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ANSYS多物理耦合场有限元分析.ppt
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1、ANSYS多物理耦合场有限元分析ANSYSANSYS多物理耦合多物理耦合场有限元分析有限元分析结构构-热耦合分析耦合分析流体流体-固体固体耦合分析耦合分析.ANSYS中的典型物理量(国际单位制)温度温度热流量流量热传导率率密度密度比比热对流流换热系数系数热流流温度梯度温度梯度内部内部热生成生成Degrees C(or K)WattsWatts/(meter.degree C)kilogram/(meter3)(Watt.sec)/(kilogram.degree C)Watt/(meter2.degree C)Watt/(meter2)degree C/meterWatt/(meter3)AN
2、SYSANSYS热分析分析.热传递的类型热传递有三种基本有三种基本类型型:传导-两个良好接触的物体之两个良好接触的物体之间或一个物体内部或一个物体内部不同部分之不同部分之间由于温度梯度引起的能量交由于温度梯度引起的能量交换。对流流-在物体和周在物体和周围流体之流体之间发生的生的热交交换。辐射射-一个物体或两个物体之一个物体或两个物体之间通通过电磁波磁波进行行的能量交的能量交换。在在绝大多数情况下,分析的大多数情况下,分析的热传导问题都都带有有对流和流和/或或辐射射边界条件。界条件。ANSYSANSYS热分析分析.传导引起的引起的热通量流由通量流由传导的傅立叶定律决定:的傅立叶定律决定:负号表示
3、号表示热量沿梯度的反向流量沿梯度的反向流动 (例如例如,热量从量从热的部分流向冷的部分的部分流向冷的部分).传导Tnq*dTdnANSYSANSYS热分析分析.对流对流引起的流引起的热通量由冷却牛通量由冷却牛顿定律得出定律得出:对流一般作流一般作为面面边界条件施加界条件施加TsTBANSYSANSYS热分析分析.热力学第一定律能量守恒能量守恒要求系要求系统的能量改的能量改变与系与系统边界界处传递的的热和功数和功数值相等。相等。能量守恒在一个微小的能量守恒在一个微小的时间增量下可以增量下可以表示表示为方程形式方程形式将其将其应用到一个微元体上,就可以得到用到一个微元体上,就可以得到热传导的控制微
4、分方程。的控制微分方程。ANSYSANSYS热分析分析.单元元类型型下表下表显示通常使用的示通常使用的热单元元类型。型。节点自由度是:点自由度是:TEMP。常用的热单元类型材料特性材料特性至少需要至少需要 Kxx Kxx 稳态分析分析热传导系数。系数。如果是瞬如果是瞬态分析,分析,则需要比需要比热(C)C)。优先先设置置为 “thermalthermal”(热分析),在分析),在 GUI GUI 方式中只方式中只显示示热材料特性。材料特性。实常数常数主要用于壳和主要用于壳和线单元。元。热分析有限元模型ANSYSANSYS热分析分析.稳态热传递 如果如果热量流量流动不随不随时间变化的化的话,热传
5、递就称就称为是是稳态的。的。由于由于热量流量流动不随不随时间变化化,系系统的温的温度和度和热载荷也都不随荷也都不随时间变化。化。由由热力学第一定律,力学第一定律,稳态热平衡可以表平衡可以表示示为:输入能量入能量 输出能量出能量=0ANSYSANSYS热分析分析.稳态热传递控制方程 对于于稳态热传递,表示,表示热平衡的微分方程平衡的微分方程为:相相应的的节点点处的有限元平衡方程的有限元平衡方程为:ANSYSANSYS热分析分析.热载荷和荷和边界条件的界条件的类型型温度温度 自由度自由度约束,将确定的温度施加到模型的特定区域。束,将确定的温度施加到模型的特定区域。均匀温度均匀温度 可以施加到没有温
6、度可以施加到没有温度约束的所有束的所有节点上。可以在点上。可以在稳态或瞬或瞬态分析的第一分析的第一个子步个子步对所有所有节点施加初始温度而非点施加初始温度而非约束。它也可以在非束。它也可以在非线性分析中用性分析中用于估于估计随温度随温度变化材料特性的初化材料特性的初值。热流率流率 是集中是集中节点点载荷。正的荷。正的热流率表示流率表示热量流入模型。量流入模型。热流率同流率同样可以施加可以施加在关在关键点上。此点上。此载荷通常用于不能施加荷通常用于不能施加对流和流和热通量的情况下。施加通量的情况下。施加该载荷到荷到热传导率相差很大的区域上率相差很大的区域上时应注意。注意。ANSYSANSYS热分
7、析分析.热载荷和荷和边界条件的界条件的类型型对流流施加在模型外表面上的面施加在模型外表面上的面载荷,模荷,模拟模型表面与周模型表面与周围流体之流体之间的的热量量交交换。热通量通量(热流密度流密度)同同样是面是面载荷。当通荷。当通过面的面的热流率已知的情况下使用。正的流率已知的情况下使用。正的热流密度流密度值表示表示热量流入模型。量流入模型。热生成率生成率 作作为体体载荷施加,代表体内生成的荷施加,代表体内生成的热,单位是位是单位体位体积内的内的热流率。流率。ANSYSANSYS热分析分析.热载荷和边界条件的类型ANSYS 热载荷分荷分为四大四大类:1.DOF 约束束-指定的指定的 DOF(温度
8、温度)数数值2.集中集中载荷荷-施加在点上的集中施加在点上的集中载荷荷(热流流)3.面面载荷荷-在面上的分布在面上的分布载荷荷(对流、流、热流密度流密度)4.体体载荷荷-体体积或或场载荷(荷(热生成)生成)ANSYSANSYS热分析分析.热载荷和荷和边界条件注意事界条件注意事项在在 ANSYS中中,没有施加没有施加载荷的荷的边界作界作为完全完全绝热处理。理。通通过施加施加绝热边界条件(缺省条件)得到界条件(缺省条件)得到对称称边界条件。界条件。如果模型某一区域的温度已知,就可以固定如果模型某一区域的温度已知,就可以固定为该数数值。反作用反作用热流率只在固定了温度自由度流率只在固定了温度自由度时
9、才具有。才具有。热载荷和边界条件的类型ANSYSANSYS热分析分析.何为瞬态分析?由于受随由于受随时间变化的化的载荷和荷和边界条件界条件,如果需要知道系如果需要知道系统随随时间的响的响应,就,就需要需要进行行瞬瞬态分析分析。热能存能存储效效应在在稳态分析中忽略,在此要考分析中忽略,在此要考虑进去。去。时间,在,在稳态分析中分析中只用于只用于计数,数,现在有了确定的物理含在有了确定的物理含义。涉及到相涉及到相变的分析的分析总是瞬是瞬态分析。分析。时变载荷荷时变响响应ANSYSANSYS热分析分析.除了除了导热系数系数(k),还要定要定义密度密度(r r)和和 比比热(c)。稳态分析和瞬分析和瞬
10、态分析分析对明明显的区的区别在于在于加加载和求解和求解 过程。程。*MASS71热质量量单元比元比较特特殊,它能殊,它能够存存贮热能能单不能不能传导热能。因此,本能。因此,本单元不需要元不需要热传导系数。系数。瞬态分析前处理考虑因素ANSYSANSYS热分析分析.控制方程回回忆线性系性系统热分析的控制方程矩分析的控制方程矩阵形式。形式。热存存储项的的计入将静入将静态系系统转变为瞬瞬态系系统:在瞬在瞬态分析中,分析中,载荷随荷随时间变化化.或或,对于非于非线性瞬性瞬态分析分析,时间 和和 温度温度:热存存储项=(比比热矩矩阵)x(时间对温度的微分温度的微分)ANSYSANSYS热分析分析.选择合
11、理的合理的时间步很重要,它影响求解的精度和收步很重要,它影响求解的精度和收敛性。性。如果如果时间步步长 太小太小,对于有中于有中间节点的点的单元元会形成不切会形成不切实际的振的振荡,造成温度,造成温度结果不真果不真实。时间步大小建议TtD D t如果如果时间步步长 太大太大,就不能就不能得到足得到足够的温度梯度。的温度梯度。一种方法是先指定一个相一种方法是先指定一个相对较保守的初始保守的初始时间步步长,然后使用自,然后使用自动时间步步长按需要增加按需要增加时间步。下面步。下面说明使用自明使用自动时间步步长大致估大致估计初始初始时间步步长的方的方法。法。ANSYSANSYS热分析分析.在瞬在瞬态
12、热分析中大致估分析中大致估计初始初始时间步步长,可以使用,可以使用Biot和和Fourier数。数。Biot 数数 是无量是无量纲的的对流和流和传导热阻的比率阻的比率:其中其中 D x是名是名义单元元宽度度,h是平均是平均对流流换热系数,系数,K 是平均是平均导热系数。系数。Fourier 数数 是无量是无量纲的的时间(Dt/t),对于于宽度度为D x 的的单元它量化了元它量化了热传导与与热存存储的相的相对比率比率:其中其中 r 和和 c 是平均的密度和比是平均的密度和比热。时间步大小说明(续)ANSYSANSYS热分析分析.如果如果Bi 1:时间步步长可以用可以用Fourier 和和 Bio
13、t数的乘数的乘积预测:求解求解 D t 得到得到:(Again,where 0.1 b 0.5)时间步步长的的预测精度随精度随单元元宽度的取度的取值,材料特性的材料特性的平均方法和比例因子平均方法和比例因子b 而而变化。化。时间步大小说明(续)ANSYSANSYS热分析分析.进行瞬态分析ANSYS缺省情况下是缺省情况下是稳态分析。使用下列求解菜分析。使用下列求解菜单指定要指定要进行瞬行瞬态分析分析:“FULL”是瞬态热分析唯一可以使用的选项。7.用用户要要输入求解入求解选项,并不是只,并不是只对热分析有效分析有效(如求解器,如求解器,N-R 选项等等)143256ANSYSANSYS热分析分析
14、.初始条件初始条件初始条件 必必须对模型的每个温度自由度定模型的每个温度自由度定义,使得,使得时间积分分过程得以程得以开始。开始。施加在有温度施加在有温度约束的束的节点上的初始条件被忽略。点上的初始条件被忽略。根据初始温度域的性根据初始温度域的性质,初始条件可以用以下方法之一指定,初始条件可以用以下方法之一指定:注注:如果没有指定如果没有指定初始温度,初始初始温度,初始DOF数数值为0。ANSYSANSYS热分析分析.均匀初始温度如果整个模型的初始温度如果整个模型的初始温度为均匀且非均匀且非0,使用下列菜,使用下列菜单指定指定:1234ANSYSANSYS热分析分析.非均匀的初始温度如果模型的
15、初始温度分布如果模型的初始温度分布已知已知但但不均匀不均匀,使用使用这些菜些菜单将初始条件施加在特定将初始条件施加在特定节点上点上:4.用用图形形选取或取或输入点号的方法入点号的方法确定要建立初始温度的确定要建立初始温度的节点。点。5.单击 OK.注注:当手当手动或借助于或借助于输入文件入文件输入入IC命令命令时,可以使用,可以使用节点点组元名元名来区分来区分节点。点。12354ANSYSANSYS热分析分析.非均匀初始温度(续)注注:没有定没有定义DOF初始温度的初始温度的节点点其初始温度缺省其初始温度缺省为TUNIF命令指定命令指定的均匀数的均匀数值。6.选择 DOF 标记“TEMP”。7
16、.指定初始温度数指定初始温度数值。8.完成后完成后单击OK。单击APPLY重复操作,将初始温度指定重复操作,将初始温度指定到其它到其它节点上。点上。678ANSYSANSYS热分析分析.由稳态分析得到的初始温度(续)当模型中的初始温度分布是当模型中的初始温度分布是不均匀不均匀且且未知未知的,的,单载荷步的荷步的稳态热分析可以用分析可以用来确定瞬来确定瞬态分析前的初始温度。要分析前的初始温度。要这样做,按照下列步做,按照下列步骤:1.稳态第一第一载荷步荷步:进入求解器,使用入求解器,使用稳态分析分析类型。型。施加施加稳态初始初始载荷和荷和边界条件界条件。为了方便,指定一个很小的了方便,指定一个很
17、小的结束束时间(如如1E-3 秒秒)。避免使用非常小的。避免使用非常小的时间数数值(1E-10)因因为可能形成数可能形成数值错误。指定其它所需的控制或指定其它所需的控制或设置置(如非如非线性控制性控制)。求解当前求解当前载荷步。荷步。ANSYSANSYS热分析分析.施加瞬施加瞬态分析控制和分析控制和设置。置。求解之前求解之前,打开打开时间积分分:求解当前瞬求解当前瞬态载荷步。荷步。求解后求解后续载荷步。荷步。时间积分效果保持打开直到在后面的分效果保持打开直到在后面的载荷步中关荷步中关闭为止。止。由稳态分析得到的初始温度(续)2.后后续载荷步荷步为瞬瞬态:在第二个在第二个载荷步中,根据第一个荷步
18、中,根据第一个载荷步施加荷步施加载荷和荷和边界条件。界条件。记住住删除第除第一个一个载荷步中多余的荷步中多余的载荷。荷。1234ANSYSANSYS热分析分析.打开/关闭时间积分效果象象刚刚说明的那明的那样,稳态分析可以迅速的分析可以迅速的变为瞬瞬态分析,只要分析,只要简单的在后的在后续载荷步中将荷步中将时间积分效果分效果打开打开。同同样,瞬瞬态分析可以分析可以变成成稳态分析,只要分析,只要简单的在后的在后续载荷步中将荷步中将时间积分效果分效果关关闭。结论:从求解方法来从求解方法来说,瞬,瞬态分析和分析和稳态分析的差分析的差别就在于就在于时间积分。分。ANTYPE,TRANS+TIMINT,O
19、FF ANTYPE,STATICANTYPE,STATIC+TIMINT,ON ANTYPE,TRANSANSYSANSYS热分析分析.另外的时间积分例子在本例中,不是在分析的在本例中,不是在分析的开始开始关关闭时间积分效果来分效果来建立初始条件,而是在分析的建立初始条件,而是在分析的结束束关关闭时间积分来分来“加速加速”瞬瞬态。通常,分析的目通常,分析的目标将将瞬将将瞬态热现象中最象中最严重的温度梯度重的温度梯度定量。定量。这些梯度通常在瞬些梯度通常在瞬态的初始的初始阶段段发生生,并在系并在系统进入入稳态时随随时间衰减。衰减。当系当系统响响应稳定后,后面的定后,后面的结果就没有意果就没有意义
20、了,分析可了,分析可以以简单的的结束或如果束或如果稳态温度温度场也需要得到,就在最后也需要得到,就在最后载荷步关荷步关闭时间积分效果分效果。注意改注意改变到到稳态边界界时的突的突变。最后一个。最后一个载荷步的荷步的终止止时间可以是任意的可以是任意的,但必但必须比前面的瞬比前面的瞬态载荷步荷步时间数数值要大。要大。ANSYSANSYS热分析分析.打开控制打开控制打开控制 用于在当瞬用于在当瞬态热分析接近分析接近稳态时让自自动时间步步“打开打开”(增加增加)时间步步长。在缺省情况下,如果。在缺省情况下,如果连续3个子步个子步间的最大温度的最大温度变化都小于化都小于 0.1个温度个温度单位,位,那么
21、那么时间步步长将迅速增加以提高效率。将迅速增加以提高效率。这个控制只能在求解控制中个控制只能在求解控制中实现。用。用这些些菜菜单改改变设置置:3.指定温度。指定温度。4.指定指定门槛值。5.指定子步数。指定子步数。6.单击OK。123456ANSYSANSYS热分析分析.阶跃还是渐变?要准确模要准确模拟系系统的瞬的瞬态响响应,载荷必荷必须以正确的幅以正确的幅值,在正确的,在正确的时间和正确和正确的速率施加。的速率施加。回回忆一下一下载荷在荷在载荷步中相荷步中相对时间可以是可以是阶跃的或的或渐变的的:ANSYS 缺省是缺省是渐变加加载的。的。渐变加加载可以提高瞬可以提高瞬态求解的适求解的适应性,
22、如果有性,如果有非非线性性时可以提高收可以提高收敛性。参考第性。参考第4章学章学习ANSYS如何如何处理理渐变载荷。荷。ANSYSANSYS热分析分析.阶跃还是渐变?(续)要模拟阶跃载荷,将载荷在很短的时间内渐变施加到全值,然后在后续载荷步中保持不变。问题:对茶茶壶进行瞬行瞬态热分析。在底上施加分析。在底上施加热流模流模拟炉子的加炉子的加热。热流流载荷荷应该是是阶跃的的还是是渐变的如果的如果.1.茶茶壶在一个在一个刚燃着的炉子上燃着的炉子上2.茶茶壶载一个已一个已经很很热的炉子上的炉子上ANSYSANSYS热分析分析.什么是耦合场分析?耦合场 分析考虑两个或两个以上的物理场之间的相互作用。这种
23、分析包括直接和间接耦合分析。当当进行行直接耦合直接耦合时,多个物理多个物理场(如(如热电)的自由度同的自由度同时进行行计算。算。这称称为直接方法直接方法,适用于多个物理适用于多个物理场各自的响各自的响应互相依互相依赖的的情况。由于平衡状情况。由于平衡状态要要满足多个准足多个准则才能才能取得,直接耦合分析往往是非取得,直接耦合分析往往是非线性的。每性的。每个个结点上的自由度越多,矩点上的自由度越多,矩阵方程就越方程就越庞大,耗大,耗费的机的机时也越多。也越多。下表列出了下表列出了ANSYS中可以用作直接耦合中可以用作直接耦合分析的分析的单元元类型。不是所有型。不是所有单元都有温度元都有温度自由度
24、。自由度。结构构-热耦合分析耦合分析.什么是耦合场分析?(续)间接耦合接耦合分析是以特定的分析是以特定的顺序求解序求解单个物理个物理场的模型。前一个的模型。前一个分析的分析的结果作果作为后后续分析的分析的边界条件施加。有界条件施加。有时也称之也称之为序序贯耦合分析。耦合分析。本分析方法主要用于物理本分析方法主要用于物理场之之间单向的耦合关系。例如,一个向的耦合关系。例如,一个场的响的响应(如(如热)将)将显著影响到另一个物理著影响到另一个物理场(如(如结构)的响构)的响应,反之不成立。本方法一般来,反之不成立。本方法一般来说比直接耦合方法效率高,而比直接耦合方法效率高,而且不需要特殊的且不需要
25、特殊的单元元类型。型。本章中我本章中我们只只讨论涉及涉及热的耦合的耦合现象。象。请注意并非所有注意并非所有ANSYS产品都支持所有耦合品都支持所有耦合单元元类型和分析型和分析选项。例如,。例如,ANSYS/Thermal产品只提供品只提供热电直接耦合。直接耦合。详细说明参明参见Coupled-Field Analysis Guide。结构构-热耦合分析耦合分析.直接方法-例题在第七章在第七章对流部分中,介流部分中,介绍了了FLUID66和和FLUID116热流流单元。元。该单元具有元具有热和和压力自由度,因此是直接耦合力自由度,因此是直接耦合场单元。元。ANSYS有一些其他的耦合有一些其他的耦
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