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1、第7章非稳态热分析及实例详解本章向读者介绍非稳态热分析的基本知识，主要包括非稳态热分析的应用、非稳态热分析单元、非稳态热分析的基本步骤。=Cz 本章要点非稳态导热的基本概念非稳态热分析的应用非稳态热分析单元分析的基本步骤二JL本章案例钢球非稳态传热过程分析不同材料金属块水中冷却的非稳态传热过程分析高温铜导线冷却过程分析7.1非稳态热分析概述物体的温度随时间而变化的导热过程称为非稳态导热。根据物体温度随着时间的推移而变化的特性可以区分为两类非稳态导热：物体的温度随时间的推移逐渐趋于恒定的值以及物体的温度随时 间而作周期性的变化。 无论在自然界还是工程实际问题中，绝大多数传热过程都是非稳态的。许多
2、工程实际问题需要确定物体内部的温度场随时间的变化，或确定其内部温度达到某一限定值所需要的时间。例如：在机器启动、停机及变动工况时，急剧的温度变化会使部件因热应力而破坏，因此 需要确定物体内部的瞬时温度场；钢制工件的热处理是一个典型的非稳态导热过程，掌握工件中温度变化的速率是控制工件热处理质量的重要因素。再例如，金属在加热炉内加热时，需要确定它在加热炉内停留的时间，以保证达到规定的中心温度。可见，非稳态热分析是有相当大的应用价值的。ANSYS 11.0及其相关的下属产品均支持非稳态的热分析。非稳态热分析确定了温度以及其它随时 间变化的热参数。7.1.1非稳态热分析特性瞬态热分析用于计算一个系统的
3、随时间变化的温度场及其它热参数。在工程上一般用瞬态热分析计算温度场，并将之作为热载荷进行应力分析。 瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似。主要的区别是瞬态热分析中的载荷是随时间变化 的。为了表达随时间变化的载荷，首先必须将载荷-时间曲线分为载荷步。对于每一个载荷步，必须定义载荷值及时间值，同时必须选择载荷步为渐变或阶越。7.1.2非稳态热分析的控制方程热储存项的计入将稳态系统变为非稳态系统，计入热储存项的控制方程的矩阵形式如下：I.CI.K 1T= .Q /其中，CHT为热储存项。在非稳态分析时，载荷是和时间有关的函数，因此控制方程可表示如下：i.c ETk E = ;q t /若分析为分线性
4、，则各参数除了和时间有关外，还和温度有关。非线性的控制方程可表示如 下：C T TE，|LKTT)= QT, t?7.1.3时间积分与时间步长1、时间积分从求解方法上来看， 稳态分析和非稳态分析之间的差别就是时间积分。利用ANSYS 11.0分析精品文档同样，只要在问题时，只要在后续载荷步中将时间积分效果打开，稳态分析即转变为非稳态分析; 后续载荷步中将时间积分关闭，非稳态分析也可转变为稳态分析。2、时间步长两次求解之间的时间称为时间步，一般来说，时间步越小，计算结果越精确。确定时间步长 的方法有两种：(1) 指定裕度较大的初始时间步长，然后使用自动时间步长增加时间步。(2) 大致估计初始时间
5、步长。在非稳态热分析中估计初始时间步长，可以使用Biot数和Fourier数。Biot数是不考虑尺寸的热阻对流和传导比例因子，其定义为：Bi=匚K式中：板名义单元宽度；h平均表面换热系数;At/t),其定义为:K 平均导热系数。Fourier数是不考虑尺寸的时间(KtFo = 2c( Lx)式中：P平均密度；c比热容；如果Bi 1 ,时间步长可应用 Fourier数和Biot数的乘积预测：-r-L_.(舄AtihAx ) ( hAt 七o I =Pc(Ax)2 厂PcX求解At得到:;?c x-t = 一 其中，0.1 _ ! _0.5时间步长的预测精度随单元宽度的取值、平均的方法、比例因子P
6、的变化而变化。7.1.4数值求解过程当前温度矢量T假设为已知，可以是初始温度或由前面的求解得到的。定义下一个时间点 的温度矢量为：兀 1日丁(1.t：T*其中e称为欧拉参数，默认为 1,下一个时间点的温度为：CKTn/KKTn.；Q：由上面两式可得：C ： K 1Tn - 9 Q 1 :T - Wn /wn 1.：t n 1 nK ；Tn 1 ：WQ其中C kI - KMt-Q C iLfn） MT- Q*：ti欧拉参数e的数值在0.5i之间。在这个范围内，时间积分算法是不明显而且是不稳定的。因 此，ANSYS 11.0总是忽略时间积分步的幅值来计算。但是，这样的计算结果并不总是准确的。下 面
7、是选择积分参数的一些建议：当0 =0.5时，时间积分方法采用Crank-Nicolson ”技术。本设置对于绝大多数热瞬态问题都 是精确有效的。当0=1时，时间积分方法采用“ Backward Euler”技术。这是缺省的和最稳定的设置，因为它 消除了可能带来严重非线性或高阶单元的非正常振动。本技术一般需要相对 Crank-Nicolson较小的时间积分步得到精确的结果。7.2非稳态热分析单兀非稳态热分析和稳态热分析使用的分析单元相同，具体请读者参见本书第6章。7.3非稳态热分析基本步骤非稳态热分析的基本步骤主要包括： 建模、加载求解和后处理。下面分别对这三个基本步骤进 行具体的阐述。7.3.
8、1建立有限元模型就这一步骤而言，并没有稳态和非稳态之分，可参照稳态分析的建模方法进行。因此，在这 里不在赘述。7.3.2加载求解1、定义分析类型如果第一次进行分析或重新进行分析，操作步骤如下：Command: ANTYPE,TRANSIENT,NEWGUI : Main MenuSolutionAnalysis TypeNew AnalysisTransient如果接着上次的分析继续进行（例如增加其它载荷），操作步骤如下：Command: ANTYPE,TRANSIENT,RESTGUI : Main MenuSolutionAnalysis TypeRestart2、获得非稳态热分析的初始条
9、件(1) 定义均匀温度场如果已知模型的起始温度是均匀的，可设定所有节点初始温度，操作步骤如下：Command: TUNIFGUI: Main MenuSolutionLoadsSettingsUniform Temp如果不在对话框中输入数据，则默认为参考温度，参考温度的值默认为零，但可通过如下方法设定参考温度：Command: TREFGUI: Main MenuSolutionLoadsSettingsReference Temp注意：设定均匀的初始温度，与如下的设定节点的温度(自由度)不同，设定节点温度的操 作步骤如下：Command: DGUI: Main MenuSolutionLoa
10、dsApplyThermalTemperatureOn Nodes初始均匀温度仅对分析的第一个子步有效；而设定节点温度将保持贯穿整个瞬态分析过程，除非通过下列方法删除此约束：Command: DDELEGUI: Main MenuSolutionLoadsDeleteThermalTemperatureOn Nodes(2) 设定非均匀的初始温度在瞬态热分析中，节点温度可以设定为不同的值，操作步骤如下：Command: CGUI: Main MenuSolutionLoadsApplyInitial ConditnDefine如果初始温度场是不均匀的且又是未知的，就必须首先作稳态热分析确定初始
11、条件，步骤如下：-设定载荷(如已知的温度、热对流等)将时间积分设置为 OFF:Command: TIMINT, OFFGUI: Main MenuPreprocessorLoadsLoad Step OptsTime/FrequencTime Integration设定一个只有一个子步的，时间很小的载荷步(例如0.001):Command: TIMEGUI: Main MenuPreprocessorLoadsLoad Step OptsTime/FrequencTime and Substps,写入载荷步文件：Command: LSWRITEGUI: Main MenuPreprocesso
12、rLoadsWrite LS File或先求解：Command: SOLVEGUI: Main MenuSolutionSolveCurrent LS3、设定载荷步选项(1)普通选项设置时间和时间步步，操作如下：Command: TIMEGUI: Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTime-Time Step-设置每个载荷步的载荷子步数，或时间增量Command: NSUBST or DELTIMGUI: Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTime and Substps（2）非线性选项
13、设置迭代次数：（每个子步默认的次数为25,这对大多数非线性热分析已经足够）Command: NEQITGUI: Main MenuSolutionLoad step optsNonlinearEquilibrium Iter自动时间步长：（本选项为ON时，在求解过程中将自动调整时间步长）Command: AUTOTSGUI: Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTime and Substps时间积分效果：（如果将此选项设定为OFF,将进行稳态热分析）Command: TIMINTGUI: Main MenuSolutionLoad Step
14、 OptsTime/FrequencTime Integration（3）输出选项控制打印输出：（本选项可将任何结果数据输出到*.out文件中）Command: OUTPRGUI: Main MenuSolutionLoad Step OptsOutput CtrlsSolu Printout控制结果文件：（控制*.rth的内容）Command: OUTRESGUI: Main MenuSolutionLoad Step OptsOutput CtrlsDB/Results File（4）存盘求解7.3.3后处理ANSYS提供两种后处理方式：-POST1,可以对整个模型在某一载荷步（时间点）的结果进行后处理；Command: POST1GUI: Main MenuGeneral Postproc.-POST26,可以对模型中特定点在所有载荷步（整个瞬态过程）的结果进行后处理。Command: POST26GUI: Main MenuTimeHist Postproc1、用POST1进行后处理进入POST1后，可以读出某一时间点的结果：Command: SETGUI: Main M
