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-MechanicalIntroduction

第六章热分

析

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6-1

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•本章练习稳态热分析的模拟，包括：

A.几何模型

B.组件-实体接触

C.热载荷

D.求解选项

E.结果和后处理

F.作业6.1

•本节描述的应用一般都能在ANSYSDesignSpaceEntra或更高版本中使用，除了

ANSYSStructural

•提示：在ANSYS热分析的培训中包含了包括热瞬态分析的高级分析

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•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：

•假设：

K

TT

QT

–在稳态分析中不考虑瞬态影响

–[K]可以是一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

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•上述方程基于傅里叶定律：

•固体内部的热流（Fourier’sLaw）是[K]的基础；

•热通量、热流率、以及对流在{Q}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

•在模拟时，记住这些假设对热分析是很重要的。

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•热分析里所有实体类都被约束：

–体、面、线

•线实体的截面和轴向在DesignModeler中定义

•热分析里不可以使用点质量（PointMass）的特性

•壳体和线体假设：

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•唯一需要的材料特性是导热性（ThermalConductivity）

•ThermalConductivity

在EngineeringData中

输入

•温度相关的导热性以表格形式输

入

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•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

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–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pinball的解释

）。

–总结：

ContactType

HeatTransferBetweenPartsinContactRegion?

InitiallyTouchingInsidePinballRegionOutsidePinballRegion

BondedYesYesNo

NoSeparationYesYesNo

RoughYesNoNo

FrictionlessYesNoNo

FrictionalYesNoNo

–Pinball区域决定了什么时候发生接触，并且是自动定义的，同时还给了一个相对

较小的值来适应模型里的小间距。

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•如果接触是Bonded（绑定的）或noparation

（无分离的），那么当面出现在pinballradius

内时就会发生热传导（绿色实线表示）。

PinballRadius

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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。

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•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：

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T

–穿过接触界面的热流速，由接触热通量q决定：

qTCC

targ

et

T

contact

–式中T

contact

是一个接触节点上的温度，T

target

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KXX和整个几何边界框的对角线

ASMDIAG，TCC被赋以一个相对较大的值。

TCC

KXX10,000

/

ASMDIAG

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–这实质上为部件间提供了一个完美接触传导

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•在ANSYSProfessional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，为每个接触域指定TCC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TCC值

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•Spotweld（点焊）提供了离散的热传导点：

–Spotweld在CAD软件中进行定义（目前只有DesignModeler和Unigraphics

可用）。

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•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。

–它的单位是能量比上时间（energy/time）

•完全绝热（热流量为0）：

•热生成：

–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（energy/time/volume）

正的热载荷会增加系统的能量。

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温度、对流、辐射：

•完全绝热条件将忽略其它的热边界条件

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•对流：

–只能施加在面上（二维分析时只能施加在边上）

–对流q由导热膜系数h，面积A，以及表面温度T

surface

与环境温度T

ambient

的

差值

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•与温度相关的对流：

–为系数类型选择

Tabular(Temperature)

–输入对流换热系数-温度表格数据

–在细节窗口中，为h(T)指定温度的处理方式

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•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。

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•辐射:

–施加在面上（二维分析施加在边上）

44

–式中：

Q

RFAT

surface

T

ambient

•σ=斯蒂芬一玻尔兹曼常数

•ε=放射率

•A=辐射面面积

•F=形状系数（默认是1）

–只针对环境辐射，不存在于面面之间（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

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•从Workbenchtoolbox插入Steady-StateThermal

将在projectschematic里建立一个

SSThermalsystem（SS热分析）

•在Mechanical里，可以使用AnalysisSettings为热

分析设置求解选项。

–注意，第四章的静态分析中的AnalysisDataManagement选项在这里也可以

使用。

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•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StaticStructural中插入了一个importedload分支，并同时导入了施

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•后处理可以处理各种结果：

–温度

–热通量

–反作用的热流速

–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。

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•温度：

–温度是标量，没有方向

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•可以得到热通量的等高线或矢量图：

–热通量q定义为q

KXX

T

–可以指定TotalHeatFlux（整体热通量）和

DirectionalHeatFlux（方向热通量）

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•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probe指定响应热流量，或

–用户可以交替的把一个边界条件拖放到Solution上后搜索响应

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•作业6.1–稳态热分析

•目标：

–分析图示泵壳的热传导特性