结构热分析的八大步骤

ANSYS结构热分析基本分析步骤包括指定分析类型、建立有限元模型、加载和求解、结果后处理分析等。

8.2.3.1 指定分析类型要进行结构热分析，选择“Main Menu＞Preference”命令，弹出“Preferences for GUI

Filtering”对话框，勾选“Thermal”选项，如图8-8所示。

图8-8 “Preferences for GUI Filtering”对话框

8.2.3.2 建立有限元模型

在建立模型过程中，应该首先确立所要分析工程的作业文件名、分析的工作标题，然后通过前处理程序定义单元类型、实常数、材料属性等。需要注意以下事项：

1）在稳态热分析中，一般只需定义热导率参数，它可以是恒定的，也可以是随温度变化的。

2）在瞬态热分析中，一般需要定义热导率、密度和比热容等。

8.2.3.3 加载和求解

完成模型的建立后即可开始加载和求解，包括指定分析类型、分析选项、根据分析对象的工作状态和环境施加边界条件和载荷、对结果输出内容进行控制、根据设定的情况进行有限元求解。

1.指定分析类型

选择“Main Menu＞Solution＞New Analysis”命令，弹出“New Analysis”对话框，选中“Steady-State”选项，表示稳态热分析，或者选中“Transient”（瞬态热分析），如图8-9所示。

图8-9 “New Analysis”对话框

2.施加载荷

热分析中可在实体模型或单元模型上施加5种载荷：

恒定温度（Temperature）：恒定温度通常作为自由度约束施加于温度已知边界上，包括关键点、线、面、节点等。

选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Thermal＞Temperature＞On Lines”命令，弹出实体选取对话框，用鼠标选择线后，单击“OK”按钮，弹出“Apply TEMP on Lines”对话框，在“DOFs to be constrained”列表框中选择约束类型，在“Load TEMP value”文本框中输入数值，单击“OK”按钮完成约束，如图8-10所示。

图8-10 在线上施加温度约束

均匀温度（Uniform Temp）：瞬态热分析中可以定义均匀温度场，初始均匀温度仅对分析的第一个子步有效。

选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Thermal＞Temperature＞Uniform Temp”命令，弹出“Uniform Temperature”对话框，在“Uniform temperature”文本框中输入温度数值，单击“OK”按钮完成约束，如图8-11所示。

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图8-11 施加均匀温度

热流率（Heat Flow）：热流率是指单位时间内通过某一截面的热量，单位为W。热流率作为节点集中载荷，主要用于线单元模型中（通常线单元模型不能施加对流或热流密度载荷）。如果输入的值为正，代表热流流入节点，即单元获得热量。如果温度与热流率同时施加在一个节点上，则ANSYS软件读取温度值进行计算。

选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Thermal＞Heat Flow＞On Nodes”命令，弹出实体选取对话框，用鼠标选择节点后，单击“OK”按钮，弹出“Apply Heat on Nodes”对话框，在“DOFs to be constrained”列表框中选择约束类型，在“Load HEAT value”文本框中输入数值，单击“OK”按钮完成约束，如图8-12所示。

图8-12 在节点上施加热流率

注意：如果在实体单元的某一节点上施加热流率，则此节点周围的单元要密一些，在两种热导率差别很大的两个单元的公共节点上施加热流率时，尤其要注意。此外，尽可能使用热生成或热流密度边界条件，这样结果会更精确些。

对流（Convection）：对流边界条件作为面载荷施加于实体的外表面，计算与流体的热交换，它仅可施加于实体和壳模型上，对于线模型，可通过对流线单元LINK34考虑对流。

选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Thermal＞Convection＞On Lines”命令，弹出实体选取对话框，用鼠标选择线后，单击“OK”按钮，弹出“Apply CONV on Lines”对话框，在“Apply Film Coef on lines”列表框中选择约束类型，在“Film coefficient”文本框中输入对流数值，单击“OK”按钮完成约束，如图8-13所示。

图8-13 在线上施加对流换热

热流密度（Heat Flux）：热流密度也是一种面载荷，当通过单位面积的热流率已知或通过FLOTRAN CFD计算得到时，可以在模型相应的外表面施加热流密度。如果输入的值为正，代表热流流入单元。

选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Thermal＞Heat Flux＞On Lines”命令，弹出实体选取对话框，用鼠标选择线后，单击“OK”按钮，弹出“Apply HFLUX on Lines”对话框，在“Apply HFLUX on lines as a”列表框中选择约束类型，在“Heat flux”文本框中输入热流密度数值，单击“OK”按钮完成约束，如图8-14所示。

图8-14 在线上施加热流密度

生热率（Heat Generat）：生热率作为体载荷施加于单元上，可以模拟化学反应生热或电流生热，其含义是单位体积的热流率。

选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Thermal＞Heat Generat＞On Lines”命令，弹出实体选取对话框，用鼠标选择线后，单击“OK”按钮，弹出“Apply HGEN on Lines”对话框，在“Apply HGEN on lines as a”列表框中选择约束类型，在“Load HGEN value”文本框中输入生热率数值，单击“OK”按钮完成约束，如图8-15所示。

图8-15 在线上施加生热率

3.求解

对于稳态热分析通常只进行一个载荷步的求解，所以直接利用“Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS”命令对问题进行求解。

8.2.3.4 结果后处理

ANSYS软件将热分析的结果写入*.rth文件中，它包含基本数据和导出数据。基本数据为节点温度；导出数据有节点及单元的热流密度、节点及单元的热梯度、单元热流率和节点反作用热流率等。对于稳态分析可采用POST1进行后处理，可输出等值线图、矢量图和数据列表；对于瞬态热分析，还可使用时间历程后处理器POST26，可求得变量随时间变化的曲线。