[教育]有限元方法與ansys應(yīng)用第10講-熱分析

1、有限元方法與ANSYS應(yīng)用Finite Elements Method & ANSYS,熱分析,ANSYS熱分析,熱分析的目的: 熱分析在許多工程應(yīng)用中扮演著重要角色，如內(nèi)燃機(jī)、渦輪機(jī)、換熱器、管路系統(tǒng)、電子元件等等。通常在完成熱分析后將進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，計(jì)算由于熱膨脹或收縮而引起的熱應(yīng)力。,,ANSYS熱分析,熱分析的內(nèi)容: 熱分析用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)或部件的溫度分布及其它熱物理參數(shù)，

2、我們一般關(guān)心的參數(shù)有：溫度的分布熱量的增加或損失熱梯度熱流密度,,ANSYS熱分析,熱分析的基本思路: ANSYS熱分析基于由能量守恒原理導(dǎo)出的熱平衡方程，使用有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度，并由其導(dǎo)出其它熱物理參數(shù)。,,ANSYS熱分析,熱分析的類型: 1．穩(wěn)態(tài)熱分析確定在穩(wěn)態(tài)的條件下的溫度分布及其他熱特性，穩(wěn)態(tài)條件指熱量隨時(shí)間的變化可以忽略。2．瞬態(tài)熱分析則計(jì)算在隨時(shí)間變化的條件下，溫度的分布和熱

3、特性。,,ANSYS熱分析,熱分析的類型--耦合場(chǎng)分析: ANSYS中可與熱分析進(jìn)行耦合的方式有熱--結(jié)構(gòu)、熱--電磁等。耦合場(chǎng)分析可以使用ANSYS中的矩陣耦合單元。,,ANSYS熱分析,熱分析的邊界條件: ANSYS熱分析的邊界條件或初始條件可分為七種：溫度，熱流率、熱流密度、對(duì)流、輻射、絕熱、生熱。在ANSYS中有相關(guān)的命令及其等效的菜單路徑。,,ANSYS熱分析,三種主要熱傳遞方式: 熱傳導(dǎo)熱對(duì)流

4、熱輻射,,ANSYS熱分析,熱對(duì)流: 熱對(duì)流在ANSYS中作為一種面載荷，施加于實(shí)體或殼單元的表面。首先需要輸入對(duì)流換熱系數(shù)和環(huán)境流體溫度，計(jì)算出通過(guò)表面的熱流量。如果對(duì)流換熱系數(shù)依賴于溫度，可以定義溫度表，以及在每一個(gè)溫度點(diǎn)處的對(duì)流換熱系數(shù)。,,ANSYS熱分析,熱輻射: ANSYS提供了四種方法來(lái)解決非線性的輻射問(wèn)題：輻射桿單元（LINK31）使用含熱輻射選項(xiàng)的表面效應(yīng)單元（SURF151-2D,或SURF

5、152-3D）在AUX12中，生成輻射矩陣，作為超單元參與熱分析使用Radiosity求解器方法,,ANSYS熱分析--基礎(chǔ)知識(shí):,傳熱學(xué)經(jīng)典理論回顧 熱分析遵循熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律。對(duì)于一個(gè)封閉的系統(tǒng)（沒(méi)有質(zhì)量的流入或流出）：式中： —熱量； —作功； —系統(tǒng)內(nèi)能； —系統(tǒng)動(dòng)能； —系統(tǒng)勢(shì)能對(duì)大多數(shù)工程傳熱問(wèn)題：；,,ANSYS熱分析--基礎(chǔ)知識(shí):,傳熱學(xué)經(jīng)典理論回顧 通常不考慮做功

6、：則：,,ANSYS熱分析--基礎(chǔ)知識(shí):,傳熱學(xué)經(jīng)典理論回顧 對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱分析：即流入的熱量等于流出的熱量；對(duì)于瞬態(tài)熱分析：即流入流出的熱傳遞速率等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化。,,ANSYS熱分析--基礎(chǔ)知識(shí):,傳熱學(xué)經(jīng)典理論回顧 對(duì)于熱傳導(dǎo)：熱傳導(dǎo)可以定義為完全接觸的兩個(gè)物體之間或一個(gè)物體的不同部分之間由于溫度梯度而引起的內(nèi)能的交換。熱傳導(dǎo)遵循傅立葉定律：式中 為熱流密度（W/m2）， 為導(dǎo)熱系數(shù)(W/m-℃)

7、，負(fù)號(hào)表示熱量流向溫度降低的方向。,,ANSYS熱分析--基礎(chǔ)知識(shí):,傳熱學(xué)經(jīng)典理論回顧 對(duì)于熱對(duì)流：熱對(duì)流是指固體的表面與它周圍接觸的流體之間，由于溫差的存在引起的熱量的交換。熱對(duì)流可以分為兩類：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。熱對(duì)流用牛頓冷卻方程來(lái)描述： 式中 為對(duì)流熱換系數(shù)（或稱膜傳熱系數(shù)、給熱系數(shù)、膜系數(shù)等）； 為固體表面的溫度； 表示為周圍流體的溫度。,,ANSYS熱分析--基礎(chǔ)知識(shí):,傳熱學(xué)經(jīng)典理論回顧 對(duì)于熱輻射：

8、熱輻射指物體發(fā)射電磁能，并被其它物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過(guò)程。物體溫度越高，單位時(shí)間輻射的熱量越多。熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流都需要有傳熱介質(zhì)，而熱輻射無(wú)須任何介質(zhì)。實(shí)質(zhì)上，在真空中的熱輻射效率最高。,,ANSYS熱分析--基礎(chǔ)知識(shí):,傳熱學(xué)經(jīng)典理論回顧 對(duì)于熱輻射：在工程中通常考慮兩個(gè)或兩個(gè)以上物體之間的輻射，系統(tǒng)中每個(gè)物體同時(shí)輻射并吸收熱量。它們之間的凈熱量傳遞可以用斯蒂芬—波爾茲曼方程來(lái)計(jì)算：,,ANSYS熱分析--基礎(chǔ)知識(shí):,傳熱學(xué)

9、經(jīng)典理論回顧 對(duì)于熱輻射：式中 為熱流率， 為輻射率（黑度）， 為斯蒂芬－波爾茲曼常數(shù)，約為5.67×10-8W/m2.K4， 為輻射面1的面積， 為由輻射面1到輻射面2的形狀系數(shù)，,,ANSYS熱分析--基礎(chǔ)知識(shí):,傳熱學(xué)經(jīng)典理論回顧 對(duì)于熱輻射：式中 為輻射面1的絕對(duì)溫度， 為輻射面2的絕對(duì)溫度。由上式可以看出，包含熱輻射的熱分析是高度非線性的。,,ANSYS熱分析--基礎(chǔ)知識(shí):,傳熱學(xué)

10、經(jīng)典理論回顧 對(duì)于穩(wěn)態(tài)傳熱： 如果系統(tǒng)的凈流濾為0，即流入體統(tǒng)的熱量加上系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱量等于流出系統(tǒng)的熱量：則系統(tǒng)熱穩(wěn)態(tài)。,,ANSYS熱分析--基礎(chǔ)知識(shí):,傳熱學(xué)經(jīng)典理論回顧 對(duì)于穩(wěn)態(tài)傳熱： 在穩(wěn)態(tài)熱分析中，任一節(jié)點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化。穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程為（以矩陣形式表示）：,,ANSYS熱分析--基礎(chǔ)知識(shí):,傳熱學(xué)經(jīng)典理論回顧 對(duì)于穩(wěn)態(tài)傳熱：式中： 為傳導(dǎo)矩陣，包含熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)及輻射和形

11、狀系數(shù)； 為節(jié)點(diǎn)溫度向量； 為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，,,ANSYS熱分析--基礎(chǔ)知識(shí):,傳熱學(xué)經(jīng)典理論回顧 對(duì)于穩(wěn)態(tài)傳熱： ANSYS利用模型幾何差數(shù)、材料熱性能參數(shù)以及所施加的邊界條件，生成 、 及 。,,ANSYS熱分析--基礎(chǔ)知識(shí):,傳熱學(xué)經(jīng)典理論回顧 對(duì)于瞬態(tài)傳熱： 瞬態(tài)傳熱過(guò)程是指一個(gè)系統(tǒng)的加熱或冷卻過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)的溫度、熱流率、熱邊界條件以及系統(tǒng)內(nèi)能隨時(shí)

12、間都有明顯變化。根據(jù)能量守恒原理，瞬態(tài)熱平衡可以表達(dá)為（以矩陣形式表示）：,,ANSYS熱分析--基礎(chǔ)知識(shí):,傳熱學(xué)經(jīng)典理論回顧 對(duì)于瞬態(tài)傳熱： 式中： 為傳導(dǎo)矩陣，包含熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)及輻射和形狀系數(shù)； 為比熱矩陣，考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加； 為節(jié)點(diǎn)溫度向量； 為溫度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)； 為節(jié)點(diǎn)熱流率向量。,,ANSYS熱分析--基礎(chǔ)知識(shí):,傳熱學(xué)經(jīng)典理論回顧 對(duì)于非線性熱分析： 如果有下列情況產(chǎn)生，則為非線性熱分析：

13、 材料熱性能隨溫度變化，如K(T)，C(T)等； 邊界條件隨溫度變化，如h(T)等； 含有非線性單元； 考慮輻射傳熱。,,ANSYS熱分析--基礎(chǔ)知識(shí):,傳熱學(xué)經(jīng)典理論回顧 對(duì)于非線性熱分析：非線性熱分析的熱平衡方程為：,,ANSYS熱分析,熱分析的基本過(guò)程—三步曲1 建模2 施加載荷計(jì)算3 查看并顯示結(jié)果,,ANSYS熱分析,熱分析的基本過(guò)程—三步曲1 建模,,ANSYS熱分析,熱分析的基本

14、過(guò)程—三步曲2 施加載荷計(jì)算,,ANSYS熱分析,熱分析的基本過(guò)程—三步曲2 施加載荷計(jì)算,,ANSYS熱分析,熱分析的基本過(guò)程—三步曲2 施加載荷計(jì)算(3) 確定載荷步選項(xiàng),,ANSYS熱分析,熱分析的基本過(guò)程—三步曲2 施加載荷計(jì)算(3) 確定載荷步選項(xiàng)(4) 確定分析選項(xiàng)(選擇求解器)(5) 求解,,ANSYS熱分析,熱分析的基本過(guò)程—三步曲3 查看并顯示結(jié)果,,ANSYS熱分析,穩(wěn)態(tài)熱分析瞬態(tài)熱分析熱輻射分