ANSYS的热分析 下载本文

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

②、 施加载荷

可以直接在实体模型或单元模型上施加五种载荷(边界条件) : a、恒定的温度

通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上。

Command Family: D

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

b、热流率

热流率作为节点集中载荷,主要用于线单元模型中(通常线单元模型不能施加对流或热流密度载荷),如果输入的值为正,代表热流流入节点,即单元获取热量。如果温度与热流率同时施加在一节点上则ANSYS读取温度值进行计算。

注意:如果在实体单元的某一节点上施加热流率,则此节点周围的单元要密一些,在两种导热系数差别很大的两个单元的公共节点上施加热流率时,尤其要注意。此外,尽可能使用热生成或热流密度边界条件,这样结果会更精确些。

Command Family: F

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

c、对流

对流边界条件作为面载施加于实体的外表面,计算与流体的热交换,它仅可施加于实体和壳模型上,对于线模型,可以通过对流线单元LINK34考虑对流。

Command Family: SF

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

d、热流密度

热流密度也是一种面载。当通过单位面积的热流率已知或通过FLOTRAN CFD计算得到时,可以在模型相应的外表面施加热流密度。如果输入的值为正,代表热流流入单元。热流密度也仅适用于实体和壳单元。热流密度与对流可以施加在同一外表面,但ANSYS仅读取最后施加的面载进行计算。

Command Family: F

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

e、生热率

生热率作为体载施加于单元上,可以模拟化学反应生热或电流生热。它的单位是单位体积的热流率。

Command Family: BF

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

③、确定载荷步选项

对于一个热分析,可以确定普通选项、非线性选项以及输出控制。 a. 普通选项 ?

时间选项:虽然对于稳态热分析,时间选项并没有实际的物理意义,但它提供了一个方便的设置载荷步和载荷子步的方法。

Command: TIME

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

? 每载荷步中子步的数量或时间步大小:对于非线性分析,每一载荷步需要多个子步。

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

? 递进或阶越选项:如果定义阶越(stepped)选项,载荷值在这个载荷步内保持不变;如果为递进(ramped)选项,则载荷值由上一载荷步值到本载荷步值随每一子步线性变化。

Command: KBC

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

b. 非线性选项 ?

迭代次数:本选项设置每一子步允许的最多的迭代次数。默认值为25,对大数热分析问题足够。

Command: NEQIT

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

? 自动时间步长: 对于非线性问题,可以自动设定子步间载荷的增长,保证求解的稳定性和准确性。

Command: AUTOTS

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

? 收敛误差:可根据温度、热流率等检验热分析的收敛性。

Command: CNVTOL

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

? 求解结束选项:如果在规定的迭代次数内,达不到收敛,ANSYS可以停止求解或到下一载荷步继续求解。

Command: NCNV

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

? 线性搜索:设置本选项可使ANSYS用Newton-Raphson方法进行线性搜索。

Command: LNSRCH

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

? 预测矫正:本选项可激活每一子步第一次迭代对自由度求解的预测矫正。

Command: PRED

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

c. 输出控制 ?

控制打印输出:本选项可将任何结果数据输出到*.out 文件中。

Command: OUTPR

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

? 控制结果文件:控制*.rth的内容。

Command: OUTRES

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

④、确定分析选项

a. Newton-Raphson选项(仅对非线性分析有用)

Command: NROPT

GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options

b. 选择求解器:可选择如下求解器中一个进行求解:

? ? ? ? ?

Frontal solver(默认)

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:热分析可选用Iterative选项进行快速求解,但如下情况除外:

? ? ? ?

热分析包含SURF19或SURF22或超单元; 热辐射分析; 相变分析

需要restart an analysis

c. 确定绝对零度:在进行热辐射分析时,要将目前的温度值换算为绝对温度。如果使

用的温度单位是摄氏度,此值应设定为273;如果使用的是华氏度,则为460。

Command: TOFFST

GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options

⑤、 保存模型: 点击ANSYS工具条SAVE_DB。

⑥、求解

Command: SOLVE

GUI: Main Menu>Solution>Current LS

3、后处理

ANSYS将热分析的结果写入*.rth文件中,它包含如下数据: 基本数据:

? 节点温度

导出数据:

? 节点及单元的热流密度 ? 节点及单元的热梯度 ? 单元热流率

? 节点的反作用热流率 ? 其它

对于稳态热分析,可以使用POST1进行后处理,关于后处理的完整描述,可参阅《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》。 进入POST1后,读入载荷步和子步:

Command: SET

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

可以通过如下三种方式查看结果:

?

彩色云图显示

Command: PLNSOL, PLESOL, PLETAB等

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

? 矢量图显示

Command: PLVECT

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

? 列表显示

Command: PRNSOL, PRESOL, PRRSOL等

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

详细过程请参阅《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》。 实例1:

某一潜水艇可以简化为一圆筒,它由三层组成,最外面一层为不锈钢,中间为玻

纤隔热层,最里面为铝层,筒内为空气,筒外为海水,求内外壁面温度及温度分布。

几何参数: 筒外径

总壁厚

30 feet 2

inch 0.75 inch 1

inch 0.25 inch 200 feet 0.028 70

o

不锈钢层壁厚 玻纤层壁厚 铝层壁厚 筒长 玻纤 铝

不锈钢

导热系数

8.27 BTU/hr.ft.oF

BTU/hr.ft.oF

117.4

BTU/hr.ft.oF F

边界条件 空气温度 海水温度

44.5 oF

2.5 BTU/hr.ft2.oF 80 BTU/hr.ft2.oF

空气对流系数 海水对流系数

沿垂直于圆筒轴线作横截面,得到一圆环,取其中1度进行分析,如图示。 以下分别列出log文件和菜单文件。 /filename, Steady1

/title, Steady-state thermal analysis of submarine /units, BFT Ro=15

!外径(ft) !不锈钢层内径ft) !玻璃纤维层内径(ft) !铝层内径 (ft)

Rss=15-(0.75/12) Ral=15-(2/12) Tair=70 Tsea=44.5 Kss=8.27 Kins=0.028 Kal=117.4 Hair=2.5 Hsea=80 /prep7 et,1,plane55

!定义二维热单元 !设定不锈钢的导热系数 !设定玻璃纤维的导热系数 !设定铝的导热系数 !创建几何模型

mp,kxx,1,Kss mp,kxx,2,Kins mp,kxx,3,Kal

Rins=15-(1.75/12)

!潜水艇内空气温度 !海水温度

!不锈钢的导热系数

!玻璃纤维的导热系数 !铝的导热系数

!空气的对流系数 !海水的对流系数

pcirc,Ro,Rss,-0.5,0.5 pcirc,Rss,Rins,-0.5,0.5 pcirc,Rins,Ral,-0.5,0.5 aglue,all numcmp,area lesize,1,,,16 lesize,4,,,4 lesize,14,,,5 lesize,16,,,2

!设定划分网格密度

eshape,2 mat,1 amesh,1 mat,2 amesh,2 mat,3 amesh,3 /SOLU

!设定为映射网格划分

SFL,11,CONV,HAIR,,TAIR !施加空气对流边界 SFL,1,CONV,HSEA,,TSEA SOLVE /POST1 PLNSOL finish 菜单操作:

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

2. Utility Menu>File>change title,输入Steady-state thermal analysis of submarine; 3. 在命令行输入:/units, BFT; 4. Main Menu: Preprocessor;

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

6. Main Menu: Preprocessor>Material Prop>-Constant-Isotropic,默认材料编号为1,在KXX框中输入

!施加海水对流边界

!输出温度彩色云图

8.27,选择APPLY,输入材料编号为2,在KXX框中输入0.028,选择APPLY,输入材料编号为3,在KXX框中输入117.4;

7. Main Menu: Preprocessor>-Modeling->Create>-Areas-Circle>By Dimensions ,在RAD1中输入15,

在RAD2中输入15-(.75/12),在THERA1中输入-0.5,在THERA2中输入0.5,选择APPLY,在RAD1中输入15-(.75/12),在RAD2中输入15-(1.75/12),选择APPLY,在RAD1中输入15-(1.75/12),在RAD2中输入15-2/12,选择OK;

8. Main Menu: Preprocessor>-Modeling->Operate>-Booleane->Glue>Area,选择PICK ALL; 9. Main Menu: Preprocessor>-Meshing-Size Contrls>-Lines-Picked Lines,选择不锈钢层短边,在

NDIV框中输入4,选择APPLY,选择玻璃纤维层的短边,在NDIV框中输入5,选择APPLY,选择铝层的短边,在NDIV框中输入2,选择APPLY,选择四个长边,在NDIV中输入16;

10. Main Menu: Preprocessor>-Attributes-Define>Picked Area,选择不锈钢层,在MAT框中输入1,

选择APPLY,选择玻璃纤维层,在MAT框中输入2,选择APPLY,选择铝层,在MAT框中输入3,选择OK;

11. Main Menu: Preprocessor>-Meshing-Mesh>-Areas-Mapped>3 or 4 sided,选择PICK ALL; 12. Main Menu: Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Convection>On lines,选择不锈钢外壁,在VALI

框中输入80,在VAL2I框中输入44.5,选择APPLY,选择铝层内壁,在VALI框中输入2.5,在VAL2I框中输入70,选择OK;

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

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

实例2

一圆筒形的罐有一接管,罐外径为3英尺,壁厚为0.2英尺,接管外径为0.5英尺,壁厚为0.1英尺,罐与接管的轴线垂直且接管远离罐的端部。如图所示:

罐内流体温度为华氏450度,与罐壁的对流换热系数年为250BUT/hr-ft2-oF,接管内流体的温