ansys瞬态热分析教程及实例.ppt
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1、1,4.瞬态传热分析,2,4.瞬态传热分析,瞬态传热分析的基本步骤与稳态热分析类似,主要的区别是瞬态传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。载荷时间曲线中的每一个拐点为一个载荷步,如图3-9 所示。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Ramped 方式变化或Stepped 方式变化。如果需要知道系统受随时间变化(或不变)的载荷和边界条件时的响应,就需要进行“瞬态分析”。,3,4.瞬态传热分析,4,5.瞬态传热分析,ANSYS 缺省是渐进加载的。渐进加载可以提高瞬态求解的适应性,如果有非线性时可以提高收敛性。,5,5.
2、瞬态传热分析,6,5.瞬态传热分析,在瞬态分析中,载荷步和子步的定义与非线性稳态分析十分类似。载荷定义的每个载荷步的终点,并可以随时间阶跃或渐进的施加。每个载荷步的求解是在子步上得到。子步长根据时间积分步长得到。自动时间步(ATS)同样适用于瞬态分析,可以简化ITS选择。ITS选择将影响到瞬态分析的精度和非线性收敛性(如果存在)。,7,均匀初始温度:如果整个模型的初始温度为均匀且非0,使用下列菜单指定:,2,1,3,4,5.瞬态传热分析,8,非均匀的初始温度,如果模型的初始温度分布已知但不均匀,使用这些菜单将初始条件施加在特定节点上,5.瞬态传热分析,9,5.瞬态传热分析,ANSYS 瞬态传热
3、分析的主要步骤1.建立有限元模型2.施加载荷并求解 3.求解4.查看分析结果,10,择分析类型进行瞬态传热分析需要首先需要定义分析类型及其相关选项。下面介绍分析类型及其选项的设定:进行第一次分析或者重新进行分析命令:ANTYPE,TRANSIENT,NEWGUI:Main Menu Solution Analysis Type New Analysis Transient延续上一次分析命令:ANTYPE,TRANSIENT,RESTGUI:Main Menu Solution Analysis Type Restart,11,定义瞬态传热分析的初始条件瞬态传热分析的初始条件分为两种情况:其一,
4、初始温度场已知;其二,初始温度场未知。,12,已知初始温度场 如果初始温度场是已知的,则定义过程比较简单,定义过程如下:1.定义均匀温度场命令:TUNIFGUI:Main Menu Solution Define Loads Apply Structural Temperature Uniform Temp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。,13,2.设定参考温度命令:TREFGUI:Main Menu Solution Define Loads Settings Reference Temp如果不在对话框中键入数据,则默认为参考温度,参考温度的值默认为零。,14,3.设
5、置节点温度命令:DGUI:Main Menu Solution Define Loads Apply Thermal Temperature On Nodes,15,3.设定非均匀的初始温度命令:ICGUI:Main Menu Solution Define Loads Apply Initial Conditn Define在瞬态传热分析中,节点温度可以通过此项设定为不同的值。,16,初始温度场未知 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条件,下面介绍分析选项的设定:1)施加载荷(如已知的温度、热对流等)2)关闭时间积分命令:TIMINT,OFFGUI:Main
6、 Menu Solution Load Step Opts Time/Frequenc Time Integration,17,设定一个只有一个子步的,时间很小的载荷步(例如0.001)命令:TIMEGUI:Main Menu Solution Analysis Type Soln Controls basic4)写入载荷步文件命令:LSWRITEGUI:Main Menu Solution Load Step Opts Write LS File或先求解:GUI:Main Menu Solution Solve Current LS,18,非线性选项常用选项如下:)迭代次数选项选项命令:NE
7、QITGUI:Main Menu Preprocessor Loads Load Step Opts Nonlinear Equilibrium Iter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。,19,自动时间步长选项命令:AUTOTSGUI:Main Menu Solution Analysis Type Soln Controls打开后求解过程中将自动调整时间步长。,20,时间积分选项命令:TIMINTGUI:Main Menu Solution Load Step Opts Time/Frequenc Time Integration如果将此选项设定为OFF,将进行稳态
8、热分析。,21,求解命令:SOLVEGUI:Main Menu Solution Current LS,22,POST1 后处理读入结果数据命令:SETGUI:Main Menu General Postproc Read Results By Time/Freq进入POST1 后,可以读出某一时间点的结果。如果设定的时间点不在任何一个子步的时间点上,ANSYS 会进行线性插值。此外还可以读出某一载荷步的结果:GUI:Main Menu General Postproc Read Results By Load Step,23,3.3 瞬态传热分析实例 1.问题描述实例类型:ANSYS结构分析
9、。分析类型:瞬态传热分析。单元类型:PLANE55ANSYS功能示例:实体建模包括基本的建模操作;定义比热容;施加瞬态热载荷;设置瞬态热载荷分析选项;显示模型温度等值线图;显示节点温度随时间变化曲线。,24,25,长方形的板,几何参数及其边界条件如图3-6 所示。板的宽度为5cm,其中间有一个半径为1cm 的圆孔。板的初始温度为20,将其右侧突然置于温度为20且对流换热系数为100W/M2的流体中,左端置于温度为500的温度场,试计算:(1)第1s 和第50s板内的温度分布情况。(2)整个板在前50s内的温度变化过程。(3)圆孔边缘A点处温度随时间变化曲线。,26,2.建立有限元模型首先建立瞬
10、态传热分析所需的有限元模型 选择单元.(1)选择热分析单元,操作如下:GUI:Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete 在弹出的对话框中,单击Add。在单元类型库对话框中选择Plane55单元。单击OK。命令:ET,1,PLANE55,27,(2)定义材料属性首先进入Define Material Model Behavior对话框,操作如下:GUI:Main Menu Preprocessor Material Props 下面定义瞬态热分析所需的材料参数,如热传导率、比热容及材料密度:,28,定义热传导率 GUI:Main Me
11、nu Preprocessor Material Props Thermal Conductivity Isotropic 在弹出的定义材料热传导率对话框中的KXX 栏键入“5”。命令:MPDATA,KXX,1,5,29,定义比热容 GUI:Main Menu Preprocessor Material Props Thermal Specific Heat 在弹出的定义比热容对话框中的C栏键入“200”。命令:MPDATA,C,1,200,30,定义密度 GUI:Main Menu Preprocessor Material Props Thermal Density 在弹出密度定义对话框中
12、的DENS栏键入“5000”。命令:MPDATA,DENS,1,5000 材料属性定义完毕.,31,(3)建立实体模型 根据本例所用模型,首先需要创建矩形,然后是圆,最后在矩形板中央减去(Substract)圆。下面介绍建立实体模型的操作:创建矩形 命令:RECTNG,0,0.15,0,0.05,32,创建圆面 其操作如下:GUI:Main Menu Preprocessor Modeling Create Circle By dimensions 在弹出对话框中,单击OK得到圆面。命令:CYL4,0.075,0.025,0.01,33,相减根据ANSYS建模过程中面序号赋值原理,直接可以肯定
13、圆面序号为2,矩形序号为1,因此采用直接键入命令建实体模型:命令:asba,1,2,34,(4)设定网格尺寸并划分网格 下面介绍网格尺寸的设定(SmartSize 方式):设定网格尺寸参数并划分网格,通过SmartSize控制网格密度,操作如下:GUI:Main Menu Preprocessor Meshing MeshTool选择SmartSize=3。单击Mesh。单击拾取对话框中Pick All按钮。得到网格图。,35,命令:SMRT,3AMESH,All保存数据库,其操作如下:GUI:Toolbar SAVE-DB命令:SAVE,36,4.施加载荷并求解 求解之前首先要选择分析类型,
14、然后定义边界条件及其载荷步选项,最后计算。首先选择分析类型。(1)选择分析类型 选择Transient分析,操作如下:,37,GUI:Main Menu Preprocessor Loads Analysis Type New Analysis选择Transient 分析,单击OK。采用ANSYS默认设置,在弹出的子对话框中单击OK。命令:ANTYPE,4TRNOPT,FULLLUMPM,0,38,(2)定义初始条件板的初始温度为20,设置初始温度操作如下:GUI:Main Menu Solution Define Loads Apply Initial Conditn Define在弹出的拾
15、取对话框中,单击Pick All。弹出Define Initial Conditions对话框,命令:IC,All,TEMP,20,39,(3)定义热约束 瞬态传热分析中的载荷是随着时间发生变化的。对于每一个载荷步都需要指明载荷值及时间值,还需要指定载荷步选项,如加载方式是Ramped方式还是Stepped方式。,40,需要施加流体载荷和板的传热载荷。首先定义对流载荷。定义对流边界为了便于设定对流边界,首先显示边框图,操作如下:GUI:Utility Menu Plot lines命令:LPLOT,41,定义对流载荷/边界首先进入Apply Conv on lines 对话框,操作如下:GUI
16、:Main Menu Solution Define Loads Apply Thermal Convection On Lines在弹出对话框中,键入Film coefficient和Bulk Temperature值。命令:SFL,L2,CONV,100,20,42,定义稳态热边界在边线上定义稳态热边界,操作如下:GUI:Main Menu Solution Define Loads Apply Thermal Temperature On Lines在弹出对话框中,键入边界温度为“500”。单击OK。命令:DL,L4,TEMP,500,1,43,(4)设置时间及时间步进参数设定步进参数使
17、ANSYS 在较短的时间内达到可以接受的收敛精度。首先进入Time and time Step Optios 对话框,操作如下:GUI:Main Menu Solution Load Step Opts Time/Frequenc Time time steps 在Time and time Step Optios对话框中按照下图 设置,其余选项不变。TIME,50AUTOTS,1DELTIM,1,0.1,2.5,1KBC,0,44,下面确认时间积分选项打开。操作如下:GUI:Main Menu Solution Load Step Opts Time/Frequenc Time Integr
18、ation保持默认设置,单击OK。命令:TIMINT,1TINTP,0.005,-1,0.5,-1,45,(5)设置输出控制输出控制用于决定ANSYS 要等多长时间向数据库文件写入一次结果。这里设时间间隔为1s。输出控制选项设置,操作如下:GUI:Main Menu Solution Load Step Opts Output Ctrls DB/Results File在File Write Frequency栏选项 Every Substep。命令:OUTRES,ALL,ALL,46,(6)求解GUI:Main Menu Solution Solve Current LS.命令:Solve,
19、47,5.查看分析结果根据题目要求,首先在POST1 后处理中查看第1s 和50s 时温度分布,然后动画显示温度场变化情况,最后是通过POST26 查看A点处温度随时间变化曲线。下面解释查看分析结果的详细操作:,48,(1)POST1后处理显示第1s和和第50s时温度场首先读入分析结果文件,然后分别显示第1s和第50s时模型温度场。首先读入第1s时结果文件,操作如下:,49,GUI:Main Menu General Postproc By Time/Freq 在弹出的Read Results by time or Frequency对话框中进行如下图设置。单击OK。显示第1s 时温度场,操作
20、如下:GUI:Main Menu General Postproc Plot Results Nodal Solu 取ANSYS 默认设置,单击OK。显示第1s时温度场。命令:PLNSOL,TEMP,0,50,51,重复上述操作,读入第50s时结果并显示温度场。下图所示为第50s温度场。,52,显示温度场变化动画显示150 秒内温度变化情况,操作如下:GUI:Utility Menu PlotCtrls Animate Animate Over Time设置显示150s内温度变化动画。命令:ANTIME,20,0.5,1,2,1,50动画如下transient1.avi,53,(2)POST2
21、6 后处理 需要查看A点随时间变化的温度场,首先必须定义A点温度变量,然后才能显示A点处 温度随时间变化曲线。下面介绍查看A点分析结果的详细操作:定义A点温度变量GUI:Main Menu TimeHist Postpro Define Variables,54,单击Add按钮,弹出Add Time-History Variable对话框,选择温度作为变量)。选择一点A命令:NSOL,2,7,TEMP,TEMP-2显示A点温度-时间变化曲线显示A 点温度随时间变化曲线,单击“GRAPH VARIABLE 按钮,得到A 点温度随时间变化曲线。命令:PLVAR,TEMP-2,55,3.3.5 瞬态
22、传热分析实例2(1)问题描述:一个直径为0.12m,温度为900摄氏度的钢球突然放入盛满了水的,完全绝热的横截面直径和孤傲度均为0.6m的圆柱体水箱中,水的温度为20,材料参数如图所示,求解10分钟后钢球与水的温度场分布(钢球置于水箱正中央)。,56,材料性能参数,57,2.问题分析 属于瞬间热传导问题,研究对象为钢球和水,根据轴对称性,在求解过程中取钢球和水中心纵截面的1/4建立几何模型,选择PLANE55轴对称单元进行分析。,几何模型,58,3.建立模型(1)添加标题添加标题,操作如下GUI:Utility Menu File Change Title标题名:Transient therm
23、al analysis to a sphere.命令:/Title,Transient slab Problem,59,简化菜单(过虑菜单)操作如下:GUI:Main Menu Referenc在弹出的Referenc for GUI Filtering对话框中,选择 Thermal。单击OK。命令:/COM,Thermal,60,(2)选择单元选择热分析单元,操作如下:GUI:Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete在弹出的对话框中,单击Add。在单元类型库对话框中选择Plane55单元。单击OK。命令:ET,1,PLANE55,
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