在非對稱剛度；
l包含模態阻尼以外的其他形式阻尼；
l必須考慮粘彈性材料特性（具有頻變特性）。
進行直接穩態動力學分析不需要提取系統的特征模態，而是在每個頻率點對整個模型進行復雜的積分運算。因此，對于具有大阻尼和頻變特性的模型，應用直接法求解比模態分析法精確，但耗時較多。
② 模態穩態動力學分析
模態穩態動力學分析方法是基于模態疊加法求解系統的穩態響應。在求解模態穩態響應之前必須先提取無阻尼的特征模態，通過變換使系統解藕，得到一組用模態坐標表示的單自由度運動方程。求解各個單自由度運動方程得到系統在模態坐標下的穩態響應后，通過變換最后獲得系統在物理坐標下的穩態響應。
模態穩態動力學分析具有以下特點：
l分析速度快，耗時最少（相比直接法和子空間法）；
l計算精度低于直接法和子空間法；
l不適于分析具有大阻尼特征的模型；
l不適于分析具有粘彈材料（頻變特性）的模型。
另外需要注意，使用基于模態的分析方法時，用戶必須確定需要保留的特征模態，以確保用這些模態能夠精確描述系統的動力學特征。
③ 子空間穩態動力學分析
與模態動力學分析不同，子空間穩態動力學分析是將運動方程投影到一組特征模態上再進行求解。
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</p><h2><strong style="color: rgb(255, 255, 255); background-color: rgb(255, 192, 0);">目標</strong></h2><p>對鋼制和瓷制茶壺進行穩態與瞬態熱分析。
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系統
Windows 11 + WSL2 (Ubuntu)
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預估性能：200點DOE（穩態分析
打開 Ansys Workbench，創建一個穩態熱分析系統（Steady State Thermal Analysis system）。
2. 定義材料屬性。大多數太陽能電池板由硅制成，此處僅作演示使用硅材料。球體采用鋼材作為材料，用以表示熱源。
3. 導入模型，其外觀如圖1所示。
圖1：太陽能電池板與熱源
4. 為幾何模型賦予材料屬性。
5.
您將掌握用于處理移動和變形邊界的動網格技術，用于模擬復雜液體和顆粒懸浮液的歐拉及離散相多相流仿真，以及在真實案例研究中應用的湍流模型（如 k-epsilon、k-omega RNG）、共軛傳熱和非穩態（瞬態）分析。通過逐步教程，您將學習如何使用尖端的 ANSYS 后處理工具提取、解釋和驗證仿真數據，包括速度、壓力、溫度、湍流強度、空化區域和混合時間等。
本案例適合哪些人學習：
1、學習型仿真工程師
2、理工科院校學生
3、對有限元分析感興趣的工程師
你會得到什么：
1、學習3D打印頭三維模型的處理
2、學習穩態熱分析步的建立
3、學習穩態熱分析的邊界條件的施加
4、學習穩態熱分析的載荷的施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020R2.
全類型仿真分析，覆蓋核心需求：支持全尺度流場分析（穩態/瞬態、層流/湍流等）、全類型熱管理（共軛傳熱、自然/強制對流、輻射等）、多物理場耦合（流-固-熱-聲-運動聯動），還可實現多相流、旋轉機械、氣動噪聲、非牛頓流體等復雜場景仿真，同時支持與Altair? EDEM? 耦合，完成顆粒-流體系統仿真，滿足不同行業的個性化需求。
3.
演示了對筆記本電腦進行穩態熱分析的流程。其中涵蓋了對流、溫度相關導熱系數、接觸熱導以及內部熱源的使用方法。
優先選穩態熱分析做快速方案篩選，再用瞬態熱分析驗證動態響應，最后用Fluent優化流體對流細節。
2. 涉及電磁發熱時，用Electrothermal或 Maxwell + 熱模塊；需評估熱變形 / 應力時，添加熱 - 結構耦合。
3. 電子散熱優先用IcePak提高效率；復雜工業流體（如燃燒、多相流）必須用Fluent。
模擬與網格
我們采用某品牌空調室外機作為穩態分析的仿真模型，如下圖所示，左側與后側的進口流域，以及前側的出口流域都考慮到計算中，并對空調內部結構簡化后進行網格劃分，最終網格單元數868萬，其中，風扇葉片的旋轉速度是850rpm。
特殊工況：穩態傳輸分析</strong></p><p>在穩態傳輸分析步中，材料在固定網格內對流。
