知识：瞬态传热分析

一、瞬态传热分析的定义

　　瞬态热分析用于计算一个随时间变化的系统的温度场及其它热参数。在工程上一般用瞬态热分析计算温度场，并将之作为热载荷进行应力分析。

瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似。主要的区别是瞬态热分析中的载荷是随时间变化的。为了表达随时间变化的载荷，首先必须将载荷～时间曲线分为载荷步。载荷～时间曲线中的每一个拐点为一个载荷步，如下图所示。

对于每一个载荷步，必须定义载荷值及时间值，同时必须选择载荷步为渐变或阶越。

二、瞬态热分析中的单元及命令

　　瞬态热分析中使用的单元与稳态热分析相同。要了解每个单元的详细说明，请参阅《ANSYS Element Reference Guide》。要了解每个命令的详细功能，请参阅《ANSYS Command Reference Guide》。

三、ANSYS 瞬态热分析的主要步骤

·      建模

·      加载求解

·      后处理

四、建模

·      确定jobname、title、units, 进入PREP7；

·      定义单元类型并设置选项；

·      如果需要，定义单元实常数；

·      定义材料热性能：一般瞬态热分析要定义导热系数、密度及比热；

·      建立几何模型；

·      对几何模型划分网格。

　　关于建模及划分网格，请参阅《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。

五、加载和求解

1、定义分析类型

·      如果第一次进行分析，或重新进行分析

GUI： Main Menu > Solution > Analysis Type > New Analysis > Transient

命令： ANTYPE,TRANSIENT,NEW

·      如果接着上次的分析继续进行（例如增加其它载荷）

GUI： Main Menu > Solution > Analysis Type > Restart

命令： ANTYPE,TRANSIENT,REST

2、获得瞬态热分析的初始条件

①、定义均匀温度场

　　如果已知模型的起始温度是均匀的，可设定所有节点的初始温度：

命令： TUNIF

GUI：  Main Menu > Solution > Loads > Settings > Uniform Temp

　　如果不在对话框中输入数据，则默认初始温度为参考温度。参考温度的值默认为零，但可通过如下方法设定参考温度：

命令： TREF

GUI：  Main Menu > Solution > Loads > Settings > Reference Temp

    注意：设定整个结构的均匀的初始温度，与如下的设定 (部分) 节点的温度（自由度）不同

命令： D

GUI： Main Menu > Solution > Loads > Apply > Thermal > Temperature > On Nodes

　　初始均匀温度仅对分析的第一个子步有效；而设定节点温度将保持贯穿整个瞬态分析过程，除非通过下列方法删除此约束：

命令： DDELE

GUI： Main Menu > Solution > Loads > Delete > Thermal > Temperature > On Nodes

②、设定非均匀的初始温度

　　在瞬态热分析中，节点的初始温度可以设定为不同的值：

命令： IC

GUI：  Main Menu > Solution > Loads > Apply > Initial Condit'n > Define

　　如果初始温度场是不均匀的且又是未知的，就必须首先作稳态热分析确定初始条件：

·      设定载荷（如已知的温度、热对流等）

·      将时间积分设置为 OFF：

命令：  TIMINT, OFF

GUI： Main Menu > Preprocessor > Loads > Load Step Opts > Time/Frequenc > Time Integration

·      设定一个只有一个子步的，时间很小的载荷步（例如 0.001）：

命令：  TIME

GUI： Main Menu > Preprocessor > Loads > Load Step Opts > Time/Frequenc > Time and Substps

·      写入载荷步文件：

命令： LSWRITE

GUI： Main Menu > Preprocessor > Loads > Write LS File

      或先求解：

命令：　SOLVE

GUI：  Main Menu > Solution > Solve > Current LS

   注意：在第二个载荷步中，要删去所有设定的温度，除非这些节点的温度在瞬态分析与稳态分析相同。

3、设定载荷步选项

(1)、普通选项

  l      时间：本选项设定每一载荷步结束时的时间：

命令： TIME

GUI： Main Menu > Solution > Load Step Opts > Time/Frequenc > Time and Substps

  l     每个载荷步的载荷子步数，或时间增量

　　对于非线性分析，每个载荷步需要多个载荷子步。时间步长的大小关系到计算的精度。步长越小，计算精度越高，同时计算的时间越长。根据线性传导热传递，可以按如下公式估计初始时间步长：

                                 

     其中：δ为沿热流方向热梯度最大处的单元的长度，α为导温系数，它等于导热系数除以密度与比热的乘积 (α= k/ρc）。

命令：  NSUBST or DELTIM

GUI：  Main Menu > Solution > Load Step Opts > Time/Frequenc > Time and Substps

　　如果载荷在这个载荷步是恒定的，需要设为阶越选项；如果载荷值随时间线性变化，则要设定为渐变选项：

命令：  KBC

GUI：  Main Menu > Solution > Load Step Opts > Time/Frequenc > Time and Substps

(2)、非线性选项

  l       迭代次数：每个子步默认的次数为25，这对大多数非线性热分析已经足够。

命令：  NEQIT

GUI：  Main Menu > Solution > Load step opts > Nonlinear > Equilibrium Iter

  l       自动时间步长：本选项为 ON 时，在求解过程中将自动调整时间步长。

命令：  AUTOTS

GUI：  Main Menu > Solution > Load Step Opts > Time/Frequenc > Time and Substps

  l       时间积分效果：如果将此选项设定为 OFF，将进行稳态热分析。

命令：  TIMINT

GUI：  Main Menu > Solution > Load Step Opts > Time/Frequenc > Time Integration

(3)、输出选项

      ·      控制打印输出：本选项可将任何结果数据输出到 *.out  文件中

命令： OUTPR

GUI： Main Menu > Solution > Load Step Opts > Output Ctrls > Solu Printout

      ·      控制结果文件：控制 *.rth 的内容

命令： OUTRES

GUI：  Main Menu > Solution > Load Step Opts > Output Ctrls > DB/Results File

(4)、存盘求解

六、后处理

　　ANSYS 提供两种后处理方式：

        ·      POST1，可以对整个模型在某一载荷步（时间点）的结果进行后处理；

命令： POST1

GUI：  Main Menu > General Postproc.

        ·      POST26，可以对模型中特定点在所有载荷步（整个瞬态过程）的结果进行后处理。

命令： POST26

GUI：  Main Menu >TimeHist Postproc

1、用POST1进行后处理

      ·      进入 POST1 后，可以读出某一时间点的结果：

命令：  SET

GUI：  Main Menu > General Postproc > Read Results > By Time/Freq

　　如果设定的时间点不在任何一个子步的时间点上，ANSYS 会进行线性插值。

      ·      此外还可以读出某一载荷步的结果：

GUI：  Main Menu > General Postproc > Read Results > By Load Step

　　然后就可以采用与稳态热分析类似的方法，对结果进行彩色云图显示、矢量图显示、打印列表等后处理。

2、用 POST26 进行后处理

·      首先要定义变量：

命令：  NSOL 或 ESOL 或 RFORCE

GUI：  Main Menu > TimeHist Postproc > Define Variables

·      然后就可以绘制这些变量随时间变化的曲线：

命令： PLVAR

GUI：  Main Menu > TimeHist Postproc > Graph Variables

或列表输出：

命令：  PRVAR

GUI： Main Menu>TimeHist Postproc>List Variables

　　此外，POST26 还提供许多其它功能，如对变量进行数学操作等，请参阅《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》。

来源：htbbzzg的博客（http://htbbzzg.blog.163.com/blog/static/6972520620101021104245938/）