钢球测量法测淬火冷却热分析入门实例

时间：2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：一个钢球半径0.2m，初始温度为850℃，将其放入温度为20℃的淬火介质中冷却，分析钢球随时间的温度变化。本例属于典型的瞬态热分析，由于钢球结构上的对称性，可将其简化为平面问题，采用二维建模分析，分析时采用ISO标准单位，通过定义时间载荷步来求解。图8-113 “Define Material Model Behavior”对话框图8-114 “Conductivity for Material Number1”对话框4）在右侧列表中选择“Thermal＞Specific Heat”，弹出“Specific Heat for Material Number1”对话框，在“C”文本框中输入比热容为460，如图8-115所示。

钢球测量法测淬火冷却热分析入门实例

一个钢球半径0.2m，初始温度为850℃，将其放入温度为20℃的淬火介质中冷却，分析钢球随时间的温度变化。其表面传热系数为80W/（m²·K），钢的比热容为460J/（kg·℃），密度7850kg/m³，热导率35W/（m·℃）。

本例属于典型的瞬态热分析，由于钢球结构上的对称性，可将其简化为平面问题，采用二维建模分析，分析时采用ISO标准单位，通过定义时间载荷步来求解。

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“sphere”，如图8-106所示。单击“OK”按钮完成修改。

图8-106 “Change Jobname”对话框

2）选择“Utility Menu＞File＞Change Title”命令，弹出“Change Title”对话框，修改标题为“Transient thermal analysis of queching”，如图8-107所示。单击“OK”按钮完成修改。

图8-107 “Change Title”对话框

3）选择“Utility Menu＞Plot＞Replot”命令，指定的标题“plane stress”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8-108所示。单击“OK”按钮确认。

图8-108 “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8-109所示。然后单击“Enter”键确认。

图8-109 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8-110所示。

2）单击“Add…”按钮，弹出，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“Quad 4node 55”单元，如图8-111所示。单击“Library of Element Types”对话框的“OK”按钮，返回“Element Types”对话框。

图8-110 “Element Types”对话框

图8-111 “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＞Temperature Units”命令，弹出“Specify Temperature Units”对话框，选择“Celsius”单位，如图8-112所示。

图8-112 选择温度单位

2）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Materials Props＞Material Models”命令，弹出“Define Material Model Behavior”对话框，如图8-113所示。

3）在右侧列表中选择“Thermal＞Conductivity＞Isotropic”，弹出“Conductivity for Material Number1”对话框，在“KXX”文本框中输入热导率为35，如图8-114所示。单击“OK”按钮确认。

图8-113 “Define Material Model Behavior”对话框

图8-114 “Conductivity for Material Number1”对话框

4）在右侧列表中选择“Thermal＞Specific Heat”，弹出“Specific Heat for Material Number1”对话框，在“C”文本框中输入比热容为460，如图8-115所示。单击“OK”按钮确认。

5）在右侧列表中选择“Thermal＞Density”，弹出“Density for Material Number1”对话框，在“DENS”文本框中输入密度为7850，如图8-116所示。单击“OK”按钮确认。

图8-115 “Specific Heat for Material Number1”对话框

图8-116 “Density for Material Number1”对话框

6）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。

7.建立分析模型

选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Areas＞Circle＞Solid Circle”命令，弹出“Solid Circle Area”对话框，在“WP X”和“WP Y”文本框中输入圆中心的X、Y坐标（0，0），在“Radius”文本框中输入圆半径0.2，单击“OK”按钮创建圆面，如图8-117所示。

图8-117 创建实心圆面

8.划分网格

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞MeshTool”命令，弹出“MeshTool”对话框，勾选“Smart Size”选项，并将智能网格划分水平调整为1，选择网格划分器类型为“Free”（自由网格），单击“Mesh”按钮，弹出“Mesh Area”对话框，单击“Pick All”按钮，系统自动完成网格划分，如图8-118所示。

图8-118 网格划分

2）单击“Mesh Tool”对话框中的“Close”按钮关闭网格划分工具。

9.设置分析类型

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Load＞Analysis＞New Analysis”命令，弹出“New Analysis”对话框，选中“Transient”选项，如图8-119所示。单击“OK”按钮确认。(www.xing528.com)

2）系统弹出“Transient Analysis”对话框，保持默认设置，如图8-120所示。单击“OK”按钮确认。

图8-119 “New Analysis”对话框

图8-120 “Transient Analysis”对话框

10.施加边界条件和载荷

1）施加初始温度。选择“Main Menu＞Preprocessor＞Loads＞Apply＞Initial Condit’n＞Define”命令，弹出图形选取窗口，单击“Pick All”按钮，选择所有的曲面，弹出“Define Initial Conditions”对话框，设置初始温度为850，如图8-121所示。单击“OK”按钮完成。

图8-121 “Define Initial Conditions”对话框

2）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Thermal＞Convection＞On Lines”命令，弹出实体选取对话框，用鼠标选择所有圆边界线后，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80，在“Bulk temperature”文本框中输入20，单击“OK”按钮完成约束，如图8-122所示。

图8-122 在线上施加对流换热

11.设置时间和载荷步

选择“Main Menu＞Solution＞Load Step Opts＞Time Frequency＞Time-Time Step”命令，弹出“Time and Time Step Options”对话框。在“Time at end of load step”文本框中输入120（载荷步持续时间），在“Time step size”文本框中输入1，在“KBC”中选择“stepped”（阶跃加载），如图8-123所示。单击“OK”按钮确认。

图8-123 “Time and Time Step Options”对话框

12.设置输出控制

选择“Main Menu＞Solution＞Load Step Opts＞Output Ctrls＞DB/Results File”命令，弹出“Controls for Database and Results File Writing”对话框。在“File write frequency”中选择“Everysubstep”选项，如图8-124所示。单击“OK”按钮确认。

图8-124 “Controls for Database and Results File Writing”对话框

13.求解

1）选择“Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS”命令，将弹出如图8-125所示的信息窗口，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8-125 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8-126所示。单击“Close”按钮关闭。

图8-126 “Note”对话框

14.通用后处理显示结果

1）选择“Main Menu＞General Postproc＞Read Results＞By Pick”命令，弹出“Results File”对话框，选择时间为90的项，单击“Read”按钮，读取分析结果，单击“Close”按钮确认，如图8-127所示。

2）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＞NodalTemperature”选项，单击“OK”按钮显示第90s时的钢球温度分布图，如图8-128所示。