搜索ANSYS熱分析指南與案例分析（三）
2017-05-08 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
第四章 瞬態(tài)傳熱分析
一、瞬態(tài)傳熱分析的定義
瞬態(tài)熱分析用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)的隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)及其它熱參數(shù)。在工程上一般用瞬態(tài)熱分析計(jì)算溫度場(chǎng),并將之作為熱載荷進(jìn)行應(yīng)力分析。
瞬態(tài)熱分析的基本步驟與穩(wěn)態(tài)熱分析類(lèi)似。主要的區(qū)別是瞬態(tài)熱分析中的載荷是隨時(shí)間變化的。為了表達(dá)隨時(shí)間變化的載荷,首先必須將載荷~時(shí)間曲線分為載荷步。載荷~時(shí)間曲線中的每一個(gè)拐點(diǎn)為一個(gè)載荷步,如下圖所示。
對(duì)于每一個(gè)載荷步,必須定義載荷值及時(shí)間值,同時(shí)必須選擇載荷步為漸變或階越。
二、瞬態(tài)熱分析中的單元及命令
瞬態(tài)熱分析中使用的單元與穩(wěn)態(tài)熱分析相同。要了解每個(gè)單元的詳細(xì)說(shuō)明,請(qǐng)參閱《ANSYS Element Reference Guide》。要了解每個(gè)命令的詳細(xì)功能,請(qǐng)參閱《ANSYS Command Reference Guide》。
三、ANSYS 瞬態(tài)熱分析的主要步驟
· 建模
· 加載求解
· 后處理
四、建模
· 確定jobname、title、units, 進(jìn)入PREP7;
· 定義單元類(lèi)型并設(shè)置選項(xiàng);
· 如果需要,定義單元實(shí)常數(shù);
· 定義材料熱性能:一般瞬態(tài)熱分析要定義導(dǎo)熱系數(shù)、密度及比熱;
· 建立幾何模型;
· 對(duì)幾何模型劃分網(wǎng)格。
關(guān)于建模及劃分網(wǎng)格,請(qǐng)參閱《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。
五、加載求解
1、定義分析類(lèi)型
· 如果第一次進(jìn)行分析,或重新進(jìn)行分析
GUI: Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis>Transient
Command: ANTYPE,TRANSIENT,NEW
· 如果接著上次的分析繼續(xù)進(jìn)行(例如增加其它載荷)
GUI: Main Menu>Solution>Analysis Type>Restart
Command: ANTYPE,TRANSIENT,REST
2、獲得瞬態(tài)熱分析的初始條件
①、定義均勻溫度場(chǎng)
如果已知模型的起始溫度是均勻的,可設(shè)定所有節(jié)點(diǎn)初始溫度
Command: TUNIF
GUI: Main Menu> Solution>-Loads->Settings>Uniform Temp
如果不在對(duì)話框中輸入數(shù)據(jù),則默認(rèn)為參考溫度,參考溫度的值默認(rèn)為零,但可通過(guò)如下方法設(shè)定參考溫度:
Command: TREF
GUI: Main Menu> Solution>-Loads->Settings>Reference Temp
注意:設(shè)定均勻的初始溫度,與如下的設(shè)定節(jié)點(diǎn)的溫度(自由度)不同
Command: D
GUI: Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Temperature>On Nodes
初始均勻溫度僅對(duì)分析的第一個(gè)子步有效;而設(shè)定節(jié)點(diǎn)溫度將保持貫穿整個(gè)瞬態(tài)分析過(guò)程,除非通過(guò)下列方法刪除此約束:
Command: DDELE
GUI: Main Menu> Solution>-Loads->Delete>-Thermal-Temperature>On Nodes
②、設(shè)定非均勻的初始溫度
在瞬態(tài)熱分析中,節(jié)點(diǎn)溫度可以設(shè)定為不同的值:
Command: IC
GUI: Main Menu> Solution>Loads>Apply>-Initial Condit'n>Define
如果初始溫度場(chǎng)是不均勻的且又是未知的,就必須首先作穩(wěn)態(tài)熱分析確定初始條件:
· 設(shè)定載荷(如已知的溫度、熱對(duì)流等)
· 將時(shí)間積分設(shè)置為OFF:
Command: TIMINT, OFF
GUI: Main Menu> Preprocessor>Loads>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time Integration
· 設(shè)定一個(gè)只有一個(gè)子步的,時(shí)間很小的載荷步(例如0.001):
Command: TIME
GUI: Main Menu> Preprocessor>Loads>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time and Substps
· 寫(xiě)入載荷步文件:
Command: LSWRITE
GUI: Main Menu> Preprocessor>Loads>Write LS File
或先求解:
Command: SOLVE
GUI: Main Menu> Solution>Solve>Current LS
注意:在第二載荷步中,要?jiǎng)h去所有設(shè)定的溫度,除非這些節(jié)點(diǎn)的溫度在瞬態(tài)分析與穩(wěn)態(tài)分析相同。
3、設(shè)定載荷步選項(xiàng)
①、普通選項(xiàng)
l 時(shí)間:本選項(xiàng)設(shè)定每一載荷步結(jié)束時(shí)的時(shí)間:
Command: TIME
GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time and Substps
l 每個(gè)載荷步的載荷子步數(shù),或時(shí)間增量
對(duì)于非線性分析,每個(gè)載荷步需要多個(gè)載荷子步。時(shí)間步長(zhǎng)的大小關(guān)系到計(jì)算的精度。步長(zhǎng)越小,計(jì)算精度越高,同時(shí)計(jì)算的時(shí)間越長(zhǎng)。根據(jù)線性傳導(dǎo)熱傳遞,可以按如下公式估計(jì)初始時(shí)間步長(zhǎng):
其中
為沿?zé)崃鞣较驘崽荻茸畲筇幍膯卧拈L(zhǎng)度,
為導(dǎo)溫系數(shù),它等于導(dǎo)熱系數(shù)除以密度與比熱的乘積(
)。
Command: NSUBST or DELTIM
GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time and Substps
如果載荷在這個(gè)載荷步是恒定的,需要設(shè)為階越選項(xiàng);如果載荷值隨時(shí)間線性變化,則要設(shè)定為漸變選項(xiàng):
Command: KBC
GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time and Substps
②、非線性選項(xiàng)
l 迭代次數(shù):每個(gè)子步默認(rèn)的次數(shù)為25,這對(duì)大多數(shù)非線性熱分析已經(jīng)足夠。
Command: NEQIT
GUI: Main Menu> Solution>-Load step opts>Nonlinear>Equilibrium Iter
l 自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng):本選項(xiàng)為ON時(shí),在求解過(guò)程中將自動(dòng)調(diào)整時(shí)間步長(zhǎng)。
Command: AUTOTS
GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time and Substps
l 時(shí)間積分效果:如果將此選項(xiàng)設(shè)定為OFF,將進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析。
Command: TIMINT
GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time Integration
③、輸出選項(xiàng)
· 控制打印輸出:本選項(xiàng)可將任何結(jié)果數(shù)據(jù)輸出到*.out 文件中
Command: OUTPR
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts->Output Ctrls>Solu Printout
· 控制結(jié)果文件:控制*.rth的內(nèi)容
Command: OUTRES
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts->Output Ctrls>DB/Results File
?、存盤(pán)求解
六、后處理
ANSYS提供兩種后處理方式:
· POST1,可以對(duì)整個(gè)模型在某一載荷步(時(shí)間點(diǎn))的結(jié)果進(jìn)行后處理;
Command: POST1
GUI: Main Menu>General Postproc.
· POST26,可以對(duì)模型中特定點(diǎn)在所有載荷步(整個(gè)瞬態(tài)過(guò)程)的結(jié)果進(jìn)行后處理。
Command: POST26
GUI: Main Menu>TimeHist Postproc
1、用POST1進(jìn)行后處理
· 進(jìn)入POST1后,可以讀出某一時(shí)間點(diǎn)的結(jié)果:
Command: SET
GUI: Main Menu>General Postproc>Read Results>By Time/Freq
如果設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)不在任何一個(gè)子步的時(shí)間點(diǎn)上,ANSYS會(huì)進(jìn)行線性插值。
· 此外還可以讀出某一載荷步的結(jié)果:
GUI: Main Menu>General Postproc>Read Results>By Load Step
然后就可以采用與穩(wěn)態(tài)熱分析類(lèi)似的方法,對(duì)結(jié)果進(jìn)行彩色云圖顯示、矢量圖顯示、打印列表等后處理。
2、用POST26進(jìn)行后處理
· 首先要定義變量:
Command: NSOL or ESOL or RFORCE
GUI: Main Menu>TimeHist Postproc>Define Variables
· 然后就可以繪制這些變量隨時(shí)間變化的曲線:
Command: PLVAR
GUI: Main Menu>TimeHist Postproc>Graph Variables
或列表輸出:
Command: PRVAR
GUI: Main Menu>TimeHist Postproc>List Variables
此外,POST26還提供許多其它功能,如對(duì)變量進(jìn)行數(shù)學(xué)操作等,請(qǐng)參閱《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》
七、相變問(wèn)題
ANSYS熱分析最強(qiáng)大的功能之一就是可以分析相變問(wèn)題,例如凝固或熔化等。含有相變問(wèn)題的熱分析是一個(gè)非線性的瞬態(tài)的問(wèn)題:
· 相變問(wèn)題需要考慮熔融潛熱,即在相變過(guò)程吸收或釋放的熱量。ANSYS通過(guò)定義材料的焓隨溫度變化來(lái)考慮熔融潛熱(如圖所示)。
焓的單位是J/m3,是密度與比熱的乘積對(duì)溫度的積分:
求解相變問(wèn)題,應(yīng)當(dāng)設(shè)定足夠小的時(shí)間步長(zhǎng),并將自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為ON;
· 選用低階的熱單元,例如PLANE55或SOLID70。如果必須選用高階單元,請(qǐng)將單元選項(xiàng)KEYOPT(1)設(shè)置為1:
Command: keyopt(1)=1
GUI: Main Menu>Prepocessor>Element Type>Add/Edit/Delete>Options>-Specific heat matrix->Diagonalized
· 在設(shè)定瞬態(tài)積分參數(shù)時(shí),請(qǐng)將THETA值設(shè)置為1(默認(rèn)為0.5):
Command: TINTP
GUI: Main Menu> Solution>-Load and Step Opts->Time/Frequence>Time intergration>THETA
· 線性搜索將有助于加速相變問(wèn)題的求解。
Command: LNSRCH
GUI: Main Menu>Solution>-Load and Step Opts->Nonlinear>Line Search
實(shí)例1:
一個(gè)30公斤重、溫度為70℃的銅塊,以及一個(gè)20公斤重、溫度為80℃的鐵塊,突然放入溫度為20℃、盛滿(mǎn)了300升水的、完全絕熱的水箱中,如圖所示。過(guò)了一個(gè)小時(shí),求銅塊與鐵塊的最高溫度(假設(shè)忽略水的流動(dòng))。
材料熱物理性能如下:
|
熱性能 |
單位制 |
銅 |
鐵 |
水 |
|
導(dǎo)熱系數(shù) |
W/m℃ |
383 |
70 |
.61 |
|
密度 |
Kg/m3 |
8889 |
7833 |
996 |
|
比熱 |
J/kg℃ |
390 |
448 |
4185 |
以下列出log文件及菜單操作說(shuō)明
/filename,transient1
/title, Thermal Transient Exercise 1
!進(jìn)入前處理
/prep7
et,1,plane77 ! 定義單元類(lèi)型
mp,kxx,1,383 ! 定義材料熱性能參數(shù)
mp,dens,1,8889 !1~銅,2~鐵,3~水
mp,c,1,390
mp,kxx,2,70
mp,dens,2,7837
mp,c,2,448
mp,kxx,3,0.61
mp,dens,3,996
mp,c,3,4185
rectnag,0,0.6,0,0.5 !創(chuàng)建幾何實(shí)體
rectang,0.15,0.225,0.225,0.27
rectang,0.6-0.2-0.058,0.6-0.2,0.225,0.225+0.044
aovlap,all !布爾操作
/pnum,area,1
aplot
aatt,1,1,1 !劃分網(wǎng)格
eshape,2
esize,0.02
amesh,2
aatt,2,1,1
amesh,3
aatt,3,1,1
eshape,3
esize,0.05
amesh,4
/pnum,mat,1
eplot
finish
!加載求解
/solu
antype,trans
timint,off !先作穩(wěn)態(tài)分析,確定初始條件
time,0.01 !設(shè)定只有一個(gè)子步的時(shí)間很小的載荷步
deltim,0.01
esel,s,mat,,3
nsle,s
d,all,temp,20
esel,s,mat,,2
nsle,s
d,all,temp,80
esel,s,mat,,1
nsle,s
d,all,temp,70
allsel
solve !得到初始溫度分布
time,3600 !進(jìn)行瞬態(tài)分析
timint,on !打開(kāi)時(shí)間積分
deltim,26,2,200 !設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng),最大及最小時(shí)間步長(zhǎng)
autots,on !打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)
ddelet,all,temp !刪除穩(wěn)態(tài)分析中定義的節(jié)點(diǎn)溫度
outres,all,1 !將每個(gè)子步的值寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)文件
solve
finish
save
!進(jìn)入POST26后處理
/post26
solu,2,dtime,,dtime !2~每一子步采用的時(shí)間步長(zhǎng)
nsol,3,node(0.1875,0.2475,0),temp,,T_Copper !3~銅塊的中心點(diǎn)
nsol,4,node(0.371,0.247,0),temp,,T_Iron !4~鐵塊的中心點(diǎn)
nsol,5,node(30,0,0),temp,,T_H2O_Bot !5~水箱的底部
nsol,6,node(30,50,0),temp,,T_H2O_Top !6~水箱的頂部
nsol,7,node(0,25,0),temp,,T_H2O_Left !7~水箱的左部
nsol,8,node(60,25,0),temp,,T_H2O_Right !8~水箱的右部
Plvar,2
plvar,3,4,5,6,7,8
finish
!進(jìn)入POST1后處理
/post1 !設(shè)置為最后一個(gè)載荷子步
set,last
esel,s,mat,,1
nsle,s
plnsol,temp
esel,s,mat,,2
nsle,s
plnsol,temp
finish
菜單操作:
1、Utility Menu: File>Change Jobname, 輸入文件名Transient1;
2、Utility Menu: File>Change Title,輸入Thermal Transient Exercise 1;
3、Main Menu>Preprocessor,進(jìn)入前處理;
4、Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete, 選擇單元plane77;
5、Main Menu>Preprocessor>Material Props>Isotropic, 定義材料1(銅)的KXX等于 383、DENS等于8889、C等于1390;
6、Main Menu>Preprocessor>Material Props>Isotropic, 定義材料2(鐵)的KXX等于 70、DENS等于7837、C等于448;
7、Main Menu>Preprocessor>Material Props>Isotropic, 定義材料3(水)的KXX等于0.61、DENS等于996、C等于4185;
8、Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Areas->Retangle>By Dimensions, 輸入X1=0, Y1=0, X2=0.6, Y2=0.5, 選擇Apply, 輸入X1=0.15, Y1=0.225, X2= 0.225, Y2=0.27, 選擇Apply, 輸入X1=0.6-0.2-0.058, Y1=0.225, X2=0.6-0.2, Y2=0.225+0.044, 選擇OK;
9、Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Operate>Booleans>Overlap, 選擇Pick All;
10、Utility Menu: Plotctrls>Numbering>Areas, on;
11、Utility Menu:Plot>Areas;
12、Main Menu>Preprocessor>-Attributes->Define->All Areas, 選擇材料1;
13、Main Menu>Preprocessor>Meshing->Size Cntrls->-Manualsize->-Global->Size, 輸入單元大小0.02;
14、Main Menu>Preprocessor>Meshing->Mesh->-Areas->Mapped>3 or 4 sided, 選擇銅塊;
15、Main Menu>Preprocessor>-Attributes->Define->All Areas, 選擇材料2;
16、Main Menu>Preprocessor>Meshing->Mesh->-Areas->Mapped>3 or 4 sided, 選擇鐵塊;
17、Main Menu>Preprocessor>-Attributes->Define->All Areas, 選擇材料3;
18、Main Menu>Preprocessor>Meshing->Size Cntrls->-Manualsize->-Global->Size, 輸入單元大小0.05;
19、Main Menu>Preprocessor>Meshing->Mesh->-Areas->Free, 選擇水箱;
20、Utility Menu>Plot>Area;
21、Main Menu>Solution,進(jìn)入加載求解;
22、Main Menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis, 選擇Transient,定義為瞬態(tài)分析;
23、Main Menu>Solution>-Load Step Opts>Time/Frenquenc>Time Integration, TIMINT, off,首先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析;
24、Main Menu>Solution>-Load Step Opts>Time/Frenquenc>Time-Time Step,設(shè)定TIME為0.01、DELTIM也為0.01;
25、Utility Menu: Select>Element>mat, 輸入3, 選擇Apply, 選擇Nodes>Attached to, 選擇Element;
26、Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Temperature>On Nodes, 選擇Pick All, 輸入20;
27、Utility Menu: Select>Element>mat, 輸入2, 選擇Apply, 選擇Nodes>Attached to, 選擇Element;
28、Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Temperature>On Nodes, 選擇Pick All, 輸入80;
29、Utility Menu: Select>Element>mat, 輸入1, 選擇Apply, 選擇Nodes>Attached to, 選擇Element;
30、Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Temperature>On Nodes, 選擇Pick All, 輸入70;
31、Utility Menu: Select Everything
32、Main Menu>Solution>-Solve->Current LS
33、Main Menu>Solution>-Load Step Opts>Time/Frenquenc>Time-Time Step,設(shè)定TIME=3600, DELTIM=26, 最小、最大時(shí)間步長(zhǎng)分別為2, 200, 將Autots設(shè)置為ON;
34、Main Menu>Solution>-Load Step Opts>Time/Frenquenc>Time Integration, 將TIMINT設(shè)置為ON;
35、Main Menu>Solution>-Loads->Delete>-Thermal->Temperature>On Nodes, 選擇Pick All,刪除穩(wěn)態(tài)分析定義的節(jié)點(diǎn)溫度;
36、Main Menu>Solution>-Load Step Opts>Output Ctrls->DB/Results, 選擇Every Substeps;
37、Main Menu>Solution>-Solve->Current LS;
38、Main Menu>TimeHist PostPro,進(jìn)入POST26;
39、Main Menu>TimeHist PostPro>Define Variables>Add>Solution summary,在User specified label框中輸入dtime,選擇Solution Items>Step Time,選擇OK,Add>Nodal result>,在Node number框中輸入node(0.1875,0.2475,0),在User specified label框中輸入T_Copper,同樣輸入其它節(jié)點(diǎn);
40、Main Menu>TimeHist PostPro>Graph Virables, 輸入變量代號(hào),顯示各變量隨時(shí)間變化的曲線;
41、Main Menu>General Postproc,進(jìn)入POST1;
42、Main Menu>General Postproc>-Read Results->Last set
43、Utility Menu>Select>Element>mat,輸入1,選擇Apply,Nodes>Attach to,選擇Element, OK;
44、Main Menu>General Postproc>Plot result>Nodal Solution,選擇temperature;
45、Utility Menu>Select>Element>mat,輸入2,選擇Apply,Nodes>Attach to,選擇Element, OK;
46、Main Menu>General Postproc>Plot result>Nodal Solution,選擇temperature;
實(shí)例2:
一鋼鑄件及其砂模的橫截面尺寸如圖所示:
砂模的熱物理性能如下表所示:
|
|
單位制 |
|
|
導(dǎo)熱系數(shù)(KXX) |
Btu/hr.in.oF |
0.025 |
|
密度(DENS) |
lbm/in3 |
0.254 |
|
比熱(C) |
Btu/lbm.oF |
0.28 |
鑄鋼的熱物理性能如下表所示:
|
|
單位制 |
0oF |
2643oF |
2750oF |
2875oF |
|
導(dǎo)熱系數(shù) |
Btu/hr.in.oF |
1.44 |
1.54 |
1.22 |
1.22 |
|
焓 |
Btu/in3 |
0 |
128.1 |
163.8 |
174.2 |
初始條件:鑄鋼的溫度為2875oF,砂模的溫度為80oF;
砂模外邊界的對(duì)流邊界條件:對(duì)流系數(shù)0.014Btu/hr.in2.oF,空氣溫度80oF;
求3個(gè)小時(shí)后鑄鋼及砂模的溫度分布。
/Title, Casting Solidification
!進(jìn)入前處理
/prep7
et,1,plane55 !定義單元
mp,dens,1,0.054 !定義砂模熱性能
mp,kxx,1,0.025
mp,c,1,0.28
mptemp,1,0,2643,2750,2875 !定義鑄鋼的熱性能
mpdata,kxx,2,1.44,1.54,1.22,1.22
mpdata,enth,2,0,128.1,163.8,174.2
mpplot,kxx,2
mpplot,enth,2
save
!創(chuàng)建幾何模型
k,1,0,0,0
k,2,22,0,0
k,3,10,12,0
k,4,0,12,0
/pnum,kp,1
/pnum,line,1
/pnum,area,1
/Triad,ltop
kplot
a,1,2,3,4
save
rectng,4,22,4,8
aplot
aovlap,all
adele,3
aplot
save
!劃分網(wǎng)格
esize,1
amesh,5
mat,2
aplot
amesh,4
eplot
/pnum,elem
/number,1
save
!進(jìn)入加載求解
/SOLU
antype,trans !設(shè)定為瞬態(tài)分析
esel,s,mat,,2 !設(shè)定鑄鋼的初始溫度
nsle,s
/replot
ic,all,temp,2875
esel,inve !設(shè)定砂模的初始溫度
nsle,s
/replot
ic,all,temp,80
allsel
save
lplot
sfl,1,CONV,0.014,,80 !設(shè)定砂模外邊界對(duì)流
sfl,3,CONV,0.014,,80
sfl,4,CONV,0.014,,80
/psf,conv,2
time,3 !設(shè)定瞬態(tài)分析時(shí)間
kbc,1 !設(shè)定為階越的載荷
autots,on !打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)
deltim,0.01,0.001,0.25 !設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)
timint,on !打開(kāi)時(shí)間積分
tintp,,,,1 !將THETA設(shè)定為1
outres,all,all !輸入每個(gè)子步的結(jié)果
solve
!進(jìn)入后處理
/post26
/pnum,node,1
/number,0
eplot
nsol,2,204,temp,center !設(shè)定鑄鋼中心點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變量
plvar,2 !繪制溫度~時(shí)間曲線
save
finish
菜單操作:
1.Utility Menu>File>Change Title, 輸入Casting Solidification;
2.定義單元類(lèi)型:Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete, Add, Quad 4node 55;
3.定義砂模熱性能:Main Menu>Preprocessor>Material Props>Isotropic, 默認(rèn)材料編號(hào)1, 在Density(DENS)框中輸入0.054, 在Thermal conductivity (KXX)框中輸入0.025, 在Specific heat(C)框中輸入0.28;
4.定義鑄鋼熱性能溫度表:Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Temp Dependent->Temp Table, 輸入T1=0,T2=2643, T3=2750, T4=2875;
5.定義鑄鋼熱性能:Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Temp Dependent ->Prop Table, 選擇Th Conductivity,選擇KXX, 輸入材料編號(hào)2,輸入C1=1.44, C2=1.54, C3=1.22, C4=1.22,選擇Apply, 選擇Enthalpy,輸入C1=0, C2=128.1, C3=163.8, C4=174.2;
6.創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn):Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>Keypoints>In Active CS,輸入關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)1,輸入坐標(biāo)0,0,0, 輸入關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)2, 輸入坐標(biāo)22,0,0, 輸入關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)3, 輸入坐標(biāo)10,12,0, 輸入關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)4, 輸入坐標(biāo)0,12,0;
7.創(chuàng)建幾何模型:Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Areas->Arbitrary>Through KPs,順序選取關(guān)鍵點(diǎn)1,2,3,4;
8.Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Areas->Rectangle>By Dimension,輸入X1=4,X2=22,Y1=4,Y2=8;
9.進(jìn)行布爾操作:
10.Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Operate>-Booleans->Overlap>Area,Pick all;
11.刪除多余面:Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Delete>Area and Below,3
12.保存數(shù)據(jù)庫(kù):在Ansys Toolbar中選取SAVE_DB;
13.定義單元大小:Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Size Cntrls>-Global->Size, 在Element edge length框中輸入1;
14.對(duì)砂模劃分網(wǎng)格:Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Mesh>-Areas->Free,選擇砂模;
15.對(duì)鑄鋼劃分網(wǎng)格:Main Menu>Preprocessor>-Attributes->Define>Default Attribs, 在Material number菜單中選擇2;
16.Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Mesh>-Areas->Free,選擇鑄鋼;
17.定義分析類(lèi)型:Main Menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis, 選擇Transient;
18.選擇鑄鋼上的節(jié)點(diǎn):Utility Menu>Select>Entities, 選擇element,mat,輸入2,選擇Apply,選擇node, attached to element,選擇OK;
19.定義鑄鋼的初始溫度:Main Menu>Solution>-Loads->Apply>Initial Condit’n>Define, 選擇Pick all,選擇temp, 輸入2875, OK;
20.選擇砂模上的節(jié)點(diǎn):Utility Menu>Select>Entities,Nodes, inverse
21.定義砂模的初始溫度:Main Menu>Solution>-Loads->Apply>Initial Condit’n>Define, 選擇Pick all, 選擇temp, 輸入80, OK;
22.Utility Menu>Select>Everything;
23.Utility Menu>Plot>Lines;
24.定義對(duì)流邊界條件: Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Converction>On Lines,選擇砂模的三個(gè)邊界1,3,4, 在file coefficent框中輸入80, 在Bulk temperature框中輸入, 80;
25.設(shè)定瞬態(tài)分析時(shí)間選項(xiàng):
Main Menu>Solution>Load Step Opts>Time/Frequenc>Time-Time Step,
Time at end of load step 3
Time Step size 0.01
Stepped or ramped b.c. Stepped
Automatic time stepping on
Minimun time Step size 0.001
Maximum time step size 0.25
26.設(shè)置輸出:Main Menu>Solution>Load Step Opts>Output Ctrls>DB/Results File, 在File write frequency框中選擇Every substep;
27.求解:Main Menu>Solution>-Solve->Current LS;
28.進(jìn)入后處理: Main Menu>Timehist Postproc;
29.定義鑄鋼中心節(jié)點(diǎn)的溫度變量: Main Menu>Timehist Postproc>Define Variables, Add, Nodal DOF result,2,204;
30.繪制節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線:Main Menu>Timehist Postproc>Graph Variable,2。
《ANSYS Verification Manual》中關(guān)于瞬態(tài)熱分析的實(shí)例:
VM104 Liquid-solid phase change
VM109 Temperature gradient across a solid cylinder
VM110 Transient temperature distribution in a slab
VM111 Cooling of a spherical body
VM112 Cooling of a spherical body
VM113 Transient temperature distribution in an orthotropic metal bar
VM114 Temperature response to a linearly rising surface temperature
VM115 Thermal response of heat generating slab
VM116 Heat conducting plate with sudden cooling
第五章 熱輻射
一、什么是熱輻射
輻射是一種通過(guò)電磁波傳遞能量的方式。電磁波以光速傳播且無(wú)需任何介質(zhì)。熱輻射僅為電磁波譜
中的一小段。因?yàn)橛捎跓彷椛湟鸬臒崃髋c物體表面絕對(duì)溫度的四次方成正比,因此熱輻射分析是
高度非線性的。
二、分析熱輻射問(wèn)題
ANSYS提供了三 種方法分析熱輻射問(wèn)題:
· 用LINK31,輻射線單元,分析兩個(gè)點(diǎn)或多對(duì)點(diǎn)之間的熱輻射;
· 用表面效應(yīng)單元SURF19或SURF22,分析點(diǎn)對(duì)面的熱輻射;
· 用AUX12,熱輻射矩陣生成器,分析面與面之間的熱輻射
以上三種方法既可用于穩(wěn)態(tài)熱分析,也可用于瞬態(tài)熱分析。
熱輻射分析要注意溫度的單位制,因?yàn)橛?jì)算熱輻射使用的溫度單位是絕對(duì)溫度。如果在加載時(shí)使用
的是華氏溫度,就要設(shè)置460的差值;如果為攝氏溫度,差值為273。
Command:TOFFST
GUI: Main Menu>Preprocessor>Loads>Analysis Options
GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options
三、使用LINK31—輻射線單元
LINK31是一個(gè)兩節(jié)點(diǎn)非線性線單元,用于計(jì)算由輻射引起的兩點(diǎn)之間的熱傳遞。此單元要求輸入如下的實(shí)常數(shù):
· 有效的熱輻射面積;
· 形狀系數(shù)
· 輻射率
· Stefan-Boltzmann 常數(shù)
四、使用表面效應(yīng)單元
表面效應(yīng)單元可以方便地分析點(diǎn)與面之間的輻射傳熱。SURF19用于兩維模型,SURF22用于三維模
型。單元應(yīng)設(shè)置為包含輻射KEYOPT(9)。
五、使用AUX12—輻射矩陣生成器
此方法用于計(jì)算多個(gè)輻射面之間的輻射傳熱。這種方法生成輻射面之間形狀系數(shù)矩陣,并將此矩陣
作為超單元用于熱分析。
AUX12方法由三個(gè)步驟組成:
· 定義輻射面
· 生成輻射矩陣
· 在熱分析中使用輻射矩陣
1、定義輻射面
￡¨1￡©在PREP7中建模、劃分網(wǎng)格。輻射面往往是3D模型中的面或2D模型中的邊,如下圖所示:
￡¨2￡©在輻射表面用SHELL57(3D)或LINK32(2D)劃分網(wǎng)格。最好的方法是先選擇輻射表面的
節(jié)點(diǎn),然后用如下方法創(chuàng)建SHELL57或LINK32單元:
Command: ESURF
GUI: Main Menu>Preprocessor>Create>Elements>On Free Surf
注意:輻射面上的SHELL57或LINK32單元與節(jié)點(diǎn)必須與實(shí)體單元相吻合,否則計(jì)算的結(jié)果是不正確的。
生成的SHELL57或LINK32單元的取向也很重要。AUX12假定輻射的方向是SHELL57的+Z向或LINK32的+Y向。因此在生成SHELL57或LJNK32單元時(shí)要注意節(jié)點(diǎn)的排列順序。如圖所示:
(3)、如果所分析的系統(tǒng)是開(kāi)放的,即一個(gè)面所輻射的熱能未被模型中其它的面吸收,則必須定義一個(gè)空間節(jié)點(diǎn),用于吸收損失的輻射熱量。這個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置是任意的。對(duì)于封閉的系統(tǒng),不應(yīng)定義
空間節(jié)點(diǎn)。
2、生成輻射矩陣
(1)、進(jìn)入AUX12:
Command: /AUX12
GUI: Main Menu>Radiation Matrix
(2)、選擇組成輻射面的節(jié)點(diǎn)和單元。比較方便的方法是根據(jù)單元類(lèi)型選擇單元,并選擇單元上的節(jié)點(diǎn)。有關(guān)選擇目標(biāo)的技巧,請(qǐng)參閱《ANSYS Basic Analysis Guide》
(3)、確定模型是3D還是2D:
Command: GEOM
GUI: Main Menu>Radiation Matrix>Other Setting
AUX12用不同的算法計(jì)算2D或3D模型的形狀系數(shù)。AUX12默認(rèn)為3D。2D分為純平面或軸對(duì)稱(chēng),默認(rèn)為純平面。
(4)定義每個(gè)輻射面的輻射率(默認(rèn)為1):
Command: EMIS
GUI: Main Menu>Radiation Matrix>Emissivities
(5)、定義Stefan-Boltzmann常數(shù)(默認(rèn)為英制單位0.199E-10Btu/hr-in2-R4)
Command: STEF
GUI: Main Menu>Radiation Matrix>Other Settings
(6)、確定用什么方式計(jì)算形狀系數(shù):
Command: VTYPE
GUI: Main Menu>Radiation Matrix>Write Matrix
選擇是隱藏還是非隱藏方法:
· 非隱藏方法計(jì)算每?jī)蓚€(gè)單元之間的形狀系數(shù),無(wú)論它們之間有無(wú)障礙;
· 隱藏方法(默認(rèn))用一種隱藏線算法判斷兩輻射面之間是否“可見(jiàn)”,如果可見(jiàn)則計(jì)算形狀系數(shù)。
(7)如為開(kāi)放系統(tǒng),定義空間節(jié)點(diǎn):
Command: SPACE
GUI: Main Menu>Radiation Matrix>Other Settings
(8)計(jì)算輻射矩陣并寫(xiě)入jobename.sub文件:
Command: WRITE
GUI: Main Menu>Radiation Matrix>Write Matrix
如果要打印此矩陣,在執(zhí)行上述命令之前輸入MPRINT,1。
(9)選擇所有的節(jié)點(diǎn)和單元
3、在熱分析中使用輻射矩陣
(1)、重新進(jìn)入PREP7,定義一個(gè)新的單元類(lèi)型MATRIX50(超單元);
(2)、將單元類(lèi)型指向超單元:
Command: TYPE
GUI: Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>Elements>Elem Attributes
(3)、讀入超單元矩陣:
Command: SE
GUI: Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>Elements>-Superelements-From .SUB File
(4)、不選擇或刪除用于生成輻射矩陣的SHELL57或LINK32單元:
Command: EDELE
GUI: Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Delete>Elements
(5)、進(jìn)入/SOLUTION施加其它熱載荷并求解。
(綜合自網(wǎng)絡(luò))
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