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1、Workbench - Mechanical Introduction 第六章第六章热分热分 析析 6-1 热热分分析析 6-2 概概念念 Training Manual 本章练习稳态热分析的模拟，包括：本章练习稳态热分析的模拟，包括： A. 几何模型几何模型 B. 组件组件-实体接触实体接触 C. 热载荷热载荷 D. 求解选项求解选项 E. 结果和后处理结果和后处理 F. 作业作业6.1 本节描述的应用一般都能在本节描述的应用一般都能在 ANSYS DesignSpace Entra 或更高版本中使用，除了或更高版本中使用，除了 ANSYS Structural 提示：在提示：在 ANSYS
2、 热分析热分析 的培训中包含了包括热瞬态分析的高级分析的培训中包含了包括热瞬态分析的高级分析 热热分分析析 6-3 稳稳态态热热传传导导基基础础 Training Manual 对于一个稳态热分析的模拟，温度矩阵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：通过下面的矩阵方程解得： 假设：假设： KTTQT 在稳态分析中不考虑瞬态影响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可以是一个常量或是温度的函数 热热分分析析 6-4 上上述述方方程程基基于于傅傅里里叶叶定定律律： 固体内部的热流（固体内部的热流
3、（Fouriers Law）是是K的基础；的基础； 热通量、热流率、以及对流热通量、热流率、以及对流 在在Q 为边界条件；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。在模拟时，记住这些假设对热分析是很重要的。 稳稳态态热热传传导导基基础础 Training Manual 热热分分析析 6-5 热分析里所有实体类都被约束：热分析里所有实体类都被约束： 体、面、线体、面、线 线实体的截面和轴向在线实体的截面和轴向在 DesignModeler 中定义中定义 热分析里不可以使用点质量
4、（热分析里不可以使用点质量（Point Mass）的特性）的特性 壳体和线体假设：壳体和线体假设： 壳壳体体：没没有有厚厚度度方方向向上上的的温温度度梯梯度度 线线体体：没没有有厚厚度度变变化化，假假设设在在截截面面上上是是一一个个常常量量温温度度 但但在在线线实实体体的的轴轴向向仍仍有有温温度度变变化化 A. 几几何何模模 型型 Training Manual 热热分分析析 6-6 唯一需要的材料特性是导热性（唯一需要的材料特性是导热性（Thermal Conductivity） Thermal Conductivity 在在 Engineering Data 中中 输输 入入 温度相关的导
5、热性以表格温度相关的导热性以表格 形形 式输入式输入 若存在任何的温度相关的材料特性，就将导致非线性求解。若存在任何的温度相关的材料特性，就将导致非线性求解。 材材料料特特 性性 Training Manual 热热分分析析 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. 组组件件-实实体体接接 触触 Training Manual 热热分分析析 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（见下面对如果部件
6、间初始就没有接触，那么就不会发生热传导（见下面对 pinball 的解的解 释释 ）。）。 总结：总结： Heat Transfer Between Parts in Contact Region? Contact Type Initially TouchingInside Pinball RegionOutside Pinball Region BondedYesYesNo No SeparationYesYesNo 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
7、个相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。对较小的值来适应模型里的小间距。 组组件件-接接触触区区 域域 Training Manual 热热分分析析 6-9 如果接触是如果接触是 Bonded（绑定的）或（绑定的）或 no separation（无分离的），那么当面出现在（无分离的），那么当面出现在 pinball radius 内时就会发生热传导（绿色实线内时就会发生热传导（绿色实线 表示）。表示）。 Pinball Radius 右图中，两部件间的间距大于右图中，两部件间的间距大于 pinball 区区域域，因因此此在在这这两两个
8、个部部件件间间会发生热传会发生热传 导。导。 组组件件-接接触触区区 域域 Training Manual 6-10 热热分分析析 组组件件-导导热热 率率 Training Manual 默认情况下，假设部件间是完美的热接触传导，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意味着界面上不会发生温 度降度降 实际情况下，有些条件削弱了完美的热接触传导：实际情况下，有些条件削弱了完美的热接触传导： 表表面面光光滑滑度度 表表面面粗粗糙糙度度 氧氧化化物物 包包 埋埋液液 接接触触 压压力力 表表面面 温温度度 T 使使用用导导电电脂脂 . . . . T x 接接 着着 6
9、-11 热热分分析析 组组件件-导导热热 率率 Training Manual 组组件件-导导热热 率率 Training Manual T 穿过接触界面的热流速，由接触热通量穿过接触界面的热流速，由接触热通量 q 决定：决定： q TCC target Tcontact 式中式中 Tcontact 是一个接触节点上的温度，是一个接触节点上的温度， Ttarget 是对应目标节点上的温度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和整个几何边界框的对角 线线 ASMDIAG， TCC 被赋以一个相对
10、较大的值。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这实质上为部件间提供了一个完美接触传导 6-12 热热分分析析 组组件件-导导热热 率率 Training Manual 在在ANSYS Professional 或更高版本，用户可以为纯罚函数和增广拉格朗或更高版本，用户可以为纯罚函数和增广拉格朗 日日 方程定义一个有限热接触传导（方程定义一个有限热接触传导（TCC）。）。 在细节窗口，为每个接触域指定在细节窗口，为每个接触域指定 TCC 输入值输入值 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如果已知接触热阻
11、，那么它的相反数除以接触面积就可得到 TCC 值值 在在接接触触界界面面上上，可可以以像像接接触触热热阻阻一一样样 输输入入接接触触热热传传导导 6-13 热热分分析析 组组件件-导导热热 率率 Training Manual Spotweld（点焊）提供了离散的热传导点：（点焊）提供了离散的热传导点： Spotweld 在在 CAD 软件中进行定义（目前只有软件中进行定义（目前只有 DesignModeler 和和 Unigraphics 可可 用）用） 。 T2 T1 组组件件-点点 焊焊 Training Manual 6-14 热热分分析析 C. 热热载载 荷荷 Training Ma
12、nual 热热流流量量： 热流速可以施加在点、边或面上。它分布在多个选择域上。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（它的单位是能量比上时间（ energy/time） 完全绝热（热流量为完全绝热（热流量为 0）：）： 可可以以删删除除原原来来面面上上施施加加的的边边界界条条件件 热热通通量量： 热热通通量量只只能能施施加加在在面面上上（二二维维情情况况时时只只能能施施加加在在边边上上） 它它的的单单位位是是能能量量比比上上时时间间在在除除以以面面积积（ energy/time/area） 热生成：热生成： 内部热生成只能施加在实体上内部热生成只能施加在实
13、体上 它的单位是能量比上时间在除以体积（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。正的热载荷会增加系统的能量。 6-15 热热分分析析 温度、对流、辐射：温度、对流、辐射： 至至少少应应存存在在一一种种类类型型的的热热边边界界条条件件，否否则则，如如果果热热量量将将源源源源不不断断地地输输入入到到系系统统中中，稳稳 态态时时的的温温度度将将会会达达到到无无穷穷大大。 另另外外，给给定定的的温温度度或或对对流流载载荷荷不不能能施施加加到到已已施施加加了了某某种种热热载载荷荷或或热热边边界界条条件件的的表表面面上上 。 完全绝热条件将忽略
14、其它的热边界条件完全绝热条件将忽略其它的热边界条件 给给定定温温度度： 给给点点、边边、面面或或体体上上指指定定一一个个温温度度 温温度度是是需需要要求求解解的的自自由由度度 6-16 热热分分析析 热热边边界界条条件件 Training Manual 对流：对流： 只能施加在面上（二维分析时只能施加在边上）只能施加在面上（二维分析时只能施加在边上） 对流对流 q 由导热膜系数由导热膜系数 h，面积，面积 A，以及表面温度，以及表面温度 Tsurface与环境温度与环境温度 Tambient的的 差值差值 来来定定义义。 q hATsurface Tambient “h” 和和 “Tambie
15、nt” 是是用用户户指指定定的的值值 导导热热膜膜系系数数 h 可可以以是是常常量量或或是是温温度度的的函函 数数 6-17 热热分分析析 热热边边界界条条件件 Training Manual 与温度相关的对流：与温度相关的对流： 为系数类型选择为系数类型选择 Tabular (Temperature) 输入对流换热系数输入对流换热系数-温度表格数据温度表格数据 在细节窗口中，为在细节窗口中，为 h(T)指定温度的处理指定温度的处理 方式方式 6-18 热热分分析析 热热边边界界条条件件 Training Manual 几几种种常常见见的的对对流流系系数数可可以以从从一一个个样样本本文文件件中中导导入入。新新的的对对流流系系数数可可以以保保存存 在文件中。在文件中。 6-19 热热分分析析 热热边边界界条条件件 Training Manual 辐射辐射: 施加在面上施加在面上 （二维分析施加在边上）（二维分析施加在边上） 44 式中：式中： QR FA Tsurface Tambient =斯蒂芬一玻尔兹曼常数斯蒂芬一玻尔兹曼常数 = 放射率放射率 A = 辐射面面积辐射面面积 F = 形状系数形状系数（默认是
