ANSYS热分析简介1

目录

1. ANSYS热分析简介

  1. ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元的方法计算各节点的温度，并导出其他物理参数。
  2. ANSYS热分析包括热传导、热对流和热辐射三种热传递方式，此外还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。
  3. ANSYS中耦合场的分析种类有热-结构耦合、热-流体耦合、热-电耦合、热-磁耦合、热-电-磁-结构耦合等。
  4. 对于不同的零件，之间可以采用GLUE进行粘接，或者采用Overlap等方法，也可以建立接触。

1.1 传导

传导： 两个良好接触的物体之间的能量交换或一个物体内由于温度梯度引起的内部能量交换。

对流： 在物体和周围介质之间发生的热交换。由温差存在而引起的热量交换，可以分为自然对流和强对流。对流一般作为面边界条件施加。热对流用牛顿冷却方程来描述。

辐射： 一个物体或者多个物体之间通过电磁波进行能量交换。热辐射指物体发射电磁能，并被其他物体吸收转变为热的热量交换过程。物体温度越高，单位时间辐射的热量越多。热传导和热对流都需要传热介质，而热辐射无需任何介质，且在真空中的效率最高。可以看出辐射分析是高度非线性的。

1.2 热载荷分类

（1）DOF约束：温度
（2）集中载荷：热流
（3）面载荷：热流，对流
（4）体载荷：体积或者区域载荷。

1.2.1 载荷施加

序号 APDL 含义 备注
1 TUNIF 施加均匀初始温度
2 IC 施加非均匀的初始温度

1.3 热分析分类

1.3.1 稳态热分析

如果热能的流动不随时间变化的话，热传递就成为是稳态的。由于热能流动不随时间变化，系统的温度和热载荷也都不随时间变化。稳态热平衡满足热力学第一定律。通常在进行瞬态分析前，进行稳态分析用于确定初始温度分布。
对于稳态传热，一般只需要定义导热系数，他可以是恒定的，也可是是随温度变化的。

1.3.2 瞬态热分析

瞬态热分析用于计算一个系统的随时间变化的温度场及其他热参数。在工程上一般用瞬态热分析计算温度场，并将之作为热载荷进行应力分析。
热能存储效应在稳态分析被忽略，而在瞬态分析中要考虑进去。涉及到相变的分析总是瞬态分析。
除了定义导热系数、密度、比热容，材料特性应包含实体传递和存储热能的材料参数，可以定义热焓（在相变分析中需要输入）。

1.3.3 非线性分析综述

（1）辐射：高度非线性
（2）控制单元：可以改变状态的单元类型，如COMBIN37和COMBIN40经常用来模拟温度控制。
（3）与温度有关的输入：在模型中其他比较常见的引起非线性的原因包括随温度变化的边界条件（如对流换热系数）或者材料特征（如热传导率和热焓）
（4）MASS71单元：它有随温度变化的热生成率。
（5）多场单元：不知包含温度DOF的单元称为多场单元或者耦合场单元。

2. 热分析单元简介

  1. MASS71----热质量。点单元，只有一个温度自由度。具有热容但忽略内部热阻的物体，如果其内部无明显的温度梯度，则可以使用热质量单元来进行瞬态热分析。该单元还有一个功能，即温度与热产生率相关的能力。（结构分析MASS21）

  2. LINK33----三维传导杆。用于节点间热传导的单轴单元，该单元每个节点有一个温度自由度。可用于稳态和瞬态的热分析。（结构分析）

  3. LINK34----对流线单元。用于模拟节点间热对流的单轴单元。该单元每个节点只有一个温度自由度。可用于稳态和瞬态的热分析。（结构分析）

  4. LINK31----辐射线单元。用于模拟空间两点之间辐射热流率的单轴单元。每个节点有一个自由度。可以用于二维、三维的稳态和瞬态分析。（结构分析）

  5. PLANE55----二维热实体。可作为一个具有二维传导能力的平面或者轴对称单元使用。具有4节点，每个节点只有一个温度自由度。此单元有一个选项，用来模拟通过多孔介质的非线性稳态流动。（结构PLANE42）

  6. PLANE77----二维八节点热实体。是PLANE55的高阶形式，每个节点只有一个温度自由度，八节点单元有协调的温度形函数，尤其适用于描述弯曲的边界。

  7. PLANE35----二维六节点三角形热实体。是一个与PLANE77单元兼容的三角形单元。适用于形状不规则的模型划分网格。具有一个温度自由度。（结构PLANE2）

  8. PLANE75----轴对称谐分析热实体。可作为具有三维导热能力的轴对称单元使用。有4个节点，每个节点具有一个温度自由度。是PLANE55单元轴对称型的一般形式，可承受非轴对称载荷。（结构PLANE25）

  9. ** PLANE78**----八节点轴对称谐分析热实体。可作为具有三维导热能力的轴对称单元使用。每个节点只有一个温度自由度。他是PLANE77单元的一般形式，可承受非轴对称载荷。

  10. SOLID70----三维热实体。具有8个节点，每个节点有一个温度自由度。该节点可用于三维的稳态或瞬态分析问题，并可补偿由于恒定速度场质量输送带来的热流损失。（结构SOLID45）

  11. SOLID87----三维十节点四面体热实体。特别适合对不规则的模型划分网格。每个节点只有一个温度自由度。（结构SOLID92）

  12. ** SHELL131**----四节点热层壳单元。三维壳层单元，具有面内和厚度方向的热传导能力，每个节点最多可以有32个自由度，本单元使用于三维稳态或瞬态的热分析，产生的温度可施加于结构壳单元以用于模拟热弯曲。（结构SHELL43, SHELL63, SHELL143, SHELL181）

  13. SHELL132----八节点热层壳单元。节点热层壳单元。三维壳层单元，具有面内和厚度方向的热传导能力，每个节点最多可以有32个自由度，本单元使用于三维稳态或瞬态的热分析，产生的温度可施加于结构壳单元以用于模拟热弯曲。（结构SHELL91, SHELL93, SHELL99）

  14. INFIN47----三维无限边界。用于模拟无边界场问题的开放边界，其单元形状为四节点的四边形或三节点的三角形，每个节点可以有磁势或者温度自由度。所依附的单元类型有SOLID5, SOLID96, SOLID98磁单元，也可以是SOLID70, SOLID90, SOLID87热实体单元。只能进行静态分析。

  15. INFIN110----二维无限实体。用于模拟一个二维边界开发的极大场问题。所依附的单元类型可以是PLANE13, PLANE53磁单元， PLANE55, PLANE35, PLANE77热单元，或者静电单元121。分析可以是动态或者静态的。

  16. INFIN111----三维无限实体。用于模拟一个三维的边界开发极大场问题，其一个单层用于描述无限体的外部子域，具有二维磁势能，温度，或静电势能特性。可以依附SOLID96、97、98、5、62磁单元；SOLID70、90、87热单元；SOLID122、123静电单元。分析可以是动态或者静态的。

表面效应单元：参考链接

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