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1、Workbench-Mechanical IntroductionIntroduction第六章第六章热分析热分析6-1热分析热分析Training Manual概念概念 本章练习稳态热分析的模拟，包括：本章练习稳态热分析的模拟，包括：A.几何模型几何模型B 组件组件 实体接触实体接触B.组件组件-实体接触实体接触C.热载荷热载荷D.求解选项求解选项E 结果和后处理结果和后处理E.结果和后处理结果和后处理F.作业作业 6.1 本节描述的应用本节描述的应用一一般都能在般都能在ANSYS DesignSpace Entra或更高版本中使用或更高版本中使用，除了除了本节描述的应用般都能在本节描述的应
2、用般都能在ANSYS DesignSpace Entra或更高版本中使用或更高版本中使用，除了除了ANSYS Structural提示提示：在在ANSYS 热分析热分析 的培训中包含了包括热瞬态分析的高级分析的培训中包含了包括热瞬态分析的高级分析提示提示：在在S S热分析热分析 的培训中包含了包括热瞬态分析的高级分析的培训中包含了包括热瞬态分析的高级分析6-2热分析热分析Training Manual稳态热传导基础稳态热传导基础 对于一个稳态热分析的模拟，温度矩阵对于一个稳态热分析的模拟，温度矩阵T通过下面的矩阵方程解得：通过下面的矩阵方程解得：()()()()TQTTK=假设：假设：在稳态分
3、析中不考虑瞬态影响在稳态分析中不考虑瞬态影响K 可以是个常量或是温度的函数可以是个常量或是温度的函数 K 可以是可以是一一个常量或是温度的函数个常量或是温度的函数 Q可以是一个常量或是温度的函数可以是一个常量或是温度的函数6-3热分析热分析Training Manual稳态热传导基础稳态热传导基础 上述方程基于傅里叶定律：上述方程基于傅里叶定律：固体内部的热流（固体内部的热流（Fouriers Law）是）是 K的基础；的基础；热通量、热流率、以及对流 在热通量、热流率、以及对流 在Q 为边界条件；为边界条件；对流被处理成边界条件，虽然对流换热系数可能与温度相关对流被处理成边界条件，虽然对流换
4、热系数可能与温度相关 在模拟时，记住这些假设对热分析是很重要的。在模拟时，记住这些假设对热分析是很重要的。6-4热分析热分析Training ManualA.几何模型几何模型 热分析里所有实体类都被约束：热分析里所有实体类都被约束：体、面、线体、面、线线实体的截面和轴向在线实体的截面和轴向在中定义中定义线实体的截面和轴向在线实体的截面和轴向在DesignModeler中定义中定义 热分析里不可以使用点质量（热分析里不可以使用点质量（Point Mass）的特性）的特性 壳体和线体假设：壳体和线体假设：壳体壳体：没有厚度方向上的温度梯度没有厚度方向上的温度梯度壳体壳体：没有厚度方向上的温度梯度没
5、有厚度方向上的温度梯度 线体：没有厚度变化，假设在截面上是一个常量温度线体：没有厚度变化，假设在截面上是一个常量温度 但在线实体的轴向仍有温度变化但在线实体的轴向仍有温度变化6-5热分析热分析Training Manual 材料特性材料特性 唯一需要的材料特性是导热性（唯一需要的材料特性是导热性（Thermal Conductivity）Thermal Conductivity 在在Engineering Data 中输中输Engineering Data 中输中输入入 温度相关的导热性以表格形式输入温度相关的导热性以表格形式输入若存在任何的温度相关的材料特性，就将导致非线性求解。若存在任何的
6、温度相关的材料特性，就将导致非线性求解。6-6热分析热分析Training ManualB.组件组件-实体接触实体接触 对于结构分析，接触域是自动生成的，用于激活各部件间的热传导对于结构分析，接触域是自动生成的，用于激活各部件间的热传导6-7热分析热分析Training Manual 组件组件-接触区域接触区域 如果部件间初始就已经接触，那么就会出现热传导。如果部件间初始就已经接触，那么就会出现热传导。如果部件间初始就没有接触，那么就不会发生热传导（见下面对如果部件间初始就没有接触，那么就不会发生热传导（见下面对pinball的解释的解释）。）。总结：总结：Initially Touching
7、Inside Pinball RegionOutside Pinball RegionBondedYesYesNoNStiYYNContact TypeHeat Transfer Between Parts in Contact Region?No SeparationYesYesNoRoughYesNoNoFrictionlessYesNoNoFrictionalYesNoNo Pinball区域决定了什么时候发生接触，并且是自动定义的，同时还给了一个相区域决定了什么时候发生接触，并且是自动定义的，同时还给了一个相对较小的值来适应模型里的小间距对较小的值来适应模型里的小间距。对较小的值来适应
8、模型里的小间距对较小的值来适应模型里的小间距。6-8热分析热分析Training Manual 组件组件-接触区域接触区域 如果接触是如果接触是Bonded（绑定的）或（绑定的）或no separation（无分离的），那么当面出现在（无分离的），那么当面出现在内时就会发生热传导内时就会发生热传导绿色实线绿色实线pinball radius内时就会发生热传导内时就会发生热传导（绿色实线绿色实线表示）。表示）。Pinball Radius右图中，两部件间的间距大于右图中，两部件间的间距大于pinball区域，因此在这两个部件间会发生热传导。区域，因此在这两个部件间会发生热传导。6-9热分析热分析
9、Training Manual 组件组件-导热率导热率 默认情况下，假设部件间是完美的热接触传导，意味着界面上不会发生温度降默认情况下，假设部件间是完美的热接触传导，意味着界面上不会发生温度降 实际情况下，有些条件削弱了完美的热接触传导：实际情况下，有些条件削弱了完美的热接触传导：表面光滑度表面光滑度表面粗糙度表面粗糙度 表面粗糙度表面粗糙度 氧化物氧化物 包埋液包埋液 接触压力接触压力 表面温度表面温度 使用导电脂使用导电脂 T使用导电脂使用导电脂.Tx 接着接着 6-10热分析热分析Training Manual 组件组件-导热率导热率 穿过接触界面的热流速，由接触热通量穿过接触界面的热流
10、速，由接触热通量q决定：决定：()contacttargetTTTCCq=式中式中Tcontact是一个接触节点上的温度，是一个接触节点上的温度，Ttarget是对应目标节点上的温度是对应目标节点上的温度 默认情况下，基于模型中定义的最大材料导热性默认情况下，基于模型中定义的最大材料导热性KXX和整个几何边界框的对角和整个几何边界框的对角线线ASMDIAG，TCC 被赋以被赋以一一个相对较大的值个相对较大的值。线线，被赋以个相对较大的值被赋以个相对较大的值ASMDIAGKXXTCC/000,10=这实质上为部件间提供了一个完美接触传导这实质上为部件间提供了一个完美接触传导6-11热分析热分析T
11、raining Manual 组件组件-导热率导热率在在ANSYS Professional 或更高版本，用户可以为纯罚函数和增广拉格朗日方程定义一个有限热接触传导（或更高版本，用户可以为纯罚函数和增广拉格朗日方程定义一个有限热接触传导（TCC）。）。在细节窗口在细节窗口为每个接触域指定为每个接触域指定TCC输入值输入值 在细节窗口在细节窗口，为每个接触域指定为每个接触域指定TCC输入值输入值 如果已知接触热阻，那么它的相反数除以接触面积就可得到如果已知接触热阻，那么它的相反数除以接触面积就可得到TCC值值在接触界面上，可以像接触热阻一样在接触界面上，可以像接触热阻一样输入接触热传导输入接触热
12、传导输入接触热传导输入接触热传导6-12热分析热分析Training Manual 组件组件-点焊点焊 Spotweld（点焊）提供了离散的热传导点：（点焊）提供了离散的热传导点：Spotweld在在CAD软件中进行定义（目前只有软件中进行定义（目前只有DesignModeler和和Unigraphics可可用用）用用）。T2T16-13热分析热分析Training ManualC.热载荷热载荷 热流量：热流量：热流速可以施加在点、边或面上。它分布在多个选择域上。热流速可以施加在点、边或面上。它分布在多个选择域上。它的单位是能量比上时间（它的单位是能量比上时间（energy/time）完全绝热
13、（热流量为完全绝热（热流量为0）：）：可以删除原来面上施加的边界条件可以删除原来面上施加的边界条件可以删除原来面上施加的边界条件可以删除原来面上施加的边界条件 热通量：热通量：热通量只能施加在面上（二维情况时只能施加在边上）热通量只能施加在面上（二维情况时只能施加在边上）它的单位是能量比上时间在除以面积它的单位是能量比上时间在除以面积（energy/time/area）它的单位是能量比上时间在除以面积它的单位是能量比上时间在除以面积（energy/time/area）热生成：热生成：内部热生成只能施加在实体上内部热生成只能施加在实体上它的单位是能量比上时间在除以体积它的单位是能量比上时间在除以
14、体积（/ti/l）它的单位是能量比上时间在除以体积它的单位是能量比上时间在除以体积（energy/time/volume）正的热载荷会增加系统的能量。正的热载荷会增加系统的能量。6-14热分析热分析Training Manual 热边界条件热边界条件温度、对流、辐射：温度、对流、辐射：至少应存在至少应存在一一种类型的热边界条件种类型的热边界条件否则否则如果热量将源源不断地输入到系统中如果热量将源源不断地输入到系统中稳稳 至少应存在种类型的热边界条件至少应存在种类型的热边界条件，否则否则，如果热量将源源不断地输入到系统中如果热量将源源不断地输入到系统中，稳稳态时的温度将会达到无穷大。态时的温度将
15、会达到无穷大。另外，给定的温度或对流载荷不能施加到已施加了某种热载荷或热边界条件的表面上。另外，给定的温度或对流载荷不能施加到已施加了某种热载荷或热边界条件的表面上。完全绝热条件将忽略其它的热边界条件完全绝热条件将忽略其它的热边界条件 给定温度给定温度：给定温度给定温度：给点、边、面或体上指定一个温度给点、边、面或体上指定一个温度 温度是需要求解的自由度温度是需要求解的自由度6-15热分析热分析Training Manual热边界条件热边界条件 对流：对流：只能施加在面上（二维分析时只能施加在边上）只能施加在面上（二维分析时只能施加在边上）对流对流q 由导热膜系数由导热膜系数 h，面积，面积
16、A，以及表面温度，以及表面温度Tsurface与环境温度与环境温度Tambient的差值来定义。的差值来定义。()ambientsurfaceTThAq=“h”和“和“Tambient”是用户指定的值是用户指定的值 导热膜系数导热膜系数 h 可以是常量或是温度的函数可以是常量或是温度的函数()ambientsurfaceq导热膜系数导热膜系数 h 可以是常量或是温度的函数可以是常量或是温度的函数6-16热分析热分析Training Manual热边界条件热边界条件 与温度相关的对流：与温度相关的对流：为系数类型选择为系数类型选择Tabular(Tt)(Temperature)输入对流换热系数输
17、入对流换热系数-温度表格数据温度表格数据 在细节窗口中，为在细节窗口中，为h(T)指定温度的处理指定温度的处理方式方式6-17热分析热分析Training Manual热边界条件热边界条件 几种常见的对流系数可以从一个样本文件中导入。新的对流系数可以保存在文件中。几种常见的对流系数可以从一个样本文件中导入。新的对流系数可以保存在文件中。6-18热分析热分析Training Manual热边界条件热边界条件 辐射辐射:施加在面上（二维分析施加在边上）施加在面上（二维分析施加在边上）式中：式中：()44ambientsurfaceRTTFAQ=斯蒂芬一玻尔兹曼常数斯蒂芬一玻尔兹曼常数 =放射率放射
18、率 A=辐射面面积辐射面面积A 辐射面面积辐射面面积 F=形状系数（默认是形状系数（默认是1）只针对环境辐射只针对环境辐射不存在于面面之间不存在于面面之间（形状系数假设为形状系数假设为1）只针对环境辐射只针对环境辐射，不存在于面面之间不存在于面面之间（形状系数假设为形状系数假设为1）斯蒂芬一玻尔兹曼常数自动以工作单位制系统确定斯蒂芬一玻尔兹曼常数自动以工作单位制系统确定6-19热分析热分析Training ManualD.求解选项求解选项 从从Workbench toolbox插入插入Steady-State Thermal将在将在project schematic里建立一个里建立一个 SS
19、Thermal system（SS热分析）热分析）在在Mechanical 里，可以使用里，可以使用Analysis Settings 为热分析设置求解选项。为热分析设置求解选项。注意，第四章的静态分析中的注意，第四章的静态分析中的Analysis Data Management选项在这里也可以使用。选项在这里也可以使用。6-20热分析热分析Training Manual 求解模型求解模型 为了实现热应力求解，需要在求解时把结构分析关联到热模型上。为了实现热应力求解，需要在求解时把结构分析关联到热模型上。在在Static Structural中插入了一个中插入了一个imported load分
20、支，并同时导入了施分支，并同时导入了施加的结构载荷和约束加的结构载荷和约束加的结构载荷和约束加的结构载荷和约束。求解结构求解结构6-21热分析热分析Training ManualE.结果和后处理结果和后处理 后处理可以处理各种结果：后处理可以处理各种结果：温度温度 热通量热通量 反作用的热流速反作用的热流速用户自定义结果用户自定义结果 用户自定义结果用户自定义结果 模拟时，结果通常是在求解前指定，但也可以在求解结束后指定。模拟时，结果通常是在求解前指定，但也可以在求解结束后指定。搜索模型求解结果不需要在进行搜索模型求解结果不需要在进行一一次模型的求解次模型的求解。搜索模型求解结果不需要在进行次
21、模型的求解搜索模型求解结果不需要在进行次模型的求解。6-22热分析热分析Training Manual 温度温度 温度：温度：温度是标量，没有方向温度是标量，没有方向6-23热分析热分析Training Manual 热通量热通量 可以得到热通量的等高线或矢量图：可以得到热通量的等高线或矢量图：热通量热通量 q 定义为定义为TKXXq=可以指定可以指定Total Heat Flux（整体热通量）和（整体热通量）和 Directional Heat Flux（方向热通量）（方向热通量）激活矢量显示模激活矢量显示模式式显示热通量的大小和方向显示热通量的大小和方向式式6-24热分析热分析Traini
22、ng Manual 响应热流速响应热流速 对给定的温度、对流或辐射边界条件可以得到响应的热流量：对给定的温度、对流或辐射边界条件可以得到响应的热流量：通过插入通过插入probe指定响应热流量，或指定响应热流量，或用户以交替的把个边条件拖放到用户以交替的把个边条件拖放到上后搜索响应上后搜索响应 用户用户可可以交替的把以交替的把一一个边个边界界条件拖放到条件拖放到Solution上后搜索响应上后搜索响应或或从从Probe菜单下选择菜单下选择或或拖放边界条件拖放边界条件6-25热分析热分析Training ManualF.作业作业 6 稳态热分析稳态热分析 作业作业 6.1 稳态热分析稳态热分析 目标：目标：分析图示泵壳的热传导特性分析图示泵壳的热传导特性6-26