混凝土空心砌砖热分析经典实例

建筑物的墙壁由图8-77所示的空心砖组成，设该砖混凝土热导率为0.8W/（m·K），空气当量热导率为0.28W/（m·K），设温度只沿厚度方向发生变化，室内温度为25℃，表面传热系数为10W（m²·K），室外空气温度为零下10℃，表面传热系数为20W（m²·K），试求通过每块砖的导热量。

图8-77 混凝土空心砖

本例中首先建立热阻模型如图8-78所示，并求解各部分热阻

故总热阻为

R=R₁+R₂+R₃+R₄+R₅=6.836K/W

故导热量为

图8-78 热阻模型

操作步骤

1.启动ANSYS 14.5

双击桌面上的“Mechanical APDL Product Launcher”图标，弹出“ANSYS配置”窗口，在“Simulation Environment”选择“ANSYS”，在“license”选择“ANSYS Multiphysics”，然后指定合适的工作目录，单击“Run”按钮，进入ANSYS用户界面。

2.指定工程名和分析标题

1）选择“Utility Menu＞File＞Change Jobname”命令，弹出“Change Jobname”对话框，修改工程名称为“brick”，如图8-79所示。单击“OK”按钮完成修改。

2）选择“Utility Menu＞File＞Change Title”命令，弹出“Change Title”对话框，修改标题为“Steady state thermal analysis of brick”，如图8-80所示。单击“OK”按钮完成修改。

图8-79 “Change Jobname”对话框

图8-80 “Change Title”对话框

3）选择“Utility Menu＞Plot＞Replot”命令，指定的标题“Steady state thermal analysis of brick”显示在窗口的左下方。

3.指定分析类型

选择“Main Menu＞Preference”命令，弹出“Preferences for GUI Filtering”对话框，勾选“Thermal”选项，如图8-81所示。单击“OK”按钮确认。

图8-81 “Preferences for GUI Filtering”对话框

4.定义单位

在ANSYS软件的主界面命令输入窗口中，输入“/UNIT，SI”，如图8-82所示。然后单击“Enter”键确认。

图8-82 输入单位命令

5.定义单元类型

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Element Type＞Add/Edit/Delete”命令，弹出“Element Types”对话框，如图8-83所示。

2）单击“Add…”按钮，弹出“Library of Element Types”对话框，在左边的列表中选择“Solid”选项，即选择实体单元类型，然后在右边列表中选择“Brick 8node 70”单元，如图8-84所示。单击“Library of Element Types”对话框“OK”按钮，返回“Element Types”对话框。

图8-83 “Element Types”对话框

图8-84 “Library of Element Types”对话框

3）单击“Close”按钮关闭“Element Types”对话框，结束单元类型的添加。

6.定义材料属性

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Materials Props＞Material Models”命令，弹出“Define Material Model Behavior”对话框，如图8-85所示。

2）在右侧列表中选择“Thermal＞Conductivity＞Isotropic”，弹出“Conductivity for Material Number 1”对话框，在“KXX”文本框中输入0.28，如图8-86所示。单击“OK”按钮返回。

3）在“Define Material Model Behavior”对话框中选择“Material＞New Model”命令，弹出“Define Material ID”对话框，输入2，单击“OK”按钮，在右侧列表中选择“Thermal＞Conductivity＞Isotropic”，弹出“Conductivity for Material Number 2”对话框，在“KXX”文本框中输入0.8，单击“OK”按钮返回，如图8-87所示。

4）在“Define Material Model Behavior”对话框中选择“Material＞Exit”命令，退出材料属性窗口，完成材料模型属性的定义。

图8-85 “Define Material Model Behavior”对话框

图8-86 “Conductivity for Material Number 1”对话框

图8-87 定义材料属性2

7.建立分析模型

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Volumes＞Block＞By Centr，Cornr，Z”命令，弹出“Block by Ctr，Cornr，Z”对话框，在“WP X”和“WP Y”文本框中心的X、Y坐标（0，0），在“Width”“Height”“Depth”文本框中输入长0.15、宽0.15、高0.3，单击“OK”按钮创建长方体，如图8-88所示。

图8-88 通过中心和角点创建长方体

2）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Volumes＞Block＞By Centr，Cornr，Z”命令，弹出“Block by Ctr，Cornr，Z”对话框，在“WP X”和“WP Y”文本框中心的X、Y坐标（0，0），在“Width”“Height”“Depth”文本框中输入长0.3、宽0.3、高0.3，单击“OK”按钮创建长方体，如图8-89所示。(www.xing528.com)

3）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Boolean＞Subtract＞Volumes”命令，弹出“Subtract Volumes”对话框，选择大长方体作为被减体，单击“Apply”按钮，弹出“SubtractVolumes”对话框，选择小长方体作为要减去的体，单击“OK”按钮完成减运算，如图8-90所示。

图8-89 通过中心和角点创建长方体

图8-90 体减运算

4）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Volumes＞Block＞By Centr，Cornr，Z”命令，弹出“Block by Ctr，Cornr，Z”对话框，在“WP X”和“WP Y”文本框中心的X、Y坐标（0，0），在“Width”“Height”“Depth”文本框中输入长0.15、宽0.15、高0.3，单击“OK”按钮创建长方体，如图8-91所示。

图8-91 通过中心和角点创建长方体

5）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Booleans＞Glue＞Volumes”命令，弹出“Glue Volumes”对话框，单击“Pick All”按钮选择所有体，单击“OK”按钮完成粘接运算，如图8-92所示。

图8-92 粘接运算

8.划分网格

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh Attributes＞Picked Volumes”命令，弹出“Volume Attributes”对话框，拾取小长方体，单击“OK”按钮，弹出“Volume Attributes”对话框，在“Material number”下拉列表中选择“1”，单击“OK”按钮完成单元属性设置，如图8-93所示。

图8-93 设置体单元属性

2）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh Attributes＞Picked Volumes”命令，弹出“Volume Attributes”对话框，拾取大长方体，单击“OK”按钮，弹出“Volume Attributes”对话框，在“Material number”下拉列表中选择“2”，单击“OK”按钮完成单元属性设置，如图8-94所示。

图8-94 设置体单元属性

3）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh Tool＞Size Controls-Global＞Set”按钮，也可单击“Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Size Cntrls＞ManualSize＞Global＞Size”命令，弹出“Global Element Sizes”对话框，输入单元长度为0.015，如图8-95所示。单击“OK”按钮完成。

图8-95 设置全局单元尺寸

4）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh Tool”命令，弹出“Mesh Tool”对话框，选择分网对象为“Volumes”，网格形状为“Hex/Wedge”，选择分网形式为“Sweep”，然后单击“Sweep”按钮，拾取所有体，单击“OK”按钮生成网格，如图8-96所示。

图8-96 生成扫掠网格

5）单单“Mesh Tool”对对对对对“Close”按按按按按按按按按按。

9.施加边界条件和载荷

1）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Thermal＞Convection＞On Areas”命令，弹出实体选取对话框，用鼠标选择面后，单击“OK”按钮，弹出“Apply CONV on Lines”对话框，在“Film coefficient”文本框中输入对流数值20，在“Bulk temperature”文本框中输入−10，单击“OK”按钮完成约束，如图8-97所示。

图8-97 在面上施加对流换热

2）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Thermal＞Convection＞On Areas”命令，弹出实体选取对话框，用鼠标选择面后，单击“OK”按钮，弹出“Apply CONV on Lines”对话框，在“Film coefficient”文本框中输入对流数值10，在“Bulk temperature”文本框中输入25，单击“OK”按钮完成约束，如图8-98所示。

图8-98 在面上施加对流换热

10.求解

1）选择“Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS”命令，弹出图8-99所示的求解信息窗口，其中“/STATUS Command”窗口显示所要计算模型的求解信息和载荷步信息。

图8-99 求解信息窗口

2）单击“Solve Current Load Step”对话框中的“OK”按钮，程序开始求解，求解完成后弹出“Note”对话框，如图8-100所示。单击“Close”按钮关闭。

图8-100 “Note”对话框

11.后处理显示结果

1）选择“Main Menu＞General Postproc＞Plot Results＞Contour Plot＞Nodal Solu”命令，弹出“Contour Nodal Solution Data”对话框，选中“Nodal Solution＞DOF Solution＞Nodal Temperature”选项，单击“OK”按钮显示温度等值图，如图8-101所示。

图8-101 温度等值线图

2）选择“Utility Menu＞Select＞Entities”命令，弹出“Select Entities”对话框，选择拾取对象为“Areas”，拾取方式为“By Num/Pick”，选中“From Full”选项，单击“Apply”按钮拾取面，单击“Plot”按钮显示所选取的面，如图8-102所示。

图8-102 拾取面

3）在“Select Entities”对话框，选择拾取对象为“Nodes”，拾取方式为“Attach to”，选择“Areas，all”，单击“Apply”按钮拾取，然后选择拾取对象为“Elements”，拾取方式为“Attach to”，选择“Nodes”，单击“Apply”按钮拾取，单击“Plot”按钮显示所选取的单元，如图8-103所示。单击“Cancel”按钮关闭对话框。

图8-103 拾取单元

4）选择“Main Menu＞General Postproc＞Element Table＞Define Table”命令，弹出“Element Table Data”对话框，选择“Add…”按钮，弹出“Define Additional Element Table Items”对话框，在“User label for item”文本框中输入名称HT1，选择Nodal force data和Heat flow HEAT，单击“OK”按钮返回，单击“Close”按钮关闭对话框，如图8-104所示。

图8-104 定义单元表

5）选择“Main Menu＞General Postproc＞ElementTable＞Sum of Each Item”命令，弹出“Tabular Sum of Each Element Table Item”对话框，单击“OK”按钮，弹出“SSUM Command”对话框，显示单元表求和结果导热量为5W，如图8-105所示。

图8-105 单元表求和运算

6）单击工具栏上的按钮，保存数据库文件。