大型电机双层空心板Ansys绝缘热分析总结

zhaoranjun

某大型水泵电机电磁分析后对绝缘部分进行热稳定分析，自己一直在向大家索取学习无以回报，现在把曾经做的一个绝缘分析的实例一步步分解给大家，希望新手可以尽快的进入状态。

    实例工作分析：有一双层板（层1与层2），其几何形状与边界条件如图1所示。其中层1中间有一个边长为1.5cm的正方形孔。层1与层2的几何尺寸分别为6×66×10；热传导率分别为20W/m。度为 100W/m2。双层板左右两侧的温度分别为 220℃，60℃。板周围流体介质的对流介质的对流换热系数为 150W/m2（在25℃）。最下面绝热。求稳态条件下，双层板（热传导绝缘橡胶）内的温度分布。


图1  双层板几何形状及其边界条件

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我用的ansys10.0，先上传总结的pdf文档，如果没有币币的就开着网页一步步做吧。

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问题求解步骤：

1、 将 Ansys 系统单位制变成国际单位制

命令流：/units,si

2、 设置本题的标题为“Steady state slab problem”

GUI：Utility Menu>File>Change Title

在弹出的对话框中键入“Steady state slab problem”，如图 2 所示.

图2 输入标题对话框

3、 进入模块创建处理器：

命令流：/prep7

4、 设置单元类型

本题中，由于给定的是二维几何中的条件，且只涉及温度分布的求解，故可采用二维平面单元 PLAN55。点 击 Preprocessor>Element Type, 将 出 现 Element Type 菜 单 , 点 击 ElementType>Add/Edit/Delet…,将出现如图 3 所示，提示添加单元。

图3 添加单元对话框

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点击 Add。。。按钮，将出现单元类型库对话框，如图 4 所示。

图4 单元类型库

如图 4 所示，选择 Thermal Solid 单元中的 Quad 4node 55。完成单元定义后，点击图 4中的 OK 及图4 中的 Close 按钮即可。

5、 设置材料类型

根据本题给定的条件，需设置双层板中对应的两种材料，其热传导率分别为20W/m。先设置左侧板的材料属性，点击 Preprocessor>Material Props>Material Models,将出现 Define Material Model Behavior 对话框，如图 5 所示。

图5
Define Material Model Behavior 对话框

将出现如图 5 所示的对话框，左面的 Materrial Model Number1 即为指定的 1 号材料。因材料各向性，故点击 Istropic。。点击 OK 按钮后，将出现图 6 指定 1 号材料的属性，即KXX为20。如此完成材料 1 的属性设置。

图6 各向同性材料属性对话框－1 号材料

同理材料 2 的属性可按以上 GUI 方式设置，在图 5 中，点击菜单 Material 中的 New Model。出现图 7，同时点击右面的Istropic。点击 OK 按钮后，将出现图 8 指定 2 号材料的属性。即完成材料 2 的属性设置。

图7
Define Material Model Behavior 对话框

    图8  各向同性材料属性对话框－2 号材料

6、 建立几何模型

首先创建左侧板的几何模型，其基本形状为一形。点击Main Menu>Preprocessor>Modeling>Creat>Areas>Rectangle>By Dimensions,将出现如图 9 所示的对话框，在其中输入矩形 1 的各关键点坐标值，之后点击 OK 按钮。

图9  创建矩形对话框

按同样的方法，创建右侧板的几何模型，其基本形状为一矩形。点击Main Menu>Preprocessor>Modeling>Creat>Areas>Rectangle>By Dimensions，其输入的参数值为x1＝0.06，x2＝0.16，y1＝0，y2＝0.06。此时，将出现如图 10 所示的两个矩形。

图10  生成两个矩形

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接下来，创建左侧板中的方孔。为此，先创建一个与方孔大小的正方形。点击Main Menu>Preprocessor>Modeling>Creat>Areas>Rectangle>By Dimensions，将出现如图 9 所示的对话框。在图中输入其输入的参数值为x1＝0，x2＝0.015，y1＝0，y2＝0.015。此时，将出现如图 11 所示的左下角的正方形，边长为 1.5cm。

图11  箭头所指生成一个小正方形

接下来，要做的工组就是将该正方形移至矩形 1 的中心，并通过布尔运算，由此获得原始条中所定义的方形孔。为此，应先选中该圆。点 击 MainMenu>Preprocessor>Modeling>Move/Modify>Areas> Areas,将出现如图 12 所示的面积移动对话框。用鼠标点击小正方形的中心处，将出现如图 14 所示的对话框，要求输入要移动正方形要移动的 X、Y 的坐标值。

图14 输入正方形要移动的 X、Y 坐标值

分别在 X-offset in active CS、Y-offset in active CS 框中输入“0.025”“0.025”，则可将原来处于矩形 1 左下角的小正方形移至矩形 1 的中心处，如图 15 所示。

图15 箭头所指所移动位置

如果你细心你会发现，原来的正方形在图形窗口中并没有消失。不用担心，这是因为该圆在屏幕中的信息尚未及时清除，如果点击工具菜单（窗口顶部）中的 Plot>Replot，即可进行刷新，从而出现如图 16 所示的画面，此时就只有移动后的小正方形了。

图16 箭头所指所移动位置

为了更清除的显示各个绘制的图形，可点击 PlotCtrls>Numbering…，将出现如图 17 所示的对话框。

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选中其中 Area numbers 对应的复选框，并点击 OK 按钮，将出现如图 18 所示画面，由图可见，左侧矩形，右侧矩形及小正方形被分别标定为 A1、A2、A3。

图18 对面积编号

    如果执行布尔操作A1-A3 ，则可在矩形1中生成需要的孔。为此，点击Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>Areas,将出现如图 19 所示的对话框，要求用鼠标选择执行布尔操作（面积相减）的基本图元。

用鼠标点击矩形 1 的中心，将出现如图 20 所示大的对话框，询问究竟选择哪个图元。这是因为矩形 1（A1）与小正方形（A3）的几何中心点重叠在了一起；因要执行 A1-A3，故应先选中矩形 1（A1），点击图 19 的 OK 按钮，则将出现如图 21 所示画面。

此时，你可能发现原来的 A1 与 A2 已不存在了，取而代之的是 A4。若希望新生成的图元编号紧凑，可以点击 Main Menu>Preprocessor>Numbering Ctrls>Compress Numbers。由于 A4 与 A2 之间并非简单的接触关系，故应该将两者通过布尔运算粘在一起，以保证两面积在边界处共节点。点击 Main Menu>Preprocessor>Create>Operate>Glue>Areas 后，在弹出的对话框中点击 Pick All 按钮，将出现如图 22 的界面。

7、 划分网格

    划分网格是利用有限元思想求解问题中最重要的步骤之一。为利于初步入门的人掌握，这里采用网格划分工具的自由划分法，这是一种比较简洁易用的方法。点击Main Menu>Preprocessor>Meshing>MeshTool…，将出现网络划分工具对话框，如图 22所示。

选中图 22 中的 SmartSize 复选框，指定划分单元的大小（注：单元类型已在步骤 4 中进行了指定），滑动滚动条，使其值为 4。在图 22 中还可以看到，Shape 对应的单选按钮中，已默认为自由网络划分－Free 方式，直接点击 Mesh 按钮，将出现面积网格划分对话框，要求选择需要进行网格划分的面积图元，如图 23 所示。

点击图 23 中的 Pick All 按钮，将对图 23 新近生成的 A1 与 A3 两个面积进行网格划分，如图 24 所示。

   

8、 指定材料属性

到目前为止，已为几何模型生成了单元及节点，但尚未为其指明材料属性。为此应首先选择实体对象，在赋予其一定的材料属性。点击工具菜单中的 Select Entities…，将出现实体选择对话框，如图 25 所示。

提示：如果在图 25 中点击 Apply 按钮，则可以作下一次选择；如果点击 OK 按钮，则将关闭该对话框。

移动鼠标选定 A3，并点击图 26 中的 OK 按钮，将完成选择面积 A3 的选择。接着，回到图 25 中，从第一个下拉列表选择 Elements，并从第二个下拉列表中选择 Attached to，则图 25 将变成图 27 所示。

在图 27 中，选择 Areas 单选按钮，表示所要选择的单元为已选定的面积中的单元。点击 OK 按钮即选定了 A3 中的所有单元。点击 Plot>Replot，将只显示已选定的单元和面积，如图 28 所示。点击 Main Menu>Preprocessor>Material Props>Change Mat Num，将出现图 29 对话框。

zhaoranjun

点击 Select>Everything，恢复对所有图元的选择。点击 Plot>Replot，显示处所有图元，显然可以类似刚才的方法（如图 30 和图 31）将右侧矩形中的单元材料属性设置为 2，完成后应再次点击 Select>Everything， 再点击 Plot>Replot，显示全部图形。[对于刚学的人，点击 Select>Everything 是在完成对局部图元进行操作后非常重要却易遗忘的一步。如果遗忘这步，往往会导致一些意想不到的错误发生。]

完成以上步骤后，点击 PlotCtrls>Numbering…，将出现如图 17 所示的对话框。在 Elem/Attrib numbering 所在的下拉列表中选择 Material number，并点击 OK 按钮，将出现如图 32 所示的画面，图中显示出所有单元及其对应的材料类型。

9、 添加边界条件

现在需要添加边界条件，并进行求解了。首先，应进入求解器（温度分布计算求解器），需点击 Main Menu>Solution。然后，点击 Define Loads>Apply>Thermal>Temperature>OnNodes,这时将出现对话框，如图 33 所示。可采用框选方式进行选择，为此应选择中 Box单选按钮。并移动鼠标将左侧矩形的左边界框选住，将出现如图 34 所示的画面。

随后点击 OK 按钮，将出现如图 35 所示的对话框，要有输入所选各节点的温度值

根据本例最初给定的条件，左边一侧温度为 220℃，故在 If Constant value then:对应的文本框输入“220”，并点击 OK 按钮进行确认。读者可按类似的方法，为右边一侧各节点添加温度值为 60℃。完成了左右两侧各节点的温度赋值如下图 36 所示。

完成了左右两侧各节点的温度赋值，现在应该添加对流边界条件了！

点击 Main Menu>Solution>Apply>Convection>On Lines,在出现的对话框中点击 Box 单选按钮，选择框选方式。移动鼠标框选住整个几何模型的顶边一侧。点击 OK 按钮后，将出现如图 37、图 38 所示。

在图 38 中 VAL1 Film coefficient对应的文本框中输入“ 150”，表明对流换热系数为150W/m • K；在VAL2 Bulk temperature 对应的文本框中输入“25”，表明流体介质温度为25℃。然后点击OK按钮进行确认。

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因此，必须进行转换，即将实体模式的边界条件转换为有限元模式（FE 模式）。可点击 MainMenu>Solution>Define Loads>Operate>Transfer to FE>All Solid Lds,进行转换。为了能更清楚地看到转换后的对流边界条件，点击实用工具菜单上的PlotCtrls>Symbols>Surface Load Symbols,将出现如图 40 所示的对话框。

可从图 40 中看到，Surface Load Symbols 对应的下拉列表一栏已选中了 Convect Filmcoef，在 Show pres and convect as 对应的下拉列表中选择 Arrows，并点击 Ok 按钮，此时将出现如图 41 所示的画面。可以从图中看到，对对流边界条件已施加在各个节点上，而且是箭头形式。

现在需要为图 41 中的方形孔添加热流量这一热载荷了。

    为此点击 Main Menu>solution>Define Loads>Apply>Thermal>Heat Flux>On Lines。在弹出的对话框中，选择框选方式，移动鼠标，框选住组成方孔边界的四条弧线，点击 OK 按钮。此时，将出现如图 42 所示的对话框

在图 42 中，在Load HFLUX value对应的文本框中输入“100”，表示圆孔对应的热流量为100W/m2 。由于所加载荷仍然为实体模式，所以需要按前面提到的方法，将其转换为FE模式，并用箭头表示该边界条件。转换后的几何模型及边界条件如图 43。

10、稳态求解

定义好边界条件后，就该进行求解了。点击 Main Menu>Solution>Solve>Current LS,将出现如图 44 所示的对话框，提示是否开始进行求解。点击 OK 按钮进行确认。

zhaoranjun

11、行后处理

（1）、欲查看稳态条件下，双层板的温度场分布，需点击 Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu>Nodal Solution>DOF Solution>Nodal Temperature，将出现如图 46 所示的对话框。



    在图 46 中选择 DOF Solution 对应的 Nodal Temperature，并点击 OK 按钮后，即可看到如图47 所示的温度场分布图

（2）、欲查看稳态条件下，双层板的 thermal gradient（热梯度）分布，需点击 Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu>Nodal Solution>Thermal Gradient>Thermal gradient vector sum，将出现如图 48 所示的对话框。

    在图 49 中选择 Thermal Gradient 对应的 Thermal gradient vector sum，并点击 OK 按钮后，即可看到如图 50 所示的热梯度分布图。

（3）、欲查看稳态条件下，双层板的 thermal flux（热通量）分布，需点击 Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu>Nodal Solution>Thermal Flux>Thermal gradient flux sum，将出现如图 51 所示的对话框。

在图 51 中选择 Thermal Flux 对应的 Thermal flux sum，并点击 OK 按钮后，即可看到如图52 所示的热通量分布图。

（4）、欲查看稳态条件下，双层板的 Thermal flux TF，需点击 Main Menu>General Postproc>Plot Results>Vector Plot>Predefined，将出现 Vector Plot of PredefinedVectors 对话框，Item Vector item to be Ploted 右面的第一个列表中选择 Flux&gradient，接着在右面的第二个列表中选择 Thermal flux TF； Mode Vector or raster display 右面选择 Vector Mode；Loc Vector Location for results 右面选择 Elem Centroid；Edge Element edges 右面 Hidden 不选；WN Window Number 右面选择 Window1；VRATIO Scale factor multiplier 的值填 1；KEY Vector scaling will be 右面选择 Magnitude based；OPTION Vector plot based on 右面选择Deformed Mesh；最后点击 OK 按钮。即可看到如图 53 所示的 Thermal flux TF 分布图。

（5）、欲查看稳态条件下，双层板的 Thermal grad TG，需点击 Main Menu>General Postproc>Plot Results>Vector Plot>Predefined，将出现 Vector Plot of PredefinedVectors 对话框，Item Vector item to be Ploted 右面的第一个列表中选择 Flux&gradient，接着在右面的第二个列表中选择 Thermal grad TG； Mode Vector or raster display 右面选择 Vector Mode；Loc Vector Location for results 右面选择 Elem Centroid；Edge Element edges 右面 Hidden 不选；WN Window Number 右面选择 Window1；VRATIO Scale factor multiplier 的值填 1；KEY Vector scaling will be 右面选择 Magnitude based；OPTION Vector plot based on 右面选择Deformed Mesh；最后点击 OK 按钮。即可看到如图 54 所示的 Thermal grad TG 分布图。

zhaoranjun

以上即是项目的具体过程，这是稳态，至于瞬态、生死单元及相变，这个可以使用载荷步，一次次加载，用APDL脚本来写更方便.对于初学者也不要担心脚本难写，因为每次操作Ansys都会自动生成脚本，完全可以用菜单方式做完后，再查看脚本（菜单栏list--files--log file...即可查看），简单改下，删除无用的冗余部分，就ok。

zhaoranjun

谢谢楼主分享。如果有workbench下面的操作，就更好了。
kt133a 发表于 2011-9-7 14:44

                               
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workbench界面更人性化 其下操作会更加简单
但是我没有安装 很抱歉 您只能找相对应菜单操作

杨杨

楼主很厉害，向你学习。。。

无为之为

楼主给力啊

daigengzhi

{:soso_e179:}强烈支持！