搜索ANSYS热分析指南与案例分析（二）
2017-05-08 by:CAE仿真在线 来源:互联网
第三章 稳态传热分析
一、稳态传热的定义
稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响。通常在进行瞬态热分析以前,进行稳态热分析用于确定初始温度分布。
稳态热分析可以通过有限元计算确定由于稳定的热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数
二、热分析的单元
热分析涉及到的单元有大约40种,其中纯粹用于热分析的有14种:
线性: LINK32 两维二节点热传导单元
LINK33 三维二节点热传导单元
LINK34 二节点热对流单元
LINK31 二节点热辐射单元
二维实体: PLANE55 四节点四边形单元
PLANE77 八节点四边形单元
PLANE35 三节点三角形单元
PLANE75 四节点轴对称单元
PLANE78 八节点轴对称单元
三维实体 SOLID87 六节点四面体单元
SOLID70 八节点六面体单元
SOLID90 二十节点六面体单元
壳 SHELL57 四节点
点 MASS71
有关单元的详细解释,请参阅《ANSYS Element Reference Guide》
三、ANSYS稳态热分析的基本过程
ANSYS热分析可分为三个步骤:
· 前处理: 建模
· 求解: 施加载荷计算
· 后处理: 查看结果
1、建模
①、确定jobname、title、unit;
②、进入PREP7前处理,定义单元类型,设定单元选项;
③、定义单元实常数;
④、定义材料热性能参数,对于稳态传热,一般只需定义导热系数,它可以是恒定的,也可以随温度变化;
⑤、创建几何模型并划分网格,请参阅《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。
2、施加载荷计算
①、定义分析类型
l 如果进行新的热分析:
Command: ANTYPE, STATIC, NEW
GUI: Main menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis>Steady-state
l 如果继续上一次分析,比如增加边界条件等:
Command: ANTYPE, STATIC, REST
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 30 feet
总壁厚 2 inch
不锈钢层壁厚 0.75 inch
玻纤层壁厚 1 inch
铝层壁厚 0.25 inch
筒长 200 feet
导热系数 不锈钢 8.27 BTU/hr.ft.oF
玻纤 0.028 BTU/hr.ft.oF
铝 117.4 BTU/hr.ft.oF
边界条件 空气温度 70 oF
海水温度 44.5 oF
空气对流系数 2.5 BTU/hr.ft2.oF
海水对流系数 80 BTU/hr.ft2.oF
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)
Rss=15-(0.75/12) !不锈钢层内径ft)
Rins=15-(1.75/12) !玻璃纤维层内径(ft)
Ral=15-(2/12) !铝层内径 (ft)
Tair=70 !潜水艇内空气温度
Tsea=44.5 !海水温度
Kss=8.27 !不锈钢的导热系数 (BTU/hr.ft.oF)
Kins=0.028 !玻璃纤维的导热系数 (BTU/hr.ft.oF)
Kal=117.4 !铝的导热系数(BTU/hr.ft.oF)
Hair=2.5 !空气的对流系数(BTU/hr.ft2.oF)
Hsea=80 !海水的对流系数(BTU/hr.ft2.oF)
/prep7
et,1,plane55 !定义二维热单元
mp,kxx,1,Kss !设定不锈钢的导热系数
mp,kxx,2,Kins !设定玻璃纤维的导热系数
mp,kxx,3,Kal !设定铝的导热系数
pcirc,Ro,Rss,-0.5,0.5 !创建几何模型
pcirc,Rss,Rins,-0.5,0.5
pcirc,Rins,Ral,-0.5,0.5
aglue,all
numcmp,area
lesize,1,,,16 !设定划分网格密度
lesize,4,,,4
lesize,14,,,5
lesize,16,,,2
eshape,2 !设定为映射网格划分
mat,1
amesh,1
mat,2
amesh,2
mat,3
amesh,3
/SOLU
SFL,11,CONV,HAIR,,TAIR !施加空气对流边界
SFL,1,CONV,HSEA,,TSEA !施加海水对流边界
SOLVE
/POST1
PLNSOL !输出温度彩色云图
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,接管内流体的温度为华氏100度,与管壁的对流换热系数随管壁温度而变。接管与罐为同一种材料,它的热物理性能如下表所示:
|
温度 |
70 |
200 |
300 |
400 |
500 |
oF |
|
密度 |
0.285 |
0.285 |
0.285 |
0.285 |
0.285 |
lbm/in3 |
|
导热系数 |
8.35 |
8.90 |
9.35 |
9.8 |
10.23 |
Btu/hr-ft-oF |
|
比热 |
0.113 |
0.117 |
0.119 |
0.122 |
0.125 |
Btu/lbm-oF |
|
对流系数* |
426 |
405 |
352 |
275 |
221 |
Btu/hr-ft2-oF |
*接管内壁对流系数
求罐与接管的温度分布。
以下分别列出LOG文件及菜单操作
/prep7
/title,Steady-state thermal analysis of pipe junction
/units,bin !使用英制单位
et,1,90 !定义热单元
mp,dens,1,.285 !密度
mptemp,,70,200,300,400,500 !建立温度表
mpdata,kxx,1,,8.35/12,8.90/12,9.35/12,9.80/12,10.23/12 !导热系数
mpdata,c,1,,0.133,0.177,0.119,0.122,0.125 !比热
mpdata,hf,2,,426/144,405/144,352/144,275/144,221/144 !接管对流系数
!定义几何模型参数
ri1=1.3 !罐内半径
ro1=1.5 !罐外半径
z1=2 !罐长
ri2=0.4 !接管内半径
ro2=0.5 !接管外半径
z2=2 !接管长
!建立几何模型
cylind,ri1,ro1,,z1,,90 !1/4罐体
wprota,0,-90 !将工作平面旋转到垂直于接管轴线
cylind,ri2,ro2,,z2,-90 !1/4接管
wpstyl,defa !将工作平面恢复到默认状态
vovlap,1,2 !进行OVERLAP布尔操作
/pnum,volu,1 !打开实体编号
/view,,-3,-1,1 !定义显示角度
/type,,4
/title, Volumes used in building pipe/tank junction
vplot !显示实体
vdele,3,4,,1 !删除多余实体
!划分网格
asel,,loc,z,z1 !选择罐上Z=Z1的面
asel,a,loc,y,0 !添加选择罐上Y=0的面
cm,aremote,area !创建名为AREMOTE的面组
/pnum,area,1
/pnum,line,1
/title,lines showing the portion being modeled
aplot
/noerase
lplot
/erase
accat,all !组合罐远端的面及线,为映射划分网
!格作准备
lccat,12,7
lccat,10,5
lesize,20,,,4 !在接管壁厚方向分4等分
lesize,40,,,6 !在接管长度方向分6等分
lesize,6,,,4 !在罐壁厚方向分4等分
allsel !选择EVERYTHING
esize,0.4 !设定默认的单元大小
mshape,0,3d !选择3D映射网格
mshkey,1
save !保存数据文件
vmesh,all !划分网格,产生节点与单元
/pnum,defa
/title, elements in portion being modeled
eplot !显示单元
finish
!加载求解
/solu
antype,static !定义为稳态分析
nropt,auto !设置求解选项为Program-chosen
!Newton-Raphson
tunif,450 !设定初始所有节点温度
csys,1 !变为柱坐标
nsel,s,loc,x,ri1 !选择罐内表面的节点
sf,all,conv,250/144,450 !定义对流边界条件
cmsel,,aremote !选择AREMOTE面组
nsla,,1 !选择属于AREMOTE面组的节点
d,all,temp,450 !定义节点温度
wprota,0,-90 !将工作平面旋转到垂直于接管轴线
cswpla,11,1 !创建局部柱坐标
nsel,s,loc,x,ri2 !选择接管内壁的节点
sf,all,conv,-2,100 !定义对流边界条件
allsel !选择EVERYTHING
/pbc,temp,,1 !显示所有温度约束
/psf,conv,,2 !显示所有对流边界
/title,Boundary conditions
nplot !显示节点
wpstyle,defa !工作平面恢复默认状态
csys,0 !变为直角坐标
autots,on !打开自动步厂长
nsubst,50 !设定子步数量
kbc,0 !设定为阶越
outpr,nsol,last !设置输出
solve !进行求解
finish
!进入后处理
/post1
/title,Temperature contrours at pipe/tank junction
plnsol,temp !显示温度彩色云图
finish
/exit,all
菜单操作
1、设定标题:Utility Menu>File>Change Title,输入Steady-State analysis of pipe junction,选择OK;
2、设定单位制:在命令提示行输入/UNITS,BIN;
3、定义单元类型:Main Menu>Preprocesor>Element Type>Add/Edit/Delete,选择Thermal Solid, Bricck 20 node 90号单元;
4、定义材料属性
(1)Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Constant->Isotropic,默认材料编号1,在DENSITY框中输入0.285;
(2)Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Temp Dependent->Temp Table,输入温度70,200,300,400,500;
(3)Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Temp Dependent->Prop Table,选择导热系数KXX,材料编号为1,输入与温度表对应的导热系数8.35/12,8.9/12,9.35/12,9.8/12,10.23/12,选择APPLY;
(4)选择比热C,材料编号为1,输入0.113,0.117,0.119,0.122,0.125,选择APPLY;
(5)选择对流系数HF,材料编号为2,输入426/144,405/144,352/144,275/144, 221/144,选择OK。
5、定义几何模型参数:Utility Menu>Parameters>Scalar Parameters,输入ri1=1.3,ro1=1.5,z1=2,ri2=0.4,ro2=0.5,z2=2;
6、建立几何模型
(1)Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Volumes->Cylinder>By
Dimensions, Outer radius框中输入ro1,Optional inner radium框中输入ri1,Z coordinates框中输入0和Z1,Ending angle框中输入90;
(2)Utility Menu>WorkPlane>Offset WP by Increments,在XY,YZ,ZX框中输入0,-90;
(3)Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Volumes->Cylinder>By
Dimensions; Outer radius框中输入ro2, Optional inner radium框中输入ri2, Z coordinates框中输入0和Z2,Starting angle框中输入-90,Ending angle框中输入0;
(4)Utility Menu>WorkPlane>Align WP with>Global Cartesian;
7、进行布尔操作:Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Operate>-Booleans->
Overlap >Volumes,选择Pick All;
(综合自网络)
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