搜索ANSYS熱分析指南與案例分析（二）
2017-05-08 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網
第三章 穩(wěn)態(tài)傳熱分析
一、穩(wěn)態(tài)傳熱的定義
穩(wěn)態(tài)傳熱用于分析穩(wěn)定的熱載荷對系統(tǒng)或部件的影響。通常在進行瞬態(tài)熱分析以前,進行穩(wěn)態(tài)熱分析用于確定初始溫度分布。
穩(wěn)態(tài)熱分析可以通過有限元計算確定由于穩(wěn)定的熱載荷引起的溫度、熱梯度、熱流率、熱流密度等參數(shù)
二、熱分析的單元
熱分析涉及到的單元有大約40種,其中純粹用于熱分析的有14種:
線性: LINK32 兩維二節(jié)點熱傳導單元
LINK33 三維二節(jié)點熱傳導單元
LINK34 二節(jié)點熱對流單元
LINK31 二節(jié)點熱輻射單元
二維實體: PLANE55 四節(jié)點四邊形單元
PLANE77 八節(jié)點四邊形單元
PLANE35 三節(jié)點三角形單元
PLANE75 四節(jié)點軸對稱單元
PLANE78 八節(jié)點軸對稱單元
三維實體 SOLID87 六節(jié)點四面體單元
SOLID70 八節(jié)點六面體單元
SOLID90 二十節(jié)點六面體單元
殼 SHELL57 四節(jié)點
點 MASS71
有關單元的詳細解釋,請參閱《ANSYS Element Reference Guide》
三、ANSYS穩(wěn)態(tài)熱分析的基本過程
ANSYS熱分析可分為三個步驟:
· 前處理: 建模
· 求解: 施加載荷計算
· 后處理: 查看結果
1、建模
①、確定jobname、title、unit;
②、進入PREP7前處理,定義單元類型,設定單元選項;
③、定義單元實常數(shù);
④、定義材料熱性能參數(shù),對于穩(wěn)態(tài)傳熱,一般只需定義導熱系數(shù),它可以是恒定的,也可以隨溫度變化;
⑤、創(chuàng)建幾何模型并劃分網格,請參閱《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。
2、施加載荷計算
①、定義分析類型
l 如果進行新的熱分析:
Command: ANTYPE, STATIC, NEW
GUI: Main menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis>Steady-state
l 如果繼續(xù)上一次分析,比如增加邊界條件等:
Command: ANTYPE, STATIC, REST
GUI: Main menu>Solution>Analysis Type->Restart
②、施加載荷
可以直接在實體模型或單元模型上施加五種載荷(邊界條件) :
a、恒定的溫度
通常作為自由度約束施加于溫度已知的邊界上。
Command Family: D
GUI:Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Temperature
b、熱流率
熱流率作為節(jié)點集中載荷,主要用于線單元模型中(通常線單元模型不能施加對流或熱流密度載荷),如果輸入的值為正,代表熱流流入節(jié)點,即單元獲取熱量。如果溫度與熱流率同時施加在一節(jié)點上則ANSYS讀取溫度值進行計算。
注意:如果在實體單元的某一節(jié)點上施加熱流率,則此節(jié)點周圍的單元要密一些,在兩種導熱系數(shù)差別很大的兩個單元的公共節(jié)點上施加熱流率時,尤其要注意。此外,盡可能使用熱生成或熱流密度邊界條件,這樣結果會更精確些。
Command Family: F
GUI:Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Flow
c、對流
對流邊界條件作為面載施加于實體的外表面,計算與流體的熱交換,它僅可施加于實體和殼模型上,對于線模型,可以通過對流線單元LINK34考慮對流。
Command Family: SF
GUI:Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Convection
d、熱流密度
熱流密度也是一種面載。當通過單位面積的熱流率已知或通過FLOTRAN CFD計算得到時,可以在模型相應的外表面施加熱流密度。如果輸入的值為正,代表熱流流入單元。熱流密度也僅適用于實體和殼單元。熱流密度與對流可以施加在同一外表面,但ANSYS僅讀取最后施加的面載進行計算。
Command Family: F
GUI:Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Flux
e、生熱率
生熱率作為體載施加于單元上,可以模擬化學反應生熱或電流生熱。它的單位是單位體積的熱流率。
Command Family: BF
GUI:Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Generat
③、確定載荷步選項
對于一個熱分析,可以確定普通選項、非線性選項以及輸出控制。
a. 普通選項
· 時間選項:雖然對于穩(wěn)態(tài)熱分析,時間選項并沒有實際的物理意義,但它提供了一個方便的設置載荷步和載荷子步的方法。
Command: TIME
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time-Time Step/Time and Substps
· 每載荷步中子步的數(shù)量或時間步大小:對于非線性分析,每一載荷步需要多個子步。
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
· 遞進或階越選項:如果定義階越(stepped)選項,載荷值在這個載荷步內保持不變;如果為遞進(ramped)選項,則載荷值由上一載荷步值到本載荷步值隨每一子步線性變化。
Command: KBC
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time-Time Step/Time and Substps
b. 非線性選項
· 迭代次數(shù):本選項設置每一子步允許的最多的迭代次數(shù)。默認值為25,對大數(shù)熱分析問題足夠。
Command: NEQIT
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Equilibrium Iter
· 自動時間步長: 對于非線性問題,可以自動設定子步間載荷的增長,保證求解的穩(wěn)定性和準確性。
Command: AUTOTS
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time-Time Step/Time and Substps
· 收斂誤差:可根據溫度、熱流率等檢驗熱分析的收斂性。
Command: CNVTOL
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Convergence Crit
· 求解結束選項:如果在規(guī)定的迭代次數(shù)內,達不到收斂,ANSYS可以停止求解或到下一載荷步繼續(xù)求解。
Command: NCNV
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Criteria to Stop
· 線性搜索:設置本選項可使ANSYS用Newton-Raphson方法進行線性搜索。
Command: LNSRCH
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Line Search
· 預測矯正:本選項可激活每一子步第一次迭代對自由度求解的預測矯正。
Command: PRED
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Predictor
c. 輸出控制
· 控制打印輸出:本選項可將任何結果數(shù)據輸出到*.out 文件中。
Command: OUTPR
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Output Ctrls>Solu Printout
· 控制結果文件:控制*.rth的內容。
Command: OUTRES
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Output Ctrls>DB/Results File
④、確定分析選項
a. Newton-Raphson選項(僅對非線性分析有用)
Command: NROPT
GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options
b. 選擇求解器:可選擇如下求解器中一個進行求解:
· Frontal solver(默認)
· 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:熱分析可選用Iterative選項進行快速求解,但如下情況除外:
· 熱分析包含SURF19或SURF22或超單元;
· 熱輻射分析;
· 相變分析
· 需要restart an analysis
c. 確定絕對零度:在進行熱輻射分析時,要將目前的溫度值換算為絕對溫度。如果使用的溫度單位是攝氏度,此值應設定為273;如果使用的是華氏度,則為460。
Command: TOFFST
GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options
⑤、保存模型: 點擊ANSYS工具條SAVE_DB。
⑥、求解
Command: SOLVE
GUI: Main Menu>Solution>Current LS
3、后處理
ANSYS將熱分析的結果寫入*.rth文件中,它包含如下數(shù)據:
基本數(shù)據:
· 節(jié)點溫度
導出數(shù)據:
· 節(jié)點及單元的熱流密度
· 節(jié)點及單元的熱梯度
· 單元熱流率
· 節(jié)點的反作用熱流率
· 其它
對于穩(wěn)態(tài)熱分析,可以使用POST1進行后處理,關于后處理的完整描述,可參閱《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》。
進入POST1后,讀入載荷步和子步:
Command: SET
GUI: Main Menu>General Postproc>-Read Results-By Load Step
可以通過如下三種方式查看結果:
· 彩色云圖顯示
Command: PLNSOL, PLESOL, PLETAB等
GUI: Main Menu>General Postproc>Plot Results>Nodal Solu, Element Solu, Elem Table
· 矢量圖顯示
Command: PLVECT
GUI: Main Menu>General Postproc>Plot Results>Pre-defined or Userdefined
· 列表顯示
Command: PRNSOL, PRESOL, PRRSOL等
GUI: Main Menu>General Postproc>List Results>Nodal Solu, Element Solu, Reaction Solu
詳細過程請參閱《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》。
實例1:
某一潛水艇可以簡化為一圓筒,它由三層組成,最外面一層為不銹鋼,中間為玻纖隔熱層,最里面為鋁層,筒內為空氣,筒外為海水,求內外壁面溫度及溫度分布。
幾何參數(shù): 筒外徑 30 feet
總壁厚 2 inch
不銹鋼層壁厚 0.75 inch
玻纖層壁厚 1 inch
鋁層壁厚 0.25 inch
筒長 200 feet
導熱系數(shù) 不銹鋼 8.27 BTU/hr.ft.oF
玻纖 0.028 BTU/hr.ft.oF
鋁 117.4 BTU/hr.ft.oF
邊界條件 空氣溫度 70 oF
海水溫度 44.5 oF
空氣對流系數(shù) 2.5 BTU/hr.ft2.oF
海水對流系數(shù) 80 BTU/hr.ft2.oF
沿垂直于圓筒軸線作橫截面,得到一圓環(huán),取其中1度進行分析,如圖示。
以下分別列出log文件和菜單文件。
/filename, Steady1
/title, Steady-state thermal analysis of submarine
/units, BFT
Ro=15 !外徑(ft)
Rss=15-(0.75/12) !不銹鋼層內徑ft)
Rins=15-(1.75/12) !玻璃纖維層內徑(ft)
Ral=15-(2/12) !鋁層內徑 (ft)
Tair=70 !潛水艇內空氣溫度
Tsea=44.5 !海水溫度
Kss=8.27 !不銹鋼的導熱系數(shù) (BTU/hr.ft.oF)
Kins=0.028 !玻璃纖維的導熱系數(shù) (BTU/hr.ft.oF)
Kal=117.4 !鋁的導熱系數(shù)(BTU/hr.ft.oF)
Hair=2.5 !空氣的對流系數(shù)(BTU/hr.ft2.oF)
Hsea=80 !海水的對流系數(shù)(BTU/hr.ft2.oF)
/prep7
et,1,plane55 !定義二維熱單元
mp,kxx,1,Kss !設定不銹鋼的導熱系數(shù)
mp,kxx,2,Kins !設定玻璃纖維的導熱系數(shù)
mp,kxx,3,Kal !設定鋁的導熱系數(shù)
pcirc,Ro,Rss,-0.5,0.5 !創(chuàng)建幾何模型
pcirc,Rss,Rins,-0.5,0.5
pcirc,Rins,Ral,-0.5,0.5
aglue,all
numcmp,area
lesize,1,,,16 !設定劃分網格密度
lesize,4,,,4
lesize,14,,,5
lesize,16,,,2
eshape,2 !設定為映射網格劃分
mat,1
amesh,1
mat,2
amesh,2
mat,3
amesh,3
/SOLU
SFL,11,CONV,HAIR,,TAIR !施加空氣對流邊界
SFL,1,CONV,HSEA,,TSEA !施加海水對流邊界
SOLVE
/POST1
PLNSOL !輸出溫度彩色云圖
finish
菜單操作:
1.Utility Menu>File>change jobename, 輸入Steady1;
2.Utility Menu>File>change title,輸入Steady-state thermal analysis of submarine;
3.在命令行輸入:/units, BFT;
4.Main Menu: Preprocessor;
5.Main Menu: Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete,選擇PLANE55;
6.Main Menu: Preprocessor>Material Prop>-Constant-Isotropic,默認材料編號為1,在KXX框中輸入8.27,選擇APPLY,輸入材料編號為2,在KXX框中輸入0.028,選擇APPLY,輸入材料編號為3,在KXX框中輸入117.4;
7.Main Menu: Preprocessor>-Modeling->Create>-Areas-Circle>By Dimensions ,在RAD1中輸入15,在RAD2中輸入15-(.75/12),在THERA1中輸入-0.5,在THERA2中輸入0.5,選擇APPLY,在RAD1中輸入15-(.75/12),在RAD2中輸入15-(1.75/12),選擇APPLY,在RAD1中輸入15-(1.75/12),在RAD2中輸入15-2/12,選擇OK;
8.Main Menu: Preprocessor>-Modeling->Operate>-Booleane->Glue>Area,選擇PICK ALL;
9.Main Menu: Preprocessor>-Meshing-Size Contrls>-Lines-Picked Lines,選擇不銹鋼層短邊,在NDIV框中輸入4,選擇APPLY,選擇玻璃纖維層的短邊,在NDIV框中輸入5,選擇APPLY,選擇鋁層的短邊,在NDIV框中輸入2,選擇APPLY,選擇四個長邊,在NDIV中輸入16;
10.Main Menu: Preprocessor>-Attributes-Define>Picked Area,選擇不銹鋼層,在MAT框中輸入1,選擇APPLY,選擇玻璃纖維層,在MAT框中輸入2,選擇APPLY,選擇鋁層,在MAT框中輸入3,選擇OK;
11.Main Menu: Preprocessor>-Meshing-Mesh>-Areas-Mapped>3 or 4 sided,選擇PICK ALL;
12.Main Menu: Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Convection>On lines,選擇不銹鋼外壁,在VALI框中輸入80,在VAL2I框中輸入44.5,選擇APPLY,選擇鋁層內壁,在VALI框中輸入2.5,在VAL2I框中輸入70,選擇OK;
13.Main Menu: Solution>-Solve-Current LS;
14.Main Menu: General Postproc>Plot Results>-Contour Plot-Nodal Solu,選擇Temperature。
實例2
一圓筒形的罐有一接管,罐外徑為3英尺,壁厚為0.2英尺,接管外徑為0.5英尺,壁厚為0.1英尺,罐與接管的軸線垂直且接管遠離罐的端部。如圖所示:
罐內流體溫度為華氏450度,與罐壁的對流換熱系數(shù)年為250BUT/hr-ft2-oF,接管內流體的溫度為華氏100度,與管壁的對流換熱系數(shù)隨管壁溫度而變。接管與罐為同一種材料,它的熱物理性能如下表所示:
|
溫度 |
70 |
200 |
300 |
400 |
500 |
oF |
|
密度 |
0.285 |
0.285 |
0.285 |
0.285 |
0.285 |
lbm/in3 |
|
導熱系數(shù) |
8.35 |
8.90 |
9.35 |
9.8 |
10.23 |
Btu/hr-ft-oF |
|
比熱 |
0.113 |
0.117 |
0.119 |
0.122 |
0.125 |
Btu/lbm-oF |
|
對流系數(shù)* |
426 |
405 |
352 |
275 |
221 |
Btu/hr-ft2-oF |
*接管內壁對流系數(shù)
求罐與接管的溫度分布。
以下分別列出LOG文件及菜單操作
/prep7
/title,Steady-state thermal analysis of pipe junction
/units,bin !使用英制單位
et,1,90 !定義熱單元
mp,dens,1,.285 !密度
mptemp,,70,200,300,400,500 !建立溫度表
mpdata,kxx,1,,8.35/12,8.90/12,9.35/12,9.80/12,10.23/12 !導熱系數(shù)
mpdata,c,1,,0.133,0.177,0.119,0.122,0.125 !比熱
mpdata,hf,2,,426/144,405/144,352/144,275/144,221/144 !接管對流系數(shù)
!定義幾何模型參數(shù)
ri1=1.3 !罐內半徑
ro1=1.5 !罐外半徑
z1=2 !罐長
ri2=0.4 !接管內半徑
ro2=0.5 !接管外半徑
z2=2 !接管長
!建立幾何模型
cylind,ri1,ro1,,z1,,90 !1/4罐體
wprota,0,-90 !將工作平面旋轉到垂直于接管軸線
cylind,ri2,ro2,,z2,-90 !1/4接管
wpstyl,defa !將工作平面恢復到默認狀態(tài)
vovlap,1,2 !進行OVERLAP布爾操作
/pnum,volu,1 !打開實體編號
/view,,-3,-1,1 !定義顯示角度
/type,,4
/title, Volumes used in building pipe/tank junction
vplot !顯示實體
vdele,3,4,,1 !刪除多余實體
!劃分網格
asel,,loc,z,z1 !選擇罐上Z=Z1的面
asel,a,loc,y,0 !添加選擇罐上Y=0的面
cm,aremote,area !創(chuàng)建名為AREMOTE的面組
/pnum,area,1
/pnum,line,1
/title,lines showing the portion being modeled
aplot
/noerase
lplot
/erase
accat,all !組合罐遠端的面及線,為映射劃分網
!格作準備
lccat,12,7
lccat,10,5
lesize,20,,,4 !在接管壁厚方向分4等分
lesize,40,,,6 !在接管長度方向分6等分
lesize,6,,,4 !在罐壁厚方向分4等分
allsel !選擇EVERYTHING
esize,0.4 !設定默認的單元大小
mshape,0,3d !選擇3D映射網格
mshkey,1
save !保存數(shù)據文件
vmesh,all !劃分網格,產生節(jié)點與單元
/pnum,defa
/title, elements in portion being modeled
eplot !顯示單元
finish
!加載求解
/solu
antype,static !定義為穩(wěn)態(tài)分析
nropt,auto !設置求解選項為Program-chosen
!Newton-Raphson
tunif,450 !設定初始所有節(jié)點溫度
csys,1 !變?yōu)橹鴺?/span>
nsel,s,loc,x,ri1 !選擇罐內表面的節(jié)點
sf,all,conv,250/144,450 !定義對流邊界條件
cmsel,,aremote !選擇AREMOTE面組
nsla,,1 !選擇屬于AREMOTE面組的節(jié)點
d,all,temp,450 !定義節(jié)點溫度
wprota,0,-90 !將工作平面旋轉到垂直于接管軸線
cswpla,11,1 !創(chuàng)建局部柱坐標
nsel,s,loc,x,ri2 !選擇接管內壁的節(jié)點
sf,all,conv,-2,100 !定義對流邊界條件
allsel !選擇EVERYTHING
/pbc,temp,,1 !顯示所有溫度約束
/psf,conv,,2 !顯示所有對流邊界
/title,Boundary conditions
nplot !顯示節(jié)點
wpstyle,defa !工作平面恢復默認狀態(tài)
csys,0 !變?yōu)橹苯亲鴺?/span>
autots,on !打開自動步廠長
nsubst,50 !設定子步數(shù)量
kbc,0 !設定為階越
outpr,nsol,last !設置輸出
solve !進行求解
finish
!進入后處理
/post1
/title,Temperature contrours at pipe/tank junction
plnsol,temp !顯示溫度彩色云圖
finish
/exit,all
菜單操作
1、設定標題:Utility Menu>File>Change Title,輸入Steady-State analysis of pipe junction,選擇OK;
2、設定單位制:在命令提示行輸入/UNITS,BIN;
3、定義單元類型:Main Menu>Preprocesor>Element Type>Add/Edit/Delete,選擇Thermal Solid, Bricck 20 node 90號單元;
4、定義材料屬性
(1)Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Constant->Isotropic,默認材料編號1,在DENSITY框中輸入0.285;
(2)Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Temp Dependent->Temp Table,輸入溫度70,200,300,400,500;
(3)Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Temp Dependent->Prop Table,選擇導熱系數(shù)KXX,材料編號為1,輸入與溫度表對應的導熱系數(shù)8.35/12,8.9/12,9.35/12,9.8/12,10.23/12,選擇APPLY;
(4)選擇比熱C,材料編號為1,輸入0.113,0.117,0.119,0.122,0.125,選擇APPLY;
(5)選擇對流系數(shù)HF,材料編號為2,輸入426/144,405/144,352/144,275/144, 221/144,選擇OK。
5、定義幾何模型參數(shù):Utility Menu>Parameters>Scalar Parameters,輸入ri1=1.3,ro1=1.5,z1=2,ri2=0.4,ro2=0.5,z2=2;
6、建立幾何模型
(1)Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Volumes->Cylinder>By
Dimensions, Outer radius框中輸入ro1,Optional inner radium框中輸入ri1,Z coordinates框中輸入0和Z1,Ending angle框中輸入90;
(2)Utility Menu>WorkPlane>Offset WP by Increments,在XY,YZ,ZX框中輸入0,-90;
(3)Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Volumes->Cylinder>By
Dimensions; Outer radius框中輸入ro2, Optional inner radium框中輸入ri2, Z coordinates框中輸入0和Z2,Starting angle框中輸入-90,Ending angle框中輸入0;
(4)Utility Menu>WorkPlane>Align WP with>Global Cartesian;
7、進行布爾操作:Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Operate>-Booleans->
Overlap >Volumes,選擇Pick All;
(綜合自網絡)
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