稳态热传导分析实例：案例展示

本例将对钢管进行热传导分析。如图10-5所示，钢管内表面的温度为60℃，外表面暴露于空气中，其温度为20℃。通过进行线性稳态热传导以及对流分析，确定钢管的温度分布。

载入RADIOSS（Bulk Data）用户模板并导入模型

图10-5 分析模型

（1）启动HyperMesh。

（2）在User Profile对话框中选择RADIOSS。

（3）在右端的扩展列表中选择BulkData。

（4）单击OK。这样就可以载入用户模板。其中包括合适的模板、宏菜单、数据读入接口，根据生成RADIOSS中Bulk Data格式模型的要求来调整HyperMesh的功能。

也可以通过工具栏上的Preferences下拉菜单进入User Profiles对话框。

（5）单击Import面板工具栏按钮进入Import视窗。Import type选择FE Model，File type选择RADIOSS（Bulk Data）。

（6）在File的右边区域单击按钮，打开Select RADIOSS（Bulk Data）file对话框。

（7）在HyperWorks的安装路径＜install_directory＞/tutorials/hwsolvers/RADIOSS/下找到文件thermal.fem。

（8）单击Open，文件thermal.fem的路径则显示在File右边区域中。

（9）单击Import。文件thermal.fem被导入到当前的HyperMesh中。

创建热力学材料属性

在创建组件集（component collectors）之前创建材料集（material collectors）和属性集（property collectors）。

（1）单击Materials按钮。

（2）进入create子面板。

（3）单击mat name=并输入steel。

（4）单击type=并选择ISOTROPIC。

（5）单击card image=并选择MAT1。

（6）单击create/edit进入材料卡片编辑面板。

（7）在User Comments选项区选中MAT4复选框。

在材料信息区域，MAT4出现在MAT1下面。MAT1卡片用于定义各向同性材料。MAT4卡片用于定义材料的热力学常量参数。MAT4与MAT1的ID号一致。

如果材料属性中某一项没有值，表示该项没有激活。单击想改变的选项将其激活，下面会出现输入栏。单击输入栏并填入数据。

（8）对于材料steel，在卡片中输入以下材料信息。

弹性模量：E=2.1×lO¹¹Pa。

泊松比：μ=0.3。

材料密度：p=7.9×103kg/m³。

热膨胀系数：A=1.0×10^-5/℃。

导热率：K=73W/m.℃。

传热系数：H=40W/m²·℃。

（9）单击return两次回到主菜单。新建材料steel被赋予结构属性及热属性。

（10）单击Properties按钮。

（11）单击prop name=并输入solid。

（12）单击type=并选择3D。

（13）单击card image=并选择PSOLID。

（14）单击material=并选择steel。

（15）单击create。

（16）单击return回到主菜单。

钢管的属性被定义为3D PSOLID，其材料信息也同时被赋予。

将材料及属性赋给结构

一旦定义好材料及属性，就可以将其赋给结构。

（1）单击Components按钮。

（2）选中update单选按钮，进入update子面板。

（3）单击突出显示的comps并选择组件pipe。

（4）将＜no property＞改为property=。

（5）单击property=并从弹出的菜单中选择solid。属性卡片及材料信息将显示在属性文本框的下方。

（6）单击update。

（7）单击return回到主菜单。

在模型中施加热边界条件。

该练习中施加的热边界条件保存于预先定义的载荷集spc_temp中。预先定义的节点4679用于指定环境温度。预先定义的节点集node_temp中包括了位于钢管内表面的节点。

在钢管的内表面施加温度载荷

（1）单击HyperMesh图形区右下角的Set Current Load Collector面板，将会出现一个载荷集列表。

（2）确认spc_temp为当前载荷集。

（3）进入Analysis页面，选择constraints面板。

（4）进入create子面板。

（5）单击对象选择开关，并选择nodes。

（6）单击nodes并从弹出的菜单中选择by sets。

（7）选择node_temp并单击select。

（8）不选中dof1、dof2、dof3、dof4、dof5和dof6并保持各个自由度后面文本框中的数值为0.0。

（9）单击load types，并选择SPC。

（10）单击create。这样就在钢管内表面的节点上施加0℃温度载荷。下一步中，将温度改为60℃。

（11）单击Card edit按钮。

（12）选择loads。

（13）单击loads并选择by collectors。

（14）选中spc_temp复选框并单击select。

（15）单击config=并选择const。

（16）单击type=并选择SPC。

（17）单击edit。

（18）单击D并输入60.0。

（19）单击return两次回到Analysis页面。

设置环境温度

（1）确认spc_temp为当前载荷集。

（2）在Analysis页面中选择constraints面板。

（3）进入create子面板。

（4）单击nodes并从弹出的菜单中选择ID。

（5）输入预先定义的节点ID4679。节点4679应该被突出显示。

（6）不选中dof1、dof2、dof3、dof4、dof5和dof6复选框，并保持各个自由度后面文本框中的值为0.0。

（7）单击create。

（8）单击Card edit按钮。

（9）选择loads。

（10）选择屏幕中刚刚创建的环境spc。(www.xing528.com)

（11）单击config=并选择const。

（12）单击type=并选择SPC。

（13）单击edit。

（14）单击D，并输入20.0。

热边界条件已经创建，如图10-6所示。

（15）单击return两次回到Analysis页面。

图10-6 热边界条件

为热对流创建CHBDYE表面单元

表面单元用于模拟实体管与周围空气的热交换。预先定义的单元集elem_convec中包括了位于钢管外表面的实体单元，此单元集用以定义表面单元。

（1）在Analysis页面中单击interfaces。

（2）在create子面板中单击name=并输入convection。

（3）单击type=并选择CONVECTION。

（4）单击interface color，并从调色板选择一种颜色。

（5）单击create/edit进入PCONV卡片编辑面板。

（6）单击MID并选择steel作为材料，单击return。

这样就创建了自由对流属性PCONV以及单元集合convection。

（7）进入add子面板。

（8）单击name=并选择convection。

（9）单击slave并从弹出的菜单中选择face。

（10）单击突出显示的solid elems并从弹出的菜单中选择by sets。

（11）选择单元集elem_convec并单击select。

（12）在face nodes区域单击nodes。

（13）选择一个实体单元表面的4个节点，如图10-7所示。

（14）单击break angle=并输入89.0。

（15）单击add。

这样就在所有选中实体单元的同一侧创建了CHBDYE表面单元，如图10-8所示。

图10-7 选择钢管外侧实体单元表面节点

图10-8 位于钢管外侧的表面单元

在表面单元上创建对流边界条件

（1）单击Card edit按钮

（2）选择elems。

（3）单击elems并选择by group。

（4）选中convection复选框，并单击select。

（5）单击config=并选择slave4。

（6）单击type=并选择CHBDYE4。

（7）单击edit进入CHBDYE卡片面板。

（8）选中CONV复选框。

（9）如图10-9所示，单击TA1并输入节点ID号4679。

图10-9 指定环境温度参考点

（10）单击return两次回到Analysis页面。

创建热传导工况

这一步将会创建一个RADIOSS稳态热传导工况。该工况与载荷集spc_temp中的热边界条件相关联。传热分析中梯度、流量、温度的输出通过T loadsteps面板来定义。

（1）在Analysis页面中选择loadsteps面板。

（2）单击type开关，选择heat transfer。

（3）单击name=并输入heat_transfer。

（4）选中SPC复选框。

（5）单击“=”，并选择spc_temp。

（6）单击create。

（7）单击edit进入subcase编辑面板。

（8）选中Analysis复选框，在工况的信息区域出现analysis type选项。

（9）单击TYPE下面的按钮，并选择HEAT作为分析类型。

（10）选中Output复选框。

（11）选中Output下面的FLUX以及THERMAL两个复选框。这两个复选框出现在工况信息区域。

（12）分别单击两个FORMAT按钮并选择输出的结果文件格式为H3D。

（13）分别单击两个OPTION按钮并选择ALL。FLUX和THERMAL的输出也可以在Analysis页面的control cards面板中进行定义。

（14）单击return两次。

启动RADIOSS

（1）在Analysis页面中选择RADIOSS面板。

（2）单击input file右边的save as，出现Save As对话框。

（3）选择RADIOSS模型文件的保存路径，并在File name的右面区域输入模型的名称thermal_complete.fem。.fem文件是推荐的Bulk Data输入数据格式。

（4）单击Save，thermal_complete.fem的文件名及其路径显示在input file右边的区域中。

（5）设置memory options为memory default。

（6）单击run options并选择analysis。

（7）设置export options为all。

（8）单击Radioss。

这样就可以启动分析作业。如果分析成功完成，就可以在所选择的thermal_complete. fem文件的存储路径中得到结果文件。thermal_complete.out文件可用于查找错误信息，如果分析过程报错可以借助此文件进行模型调试。

通过RADIOSS可以计算得到稳态热传递分析的温度梯度以及热流量等结果，也可以计算得到结构的应力及位移结果。HyperView用于对计算结果机型后处理。

查看热传递分析的结果

（1）一旦在命令窗口得到Process completed successfully的信息，就可以单击Hyper View。这样就可以启动HyperView并加载结果文件。模型和结果文件加载成功时会出现信息提示窗口。

（2）单击Close关闭信息提示窗口。

（3）单击Contour工具按钮。

（4）单击Result type下面的第一个下拉菜单并选择Grid Temperatures（s）。

（5）单击Apply。这样就创建了节点温度结果云图。

（6）单击Result type下面的第一个下拉菜单并选择Element Fluxes（V）。

（7）单击Apply。

热流量以及温度结果云图都显示在图10-10中。

图10-10 热传递分析结果