1、Workbench - Mechanical Introduction第六章熱分析 6-1熱分析概念 Training Manual 本章練習(xí)穩(wěn)態(tài)熱分析的模擬，包括：A. 幾何模型 B. 組件-實(shí)體接觸 C. 熱載荷 D. 求解選項(xiàng) E. 結(jié)果和后處理 F. 作業(yè) 6.1 本節(jié)描述的應(yīng)用一般都能在ANSYS DesignSpace Entra或更高版本中使用，除了ANSYS Structural 提示：在 ANSYS 熱分析的培訓(xùn)中包含了包括熱瞬態(tài)分析的高級分析 6-2 熱分析穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)基礎(chǔ)Training Manual 對于一個(gè)穩(wěn)態(tài)熱分析的模擬，溫度矩陣T通過下面的矩陣方程解得：() ( )

2、K TT=Q T 假設(shè)： 在穩(wěn)態(tài)分析中不考慮瞬態(tài)影響 K 可以是一個(gè)常量或是溫度的函數(shù) Q可以是一個(gè)常量或是溫度的函數(shù) 6-4 上述方程基于傅里葉定律： 固體內(nèi)部的熱流（Fouriers Law）是 K的基礎(chǔ)； 熱通量、熱流率、以及對流 在Q 為邊界條件； 對流被處理成邊界條件，雖然對流換熱系數(shù)可能與溫度相關(guān) 在模擬時(shí)，記住這些假設(shè)對熱分析是很重要的。熱分析 A. 幾何模型Training Manual 熱分析里所有實(shí)體類都被約束： 體、面、線 線實(shí)體的截面和軸向在 DesignModeler中定義 熱分析里不可以使用點(diǎn)質(zhì)量（Point Mass）的特性 殼體和線體假設(shè)： 殼體：沒有厚度方向上

3、的溫度梯度 線體：沒有厚度變化，假設(shè)在截面上是一個(gè)常量溫度 但在線實(shí)體的軸向仍有溫度變化 6-5熱分析 材料特性Training Manual 唯一需要的材料特性是導(dǎo)熱性（Thermal Conductivity） Thermal Conductivity 在Engineering Data 中 輸入 溫度相關(guān)的導(dǎo)熱性以表格形式輸入若存在任何的溫度相關(guān)的材料特性，就將導(dǎo)致非線性求解。 6-6熱分析 B. 組件-實(shí)體接觸Training Manual 對于結(jié)構(gòu)分析，接觸域是自動(dòng)生成的，用于激活各部件間的熱傳導(dǎo) 6-7 熱分析 組件-接觸區(qū)域Training Manual 如果部件間初始就已經(jīng)接觸

4、，那么就會(huì)出現(xiàn)熱傳導(dǎo)。 如果部件間初始就沒有接觸，那么就不會(huì)發(fā)生熱傳導(dǎo)（見下面對pinball的解釋）。 總結(jié)： Contact TypeHeat Transfer Between Parts in Contact Region?Initially TouchingInside Pinball RegionOutside Pinball RegionBondedYesYesNoNo SeparationYesYesNoRoughYesNoNoFrictionlessYesNoNoFrictionalYesNoNo Pinball區(qū)域決定了什么時(shí)候發(fā)生接觸，并且是自動(dòng)定義的，同時(shí)還給了一個(gè)相對較

5、小的值來適應(yīng)模型里的小間距。 6-9 如果接觸是Bonded（綁定的）或no separation（無分離的），那么當(dāng)面出現(xiàn)在pinball radius內(nèi)時(shí)就會(huì)發(fā)生熱傳導(dǎo)（綠色實(shí)線表示）。Pinball Radius右圖中，兩部件間的間距大于pinball區(qū)域，因此在這兩個(gè)部件間會(huì)發(fā)生熱傳導(dǎo)。 熱分析 組件-導(dǎo)熱率Training Manual 默認(rèn)情況下，假設(shè)部件間是完美的熱接觸傳導(dǎo)， 意味著界面上不會(huì)發(fā)生溫度降 實(shí)際情況下，有些條件削弱了完美的熱接觸傳導(dǎo)：Tx 表面光滑度 表面粗糙度 氧化物 包埋液 接觸壓力 表面溫度 使用導(dǎo)電脂 . . . . 接著 6-12 穿過接觸界面的熱流速，由

6、接觸熱通量q決定：q = TCC(Ttarget- Tcontact ) 式中Tcontact 是一個(gè)接觸節(jié)點(diǎn)上的溫度， Ttarget 是對應(yīng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)上的溫度 默認(rèn)情況下，基于模型中定義的最大材料導(dǎo)熱性KXX和整個(gè)幾何邊界框的對角 線ASMDIAG， TCC 被賦以一個(gè)相對較大的值。TCC = KXX 10,000 / ASMDIAG 這實(shí)質(zhì)上為部件間提供了一個(gè)完美接觸傳導(dǎo) 在ANSYS Professional 或更高版本，用戶可以為純罰函數(shù)和增廣拉格朗日方程定義一個(gè)有限熱接觸傳導(dǎo)（TCC）。 在細(xì)節(jié)窗口，為每個(gè)接觸域指定TCC輸入值 如果已知接觸熱阻，那么它的相反數(shù)除以接觸面積就可得到T

7、CC值在接觸界面上，可以像接觸熱阻一樣輸入接觸熱傳導(dǎo) 熱分析 組件-點(diǎn)焊Training Manual Spotweld（點(diǎn)焊）提供了離散的熱傳導(dǎo)點(diǎn)： Spotweld在CAD軟件中進(jìn)行定義（目前只有DesignModeler和Unigraphics可 用） 。T2T1 6-13熱分析 C. 熱載荷Training Manual 熱流量： 熱流速可以施加在點(diǎn)、邊或面上。它分布在多個(gè)選擇域上。 它的單位是能量比上時(shí)間（ energy/time） 完全絕熱（熱流量為0）： 可以刪除原來面上施加的邊界條件 熱通量： 熱通量只能施加在面上（二維情況時(shí)只能施加在邊上） 它的單位是能量比上時(shí)間在除以面積（

8、 energy/time/area） 熱生成： 內(nèi)部熱生成只能施加在實(shí)體上 它的單位是能量比上時(shí)間在除以體積（energy/time/volume）正的熱載荷會(huì)增加系統(tǒng)的能量。 6-14 熱分析 熱邊界條件Training Manual溫度、對流、輻射： 至少應(yīng)存在一種類型的熱邊界條件，否則，如果熱量將源源不斷地輸入到系統(tǒng)中，穩(wěn) 態(tài)時(shí)的溫度將會(huì)達(dá)到無窮大。 另外，給定的溫度或?qū)α鬏d荷不能施加到已施加了某種熱載荷或熱邊界條件的表面上 。 完全絕熱條件將忽略其它的熱邊界條件 給定溫度： 給點(diǎn)、邊、面或體上指定一個(gè)溫度 溫度是需要求解的自由度 6-19 對流： 只能施加在面上（二維分析時(shí)只能施加在邊

9、上） 對流q 由導(dǎo)熱膜系數(shù) h，面積 A，以及表面溫度Tsurface與環(huán)境溫度Tambient的差值來定義。 q = hA(Tsurface - Tambient ) “h” 和 “Tambient” 是用戶指定的值 導(dǎo)熱膜系數(shù) h 可以是常量或是溫度的函數(shù) 與溫度相關(guān)的對流： 為系數(shù)類型選擇Tabular (Temperature) 輸入對流換熱系數(shù)-溫度表格數(shù)據(jù) 在細(xì)節(jié)窗口中，為h(T)指定溫度的處理方式 幾種常見的對流系數(shù)可以從一個(gè)樣本文件中導(dǎo)入。新的對流系數(shù)可以保存 在文件中。 輻射: 施加在面上 （二維分析施加在邊上）Q= seFA(T 4-T 4)R 式中： surfaceamb

10、ient =斯蒂芬一玻爾茲曼常數(shù) = 放射率 A = 輻射面面積 F = 形狀系數(shù) （默認(rèn)是1） 只針對環(huán)境輻射，不存在于面面之間（形狀系數(shù)假設(shè)為1） 斯蒂芬一玻爾茲曼常數(shù)自動(dòng)以工作單位制系統(tǒng)確定 熱分析 D. 求解選項(xiàng)Training Manual 從Workbench toolbox插入Steady-State Thermal將在projectschematic 里建立一個(gè) SSThermalsystem（ SS熱分析） 在Mechanical 里，可以使用Analysis Settings 為熱分析設(shè)置求解選項(xiàng)。 注意，第四章的靜態(tài)分析中的Analysis Data Management

11、選項(xiàng)在這里也可以使用。 6-20熱分析 求解模型Training Manual 為了實(shí)現(xiàn)熱應(yīng)力求解，需要在求解時(shí)把結(jié)構(gòu)分析關(guān)聯(lián)到熱模型上。 在Static Structural中插入了一個(gè)imported load分支，并同時(shí)導(dǎo)入了施加的結(jié)構(gòu)載荷和約束。 求解結(jié)構(gòu) 6-21熱分析 E. 結(jié)果和后處理Training Manual 后處理可以處理各種結(jié)果： 溫度 熱通量 反作用的熱流速 用戶自定義結(jié)果 模擬時(shí)，結(jié)果通常是在求解前指定，但也可以在求解結(jié)束后指定。 搜索模型求解結(jié)果不需要在進(jìn)行一次模型的求解。 6-22熱分析 溫度Training Manual 溫度： 溫度是標(biāo)量，沒有方向 6-23熱分析 熱通量Training Manual 可以得到熱通量的等高線或矢量圖： 熱通量 q 定義為q = -KXX T 可以指定Total Heat Flux（整體熱通量）和 Directional Heat Flux（方向熱通量） 激活矢量顯示模式顯示熱通量的大小和方向 6-24熱分析 響應(yīng)熱流速Train