A N S Y S热分析指南——A N S Y S稳态热分析ANSYS热分析指南(第三章)第三章稳态热分析3.1稳态传热的定义ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical，ANSYS/FLOTRAN和ANSYS/Professional这些产品支持稳态热分析。

稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响。

通常在进行瞬态热分析以前，进行稳态热分析用于确定初始温度分布。

也可以在所有瞬态效应消失后，将稳态热分析作为瞬态热分析的最后一步进行分析。

稳态热分析可以计算确定由于不随时间变化的热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数。

这些热载荷包括：对流辐射热流率热流密度（单位面积热流）热生成率（单位体积热流）固定温度的边界条件稳态热分析可用于材料属性固定不变的线性问题和材料性质随温度变化的非线性问题。

事实上，大多数材料的热性能都随温度变化，因此在通常情况下，热分析都是非线性的。

当然，如果在分析中考虑辐射，则分析也是非线性的。

3.2热分析的单元ANSYS和ANSYS/Professional中大约有40种单元有助于进行稳态分析。

有关单元的详细描述请参考《ANSYS Element Reference》，该手册以单元编号来讲述单元，第一个单元是LINK1。

单元名采用大写，所有的单元都可用于稳态和瞬态热分析。

其中SOLID70单元还具有补偿在恒定速度场下由于传质导致的热流的功能。

这些热分析单元如下：表3-1二维实体单元表3-2三维实体单元表3-3辐射连接单元表3-4传导杆单元表3-5对流连接单元表3-6壳单元表3-7耦合场单元表3-8特殊单元3.3热分析的基本过程ANSYS热分析包含如下三个主要步骤：前处理：建模求解：施加荷载并求解后处理：查看结果以下的内容将讲述如何执行上面的步骤。

首先，对每一步的任务进行总体的介绍，然后通过一个管接处的稳态热分析的实例来引导读者如何按照GUI路径逐步完成一个稳态热分析。

最后，本章提供了该实例等效的命令流文件。

3.4建模建立一个模型的内容包括：首先为分析指定jobname和title；然后在前处理器（PREP7）中定义单元类型，单元实常数，材料属性以及建立几何实体。

《ANSYS Modeling and Meshing Guide》中对本部分有详细说明。

对于热分析有：定义单元类型命令：ETGUI：Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete定义固定材料属性命令：MPGUI：Main Menu>Preprocessor>Material Props>MaterialModels>Thermal定义温度相关的材料属性，首先要定义温度表，然后定义对应的材料属性值。

通过下面的方法定义温度表命令：MPTEMP或MPTEGN，然后定义对应的材料属性，使用MPDATAGUI：Main Menu>Preprocessor>Material Props> MaterialModels>Thermal对于温度相关的对流换热系数也是通过上述的GUI路径和命令来定义的。

注意--如果以多项式的形式定义了与温度相关的膜系数，则在定义其它具有固定属性的材料之前，必须定义一个温度表。

创建几何模型及划分划分网格的过程，请参阅《ANSYS Modeling and Meshing Guide》3.5施加荷载和求解在这一步骤中，必须指定所要进行的分析类型及其选项，对模型施加荷载，定义荷载选项，最后执行求解。

3.5.1指定分析类型在这一步中，可以如下指定分析类型：GUI: Main Menu>Solution>New Analysis>Steady-state(static)命令：ANTYPE,STATIC,NEW如果是重新启动以前的分析，比如，附加一个荷载。

命令：ANTYPE,STATIC,rest。

（条件是先前分析的jobname.ESAV、jobname.DB等文件是可以利用的）3.5.2施加荷载可以直接在实体模型（点、线、面、体）或有限元模型（节点和单元）上施加载荷和边界条件，这些载荷和边界条件可以是单值的，也可以是用表格或函数的方式来定义复杂的边界条件，详见《ANSYS基本分析过程指南》。

可以定义以下五种热载荷：3.5.2.1恒定的温度(TEMP)通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上。

3.5.2.2热流率（HEAT）热流率作为节点集中载荷，主要用于线单元（如传导杆、辐射连接单元等）模型中，而这些线单元模型通常不能直接施加对流和热流密度载荷。

如果输入的值为正，表示热流流入节点，即单元获取热量。

如果温度与热流率同时施加在一节点上，则温度约束条件优先。

注意--如果在实体单元的某一节点上施加热流率，则此节点周围的单元应该密一些；特别是与该节点相连的单元的导热系数差别很大时，尤其要注意，不然可能会得到异常的温度值。

因此，只要有可能，都应该使用热生成或热流密度边界条件，这些热荷载即使是在网格较为粗糙的时候都能得到较好的结果。

3.5.2.3对流（CONV）对流边界条件作为面载施加于分析模型的外表面上，用于计算与模型周围流体介质的热交换，它仅可施加于实体和壳模型上。

对于线单元模型，可以通过对流杆单元LINK34来定义对流。

3.5.2.4热流密度（HEAT）热流密度也是一种面载荷。

当通过单位面积的热流率已知或通过FLOTRAN CFD的计算可得到时，可以在模型相应的外表面或表面效应单元上施加热流密度。

如果输入的值为正，表示热流流入单元。

热流密度也仅适用于实体和壳单元。

单元的表面可以施加热流密度也可以施加对流，但ANSYS仅读取最后施加的面载进行计算。

3.5.2.5热生成率（HGEN）热生成率作为体载施加于单元上，可以模拟单元内的热生成，比如化学反应生热或电流生热。

它的单位是单位体积的热流率。

下表总结了在热分析中的载荷类型：表3-9 热荷载类型下表详细列出了热分析中用于施加载荷，删除载荷，对载荷进行操作、列表的所以命令：表3-10 热荷载相关的命令3.5.3采用表格和函数边界条件除了一般的使用表格来定义边界条件的方法，本节讨论热分析中特有的一些问题。

关于定义表参数的详细叙述，请参考《ANSYS A PDL Programmer’s Guide》。

本节内容对单元类型没有特别的限制。

下表列出了热分析中能够用于每一种边界条件的自变量：表3-11荷载边界条件及其自变量热边界条件命令族自变量固定温度D TIME, X, Y, Z热流F TIME, X, Y, Z, TEMP对流换热系数 (对流) SF TIME,X, Y, Z, TEMP, VELOCITY环境温度 (对流) SF TIME, X, Y, Z热流密度SF TIME, X, Y, Z, TEMP热生成BF TIME, X, Y, Z, TEMP流体单元(FLUID116) 边界条件流率SFE TIME压力D TIME, X, Y, Z后面有一个例题详细介绍在一个稳态热分析中如何采用表格边界条件。

为了使用更加灵活的热传导系数，可以使用函数的方式来定义边界条件。

有关这种用法的详细说明，可以参考《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》。

除了上述自变量外，函数边界条件还可用下面的参数作为函数的自变量：表面温度（TS）（SURF151、SURF152单元的表面温度）密度（）（材料属性DENS）比热（材料属性C）导热率（材料属性kxx）导热率（材料属性kyy）导热率（材料属性kzz）粘度（材料属性μ）辐射率（材料属性ε）3.5.4定义载荷步选项对于一个热分析，可以确定通用选项、非线性选项以及输出控制。

下表列出了热分析中可能用到的载荷步选项：表3-12分析中的载荷步选项3.5.5通用选项时间选项该选项定义载荷步的结束时间，虽然对于稳态热分析来说，时间选项并没有实际的物理意义，但它提供了一个方便的设置载荷步和载荷子步的方法。

缺省情况下，第一个荷载步结束的时间是1.0，此后的荷载步对应的时间强逐次加1.0。

每载荷步中子步的数量或时间步大小对于非线性分析，每一载荷步需要多个子步。

缺省情况下每个荷载步有一个子步。

阶跃或斜坡加载如果定义阶跃载荷，则载荷值在这个载荷步内保持不变；如果为斜坡加载，则载荷值在当前载荷步的每一子步内线性变化。

3.5.6非线性选项如果存在非线性则需要定义非线性荷载步选项，包括平衡迭代次数本选项设置每一子步允许的最大迭代次数，默认值为25，对大多数非线性热分析问题已经足够。

自动时间步长对于非线性问题，可以自动设定子步间载荷的增量，保证求解的稳定性和准确性。

收敛容差只要运算满足所说明的收敛判据，程序就认为它收敛，收敛判据可以基于温度、也可以是热流率，或二者都有。

在实际定义时，需要说明一个典型值(CNVTOL命令的VALUE域)和收敛容差(TOLER域)，程序将VALUE*TOLER的值视为收敛判据。

例如，如说明温度的典型值为500，容差为0.001，那么收敛判据则为0.5度。

对于温度，ANSYS将连续两次平衡迭代之间节点上温度的变化量（）与收敛准则进行比较来判断是否收敛。

就上面的例子来说，如果在某两次平衡迭代间，每个节点的温度变化都小于0.5度，则认为求解收敛。

对于热流率，ANSYS比较不平衡载荷矢量与收敛标准。

不平衡载荷矢量表示所施加的热流与内部（计算）热流之间的差值。

ANSYS公司推荐VALUE值由缺省确定，TOLER的值缺省为1.0e-3。

求解结束选项假如在规定平衡迭代数内，其解并不收敛，那么ANSYS程序会根据用户设置的终止选项，来决定程序停止计算或是继续进行下一个载荷步。

线性搜索设置本选项可使ANSYS用Newton-Raphson方法进行线性搜索预测－矫正本选项在每一子步的第一次迭代时，对自由度求解进行预测矫正。

3.5.6.1用图形跟踪收敛进行非线性热分析时，ANSYS在每次平衡迭代完成后，都计算收敛范数，并与相应的收敛标准比较。

不管是使用在批处理还是交互式方式的方法，都可以在计算过程中，使用图形求解跟踪（GST）来显示计算的收敛范数和收敛标准。

在交互式时，缺省为图形求解跟踪（GST）打开，批处理运行时，缺省为GST关闭。

使用下面的方法可以，可打开或关闭GST：命令：/GSTGUI：Main Menu>Solution>Load Step Opts-Output Ctrls>Grph Solu Track下图是一个典型的GST图形。

图3-1使用GST追踪收敛范数3.5.7输出控制可以控制下列三种输出：控制打印输出本选项控制将何种结果数据输出到打印输出文件（jobname.out）中。