ANSYS热分析指南——ANSYS稳态热分析word精品文档59页

第三章 稳态热分析

3.1稳态传热的定义

ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical，ANSYS/FLOTRAN和ANSYS/Professional这些产品支持稳态热分析。稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响。通常在进行瞬态热分析以前，进行稳态热分析用于确定初始温度分布。也可以在所有瞬态效应消失后，将稳态热分析作为瞬态热分析的最后一步进行分析。

稳态热分析可以计算确定由于不随时间变化的热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数。这些热载荷包括：

对流 辐射 热流率

热流密度（单位面积热流） 热生成率（单位体积热流） 固定温度的边界条件

第 1 页

稳态热分析可用于材料属性固定不变的线性问题和材料性质随温度变化的非线性问题。事实上，大多数材料的热性能都随温度变化，因此在通常情况下，热分析都是非线性的。当然，如果在分析中考虑辐射，则分析也是非线性的。 3.2热分析的单元

ANSYS和ANSYS/Professional中大约有40种单元有助于进行稳态分析。有关单元的详细描述请参考《ANSYS Element Reference》，该手册以单元编号来讲述单元，第一个单元是LINK1。单元名采用大写，所有的单元都可用于稳态和瞬态热分析。其中SOLID70单元还具有补偿在恒定速度场下由于传质导致的热流的功能。这些热分析单元如下：

表3-1二维实体单元

单元 维数 形状及特点 自由度 温度（每个节点） 温度（每个节点） 温度（每个节点） 温度（每个节点） 温度（每个节点） PLANE35 二维 六节点三角形单元 PLANE55 二维 四节点四边形单元 PLANE75 二维 四节点谐单元 PLANE77 二维 八节点四边形单元 PLANE38 二维 八节点谐单元 表3-2三维实体单元

单元 维数 形状及特点 第 2 页

自由度 SOLID70 三维 八节点六面体单元 SOLID87 三维 十节点四面体单元 SOLID90 三维 二十节点六单元 温度（每个节点） 温度（每个节点） 温度（每个节点） 表3-3辐射连接单元

单元 维数 形状及特点 自由度 LINK31 二维或三维 二节点线单元 温度（每个节点） 表3-4传导杆单元

单元 维数 形状及特点 自由度 温度（每个节点） 温度（每个节点） LINK32 二维 二节点线单元 LINK33 三维 二节点线单元 表3-5对流连接单元

单元 维数 形状及特点 自由度 温度（每个节点） LINK34 三维 二节点线单元 表3-6壳单元

单元 维数 形状及特点 自由度 温度（每个节点） SHELL57 三维 四节点四边形单元 表3-7耦合场单元

第 3 页

维单元 数 二四节点热－应力耦温度、结构位移、电位、PLANE13 维 合单元 二三节点热－应力接CONTACT48 维 触单元 三CONTACT49 热－应力接触单元 温度、结构位移 维 三二或四节点热－流FLUID116 维 单元 三八节点热－应力和温度、结构位移、电位、SOLID5 维 热－电单元 磁标量位 温度、压力 温度、结构位移 磁矢量位 形状及特点 自由度 三十节点热－应力和温度、结构位移、电位、SOLID98 维 热－电单元 二PLANE67 维 三LINK68 维 三SOLID69 维 SHELL157 三四节点热－电单元 温度、电位 八节点热－电单元 温度、电位 两节点热－电单元 温度、电位 四节点热－电单元 温度、电位 磁矢量位 第 4 页

维 表3-8特殊单元

单元 维数 形状及特点 一个节点的质量自由度 MASS71 一维到三维 单元 温度 温度、结构位COMBINE37 一维 四节点控制单元 移、转动、压力 二到四节点面效SURF151 二维 应单元 四到九节点面效SURF152 三维 应单元 由包括在超单没有固定形状的由包括在超单MATRIX50 元中的单元类矩阵或辐射矩阵元中的单元类型决定 超单元 二节点无限边界INFIN9 二维 单元 四节点无限边界INFIN47 三维 单元 两节点弹簧－阻温度、结构位COMBINE14 一维到三维 尼单元 移、转动、压力 温度、磁矢量位 温度、磁矢量位 型决定 温度 温度 第 5 页

两节点非线性弹温度、结构位COMBINE39 一维 簧单元 移、转动、压力 温度、结构位COMBINE40 一维 两节点组合单元 移、转动、压力 3.3热分析的基本过程

ANSYS热分析包含如下三个主要步骤： 前处理：建模

求解：施加荷载并求解 后处理：查看结果

以下的内容将讲述如何执行上面的步骤。首先，对每一步的任务进行总体的介绍，然后通过一个管接处的稳态热分析的实例来引导读者如何按照GUI路径逐步完成一个稳态热分析。最后，本章提供了该实例等效的命令流文件。 3.4建模

建立一个模型的内容包括：首先为分析指定jobname和title；然后在前处理器（PREP7）中定义单元类型，单元实常数，材料属性以及建立几何实体。《ANSYS Modeling and Meshing Guide》中对本部分有详细说明。

对于热分析有：

第 6 页

定义单元类型 命令：ET

GUI：Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete 定义固定材料属性 命令：MP

GUI：Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models>Thermal

定义温度相关的材料属性，首先要定义温度表，然后定义对应的材料属性值。通过下面的方法定义温度表

命令：MPTEMP或MPTEGN，然后定义对应的材料属性，使用MPDATA GUI：Main Menu>Preprocessor>Material Props> Material Models>Thermal

对于温度相关的对流换热系数也是通过上述的GUI路径和命令来定义的。

注意--如果以多项式的形式定义了与温度相关的膜系数，则在定义其它具有固定属性的材料之前，必须定义一个温度表。

第 7 页

创建几何模型及划分划分网格的过程，请参阅《ANSYS Modeling and Meshing Guide》 3.5施加荷载和求解

在这一步骤中，必须指定所要进行的分析类型及其选项，对模型施加荷载，定义荷载选项，最后执行求解。 3.5.1指定分析类型

在这一步中，可以如下指定分析类型：

GUI: Main Menu>Solution>New Analysis>Steady-state(static) 命令：ANTYPE,STATIC,NEW

如果是重新启动以前的分析，比如，附加一个荷载。命令：ANTYPE,STATIC,rest。

（条件是先前分析的jobname.ESAV、jobname.DB等文件是可以利用的）

3.5.2施加荷载

可以直接在实体模型（点、线、面、体）或有限元模型（节点和单元）上施加载荷和边界条件，这些载荷和边界条件可以是单值的，也可以是用表格或函数的方式来定义复杂的边界条件，详见《ANSYS基本分析过程指南》。

第 8 页

可以定义以下五种热载荷： 3.5.2.1恒定的温度(TEMP)

通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上。 3.5.2.2 热流率（HEAT）

热流率作为节点集中载荷，主要用于线单元（如传导杆、辐射连接单元等）模型中，而这些线单元模型通常不能直接施加对流和热流密度载荷。如果输入的值为正，表示热流流入节点，即单元获取热量。如果温度与热流率同时施加在一节点上，则温度约束条件优先。

注意--如果在实体单元的某一节点上施加热流率，则此节点周围的单元应该密一些；特别是与该节点相连的单元的导热系数差别很大时，尤其要注意，不然可能会得到异常的温度值。因此，只要有可能，都应该使用热生成或热流密度边界条件，这些热荷载即使是在网格较为粗糙的时候都能得到较好的结果。 3.5.2.3 对流（CONV）

对流边界条件作为面载施加于分析模型的外表面上，用于计算与模型周围流体介质的热交换，它仅可施加于实体和壳模型上。对于线单元模型，可以通过对流杆单元LINK34来定义对流。 3.5.2.4 热流密度（HEAT）

第 9 页

热流密度也是一种面载荷。当通过单位面积的热流率已知或通过FLOTRAN CFD的计算可得到时，可以在模型相应的外表面或表面效应单元上施加热流密度。如果输入的值为正，表示热流流入单元。热流密度也仅适用于实体和壳单元。单元的表面可以施加热流密度也可以施加对流，但ANSYS仅读取最后施加的面载进行计算。 3.5.2.5 热生成率（HGEN）

热生成率作为体载施加于单元上，可以模拟单元内的热生成，比如化学反应生热或电流生热。它的单位是单位体积的热流率。

下表总结了在热分析中的载荷类型：

表3-9 热荷载类型

命类载荷类型 别 族 温度 (TEMP) 热流率 力 F (HEAT) 对流 面SF (CONV), 载-Thermal-ConvectionMain -Thermal-Heat Flow Main Menu>Solution>-Loads-Apply> 约D 束 -Thermal-Temperature Main Menu>Solution>-Loads-Apply> Main Menu>Solution>-Loads-Apply> 令GUI 路径 第 10 页

热流密度 荷 (HFLUX) 体热生成率 载BF (HGEN) 荷 Menu>Solution>-Loads-Apply> -Thermal-Heat Flux Main Menu>Solution>-Loads-Apply> -Thermal-Heat Generat 下表详细列出了热分析中用于施加载荷，删除载荷，对载荷进行操作、列表的所以命令：

表3-10 热荷载相关的命令

实体载或荷有实施删除 类限体 加 型 元模型 实关温体键DK DKDELE DKLIST DTRAN -- 度 模点 型 示 列表显运算 设置 第 11 页

有限节\" 元模型 实热体流模率 点 型 有限节\" 元模型 对流, 实热流密度 \" 实面 SFA SFADELE SFALIST SFTRAN SFGRAD 体线 SFL SFLDELE SFLLIST SFTRAN SFGRAD 模型 F FDELE FLIST FSCALE FCUM 点 键FK FKDELE FKLIST FTRAN -- 关D DDELE DLIST DSCALE DCUMTUNIF 点 第 12 页

体模型 有限节\" 元模型 有限单\" 元模型 实生体热模率 点 型 实体\" 模型 线 BFL BFLDELE BFLLIST BFTRAN -- 键BFK BFKDELE BFKLIST BFTRAN -- 关SFE SFEDELE SFELIST SFSCALE SFBEAMSFCUMSFFUNSFGRAD 元 SF SFDELE SFLIST SFSCALE SFGRADSFCUM 点 第 13 页

实体\" 模型 实体\" 模型 有限节\" 元模型 单\" \" BFE BFEDELE BFELIST BFSCALE BFCUM 元 BF BFDELE BFLIST BFSCALE BFCUM 点 体 BFV BFVDELE BFVLIST BFTRAN -- 面 BFA BFADELE BFALIST BFTRAN -- 3.5.3 采用表格和函数边界条件

除了一般的使用表格来定义边界条件的方法，本节讨论热分析中特有的一些问题。关于定义表参数的详细叙述，请参考《ANSYS APDL Programmer’s Guide》。

第 14 页

本节内容对单元类型没有特别的限制。下表列出了热分析中能够用于每一种边界条件的自变量：

表3-11荷载边界条件及其自变量

命令热边界条件 族 固定温度 热流 对流换热系数 (对SF 流) 环境温度 (对流) SF 热流密度 热生成 SF BF VELOCITY TIME, X, Y, Z TIME, X, Y, Z, TEMP TIME, X, Y, Z, TEMP D F TIME, X, Y, Z TIME, X, Y, Z, TEMP TIME, X, Y, Z, TEMP, 自变量 流体单元(FLUID116) 边界条件 流率 压力 SFE D TIME TIME, X, Y, Z 后面有一个例题详细介绍在一个稳态热分析中如何采用表格边界条件。

为了使用更加灵活的热传导系数，可以使用函数的方式来定义边界条件。有关这种用法的详细说明，可以参考《ANSYS Basic Analysis

第 15 页

Procedures Guide》。除了上述自变量外，函数边界条件还可用下面的参数作为函数的自变量：

表面温度（TS）（SURF151、SURF152单元的表面温度）

密度（）（材料属性DENS）

比热（材料属性C） 导热率（材料属性kxx） 导热率（材料属性kyy） 导热率（材料属性kzz） 粘度（材料属性μ） 辐射率（材料属性ε） 3.5.4定义载荷步选项

对于一个热分析，可以确定通用选项、非线性选项以及输出控制。下表列出了热分析中可能用到的载荷步选项：

表3-12分析中的载荷步选项

选项 通用选项 命令 GUI 路径 第 16 页

Main Menu>Solution>-Load Step 时间 TIME Opts-Time /Frequenc>Time-Time Step Main Menu>Solution> -Load Step Opts-Time 时间步数 NSUBST /Frequenc>Time and Substps Main Menu>Solution> -Load Step Opts-Time 时间步长 DELTIM /Frequenc>Time-Time Step Main Menu>Solution> -Load Step 阶跃或斜KBC 坡加载 /Frequenc>Time -Time Step 非线性选项 最大平衡NEQIT 迭代数 -Nonlinear>Equilibrium Iter Main Menu>Solution> -Load Step 自动时间步长 /Frequenc>Time-Time Step Opts-Time AUTOTS Main Menu>Solution> -Load Step Opts Opts-Time 第 17 页

Main Menu>Solution> -Load Step Opts 收敛容差 CNVTOL -Nonlinear>Convergence Crit 求解中断NCNV 选项 -Nonlinear>Criteria to Stop Main Menu>Solution> -Load Step Opts

LNSRCH 选项 -Nonlinear>Line Search Main Menu>Solution> -Load Step Opts

PRED 正因子 输出控制选项 Main Menu>Solution> -Load Step 打印输出 OUTPR Opts-Output Ctrls>Solu Printout 数据库和Main Menu>Solution> -Load Step -Nonlinear>Predictor Main Menu>Solution> -Load Step Opts

线性搜索预测－矫Opts-Output 结果文件OUTRES 输出 Ctrls>DB/Results File Main Menu>Solution> -Load Step 结果外插 ERESX Opts-Output Ctrls>Integration Pt 3.5.5通用选项

第 18 页

时间选项

该选项定义载荷步的结束时间，虽然对于稳态热分析来说，时间选项并没有实际的物理意义，但它提供了一个方便的设置载荷步和载荷子步的方法。

缺省情况下，第一个荷载步结束的时间是1.0，此后的荷载步对应的时间强逐次加1.0。

每载荷步中子步的数量或时间步大小

对于非线性分析，每一载荷步需要多个子步。缺省情况下每个荷载步有一个子步。

阶跃或斜坡加载

如果定义阶跃载荷，则载荷值在这个载荷步内保持不变；如果为斜坡加载，则载荷值在当前载荷步的每一子步内线性变化。 3.5.6非线性选项

如果存在非线性则需要定义非线性荷载步选项，包括 平衡迭代次数

本选项设置每一子步允许的最大迭代次数，默认值为25，对大多数非线性热分析问题已经足够。

第 19 页

自动时间步长

对于非线性问题，可以自动设定子步间载荷的增量，保证求解的稳定性和准确性。

收敛容差

只要运算满足所说明的收敛判据，程序就认为它收敛，收敛判据可以基于温度、也可以是热流率，或二者都有。在实际定义时，需要说明一个典型值(CNVTOL命令的VALUE域)和收敛容差(TOLER域)，程序将VALUE*TOLER的值视为收敛判据。例如，如说明温度的典型值为500，容差为0.001，那么收敛判据则为0.5度。

对于温度，ANSYS将连续两次平衡迭代之间节点上温度的变化量（

）与收敛准则进行比较来判断是否收敛。就上面的例子来说，

如果在某两次平衡迭代间，每个节点的温度变化都小于0.5度，则认为求

解收敛。

对于热流率，ANSYS比较不平衡载荷矢量与收敛标准。不平衡载荷矢量表示所施加的热流与内部（计算）热流之间的差值。

ANSYS公司推荐VALUE值由缺省确定，TOLER的值缺省为1.0e-3。 求解结束选项

假如在规定平衡迭代数内，其解并不收敛，那么ANSYS程序会根据用户设置的终止选项，来决定程序停止计算或是继续进行下一个载荷步。

第 20 页

线性搜索

设置本选项可使ANSYS用Newton-Raphson方法进行线性搜索 预测－矫正

本选项在每一子步的第一次迭代时，对自由度求解进行预测矫正。 3.5.6.1用图形跟踪收敛

进行非线性热分析时，ANSYS在每次平衡迭代完成后，都计算收敛范数，并与相应的收敛标准比较。不管是使用在批处理还是交互式方式的方法，都可以在计算过程中，使用图形求解跟踪（GST）来显示计算的收敛范数和收敛标准。在交互式时，缺省为图形求解跟踪（GST）打开，批处理运行时，缺省为GST关闭。使用下面的方法可以，可打开或关闭GST：

命令：/GST

GUI：Main Menu>Solution>Load Step Opts-Output Ctrls>Grph Solu Track

下图是一个典型的GST图形。

第 21 页

图3-1使用GST追踪收敛范数

3.5.7输出控制

可以控制下列三种输出： 控制打印输出

本选项控制将何种结果数据输出到打印输出文件（jobname.out）中。 控制数据库和结果文件输出

该选项控制将何种结果数据输出到结果文件（jobname.rth）中。 外推结果

第 22 页

该选项可将单元积分点结果拷贝到节点上，而不是按常规的方式外推到节点上（缺省采用外推方式）。 3.5.8定义分析选项

可考虑的分析选项有：

Newton-Raphson选项。该选项仅对非线性分析有用，用以定义在求解过程中切线矩阵的更新频率，有四种选择：

1．Program-chosen （程序选择，此为默认值，在热分析中建议采用） 2．Full（完全法） 3．Modified（修正法）

4．Initial Stiffness（初适刚度法）

注意--对于单物理场非线性热分析，ANSYS通常采用全N-R算法。 要定义该选项，或打开/关闭N-R自适应下降功能（只对全N-R法有效），方发如下：

命令：NROPT

GUI：Main Menu>Solution>Unabridged Menu>Analysis Options 选择求解器

第 23 页

ANSYS中可以选择下列的求解器：

1．Sparse 求解器（静态和全瞬态分析的默认求解器） 2．Frontal求解器

3．Jacobi Conjugate Gradient(JCG) 求解器 4．JCG out-of-memory求解器

5．Incomplete Cholesky Conjugate Gradient(ICCG) 求解器 6．Pre-Conditioned Conjugate Gradient (PCG) 求解器 7．PCG out-of-memory求解器

8．Algebraic Multigrid (AMG) 求解器 9．Distributed Domain Solver (DDS) 求解器 10．Iterative（程序自动选择求解器）

注意--AMG和DDS求解器属并行求解器，需要单独的ANSYS产品支持。在《ANSYS Advanced Analysis Techniques Guide》中对并行求解有更详细描述。选择求解器的方法如下：

命令：EQSLV

GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options

第 24 页

注意：对于不含超单元（辐射分析中用AUX12可产生超单元）的热分析模型，可选用Iterative（快速求解）求解器，但对于含相变的传热问题，则不建议采用（可用sparse或frontal求解器）。该求解器在解算过程中不生成Jobname.EMAT和Jobname.EROT文件。

定义温度偏移

温度偏移为当前所采用温度系统的零度与绝对零度之间的差值。温度偏移包含在相关单元（诸如有辐射效应或蠕变特性的的单元）计算中。偏移温度输入可以是摄氏度，也可以是华氏度，在进行热辐射分析时，要将目前的温度值换算为绝对温度。如果使用的温度单位是摄氏度，此值应设定为273；如果使用的是华氏度，则为460。在后处理中，不同的温度可以用同样的方法进行处理。设置温度偏移的方式如下：

命令：TOFFST

GUI：Main Menu>Solution>Analysis Options 3.5.9保存模型

在完成了加载和指定分析类型后，通常建议保存数据库文件，以备在求解过程中由于计算机系统故障而导致数据丢失后能够恢复数据。

命令: SAVE

GUI: 点击ANSYS工具条SAVE_DB

第 25 页

3.5.10求解

命令: SOLVE

GUI: Main Menu>Solution>Current LS 3.5.11后处理

ANSYS将热分析的结果写入热结果文件jobname.rth中，该文件包含如下数据:

基本数据：节点温度 导出数据：

节点及单元的热流密度(TFX, TFY, TFZ, TFSUM) 节点及单元的热梯度(TGX, TGY, TGZ, TGSUM) 单元热流率 节点的反作用热流率 其它

可以用通用后处理器POST1进行后处理，下面将讲述在热分析中典型的后处理功能。关于后处理的完整描述，可参阅《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》。

第 26 页

注意：在通用后处理器中查看结果时，数据库必须与结果有相同的模型（可以使用命令RESUME恢复模型）。此外，结果文件jobname.rth必须可用。

3.5.12 读入结果

进入POST1后，首先应读入想要看的载荷步和子步的计算结果： 命令: SET

GUI: Main Menu>General Postproc>-Read Results-By Load Step 可通过编号选择要读入的载荷步，可以直接读入第一载荷步、或最后载荷步、或下一载荷步等。如果是使用GUI，将会出现一个对话框提示选择要读入的荷载步。用SET命令的TIME域可读入指定时刻的计算结果，如在指定时刻无计算结果，则程序根据附近时间点的值线性插值计算得到此时刻的结果。 3.5.13 查看结果

图3-2

第 27 页

结果显示云图

彩色云图显示

命令：PLESOL，PLETAB或PLNSOL

GUI：Main Menu>General Postproc>Plot Results>Element Solu Main Menu>General Postproc>Plot Results>Elem Table Main Menu>General Postproc>Plot Results>Nodal Solu 矢量图显示 命令：PLVECT

GUI：Main Menu>General Postproc>Plot Results>Pre-defined or Userdefined

第 28 页

图3-2矢量结果显示

列表显示

命令：PRESOL，PRNSOL，PRRSOL

GUI：Main Menu>General Postproc>List Results>Element Solution Main Menu>General Postproc>List Results>Nodal Solution Main Menu>General Postproc>List Results>Reaction Solu 3.6稳态热分析的实例1－带接管的圆筒罐

本例讲述了如何逐步对一个带接管的圆筒罐进行稳态热分析，包括批处理的方式和GUI的方式。 3.6.1 问题描述

本例题的主要部分为一个圆筒形罐，其上沿径向有一材料一样的接管（如图4所所示），罐内流动着450°F（232°C）的高温流体，接管内流动着100°F（38 °C）的低温流体，两个流体区域由薄壁管隔离。罐的对流换热系数为250Btu/hr-ft-F（1420watts/m-°K），接管的对流换热系数随管壁温度而变，它的热物理性能如表3-13所示。要求计算罐与接管的温度分布。

2o

2

第 29 页

注意：注意：本例只是很多可能的热分析中的一个，并不是所有的热分析都完全按照与本例相同的步骤。材料属性及其周围的环境条件决定了一个分析应该包括哪些步骤。

表3-13实例的材料属性

温度 密度 导热系数 比热 对流换热系70 200 300 400 500 oF 0.285 0.285 0.285 0.285 0.285 lb/in3 8.35 8.90 9.35 9.8 10.23 Btu/hr-ft-oF 0.113 0.117 0.119 0.122 0.125 Btu/lb-oF 426 405 352 275 221 Btu/hr-ft2-oF 数 图3-3圆柱罐与接管的相接模型（所有单位均为英制）

3.6.2 分析方法

取四分之一对称模型进行分析。假定罐体足够长，使其端部温度能保持常数华氏450度。同样的假设也用于Y=0的平面上。建模时，先定义两个圆柱体，再进行“overlap”布尔运算。采用映射网格划分（全六面体网格），分网时可能会出现警告信息说有扭曲单元存在，但可以不理会该警告，因为所产生的扭曲单元远离所关心的区域（两个柱体相交处）。

第 30 页

由于材料性质与温度相关，该分析需要多个子载荷步（本例用了50个子载荷步），同时，采用了自动时间步长功能。求解完毕后，温度云图和热流密度向量图详细显示了计算结果。 3.6.3 菜单操作过程 3.6.3.1设置分析标题

1、选择“Utility Menu>File>Change Title”。

2、输入“Steady-State analysis of pipe junction”，点击“OK”。 3.6.3.2设置单位制

在命令提示行输入/UNITS,BIN（该命令无法通过菜单完成）。 3.6.3.3定义单元类型

1、选择“Main Menu>Preprocesor>Element Type>Add/Edit/Delete”。 2、点击Add,打开单元类型库对话框。

3、选择Thermal Solid，Brick 20 node 90号单元，点击OK和Close关闭单元选择菜单。 3.6.3.4定义材料属性

1、选择“Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models” 在弹出的材料定义窗口中顺序双击Thermal选项。

第 31 页

2、点击Density，弹出一个对话框，在DENS框中输入0.285，材料编号1出现在材料定义窗口的左边。

3、在材料定义窗口中顺序双击Conductivity，Isotropic，弹出一个对话框。

4、点击Add Temperature 按钮四次，增加四列。

5、在T1到T5域，分别输入温度值： 70，200，300，400，500，选择温度行，用Ctrl-C拷贝温度值。

6、在KXX框中，按温度的顺序，序列输入下列值（注意，各KXX值都要除以12，以保证单位制一致）：

8.35/12,8.9/12,9.35/12,9.8/12,10.23/12。

7、在材料定义窗口中双击Specific Heat，弹出一个对话框 8、点击Add Temperature 按钮四次，增加四列 9、将鼠标置于T1域，用Ctrl-v粘贴5个温度值

10、在C框中，按温度的顺序，序列输入下列值0.113，0.117，0.119，0.122，0.125

11、在材料定义窗口中选择Material>New Model，建立新材料号2 12、在材料定义窗口，双击Convection 或 Film Coef

第 32 页

13、点击Add Temperature 按钮四次，增加四列 14、将鼠标置于T1域，用Ctrl-v粘贴5个温度值

15、在HF（对流换热系数）框中，按温度的顺序，序列输入下列值（注意，各HF值都要除以1144，以保证单位制一致）426/144，405/144，352/144，275/144， 221/144；

16、点击Graph按钮，查看对流换热系数与温度的关系曲线，然后点击OK

17、在材料定义窗口中选择Material>Exit退出材料定义窗口 18、在工具栏点击SAVE_DB保存数据库。 3.6.3.5定义几何模型参数

选择“Utility Menu>Parameters>Scalar Parameters”，输入ri1=1.3，ro1=1.5，z1=2，ri2=0.4，ro2=0.5，z2=2；然后点击Close。 3.6.3.6创建几何模型

1、选择“Main

Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Volumes->Cylinder>By Dimensions”,在弹出菜单的Outer radius框中输入ro1，Optional inner radium框中输入ri1，Z coordinates框中输入0和Z1，Ending angle框中输入90。

第 33 页

2、选择“Utility Menu>WorkPlane>Offset WP by Increments”，在“XY,YZ,ZXAngles”框中输入0,-90。

3、选择“Main

Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Volumes->Cylinder>By Dimensions”，Outer radius框中输入ro2 ， Optional inner radium框中输入ri2，Z coordinates框中输入0和Z2，Starting angle框中输入-90，Ending angle框中输入0。

4、选择“Utility Menu>WorkPlane>Align WP with>Global Cartesian”。 3.6.3.7进行布尔运算

选择“Main

Menu>Preprocessor>-Modeling->Operate>-Booleans->Overlap>Volumes”，选择Pick All。 3.6.3.8观察几何模型

1、选择“Utility Menu>PlotCtrls>Numbering”，将volumes设置为ON。

2、选择“Utility Menu>PlotCtrls>View Direction”，在“Coords of view point”框中输入-3,-1,1。

3、在工具栏点击SAVE_DB保存数据库。

第 34 页

3.6.3.9删除多余实体

选择“Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Delete>Volume and Below”，拾取第三，四号体，或在命令输入行输入3,4回车。 3.6.3.10创建组件AREMOTE

本步将选择圆罐的Y,Z端面，并将它们定义为一个组件AREMOTE。 1、选择“Utility Menu>Select>Entities”，打开选择实体对话框。 2、在对话框中自上而下依次选择：Area，By location，Z Coordinates，在“Min， Max”框中输入Z1，选择From Full，点击APPLY。

3、接下来选择Y Coordinates，在“Min， Max”框中输入0，选择Also Select，点击OK。

4、选择“Utility Menu>Select>Comp/Assembly>Create Component”，在“Component name”框中输入AREMOTE，在“Components is made of”菜单中选择AREA

3.6.3.11将线叠加在面上显示

1、选择“Utility Menu>PlotCtrls>Numbering”，打开Area和Line的编号

2、选择“Utility Menu>Plot>Areas”

第 35 页

3、选择“Utility Menu>PlotCtrls>Erase Options”，将Erase between Plots按钮设置成Off

4、选择“Utility Menu>Plot>Lines”

5、选择“Utility Menu>PlotCtrls>Erase Options”，将Erase between Plots按钮设置成On 3.6.3.12连接面及线

为划分映射式网格，连接端部的面和线。

1、选择“Main Menu>Preprocessor>-Meshing->-Concatenate-Area”，选择Pick all。

2、选择“Main

Menu>Preprocessor>-Meshing->Mesh>-Concatenate->Lines”，拾取12和7号线（或在命令行中输入12,7并回车），点击APPLY；拾取10和5号线（或在命令行中输入10,5并回车），点击OK。 3.6.3.13设定网格密度

1、选择“Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Size Cntrls>Picked Lines”，选择线6和20，点击OK，在No. of element divisions框中输入4，点击OK。

第 36 页

2、选择“Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Size Cntrls>Picked Lines”，选择线40，点击OK，在No. of element divisions框中输入6，点击OK。

3、选择“Utility Menu>Select>Everything”。 4、选择“Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Size

Cntrls>-Global->Size”，在element edge length框中输入0.4，点击OK。

3.6.3.14划分网格

1、选择“Main Menu>Preprocessor>-MeshTool”，弹出“MeshTool”对话框，用选择Hex，Mapped。

2、点击Mesh，选择Pick All。ANSYS对实体划分网格后，将会弹出一个对话框显示对单元形状的警告，点击Close将其关闭。

3、选择“Utility Menu>PlotCtrls>Numbering”，将Line, Area, and Volume的按钮设置为Off，点击OK。

4、在工具栏点击SAVE_DB保存数据库。 3.6.3.15定义求解类型及选项

1、选择“Main Menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis”，点击OK以选择缺省设置（Steady-State）。

第 37 页

2、选择“Main Menu>Solution>-Analysis Options”，点击OK以接受Newton- Raphson option的缺省设置（Program-chosen）。 3.6.3.16设定均一的起始温度

选择“Main Menu>Solution>- Loads-Apply> -Thermal- Temperature> Uniform Temp”，在弹出窗口的Uniform temperature框中输入450。 3.6.3.17施加对流载荷

1、选择“Utility Menu>WorkPlane>Change Active CS to>Global Cylindrical”。

2、选择“Utility Menu>Select>Entities”，在对话框中自上而下依次选择：Nodes， By

location， X，在“Min， Max”框中输入ri1，选择From Full，点击OK。

3、选择“Main Menu>Solution>- Loads-Apply>

-Thermal-Convection>On Nodes”，选择Pick All，在“Film

coefficient”和“Bulk temperature”框中分别输入250/144及450，点击OK。

3.6.3.18在AREMOTE组件上施加温度约束

第 38 页

1、选择“Utility Menu>Select>Comp/Assembly>Select Comp/Assembly”，点击OK以选中AREMOTE（当前只有一个组件）。

2、选择“Utility Menu>Select>Entities”，在对话框中自上而下依次选择：Nodes，Attached to，Area，All，选择From Full，点击OK。

3、选择“Main

Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Temperature>On Nodes”，选择Pick all，在Load TEMP value框中输入450，点击OK。 3.6.3.19施加与温度有关的对流边界条件

在接管的内表面施加随温度变化的对流边界条件。

1、选择“Utility Menu>WorkPlane>Offset WP by Increments”，在“XY,YZ,ZX Angles”框中输入0,-90,点击OK。

2、选择“Utility Menu>WorkPlane>Local Coordinate

Systems>Create Local CS> At WP Origin”，在Type of coordinate system菜单中，选择Cylindrical 1，点击OK。

3、选择“Utility Menu>Select Entities”，在对话框中自上而下依次选择：Nodes， By location， X，在Min， Max框中输入ri2，选择From Full，点击OK。

第 39 页

4、选择“Main Menu>Solution>- Loads-Apply>

-Thermal-Convection>On Nodes”，选择Pick All，在Film coefficient框中输入-2，在Bulk temperature框中输入100，点击OK。

5、选择“Utility Menu>Select>Everything”。

6、选择“Utility Menu>PlotCtrls>Symbols”，在Show pres and convect as菜单中选择Arrow，点击OK。

5、选择“Utility Menu>Plot>Nodes”。 3.6.3.20恢复工作平面及坐标系统

1、选择“Utility Menu>WorkPlane>Change Active CS to>Global Cartesian”。

2、选择“Utility Menu>WorkPlane>Align WP with>Global Cartesian”。

3.6.3.21设定载荷步选项

要为分析定义50个子步，选择“Main Menu>Solution>-Load Step Options->Time/Frequenc>Time and Substeps”，在Number of substeps框中输入50，设置Automatic time stepping为On。

在工具栏点击SAVE_DB保存数据库。 3.6.3.22求解

第 40 页

选择“Main Menu>Solution>-Solve->Current LS”，查看分析选项是否正确，关闭/STAT窗口，点击OK。 3.6.3.23观察节点温度结果

1、选择“Utility Menu>PlotCtrls>Style>Edge Options”，设置“Element outlines”框为Edge only，点击OK。

2、选择“Main Menu>General Postproc>Plot Results>-Contour Plot-Nodal Solu”，在弹出菜单的Item to be contoured项选择左边的DOF solution，右边的Temperature TEMP，点击OK。 3.6.3.24绘制热流矢量图

1、选择“Utility Menu>WorkPlane>Change Active CS to>Specified Coord Sys”，设置Coordinate system number为11，点击OK。

2、选择“Utility Menu>Select>Entities”，在对话框中自上而下依次选择：Nodes，By Location，X Coordinates，在“Min,Max”域输入ro2,点击Apply；选择Elements，Attached To，点击Apply；选择Nodes，Attached To，点击OK；

2、选择“Main Menu>General Postproc>Plot Results>-Vector Plot-Predefined”，在Vector item to be plotted域选择左边的Flux & gradient，右边的Thermal flux TF，点击OK。 3.6.3.25退出ANSYS

第 41 页

点击工具栏中的QUIT，选择一种退出方式并点击OK。 3.6.2 等效的命令流方法

/PREP7

/TITLE,Steady-state thermal analysis of pipe junction /UNITS,BIN! 使用英制单位 ET,1,90! 定义热单元 MP,DENS,1,.285! 密度

MPTEMP,,70,200,300,400,500! 建立温度表

MPDATA,KXX,1,,8.35/12,8.90/12,9.35/12,9.80/12,10.23/12! 导热系数

MPDATA,C,1,,.113,.117,.119,.122,.125! 比热

MPDATA,HF,2,,426/144,405/144,352/144,275/144,221/144! 接管对流系数

! 定义几何模型参数 RI1=1.3! 罐内半径 RO1=1.5! 罐外半径

第 42 页

Z1=2! 罐长

RI2=.4! 接管内半径 RO2=.5! 接管外半径 Z2=2! 接管长 !建立几何模型

CYLIND,RI1,RO1,,Z1,,90! 1/4罐体

WPROTA,0,-90! 将工作平面旋转到垂直于接管轴线 CYLIND,RI2,RO2,,Z2,-90! 1/4接管 WPSTYL,DEFA! 将工作平面恢复到默认状态 VOVLAP,1,2! 进行OVERLAP布尔操作 /PNUM,VOLU,1! 打开实体编号 /VIEW,,-3,-1,1! 定义显示角度 /TYPE,,4

/TITLE,Volumes used in building pipe/tank junction VPLOT

第 43 页

VDELE,3,4,,1! 删除多余实体 ! 划分网格

ASEL,,LOC,Z,Z1! 选择罐上Z=Z1的面 ASEL,A,LOC,Y,0! 添加选择罐上Y=0的面 CM,AREMOTE,AREA! 创建名为AREMOTE的面组 /PNUM,AREA,1 /PNUM,LINE,1

/TITLE,Lines showing the portion being modeled APLOT /NOERASE LPLOT /ERASE

ACCAT,ALL! 组合罐远端的面及线，为划分映射网格作准备 LCCAT,12,7 LCCAT,10,5

第 44 页

LESIZE,20,,,4! 在接管壁厚方向分4等分 LESIZE,40,,,6! 在接管长度方向分6等分 LESIZE,6,,,4! 在罐壁厚方向分4等分 ALLSEL! 选择EVERYTHING ESIZE,.4! 设定默认的单元大小 MSHAPE,0,3D! 选择3D映射网格 MSHKEY,1

SAVE! 保存数据文件

VMESH,ALL! 划分网格，产生节点与单元 /PNUM,DEFA

/TITLE,Elements in portion being modeled EPLOT! 显示单元 FINISH ! 加载求解 /SOLU

第 45 页

ANTYPE,STATIC! 定义为稳态分析

NROPT,AUTO! 设置求解选项为Program-chosen Newton-Raphson TUNIF,450! 设定初始所有节点温度 CSYS,1! 变为柱坐标

NSEL,S,LOC,X,RI1! 选择罐内表面的节点 SF,ALL,CONV,250/144,450! 定义对流边界条件 CMSEL,,AREMOTE! 选择AREMOTE面组 NSLA,,1! 选择属于AREMOTE面组的节点 D,ALL,TEMP,450! 定义节点温度

WPROTA,0,-90! 将工作平面旋转到垂直于接管轴线 CSWPLA,11,1! 创建局部柱坐标

NSEL,S,LOC,X,RI2! 选择接管内壁的节点

SF,ALL,CONV,-2,100! 施加材料2中定义的对流系数，流体温度为100 ALLSEL

/PBC,TEMP,,1! 显示所有温度约束

第 46 页

/PSF,CONV,,2! 显示所有对流边界 /TITLE,Boundary conditions NPLOT WPSTYL,DEFA CSYS,0

AUTOTS,ON! 打开自动步长 NSUBST,50! 设定子步数量 KBC,0! 设定为阶越

OUTPR,NSOL,LAST! 设置输出 SOLVE! 进行求解 FINISH ! 进入后处理 /POST1 /EDGE,,1

/TITLE,Temperature contours at pipe/tank junction

第 47 页

PLNSOL,TEMP! 显示温度云图 CSYS,11

NSEL,,LOC,X,RO2 ESLN NSLE

/SHOW,,,1! Vector mode

/TITLE,Thermal flux vectors at pipe/tank junction PLVECT,TF! 绘制热流矢量图 FINISH /EXIT,ALL

3.7稳态热分析的实例2－利用表格边界条件进行热分析

本例讲述了如何使用一维的表格施加荷载进行热分析。

问题：静态的热传导问题，1×2的矩形，其一边有固定温度，其余各变为传热边，对流系数是X轴向的函数。 3.7.1 菜单操作过程 3.7.1.1定义函数表

第 48 页

1、选择“Utility Menu>Parameters>Array Parameters>Define/Edit>Add”，添加表格。

2、输入参数名称“cvtab”。

3、在参数类型中选择“Table”；对应I，J，K输入5，1，1；输入X作为变量,点击OK。

4、选择EDIT，编辑参数表。

5、在表编辑界面中，第1列为变量值，跳过第1列第1排，在第1列第2～6排中输入0.0,0.5,1.0,1.5,2.0；同样在第2列第2～6排输入20，30，50，80，120。

6、选择“File>Apply/Quit”，退出。 3.7.1.2定义单元类型和材料属性

1、选择“Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete”，点击Add。

2、选择选择单元类型：左边选Thermal Solid，右边选Quad 4node 55，点击OK，Close关闭单元类型窗口。

3、选择“Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models”，打开材料定义窗口。

第 49 页

4、在材料定义窗口顺序双击Thermal, Density，在DENS域输入10.0，点击OK。

5、双击Conductivity, Isotropic，在KXX域输入1.0，点击OK。 6、在材料定义窗口双击Specific Heat，在C域输入100.0，OK。 7、退出：Material>Exit。 3.7.1.3建模并划分网格

1、选择“Main

Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Areas-Rectangle>By Dimensions”。

2、输入模型参数：X1，X2域输入0，2；Y1，Y2域输入0，1，点击OK。 3、选择“Main Menu>Preprocessor>MeshTool”。

4、在Mesh Tool菜单的Size Controls区点击Globl下的Set按钮，将弹出菜单的Element endge length值为0.5；点击OK。

5、在Mesh Tool菜单的Mesh区，选择Areas和Map并确认选择了Quad和3/4 sided，点击MESH按钮，在弹出菜单中点击Pick All。

6、关闭Mesh Tool菜单并在工具栏点击SAVE_DB保存数据库。 3.7.1.4应用表格边界条件

第 50 页

1、选择“Utility Menu>Plot>Lines”。 2、选择“Main Menu>Solution>- Loads-Apply>

-Thermal-Temperature>On Lines”，在图形中选择X=0位置的垂直线（左边线）；点击OK。

3、在出现的对话窗中输入TEMP值100；点击OK。 4、选择“Main

Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Convection>On Lines”，在图形中选择除X=0位置的边线外的3条边线；点击OK。

5、在出现窗口的下拉菜单Apply Film Coef on lines中选择Existing table，删除VALI中的其它值，在VAL2I Bulk temperature中输入20，点击OK。

6、确认Existing table选择窗口中显示的是CNVTAB，点击OK图形上将显示指向变化边界的指示。

7、选择“Main Menu>Solution>- Loads-Apply>

-Thermal-Temperature>Uniform Temp”，输入uniform temperature：50，点击OK。

3.7.1.5显示所施加的载荷

第 51 页

1、选择“Main Menu>PlotCtrls>Symbols”，在Surface Load Symbols下拉选项中选择Convect FilmCoef，在Show pres and convect as下拉选项中选择Arrows，点击OK。

2、选择“Menu>PlotCtrls>Numbering”，将Table Names设置为on，点击OK。

3、在工具栏点击SAVE_DB保存数据库。 3.7.1.6设置分析选项并求解

1、选择“Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis”，设定分析类型Steady-State。

2、选择“Main Menu>Solution>- Load Step Opts-Time/Frequenc> Time and Substps”，在Time at end of load step域输入60，在Number of substeps域输入1，选择Stepped，点击OK。

3、选择“Main Menu>Solution>- Load Step Opts-Output

Ctrls>DB/Results File”，在Item to be controlled中选择All items；在File write frequency中选择Every substep。

4、选择“Main Menu>Solution>-Solve->Current LS”，查看分析选项是否正确，关闭/STAT窗口，点击OK。 3.7.1.7后处理

第 52 页

1、选择“Main Menu>General Postproc>-Read Results-Last Set”，读入结果数据。

2、选择“Utility Menu>List>Loads>Surface Loads>On All Nodes”，显示表面节点载荷。

3、选择“Main Menu>General Postproc>Plot Results>-Contour Plot-Nodal Solu”，选择弹出窗口左边的DOF Solution，右边的Temperature，并点击OK以显示节点温度等值线。 3.7.1.8退出ANSYS

点击工具栏中的QUIT，选择一种退出方式并点击OK。 3.7.2 等效的命令流方法

/batch,list /show

/title, Demonstration of position-varying film coefficient using Tabular BC\"s.

/com /com *

------------------------------------------------------------------

第 53 页

/com * Table Support of boundary conditions /com *

/com * Boundary Condition TypePrimary VariablesIndependent Parameters

/com *

--------------------------------------------------------------

/com * Convection:Film CoefficientX- /com *

/com * Problem description /com *

/com * A static Heat Transfer problem. A 2 x 1 rectangular plate is

/com * subjected to temperature constraint at one of its end, while the

/com * remaining perimeter of the plate is subjected to a convection boundary

第 54 页

/com * condition. The film coefficient is a function of X-position and is described

/com * by a parametric table \"cnvtab\". /com **

*dim,cnvtab,table,5,,,x! 定义表格

cnvtab(1,0) = 0.0,0.50,1.0,1.50,2.0! 自变量名 Var1 = \"X\" cnvtab(1,1) = 20.0,30.0,50.0,80.0,120.0 /prep7 esize,0.5 et,1,55 rect,0,2,0,1 amesh,1 MP,KXX,,1.0 MP,DENS,,10.0 MP,C,,100.0 lsel,s,loc,x,0

第 55 页

dl,all,,temp,100 alls

lsel,u,loc,x,0 nsll,s,1

sf,all,conv,%cnvtab%,20 alls

/psf,conv,hcoef,2! 显示对流边界条件 /pnum,tabn,on! 显示表格 nplot fini /solu anty,static kbc,1 nsubst,1 time,60

第 56 页

tunif,50 outres,all,all solve finish /post1 set,last

sflist,all! 列出对流边界条件 /pnum,tabn,off! 关闭表格名显示 /psf,conv,hcoef,2

/pnum,sval,1! 显示表格边界条件的数值 eplot! convection at t=60 sec. plns,temp fini

3.8《ANSYS Verification Manual》中与热分析相关的实例

《ANSYS Verification Manual》中包含了很多热分析的实例，尽管这些实例并没有逐步的指导和所明，但也通过其中的命令及注释来学习热分

第 57 页

析中可能会遇到的各种问题。下面列出了校验手册中与热分析相关的实例：

VM3- Thermal Loaded Support Structure VM23- Thermal-structural Contact of Two Bodies VM27- Thermal Expansion to Close a Gap VM32- Thermal Stresses in a Long Cylinder VM58- Centerline Temperature of a Heat Generating Wire VM64- Thermal Expansion to Close a Gap at a Rigid Surface VM92- Insulated Wall Temperature VM93- Temperature-dependent Conductivity VM94 - Heat-generating Plate VM95 - Heat Transfer From a Cooling Spine VM96 - Temperature Distribution in a Short Solid Cylinder VM97 - Temperature Distribution Along a Straight Fin VM98 - Temperature Distribution Along a Tapered Fin VM99 - Temperature Distribution in a Trapezoidal Fin VM100 - Heat Conductivity Across a Chimney Section 第 58 页

VM101 - Temperature Distribution in a Short Solid Cylinder VM102 - Cylinder with Temperature Dependent Conductivity VM103 - Thin Plate with a Central Heat Source VM104 - Liquid-solid Phase Change VM105 - Heat-generation Coil with Temperature Dependent Conductivity VM106 - Radiant Energy Emission VM107 - Thermocouple Radiation VM108 - Temperature Gradient Across a Solid Cylinder VM109 - Temperature Response of a Suddenly-cooled Wire 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 a Heat-generating Slab 第 59 页

VM116 - Heat-conducting Plate with Sudden Cooling VM118 - Centerline Temperature of a Heat Generating Wire VM119 - Centerline Temperature of an Electrical Wire VM121 - Laminar Flow through a Pipe with Uniform Heat Flux VM122 - Pressure Drop in a Turbulent Flowing Fluid VM123 - Laminar Flow in a Piping System VM124 - Discharge of Water from a Reservoir VM125 - Radiation Heat Transfer Between Concentric Cylinders VM126 - Heat Transferred to a Flowing Fluid VM147 - Gray-body Radiation Within a Frustrum of a Cone VM159 - Temperature Controlled Heater VM160 - Solid Cylinder with Harmonic Temperature Load VM161 - Heat Flow from an Insulated Pipe VM162 - Cooling of a Circular Fin of Rectangular Profile VM164 - Drying of a Thick Wooden Slab 第 60 页

VM192 - Cooling of a Billet by Radiation VM193 - Adaptive Analysis of Two-dimensional Heat Transfer with Convection

希望以上资料对你有所帮助，附励志名言3条：

1、上帝说：你要什么便取什么，但是要付出相当的代价。

2、目标的坚定是性格中最必要的力量源泉之一，也是成功的利器之一。没有它，天才会在矛盾无定的迷径中徒劳无功。

3、当你无法从一楼蹦到三楼时，不要忘记走楼梯。要记住伟大的成功往往不是一蹴而就的，必须学会分解你的目标，逐步实施。

第 61 页