ANSYS14.0中的热实体单元和应用实例

1.PLANE55

（1）单元简介

PLANE55单元可用于二维热分析的平面问题或轴对称问题。如图2-49所示，PLANE55单元采用一阶温度插值，由4个节点组成，每个节点只有温度自由度，该单元适用于二维、稳态或瞬态热分析。PLANE55单元也可以考虑由常速流动的质量所输送的热流。用户如果采用间接法模拟热-结构耦合问题，那么该单元对应的结构单元为PLANE182。

图2-49 PLANE55单元几何图

（2）单元关键字

图2-50所示为“PLANE55 element type options（PLANE55单元关键字设置）”对话框。PLANE55单元包括K1、K3、K4、K8和K9关键字。

图2-50 “PLANE55单元关键字设置”对话框

1）K1关键字。K1关键字用来设置计算对流换热系数的方法。ANSYS提供了4种计算方法：采用平均膜温度（T_S+T_B）/2（Avg film temp）计算对流换热系数，这是ANSYS的默认选项；按单元表面温度T_S（Ele surface temp）计算对流换热系数；按流体体积温度T_B（Fluid bulk temp）计算对流换热系数；使用温差|T_S-T_B|（Differental temp）计算对流换热系数。

2）K3关键字。K3关键字用来定义单元行为。ANSYS提供了3种单元行为：模拟平面应变问题（Plane），这是ANSYS的默认选项；轴对称模型（Axisymmetric）；考虑厚度的平面应力模型（Plane Thickness），用户选择该选项后，需要在实常数中输入模型厚度（THICK）。

3）K4关键字。K4关键字用来设置单元坐标系。ANSYS可以设置两种单元坐标系：单元坐标系平行于总体坐标系（Parall to global），这是ANSYS的默认选项；基于单元的I-J边建立单元坐标系（By elem I-J side）。

4）K8关键字。K8关键字用来定义质量传送作用。ANSYS可以设置3种质量传送作用：不考虑质量传送影响（Excl mass transp），这是ANSYS的默认选项；考虑质量传送（Incl mass transp），用户选择该选项后，需要在实常数面板中输入x方向和y方向的传送速度VX和VY；考虑质量传送并输出输送热流（Incl w/heat flow），用户选择该选项后，需要在实常数面板中输入x方向和y方向的传送速度VX和VY。

5）K9关键字。K9关键字用来设置非线性流动选项。ANSYS可以设置两种选项：标准热传输单元（Std heat transfr），这是ANSYS的默认选项；非线性稳态流动分析单元（温度自由度解释为压力）（Nonlin fluid flo）。

2.PLANE77

（1）单元简介

PLANE77单元为PLANE55单元的高阶版本。PLANE77单元采用二次温度插值，由8个节点组成，适合模拟具有复杂曲线边界的模型。PLANE77单元可用于二维稳态和瞬态热分析。如图2-51所示，带圆圈的数字表示对流换热或热流密度以及辐射可以作为单元边界上的面载荷输入。生热率可以作为单元节点上的体载荷输入。如果输入了节点I处的生热率HG（I），但未给出其他节点处的生热率，则其他节点默认为HG（I）。如果输入了所有角节点处的生热率，则各中间节点的生热率默认为相邻角节点生热率的平均值。

图2-51 PLANE77单元几何图

（2）单元关键字

图2-52所示为“PLANE77 element type options（PLANE77单元关键字设置）”对话框。PLANE77单元包括K1和K3关键字。

图2-52 “PLANE77单元关键字设置”对话框

1）K1关键字。K1关键字用来指定传热矩阵形式。ANSYS可以设置两种传热矩阵形式：一致传热矩阵（Consistent），这是ANSYS的默认选项；对角传热矩阵（Diagonalized）。

2）K3关键字。K3关键字用来指定单元行为。ANSYS可以设置3种单元行为：平面问题（Plane），这是ANSYS的默认选项；轴对称（Axisymmetric）；考虑厚度的平面问题（Plane Thickness），用户选择该选项后，需在实常数中定义单元厚度THK。

3.SOLID70(www.xing528.com)

（1）单元简介

SOLID70单元采用一阶温度插值函数。如图2-53所示，SOLID70单元由8个节点组成，每个节点上只有一个温度自由度，具有3个方向的热传导能力，可以用于三维静态或瞬态的热分析。SOLID70单元能实现匀速热流的传递。假如模型包括实体传递结构单元，那么也可以进行结构分析，此单元能够用等效的结构单元代替（如SOLID185单元）。

SOLID70单元存在一个选项，即允许完成实现流体流经多孔介质的非线性静态分析。选择了该选项后，SOLID70单元的热参数将被转换成类似的流体流动参数，如温度自由度将变为等效的压力自由度。

对流、热流和辐射可以作为面载荷施加在图2-51中用圆圈标记的面上。热流率可以作为体载荷施加在节点上，如果节点I处的热流率定义为HG（I），当其他节点未指定时，默认为HG（I）。

图2-53 SOLID70单元几何图

（2）单元关键字

图2-54所示为“SOLID70 element type options（SOLID70单元关键字设置）”对话框。SOLID70单元包括K2、K4、K7和K8关键字。

图2-54 “SOLID70单元关键字设置”对话框

1）K2关键字。K2关键字用来设置计算对流换热系数的方法。ANSYS提供了4种计算方法：采用平均膜温度（T_S+T_B）/2（Avg film temp）计算对流换热系数，这是ANSYS的默认选项；按单元表面温度T_S（Ele surface temp）计算对流换热系数；按流体体积温度T_B（Fluid bulk temp）计算对流换热系数；使用温差T_S-T_B（Differental temp）计算对流换热系数。

2）K4关键字。K4关键字用来设置单元坐标系。ANSYS可以设置两种单元坐标系：单元坐标系平行于总体坐标系（Parall to global），这是ANSYS的默认选项；基于单元的I-J边建立单元坐标系（By elem I-J side）。

3）K7关键字。K7关键字用来设置单元的非线性流体选项。ANSYS提供了两种选项：标准的热传递单元（Std heat transfr），这是ANSYS的默认选项；非线性稳态流动分析单元（温度自由度解释为压力）（Nonlin fluid flo），对于这个选项，温度被转换为压力自由度。

4）K8关键字。K8关键字用来定义质量传送作用。ANSYS可以设置两种质量传送作用：不考虑质量传送影响（Excl mass transp），这是ANSYS的默认选项；考虑质量传送（Incl mass transp），用户选择该选项后，需要在实常数面板中输入x方向，y方向和z方向的传送速度VX、VY和VZ。

4.SOLID90

（1）单元简介

SOLID90是三维8节点实体单元—SOLID70的高次形式。SOLID90单元由20个节点定义而成，每个节点有一个温度自由度。SOLID90单元有适当的温度协调形状，可以用于模拟曲线边界。该20个节点热单元适用于二维稳态或瞬态热分析。

热传导、热对流和热辐射可以作为面载荷输入，如图2-55所示中带圆圈的数字所示。生热率可以施加在节点上，作为单元体力。如果在节点I处设定了节点生热率HG（I），而其他节点处的温度都没有设定，那么它们将默认为HG（I）。

图2-55 SOLID90单元几何图

（2）单元关键字

图2-56所示为“SOLID90 element type options（SOLID90单元关键字设置）”对话框。SOLID90单元有K1一个单元关键字。

图2-56 “SOLID90单元关键字设置”对话框

K1关键字用来指定传热矩阵形式。ANSYS可以设置两种传热矩阵形式：一致传热矩阵（Consistent），这是ANSYS的默认选项；对角传热矩阵（Diagonalized）。