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1、第33例 瞬态热分析实例水箱本例介绍了利用ANSYS进行瞬态热分析的方法和步骤、瞬态热分析时材料模型所包含的内容，以及模型边界条件和初始温度的施加方法。33.1概述 热分析是计算热应力的基础，热分析分为稳态热分析和瞬态热分析，稳态热分析将在后面两个例子中介绍，本例介绍瞬态热分析。33.1.1 瞬态热分析的定义瞬态热分析用于计算系统随时间变化的温度场和其他热参数。一般用瞬态热分析计算温度场，并找到温度梯度最大的时间点，将此时间点的温度场作为热载荷来进行应力计算。33.1.2 嚼态热分析的步骤瞬态热分析包括建模、施加载荷和求解、查看结果等几个步骤。1建模瞬态热分析的建模过程与其他分析相似，包括定义
2、单元类型、定义单元实常数、定义材料特性、建立几何模型和划分网格等。注意：瞬态热分析必须定义材料的导热系数、密度和比热。2.施加载荷和求解(1)指定分析类型，Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis,选择 Transient。(2)获得瞬态热分析的初始条件。定义均匀的初始温度场：Main MenuSolutionDefine LoadsSettingsUniform Temp，初始温度仅对第一个子步有效，而用Main MenuSolutionDefine LoadsApplyThermalTemperature命令施加的温度在整个瞬态热分析过程中均不变
3、，应注意二者的区别。定义非均匀的初始温度场：如果非均匀的初始温度场是已知的，可以用Main MenuSolutionDefine LoadsApplyInitial ConditnDefine即IC命令施加。非均匀的初始温度场一般是未知的，此时必须先进行行稳态分析确定该温度场。该稳态分析与一般的稳态分析相同。注意：要设定载荷（如已知的温度、热对流等），将时间积分关闭，选择Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTime IntegrationAmplitude Decay;设定只有一个子步，时间很短（如(0.01s)的载荷步， Main Menu
4、SolutionLoad Step OptsTime/FrequencTimeTime Step。(3)设置载荷步选项。普通选项包括每一载荷步结束的时间、每一载荷步的子步数、阶跃选项等，选择Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTime-Time Step.非线性选项包括：迭代次数（默认25），选择Main MenuSolutionLoad Step OptsNonlinearEquilibrium Iter;打开自动时间步长，选择Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTimeTime Step
5、：将时间积分打开，选择Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTime IntegrationAmplitude Decay.输出选项包括：控制打印的输出，选择Main MenuSolutionLoad Step OptsOutput CtrlsSolu Printout; 结果文件的输出， 选择Main MenuSolutionLoad Step OptsOutput CtrlsDB/Results File.(4)如果均匀的初始温度场是通过稳态分析施加的，则须删除稳态分析时施加的温度载荷， 选择 Main MenuSolutionDefine
6、 LoadsDeleteThermalTemperature。(5)求解。 3.查看结果 可以用POST26或POST1查看结果。33.2问题描述图33-1所示为一个温度为500的铁块和一个温度为400的铜块，突然放入温度为20的完全绝热的水箱中。忽略水的流动，试分析1h后铜块和铁块的最高温度，以及铜块和铁块的温度变化情况。材料热物理性能参数如表33-1所示。图33-1 水箱示意图表33-1 材料热物理性能参数热性能参数铜铁水导热系数/W(m.)383702密度/kg/m388897833966比热/J/(kg. )390448418533.3分析步骤33.3.1改变任务名拾取菜单Utilit
7、y MenuFileChange Jobname，在所弹出对话框的“/FILNAM”文本框中输入EXAMPLE33，单击“OK”按钮。图33-2 改变任务名对话框33.3.2选择单元类型拾取菜单Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete，弹出如图33-3所示的对话框，单击“Add”按钮，弹出如图33-4所示的对话框，在左侧列表中选“Thermal Solid”，在右侧列表中选“8node 77”，单击“OK”按钮，返回到如图33-3所示的对话框，单击“Close”按钮关闭对话框。图33-3 单元类型对话框图33-4 单元类型库对话框33.3
8、.3定义村料模型拾取菜单Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models，弹出如图33-5所示的对话框，在右侧列表中依次拾取“Thermal”、“Conductivity”、“Isotropic”，弹出如图33-6所示的对话框，在“KXX”文本框中输入383（导热系数），单击“OK”按钮；再次拾取如图33-5所示对话框中右侧列表的“Specific Heat”项，弹出如图33-7所示的对话框，在“C”文本框中输入390（比热），单击“OK”按钮；再次拾取如图33-5所示对话框中右侧列表的“Density”项，弹出如图33-8所示的对话框，在“
9、DENS”文本框中输入8889（密度），单击“OK”按钮，于是定义好了材料模型1（铜）。单击如图33-5所示对话框的菜单项Material-New Model，单击弹出的“Define Material TD”对话框中的“OK”按钮，然后重复定义材料模型1时的各步骤，定义材料模型2（铁）的导热系数为70，比热为448，密度为7833。重复定义材料模型2时的各步骤，定义材料模型3（水）的导热系数为2，比热为4185，密度为996。最后关闭如图33-5所示的对话框。略图33-5 材料模型对话框图33-6 定义导热系数对话框图33-7 定义比热对话框33.3.4创建矩形面，模拟铜块、铁块和水箱拾取菜
10、单 Main MenuPreprocessor ModelingCreate AreasRectangleBy Dimension，弹出如图33-9所示的对话框，在“X1，X2”文本框中分别输入0，0.6，在“Y1，Y2”文本框中分别输入0，0.5，单击“Apply”按钮，再次弹出如图33-9所示的对话框，在“Xl, X2”文本框中分别输入0.15, 0.225， 在“Y1, Y2”文本框中分别输入 (0.225，0.27)，单击“Apply”按钮，再次弹出如图33-9所示的对话框，在“Xl，X2”文本框中分别输入0.342，0.42)，在“Y1，Y2”文本框中分别输入0.225，0.27，单
11、击“OK”按钮。33.3.5显示面号拾取菜单Utility MenuPlotCtrlsNumbering，在弹出的Plot Numbering Controls 对话框中，将Area numbers（面号）打开，单击“OK”按钮。图33-8 定义密度对话框图33-9 创建矩形对话框33.3.6交叠面拾取菜单 Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansOverlapAreas,弹出拾取窗口，单击“Pick All”按钮。33.3.7划分单元拾取菜单Main MenuPreprocessorMeshingMeshTool，弹出如图33-10所示的对话框
12、。选择“Element Attributes”的下拉列表框为“Areas”，单击下拉列表框后面的“Set”按钮，弹出拾取窗口，选择面2，单击拾取窗口中的“OK”按钮，弹出.”Areas Attributes对话框，选择“MAT”下拉列表框为1，单击“Apply”按钮，再次弹出拾取窗口，选择面3，单击拾取窗口中的“OK”按钮，选择“Areas Attributes”对话框的“MAT”下拉列表框为2，单击“Apply”按钮，再次窗口，择面4，单击拾取窗口中的“OK”按钮，选择“Areas Attributes”对话框的“MAT”下拉列表框为3，单击OK按钮。单击“Size Controls”区域中
13、“Global”后面的“Set”按钮，弹出如图33-11所示的对话框，在“SIZE”文本中输入0.01，单击“OK”按钮；在如图33-10所示对话框的Mesh区域，选择单元形状为“Quad”（四边形），选择划分单元的方法为“Mapped”（映射），单击“Mesh”按钮，弹出拾取窗口，拾取面2和面3，单击“OK”按钮。图33-10 划分单元工具对话框图33-11 单元尺寸对话框单击“Size Controls”区域中“Global”后面的“Set”按钮，弹出如图33-11所示的对话框，在 SIZE文本框中输入0.03，单击“OK”按钮；在如图33-10所示对话框的“Mesh”区域，选择单元形状为
14、Quad （四边形）， 选择划分单元的方法为“Free”（自由），单击“Mesh”按钮，弹出拾取窗口，拾取面4，单击“OK”按钮，关闭如图33-10所示的对话框。33.3.8指定分析类型拾取菜单Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis，在弹出的对话框中选择“Type of Analysis”为“Transient”，单击“OK”按钮，在随后弹出的“Transient Analysis”对话框中，单击“OK”按钮。以下步骤进行稳态分析，以得到初始温度场。33.3.9设置时间积分为关闭，进行稳态分析，以得到瞬态分析的初始温度场拾取菜单 Main Menu
15、SolutionLoad Step OptsTime/FrequencTime IntegrationAmplitude Decay，弹出如图33-12所示的对话框，将“TIMINT”关闭，单击“OK”按钮。图33-12 时间积分控制对话框33.3.10确定稳态分析的载荷步时间和吋间步长拾取菜单Main MenuSolutionLoad Step OptsTime/FrequencTimeTime Step,弹出如图33-13所示的对话框，在“TIME”文本框中输入0.01，在“DELTIM Time step size”文本框中输入0.01，单击“OK”按钮。图33-13 确定载荷步时间和时间步长对话框33.3.11施加温度载荷拾取菜单Main MenuSolutionDefine LoadsApplyThermalTemperatureOn Areas，弹出拾取窗口，拾取面2，单击“OK”按钮，弹出如图33-14所示的对话框，在“Lab2”列表中选择“TEMP”，
