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1、第3章 温度场有限元法分析理论基础在制造加工领域中，通过计算机模拟各种加工过程是非常方便有效的方法之一。 磨削过程也可以通过建立数值分析模型模拟整个磨削的过程，不仅可以预测实验可能 发生的情况也可以减少实验的次数。于是，越来越多的学者使用有限元技术对磨削过 程进行分析、研究。通过有限元法分析磨削区温度场既有利于对磨削机理的理解，也 是一种优化机械加工工艺的有力工具，而且在考虑多种因素、非线性、动态过程分析 等复杂情况时其优势尤为显著。3.1 有限元法简介3.1.1 有限元法的基本思想有限单元法是目前在工程领域内常用的数值模拟方法之一。目前在工程领域内常 用都是数值模拟方法包括有限单元法、边界元
2、法、离散单元法和有限差分法等。有限 元单元法的基本思想就是将连续的结构离散成有限多个单元，并在每一个单元中设定 有限数量的节点，讲连续体看做是节点处连续的一组单元的集合体，同时选定场函数 的节点值作为基本未知量，并在第一单元中假设一个插值函数来表示单元中场函数 的分布规律，进而利用弹性力学、固体力学、结构力学等力学中的变分原理去建立用 以求解节点未知量的有限元方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散 域中有限自由度问题。求解法就可以利用解得的节点值和设定的插值函数来确定单元 上以至整个集合上的场函数。有限元分析的基本概念就是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域 看成是由许多
3、称为有限元的小的互连子域组成，对每一个单元假定一个较简单的近似 解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的近似解。由于大多数实际问 题难以得到准确解，有限元法不仅仅计算精度高而且能够适应各种复杂形状，因此称 为行之有效的工程分析手段。3.1.2 有限元热分析简介热分析是指用热力学参数或者物理参数随着温度变化的关系进行的分析方法。国 际热分析协会在1977年将热分析定义为：“热分析是测量在程序控制温度下，物质的物理性质与温度依赖关系的一类技术。”程序控制温度指的是按某种规律加热或冷却, 通常是线性升温或降温。3.2 有限元软件ANSYS简介ANSYS软件是一个功能强大又灵活的设计分析及优
4、化软件。融入了结构、热、 流体、电磁等等于一体的大型通用有限元软件。能够与多种CAD软件接口实现数据 的交换和共享。ANSYS软件含有多种有限元分析的能力，包括从简单线性静态分析 到复杂的非线性动态分析，以及多个场的耦合分析等。3.3 ANSYS热分析简介3.3.1 热分析类型ANSYS热分析用于计算一个系统或者部件的温度分布及其他热物理参数。 ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各个节点温度，并 推导其他热物理参数。在ANSYS的热分析中主要包括：稳态传热、瞬态传热，另外 还包括一些热力学耦合场分析，如热一结构耦合、热一流体耦合、热一电耦合、热一 磁耦合以及电一热一磁
5、耦合等分析功能。33.2热分析材料的基本属性及边界条件与热分析直接相关的材料属性包括：热传导率、比热容、焰、对流换热系数、辐 射系数、生热率等。在进行ANSYS进行热分析时，要对分析模型定义边界条件，为了说明在物体边 界上的特点，也就是要说明所分析的物体的边界状态,或与周围介质之间的换热情况。热载荷在ANSYS热分析程序中，一共提供了 6种载荷选项，根据不容的情况可以施加 在实体模型或单元模型上，主要包括：温度、热流率、对流、热流密度、生热率和辐 射。（ANSYS 12.0热分析工程应用中国铁道出版社2010张朝晖）3.4本章小结首先，阐述了有限元法的基本思想并简要提出了对有限元热分析的定义。其次， 介绍了 ANSYS有限元软件的优势。最后，对ANSYS软件的热分析进行了概述。