稳态传热分析

zhengmai0101

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
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