1、Workbench - Mechanical Introduction第六章 热分析6-1热 分 析6-2概 念 Training Manual 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 ANSYS DesignSpace Entra 或更高版本中使用，除了 ANSYS Structural 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热 分 析6-3稳 态 热 传 导 基 础 Training Manual 对于一个稳态热分析的模拟，温度矩阵T通过下面的矩
2、阵方程解得： 假设：KTTQT 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热 分 析6-4 上 述 方 程 基 于 傅 里 叶 定 律 ： 固体内部的热流（Fouriers Law） 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。稳 态 热 传 导 基 础 Training Manual热 分 析6-5 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（Poi
3、nt Mass）的特性 壳体和线体假设： 壳 体 ： 没 有 厚 度 方 向 上 的 温 度 梯 度 线 体 ： 没 有 厚 度 变 化 ， 假 设 在 截 面 上 是 一 个 常 量 温 度 但 在 线 实 体 的 轴 向 仍 有 温 度 变 化A. 几 何 模型 Training Manual热 分 析6-6 唯一需要的材料特性是导热性（Thermal Conductivity） Thermal Conductivity 在 Engineering Data 中输 入 温度相关的导热性以表格 形式输入若存在任何的温度相关的材料特性，就将导致非线性求解。 材 料 特性 Training Ma
4、nual热 分 析6-7 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B. 组 件 -实 体 接触 Training Manual热 分 析6-8 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：Heat Transfer Between Parts in Contact Region?Contact TypeInitially Touching Inside Pinball Region Outside Pinball RegionBonded Yes Yes NoNo Separati
5、on Yes Yes NoRough Yes No NoFrictionless Yes No NoFrictional Yes No No 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。 组 件 -接 触 区域 Training Manual热 分 析6-9 如果接触是 Bonded（绑定的）或 no separation（无分离的），那么当面出现在 pinball radius 内时就会发生热传导（绿色实线 表示）。Pinball Radius右图中，两部件间的间距大于 pinball区 域 ， 因 此 在 这 两 个 部
6、件 间 会发生热传导。 组 件 -接 触 区域 Training Manual6-10热 分 析 组 件 -导 热率Training Manual 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：表 面 光 滑 度表 面 粗 糙 度 氧 化 物 包埋 液 接 触压 力 表 面温 度T使 用 导 电 脂. . . . Tx 接着 6-11热 分 析 组 件 -导 热率Training Manual组 件 导 热率 T 穿过接触界面的热流速，由接触热通量 q 决定：q TCC target Tcontact 式中 Tcontac
7、t 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 KXX 10,000 / ASMDIAG 这实质上为部件间提供了一个完美接触传导6-12热 分 析 组 件 -导 热率Training Manual 在 ANSYS Professional 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 值在
8、 接 触 界 面 上 ， 可 以 像 接 触 热 阻 一 样 输 入 接 触 热 传 导6-13热 分 析 组 件 -导 热率Training Manual 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） 。T2T1组 件 点焊6-14热 分 析C. 热 载荷 Training Manual 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）： 可 以 删 除 原 来 面 上 施
9、加 的 边 界 条 件 热 通 量 ： 热 通 量 只 能 施 加 在 面 上 （ 二 维 情 况 时 只 能 施 加 在 边 上 ） 它 的 单 位 是 能 量 比 上 时 间 在 除 以 面 积 （ energy/time/area） 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。6-15热 分 析温度、对流、辐射： 至 少 应 存 在 一 种 类 型 的 热 边 界 条 件 ， 否 则 ， 如 果 热 量 将 源 源 不 断 地 输 入 到 系 统 中 ， 稳态 时 的 温 度 将 会 达 到
10、无 穷 大 。 另 外 ， 给 定 的 温 度 或 对 流 载 荷 不 能 施 加 到 已 施 加 了 某 种 热 载 荷 或 热 边 界 条 件 的 表 面 上。 完全绝热条件将忽略其它的热边界条件 给 定 温 度 ： 给 点 、 边 、 面 或 体 上 指 定 一 个 温 度 温 度 是 需 要 求 解 的 自 由 度6-16热 分 析热 边 界 条 件 Training Manual 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 Tsurface 与环境温度 Tambient 的差值来 定 义 。 q hATsurface Ta
11、mbient “h” 和 “Tambient” 是 用 户 指 定 的 值 导 热 膜 系 数 h 可 以 是 常 量 或 是 温 度 的 函数6-17热 分 析热 边 界 条 件 Training Manual 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6-18热 分 析热 边 界 条 件 Training Manual 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。6-19热 分 析热
12、 边 界 条 件 Training Manual 辐射: 施加在面上 （二维分析施加在边上） 4 4 式中：QR FA TsurfaceTambient =斯蒂芬一玻尔兹曼常数 = 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6-20热 分 析D. 求 解 选项 Training Manual 从 Workbench toolbox 插入 Steady-State Thermal 将在 project schematic 里建立一个 SS Thermal system （ SS
13、热分析） 在 Mechanical 里，可以使用 Analysis Settings 为热分 析设置求解选项。 注意，第四章的静态分析中的 Analysis Data Management 选项在这里也可以使用。6-21热 分 析 求 解 模型 Training Manual加 的 结 构 载 荷 和 约 束 。 求 解 结 构 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 Static Structural 中插入了一个 imported load 分支，并同时导入了施6-22热 分 析 后 处 理 可 以 处 理 各
14、 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 。 搜 索 模 型 求 解 结 果 不 需 要 在 进 行 一 次 模 型 的 求 解 。E. 结 果 和 后 处理 Training Manual6-23热 分 析 温度： 温度是标量，没有方向 温度 Training Manual6-24热 分 析 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 Total Heat Flux（整体热通量）和Directional Heat Flux（方向热通量） 激 活 矢 量 显 示 模 式 显 示 热 通 量 的 大 小 和 方向 热 通量 Training Manual6-25热 分 析 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 上后搜索响应从 Probe 菜 单下选 择 或拖 放 边 界 条 件 响 应 热 流速 Training Manual6-26热 分 析 作业 6.1 稳态热分析 目标： 分 析 图 示 泵 壳 的 热 传 导 特 性F. 作 业 6 稳 态 热 分析Training Manual
