ANSYS热分析指南

ANSYS热分析指南

第一章简介

1.1热分析的目的

热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，我们一般关心的参数有：

温度的分布

热量的增加或损失 热梯度 热流密度

热分析在许多工程应用中扮演着重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等等。通常在完成热分析后将进行结构应力分析，计算由于热膨胀或收缩而引起的热应力。 1.2ANSYS中的热分析

ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Professional、ANSYS/FLOTRAN四种产品中支持热分析功能。ANSYS热分析基于由能量守恒原理导出的热平衡方程，有关细节，请参阅《ANSYS Theory Reference》。ANSYS使用有限元法计算各节点的温度，并由其导出其它热物理参数。

ANSYS可以处理所有的三种主要热传递方式：热传导、热对流及热辐射。 1.2.1对流

热对流在ANSYS中作为一种面载荷，施加于实体或壳单元的表面。首先需要输入对流换热系数和环境流体温度，ANSYS将计算出通过表面的热流量。如果对流换热系数依赖于温度，可以定义温度表，以及在每一个温度点处的对流换热系数。

1.2.2辐射

ANSYS提供了四种方法来解决非线性的辐射问题： 辐射杆单元（LINK31）

使用含热辐射选项的表面效应单元（SURF151-2D,或SURF152-3D）

在AUX12中，生成辐射矩阵，作为超单元参与热分析 使用Radiosity求解器方法

有关辐射的详细描述请阅读本指南第四章。 1.2.3特殊的问题

除了前面提到的三种热传递方式外，ANSYS热分析还可以解决一些诸如：相变（熔融与凝固）、内部热生成（如焦耳热）等的特殊问题。例如，可使用热质点单元MASS71模拟随温度变化的内部热生成。

1.3热分析的类型

ANSYS支持两种类型的热分析：

1．稳态热分析确定在稳态的条件下的温度分布及其他热特性，稳态条件指热量随时间的变化可以忽略。

2．瞬态热分析则计算在随时间变化的条件下，温度的分布和热特性。

1.4耦合场分析

ANSYS中可与热分析进行耦合的方式有热—结构、热－电磁等。耦合场分析可以使用ANSYS中的矩阵耦合单元，或者在独立的物理环境中使用序惯荷载耦合。有关耦合场分析的详细描述，请参阅《ANSYS Coupled-Field Analysis Guide》。 1.5关于菜单路径和命令语法

在本指南中，您将会看到相关的ANSYS命令及其等效的菜单路径。这些参考的命令仅仅包括命令名，因为并不总是需要指定所有的参数，而且不同的参数组合会有不同的作用。有关ANSYS命令的更多的叙述，请参考《ANSYS Commands Reference》。

菜单路径将近可能完整得列出。对于多数情况，选择菜单就能够完成所需要的功能；但还有一些情况，选择文中所示菜单后会弹出一个菜单或是对话框，由此定义其他的选项来执行一些特定的任务。

第二章 基础知识

2.1符号与单位

项目 长度 时间 质量 温度 力 能量（热量） 功率（热流率） 热流密度 生热速率 导热系数 对流系数 密度 比热 焓 2.2传热学经典理论回顾 热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律。

对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出）：

式中：

—热量

国际单位 m s Kg ℃ N J W W/m W/m3 W/m-℃ W/m-℃ Kg/m3 J/Kg-℃ J/m3 22英制单位 ft s lbm oANSYS代号 HEAT HFLUX HGEN KXX HF DENS C ENTH TEMP F lbf BTU BTU/sec BTU/sec-ft BTU/sec-ft3 BTU/sec-ft-oF BTU/sec-ft-F lbm/ft3 BTU/lbm-oF BTU/ft3 2o2—作功 —系统内能 — 系统动能 — 系统势能

对大多数工程传热问题：通常不考虑做功：

，则

； ；

对于稳态热分析：，即流入的热量等于流出的热量；

对于瞬态热分析：2.3热传递的方式 2.3.1热传导

，即流入流出的热传递速率等于系统内能的变化。

热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引

起的内能的交换。热传导遵循傅立叶定律：，式中为热流密度（W/m2），

为导热系数(W/m-℃)，负号表示热量流向温度降低的方向。

2.3.2热对流

热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量的交换。热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。热对流用牛顿冷却方程来描述：式中为对流换热系数（或称膜传热系数、给热系数、膜系数等）；

为周围流体的温度。

2.3.3热辐射

热辐射指物体发射电磁能，并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程。物体温度越高，单位时间辐射的热量越多。热传导和热对流都需要有传热介质，而热辐射无须任何介质。实质上，在真空中的热辐射效率最高。

在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物体同时辐射并吸收热量。它们之间的净热量传递可以用斯蒂芬—波尔兹曼方程来计算：

中为热流率，为辐射率（黑度），5.67×10-8W/m2.K4，

为辐射面1的面积，

为斯蒂芬－波尔兹曼常数，约为约为为由辐射面1到辐射面2的形状系数，

为，式，

为固体表面的温度，

辐射面1的绝对温度，为辐射面2的绝对温度，由上式可以看出，包含热辐射的热分析

是高度非线性的。

2.4稳态传热

如果系统的净流滤为0，即流入体统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量：

，则系统热稳态。在稳态热分析中，任一节点的温度不随时间变化。稳态热分析的能量平衡方程为（以矩阵形式表示）：

式中：

为传导矩阵，包含热系数、对流系数及辐射和形状系数；

为节点温度向量；

为节点热流率向量，包括热生成；

ANSYS利用模型几何差数、材料热性能参数以及所施加的边界条件，生成2.5瞬态传热

瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。根据能量守恒原理，瞬态热平衡可以表达为（以矩阵形式表示）：

式中：

为传导矩阵，包含热系数、对流系数及辐射和形状系数；

为比热矩阵，考虑系统内能的增加；

为节点温度向量； 为温度对时间的导数； 为节点热流率向量，包括热生成；

2.6线性与非线性

如果有下列情况产生，则为非线性热分析：

材料热性能随温度变化，如K(T)，C(T)等； 边界条件随温度变化，如h(T)等； 含有非线性单元；

考虑辐射传热；

非线性热分析的热平衡方程为：

2.7边界条件和初始条件

ANSYS热分析的边界条件或初始条件可分为七种：温度，热流率、热流密度、对流、辐射、绝热、生热。在本指南中，您将会看到相关的ANSYS命令及其等效的菜单路径。这些参考的命令仅仅包括命令名，因为并不总是需要指定所有的参数，而且，不同的参数的组合会有不同的作用。有关ANSYS命令的更多的叙述，请参考《ANSYS Commands Reference》。 菜单路径将近可能完整得列出， 2.8热分析误差估计

仅用于评估由于网格密度不够带来的误差；

仅适用于SOLID或SHELL的热单元（只有一个温度自由度）； 基于单元边界的热流密度的不连续； 仅对一种材料、线性、稳态热分析有效； 使用自适应网格划分可对误差进行控制。

第三章 稳态热分析

3.1稳态传热的定义

、

及

。

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

单元 PLANE35 PLANE55 PLANE75 PLANE77 PLANE38 单元 SOLID70 SOLID87 SOLID90 单元 维数 形状及特点 自由度 温度（每个节点） 温度（每个节点） 温度（每个节点） 温度（每个节点） 温度（每个节点） 自由度 温度（每个节点） 温度（每个节点） 温度（每个节点） 自由度 温度（每个节点） 自由度 温度（每个节点） 温度（每个节点） 自由度 温度（每个节点） 二维 六节点三角形单元 二维 四节点四边形单元 二维 四节点谐单元 二维 八节点四边形单元 二维 八节点谐单元 维数 形状及特点 表3-2三维实体单元 三维 八节点六面体单元 三维 十节点四面体单元 三维 二十节点六单元 维数 形状及特点 二节点线单元 表3-4传导杆单元 单元 LINK32 LINK33 单元 LINK34 维数 二维 三维 维数 三维 形状及特点 二节点线单元 二节点线单元 形状及特点 二节点线单元 表3-3辐射连接单元

LINK31 二维或三维 表3-5对流连接单元

表3-6壳单元

单元 SHELL57 维数 形状及特点 表3-7耦合场单元

单元 PLANE13 维数 形状及特点 自由度 自由度 温度（每个节点） 三维 四节点四边形单元 二温度、结构位移、电位、磁矢四节点热－应力耦合单元 维 量位 二CONTACT48 三节点热－应力接触单元 温度、结构位移 维 三CONTACT49 热－应力接触单元 维 FLUID116 SOLID5 SOLID98 PLANE67 LINK68 SOLID69 SHELL157 三维 二或四节点热－流单元 温度、结构位移 温度、压力 三八节点热－应力和热－电温度、结构位移、电位、磁标维 单元 量位 三十节点热－应力和热－电温度、结构位移、电位、磁矢维 单元 量位 二四节点热－电单元 维 三维 三维 三维 两节点热－电单元 八节点热－电单元 四节点热－电单元 温度、电位 温度、电位 温度、电位 温度、电位 表3-8特殊单元 单元 MASS71 维数 一维到三维 形状及特点 一个节点的质量单元 温度 四节点控制单元 温度、结构位移、转动、压力 自由度 COMBINE37 一维 SURF151 二维 SURF152 三维 MATRIX50 INFIN9 二到四节点面效应单温度 元 四到九节点面效应单温度 元 由包括在超单元中没有固定形状的矩阵由包括在超单元中的单元类型决定 或辐射矩阵超单元 的单元类型决定 二维 二节点无限边界单元 温度、磁矢量位 四节点无限边界单元 温度、磁矢量位 两节点弹簧－阻尼单温度、结构位移、转元 动、压力 INFIN47 三维 COMBINE14 一维到三维 COMBINE39 一维 COMBINE40 一维 两节点非线性弹簧单温度、结构位移、转元 两节点组合单元 动、压力 温度、结构位移、转动、压力 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：ET

GUI：Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete 定义固定材料属性

命令：MP

GUI：Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models>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MPDATA

GUI：Main Menu>Preprocessor>Material Props> Material Models>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

载荷类型 类别 命令族 GUI 路径 温度 (TEMP) 热流率 (HEAT) 对流 (CONV), 热流密度 (HFLUX) 热生成率 (HGEN) 约Main Menu>Solution>-Loads-Apply> D 束 -Thermal-Temperature 力 F 面Main Menu>Solution>-Loads-Apply> -Thermal-Heat Flow Main Menu>Solution>-Loads-Apply> -Thermal-ConvectionMain 载SF Menu>Solution>-Loads-Apply> -Thermal-Heat 荷 Flux 体Main Menu>Solution>-Loads-Apply> 载BF -Thermal-Heat Generat 荷 表3-10 热荷载相关的命令 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：

载荷实体类型 或有实施体 加 列表显示 删除 运算 设置 限元模型 关实体温度 键DK DKDELE DKLIST DTRAN -- 模型 点 有限\元模型 节点 D DDELE DLIST DSCALE DCUMTUNIF 关热流实体键FK FKDELE FKLIST FTRAN -- 率 模型 点 有限\对流, 实体线 SFL SFLDELE SFLLIST SFTRAN SFGRAD 热流模型 密度 \实体模型 有限元模型 有限\元模型 面 SFA SFADELE SFALIST SFTRAN SFGRAD 节点 元模型 节F FDELE FLIST FSCALE FCUM 点 \SF SFDELE SFLIST SFSCALE SFGRADSFCUM 单SFE SFEDELE SFELIST SFSCALE SFBEAMSFCUMSFFUNSFGRAD 元 关生热实体键BFK BFKDELE BFKLIST BFTRAN -- 率 模型 点 \\\实体线 BFL BFLDELE BFLLIST BFTRAN -- 模型 实体模型 面 BFA BFADELE BFALIST BFTRAN -- 实体体 BFV BFVDELE BFVLIST BFTRAN -- 模型 有限元模型 节BF BFDELE BFLIST BFSCALE BFCUM 点 单元 BFE BFEDELE BFELIST BFSCALE BFCUM \\\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 APDL 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 固定温度 热流 环境温度 (对流) 热流密度 热生成 流率 压力 命令族 D F SF SF BF SFE D TIME, X, Y, Z TIME, X, Y, Z, TEMP TIME, X, Y, Z, TEMP, VELOCITY TIME, X, Y, Z TIME, X, Y, Z, TEMP TIME, X, Y, Z, TEMP TIME TIME, X, Y, Z 自变量 对流换热系数 (对流) SF 流体单元(FLUID116) 边界条件 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（

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

选项 通用选项 时间 时间步数 时间步长 阶跃或斜坡加载 Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time TIME /Frequenc>Time-Time Step Main Menu>Solution> -Load Step Opts-Time NSUBST /Frequenc>Time and Substps Main Menu>Solution> -Load Step Opts-Time DELTIM /Frequenc>Time-Time Step KBC Main Menu>Solution> -Load Step Opts-Time /Frequenc>Time -Time Step 命令 GUI 路径 ）（材料属性DENS）

非线性选项 最大平衡迭代数 自动时间步长 收敛容差 求解中断选项 线性搜索选项 预测－矫正因子 NEQIT Main Menu>Solution> -Load Step Opts -Nonlinear>Equilibrium Iter Main Menu>Solution> -Load Step Opts-Time AUTOTS /Frequenc>Time-Time Step Main Menu>Solution> -Load Step Opts CNVTOL -Nonlinear>Convergence Crit NCNV Main Menu>Solution> -Load Step Opts -Nonlinear>Criteria to Stop Main Menu>Solution> -Load Step Opts LNSRCH -Nonlinear>Line Search PRED Main Menu>Solution> -Load Step Opts -Nonlinear>Predictor Main Menu>Solution> -Load Step Opts-Output Ctrls>Solu Printout 输出控制选项 打印输出 OUTPR 数据库和结Main Menu>Solution> -Load Step Opts-Output OUTRES 果文件输出 Ctrls>DB/Results File 结果外插 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。

ERESX Main Menu>Solution> -Load Step Opts-Output Ctrls>Integration Pt 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：/GST

GUI：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。 控制数据库和结果文件输出

该选项控制将何种结果数据输出到结果文件（jobname.rth）中。 外推结果

该选项可将单元积分点结果拷贝到节点上，而不是按常规的方式外推到节点上（缺省采用外推方式）。

3.5.8定义分析选项

可考虑的分析选项有：

Newton-Raphson选项。该选项仅对非线性分析有用，用以定义在求解过程中切线矩阵的更新频率，有四种选择：

1．Program-chosen （程序选择，此为默认值，在热分析中建议采用） 2．Full（完全法）

3．Modified（修正法）

4．Initial Stiffness（初适刚度法）

注意--对于单物理场非线性热分析，ANSYS通常采用全N-R算法。

要定义该选项，或打开/关闭N-R自适应下降功能（只对全N-R法有效），方发如下： 命令：NROPT

GUI：Main Menu>Solution>Unabridged Menu>Analysis Options 选择求解器

ANSYS中可以选择下列的求解器：

1．Sparse 求解器（静态和全瞬态分析的默认求解器） 2．Frontal求解器

3．Jacobi Conjugate Gradient(JCG) 求解器 4．JCG out-of-memory求解器

5．Incomplete Cholesky Conjugate Gradient(ICCG) 求解器 6．Pre-Conditioned Conjugate Gradient (PCG) 求解器 7．PCG out-of-memory求解器

8．Algebraic Multigrid (AMG) 求解器

9．Distributed Domain Solver (DDS) 求解器

10．Iterative（程序自动选择求解器） 注意--AMG和DDS求解器属并行求解器，需要单独的ANSYS产品支持。在《ANSYS Advanced Analysis Techniques Guide》中对并行求解有更详细描述。选择求解器的方法如下： 命令：EQSLV

GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options

注意：对于不含超单元（辐射分析中用AUX12可产生超单元）的热分析模型，可选用Iterative（快速求解）求解器，但对于含相变的传热问题，则不建议采用（可用sparse或frontal求解器）。该求解器在解算过程中不生成Jobname.EMAT和Jobname.EROT文件。

定义温度偏移 温度偏移为当前所采用温度系统的零度与绝对零度之间的差值。温度偏移包含在相关单元（诸如有辐射效应或蠕变特性的的单元）计算中。偏移温度输入可以是摄氏度，也可以是华氏度，在进行热辐射分析时，要将目前的温度值换算为绝对温度。如果使用的温度单位是摄氏度，此值应设定为273；如果使用的是华氏度，则为460。在后处理中，不同的温度可以用同样的方法进行处理。设置温度偏移的方式如下：

命令：TOFFST

GUI：Main Menu>Solution>Analysis Options 3.5.9保存模型

在完成了加载和指定分析类型后，通常建议保存数据库文件，以备在求解过程中由于计算机系统故障而导致数据丢失后能够恢复数据。

命令: SAVE

GUI: 点击ANSYS工具条SAVE_DB 3.5.10求解

命令: SOLVE

GUI: Main Menu>Solution>Current LS 3.5.11后处理

ANSYS将热分析的结果写入热结果文件jobname.rth中，该文件包含如下数据: 基本数据：节点温度 导出数据：

节点及单元的热流密度(TFX, TFY, TFZ, TFSUM) 节点及单元的热梯度(TGX, TGY, TGZ, TGSUM) 单元热流率

节点的反作用热流率 其它

可以用通用后处理器POST1进行后处理，下面将讲述在热分析中典型的后处理功能。关于后处理的完整描述，可参阅《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》。

注意：在通用后处理器中查看结果时，数据库必须与结果有相同的模型（可以使用命令RESUME恢复模型）。此外，结果文件jobname.rth必须可用。 3.5.12 读入结果

进入POST1后，首先应读入想要看的载荷步和子步的计算结果：

命令: SET

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

可通过编号选择要读入的载荷步，可以直接读入第一载荷步、或最后载荷步、或下一载荷步等。如果是使用GUI，将会出现一个对话框提示选择要读入的荷载步。用SET命令的TIME域可读入指定时刻的计算结果，如在指定时刻无计算结果，则程序根据附近时间点的值线性插值计算得到此时刻的结果。 3.5.13 查看结果

图3-2

结果显示云图

彩色云图显示

命令：PLESOL，PLETAB或PLNSOL

GUI：Main Menu>General Postproc>Plot Results>Element Solu Main Menu>General Postproc>Plot Results>Elem Table Main Menu>General Postproc>Plot Results>Nodal Solu 矢量图显示 命令：PLVECT

GUI：Main Menu>General Postproc>Plot Results>Pre-defined or Userdefined

图3-2矢量结果显示

列表显示

命令：PRESOL，PRNSOL，PRRSOL

GUI：Main Menu>General Postproc>List Results>Element Solution Main Menu>General Postproc>List Results>Nodal Solution Main Menu>General Postproc>List Results>Reaction Solu

3.6稳态热分析的实例1－带接管的圆筒罐

本例讲述了如何逐步对一个带接管的圆筒罐进行稳态热分析，包括批处理的方式和GUI的方式。

3.6.1 问题描述

本例题的主要部分为一个圆筒形罐，其上沿径向有一材料一样的接管（如图4所所示），罐内流动着450°F（232°C）的高温流体，接管内流动着100°F（38 °C）的低温流体，两个流体区域由薄壁管隔离。罐的对流换热系数为250Btu/hr-ft-F

（1420watts/m-°K），接管的对流换热系数随管壁温度而变，它的热物理性能如表3-13所示。要求计算罐与接管的温度分布。

注意：注意：本例只是很多可能的热分析中的一个，并不是所有的热分析都完全按照与本例相同的步骤。材料属性及其周围的环境条件决定了一个分析应该包括哪些步骤。

表3-13实例的材料属性

温度 密度 导热系数 比热 对流换热系数 70 200 300 400 500 o2

2

o

F 3o0.285 0.285 0.285 0.285 0.285 lb/in 8.35 8.90 9.35 9.8 426 405 352 275 10.23 Btu/hr-ft-F o0.113 0.117 0.119 0.122 0.125 Btu/lb-F 221 Btu/hr-ft2-oF 图3-3圆柱罐与接管的相接模型（所有单位均为英制）

3.6.2 分析方法

取四分之一对称模型进行分析。假定罐体足够长，使其端部温度能保持常数华氏450度。同样的假设也用于Y=0的平面上。建模时，先定义两个圆柱体，再进行“overlap”布尔运算。采用映射网格划分（全六面体网格），分网时可能会出现警告信息说有扭曲单元存在，但可以不理会该警告，因为所产生的扭曲单元远离所关心的区域（两个柱体相交处）。

由于材料性质与温度相关，该分析需要多个子载荷步（本例用了50个子载荷步），同时，采用了自动时间步长功能。求解完毕后，温度云图和热流密度向量图详细显示了计算结果。

3.6.3 菜单操作过程 3.6.3.1设置分析标题

1、选择“Utility Menu>File>Change Title”。

2、输入“Steady-State analysis of pipe junction”，点击“OK”。 3.6.3.2设置单位制

在命令提示行输入/UNITS,BIN（该命令无法通过菜单完成）。 3.6.3.3定义单元类型

1、选择“Main Menu>Preprocesor>Element Type>Add/Edit/Delete”。 2、点击Add,打开单元类型库对话框。

3、选择Thermal Solid，Brick 20 node 90号单元，点击OK和Close关闭单元选择菜单。

3.6.3.4定义材料属性

1、选择“Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models” 在弹出的材料定义窗口中顺序双击Thermal选项。

2、点击Density，弹出一个对话框，在DENS框中输入0.285，材料编号1出现在材料定义窗口的左边。

3、在材料定义窗口中顺序双击Conductivity，Isotropic，弹出一个对话框。 4、点击Add Temperature 按钮四次，增加四列。 5、在T1到T5域，分别输入温度值： 70，200，300，400，500，选择温度行，用Ctrl-C拷贝温度值。

6、在KXX框中，按温度的顺序，序列输入下列值（注意，各KXX值都要除以12，以保证单位制一致）： 8.35/12,8.9/12,9.35/12,9.8/12,10.23/12。

7、在材料定义窗口中双击Specific Heat，弹出一个对话框

8、点击Add Temperature 按钮四次，增加四列 9、将鼠标置于T1域，用Ctrl-v粘贴5个温度值

10、在C框中，按温度的顺序，序列输入下列值0.113，0.117，0.119，0.122，0.125 11、在材料定义窗口中选择Material>New Model，建立新材料号2 12、在材料定义窗口，双击Convection 或 Film Coef 13、点击Add Temperature 按钮四次，增加四列 14、将鼠标置于T1域，用Ctrl-v粘贴5个温度值

15、在HF（对流换热系数）框中，按温度的顺序，序列输入下列值（注意，各HF值都要除以1144，以保证单位制一致）426/144，405/144，352/144，275/144， 221/144；

16、点击Graph按钮，查看对流换热系数与温度的关系曲线，然后点击OK 17、在材料定义窗口中选择Material>Exit退出材料定义窗口 18、在工具栏点击SAVE_DB保存数据库。 3.6.3.5定义几何模型参数

选择“Utility Menu>Parameters>Scalar Parameters”，输入ri1=1.3，ro1=1.5，z1=2，ri2=0.4，ro2=0.5，z2=2；然后点击Close。 3.6.3.6创建几何模型

1、选择“Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Volumes->Cylinder>By Dimensions”,在弹出菜单的Outer radius框中输入ro1，Optional inner radium框中输入ri1，Z coordinates框中输入0和Z1，Ending angle框中输入90。

2、选择“Utility Menu>WorkPlane>Offset WP by Increments”，在“XY,YZ,ZXAngles”框中输入0,-90。

3、选择“Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Volumes->Cylinder>By Dimensions”，Outer radius框中输入ro2 ， Optional inner radium框中输入ri2，Z coordinates框中输入0和Z2，Starting angle框中输入-90，Ending angle框中输入0。

4、选择“Utility Menu>WorkPlane>Align WP with>Global Cartesian”。 3.6.3.7进行布尔运算

选择“Main

Menu>Preprocessor>-Modeling->Operate>-Booleans->Overlap>Volumes”，选择Pick All。 3.6.3.8观察几何模型

1、选择“Utility Menu>PlotCtrls>Numbering”，将volumes设置为ON。

2、选择“Utility Menu>PlotCtrls>View Direction”，在“Coords of view point”框中输入-3,-1,1。

3、在工具栏点击SAVE_DB保存数据库。 3.6.3.9删除多余实体

选择“Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Delete>Volume and Below”，拾取第三，四号体，或在命令输入行输入3,4回车。 3.6.3.10创建组件AREMOTE

本步将选择圆罐的Y,Z端面，并将它们定义为一个组件AREMOTE。

1、选择“Utility Menu>Select>Entities”，打开选择实体对话框。 2、在对话框中自上而下依次选择：Area，By location，Z Coordinates，在“Min， Max”框中输入Z1，选择From Full，点击APPLY。

3、接下来选择Y Coordinates，在“Min， Max”框中输入0，选择Also Select，点击OK。

4、选择“Utility Menu>Select>Comp/Assembly>Create Component”，在“Component name”框中输入AREMOTE，在“Components is made of”菜单中选择AREA 3.6.3.11将线叠加在面上显示

1、选择“Utility Menu>PlotCtrls>Numbering”，打开Area和Line的编号

2、选择“Utility Menu>Plot>Areas”

3、选择“Utility Menu>PlotCtrls>Erase Options”，将Erase between Plots按钮设置成Off

4、选择“Utility Menu>Plot>Lines”

5、选择“Utility Menu>PlotCtrls>Erase Options”，将Erase between Plots按钮设置成On

3.6.3.12连接面及线

为划分映射式网格，连接端部的面和线。 1、选择“Main Menu>Preprocessor>-Meshing->-Concatenate-Area”，选择Pick all。

2、选择“Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Mesh>-Concatenate->Lines”，拾取12和7号线（或在命令行中输入12,7并回车），点击APPLY；拾取10和5号线（或在命令行中输入10,5并回车），点击OK。 3.6.3.13设定网格密度

1、选择“Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Size Cntrls>Picked Lines”，选择线6和20，点击OK，在No. of element divisions框中输入4，点击OK。

2、选择“Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Size Cntrls>Picked Lines”，选择线40，点击OK，在No. of element divisions框中输入6，点击OK。

3、选择“Utility Menu>Select>Everything”。

4、选择“Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Size Cntrls>-Global->Size”，在element edge length框中输入0.4，点击OK。 3.6.3.14划分网格

1、选择“Main Menu>Preprocessor>-MeshTool”，弹出“MeshTool”对话框，用选择Hex，Mapped。

2、点击Mesh，选择Pick All。ANSYS对实体划分网格后，将会弹出一个对话框显示对单元形状的警告，点击Close将其关闭。

3、选择“Utility Menu>PlotCtrls>Numbering”，将Line, Area, and Volume的按钮设置为Off，点击OK。

4、在工具栏点击SAVE_DB保存数据库。 3.6.3.15定义求解类型及选项

1、选择“Main Menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis”，点击OK以选择缺省设置（Steady-State）。

2、选择“Main Menu>Solution>-Analysis Options”，点击OK以接受Newton- Raphson option的缺省设置（Program-chosen）。 3.6.3.16设定均一的起始温度

选择“Main Menu>Solution>- Loads-Apply> -Thermal- Temperature> Uniform Temp”，在弹出窗口的Uniform temperature框中输入450。

3.6.3.17施加对流载荷

1、选择“Utility Menu>WorkPlane>Change Active CS to>Global Cylindrical”。 2、选择“Utility Menu>Select>Entities”，在对话框中自上而下依次选择：Nodes， By

location， X，在“Min， Max”框中输入ri1，选择From Full，点击OK。 3、选择“Main Menu>Solution>- Loads-Apply> -Thermal-Convection>On Nodes”，选择Pick All，在“Film coefficient”和“Bulk temperature”框中分别输入250/144及450，点击OK。

3.6.3.18在AREMOTE组件上施加温度约束

1、选择“Utility Menu>Select>Comp/Assembly>Select Comp/Assembly”，点击OK以选中AREMOTE（当前只有一个组件）。

2、选择“Utility Menu>Select>Entities”，在对话框中自上而下依次选择：Nodes，Attached to，Area，All，选择From Full，点击OK。

3、选择“Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Temperature>On Nodes”，选择Pick all，在Load TEMP value框中输入450，点击OK。 3.6.3.19施加与温度有关的对流边界条件

在接管的内表面施加随温度变化的对流边界条件。

1、选择“Utility Menu>WorkPlane>Offset WP by Increments”，在“XY,YZ,ZX Angles”框中输入0,-90,点击OK。

2、选择“Utility Menu>WorkPlane>Local Coordinate Systems>Create Local CS> At WP Origin”，在Type of coordinate system菜单中，选择Cylindrical 1，点击OK。

3、选择“Utility Menu>Select Entities”，在对话框中自上而下依次选择：Nodes， By location， X，在Min， Max框中输入ri2，选择From Full，点击OK。

4、选择“Main Menu>Solution>- Loads-Apply> -Thermal-Convection>On Nodes”，选择Pick All，在Film coefficient框中输入-2，在Bulk temperature框中输入100，点击OK。

5、选择“Utility Menu>Select>Everything”。

6、选择“Utility Menu>PlotCtrls>Symbols”，在Show pres and convect as菜单中选择Arrow，点击OK。

5、选择“Utility Menu>Plot>Nodes”。 3.6.3.20恢复工作平面及坐标系统

1、选择“Utility Menu>WorkPlane>Change Active CS to>Global Cartesian”。 2、选择“Utility Menu>WorkPlane>Align WP with>Global Cartesian”。

3.6.3.21设定载荷步选项

要为分析定义50个子步，选择“Main Menu>Solution>-Load Step

Options->Time/Frequenc>Time and Substeps”，在Number of substeps框中输入50，设置Automatic time stepping为On。

在工具栏点击SAVE_DB保存数据库。

3.6.3.22求解

选择“Main Menu>Solution>-Solve->Current LS”，查看分析选项是否正确，关闭/STAT窗口，点击OK。

3.6.3.23观察节点温度结果

1、选择“Utility Menu>PlotCtrls>Style>Edge Options”，设置“Element outlines”框为Edge only，点击OK。

2、选择“Main Menu>General Postproc>Plot Results>-Contour Plot-Nodal Solu”，在弹出菜单的Item to be contoured项选择左边的DOF solution，右边的Temperature TEMP，点击OK。

3.6.3.24绘制热流矢量图

1、选择“Utility Menu>WorkPlane>Change Active CS to>Specified Coord Sys”，设置Coordinate system number为11，点击OK。

2、选择“Utility Menu>Select>Entities”，在对话框中自上而下依次选择：Nodes，By Location，X Coordinates，在“Min,Max”域输入ro2,点击Apply；选择Elements，Attached To，点击Apply；选择Nodes，Attached To，点击OK；

2、选择“Main Menu>General Postproc>Plot Results>-Vector Plot-Predefined”，在Vector item to be plotted域选择左边的Flux & gradient，右边的Thermal flux TF，点击OK。

3.6.3.25退出ANSYS

点击工具栏中的QUIT，选择一种退出方式并点击OK。 3.6.2 等效的命令流方法

/PREP7

/TITLE,Steady-state thermal analysis of pipe junction

/UNITS,BIN! 使用英制单位

ET,1,90! 定义热单元 MP,DENS,1,.285! 密度

MPTEMP,,70,200,300,400,500! 建立温度表

MPDATA,KXX,1,,8.35/12,8.90/12,9.35/12,9.80/12,10.23/12! 导热系数 MPDATA,C,1,,.113,.117,.119,.122,.125! 比热

MPDATA,HF,2,,426/144,405/144,352/144,275/144,221/144! 接管对流系数 ! 定义几何模型参数 RI1=1.3! 罐内半径 RO1=1.5! 罐外半径 Z1=2! 罐长

RI2=.4! 接管内半径 RO2=.5! 接管外半径 Z2=2! 接管长

!建立几何模型

CYLIND,RI1,RO1,,Z1,,90! 1/4罐体

WPROTA,0,-90! 将工作平面旋转到垂直于接管轴线 CYLIND,RI2,RO2,,Z2,-90! 1/4接管

WPSTYL,DEFA! 将工作平面恢复到默认状态 VOVLAP,1,2! 进行OVERLAP布尔操作 /PNUM,VOLU,1! 打开实体编号

/VIEW,,-3,-1,1! 定义显示角度 /TYPE,,4

/TITLE,Volumes used in building pipe/tank junction VPLOT

VDELE,3,4,,1! 删除多余实体 ! 划分网格

ASEL,,LOC,Z,Z1! 选择罐上Z=Z1的面 ASEL,A,LOC,Y,0! 添加选择罐上Y=0的面 CM,AREMOTE,AREA! 创建名为AREMOTE的面组 /PNUM,AREA,1 /PNUM,LINE,1

/TITLE,Lines showing the portion being modeled APLOT /NOERASE LPLOT /ERASE

ACCAT,ALL! 组合罐远端的面及线，为划分映射网格作准备 LCCAT,12,7

LCCAT,10,5

LESIZE,20,,,4! 在接管壁厚方向分4等分 LESIZE,40,,,6! 在接管长度方向分6等分 LESIZE,6,,,4! 在罐壁厚方向分4等分 ALLSEL! 选择EVERYTHING

ESIZE,.4! 设定默认的单元大小 MSHAPE,0,3D! 选择3D映射网格 MSHKEY,1

SAVE! 保存数据文件

VMESH,ALL! 划分网格，产生节点与单元 /PNUM,DEFA

/TITLE,Elements in portion being modeled EPLOT! 显示单元 FINISH ! 加载求解 /SOLU

ANTYPE,STATIC! 定义为稳态分析

NROPT,AUTO! 设置求解选项为Program-chosen Newton-Raphson TUNIF,450! 设定初始所有节点温度 CSYS,1! 变为柱坐标

NSEL,S,LOC,X,RI1! 选择罐内表面的节点 SF,ALL,CONV,250/144,450! 定义对流边界条件 CMSEL,,AREMOTE! 选择AREMOTE面组 NSLA,,1! 选择属于AREMOTE面组的节点

D,ALL,TEMP,450! 定义节点温度

WPROTA,0,-90! 将工作平面旋转到垂直于接管轴线

CSWPLA,11,1! 创建局部柱坐标

NSEL,S,LOC,X,RI2! 选择接管内壁的节点

SF,ALL,CONV,-2,100! 施加材料2中定义的对流系数，流体温度为100 ALLSEL

/PBC,TEMP,,1! 显示所有温度约束 /PSF,CONV,,2! 显示所有对流边界 /TITLE,Boundary conditions NPLOT

WPSTYL,DEFA

CSYS,0

AUTOTS,ON! 打开自动步长 NSUBST,50! 设定子步数量 KBC,0! 设定为阶越

OUTPR,NSOL,LAST! 设置输出 SOLVE! 进行求解 FINISH ! 进入后处理 /POST1

/EDGE,,1

/TITLE,Temperature contours at pipe/tank junction PLNSOL,TEMP! 显示温度云图 CSYS,11

NSEL,,LOC,X,RO2

ESLN

NSLE

/SHOW,,,1! Vector mode

/TITLE,Thermal flux vectors at pipe/tank junction PLVECT,TF! 绘制热流矢量图 FINISH /EXIT,ALL

3.7稳态热分析的实例2－利用表格边界条件进行热分析

本例讲述了如何使用一维的表格施加荷载进行热分析。

问题：静态的热传导问题，1×2的矩形，其一边有固定温度，其余各变为传热边，对流系数是X轴向的函数。 3.7.1 菜单操作过程

3.7.1.1定义函数表

1、选择“Utility Menu>Parameters>Array Parameters>Define/Edit>Add”，添加表格。

2、输入参数名称“cvtab”。

3、在参数类型中选择“Table”；对应I，J，K输入5，1，1；输入X作为变量,点击OK。

4、选择EDIT，编辑参数表。 5、在表编辑界面中，第1列为变量值，跳过第1列第1排，在第1列第2～6排中输入0.0,0.5,1.0,1.5,2.0；同样在第2列第2～6排输入20，30，50，80，120。

6、选择“File>Apply/Quit”，退出。 3.7.1.2定义单元类型和材料属性

1、选择“Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete”，点击Add。 2、选择选择单元类型：左边选Thermal Solid，右边选Quad 4node 55，点击OK，Close关闭单元类型窗口。

3、选择“Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models”，打开材料定义窗口。

4、在材料定义窗口顺序双击Thermal, Density，在DENS域输入10.0，点击OK。 5、双击Conductivity, Isotropic，在KXX域输入1.0，点击OK。

6、在材料定义窗口双击Specific Heat，在C域输入100.0，OK。 7、退出：Material>Exit。

3.7.1.3建模并划分网格

1、选择“Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Areas-Rectangle>By Dimensions”。

2、输入模型参数：X1，X2域输入0，2；Y1，Y2域输入0，1，点击OK。

3、选择“Main Menu>Preprocessor>MeshTool”。

4、在Mesh Tool菜单的Size Controls区点击Globl下的Set按钮，将弹出菜单的Element endge length值为0.5；点击OK。

5、在Mesh Tool菜单的Mesh区，选择Areas和Map并确认选择了Quad和3/4 sided，点击MESH按钮，在弹出菜单中点击Pick All。

6、关闭Mesh Tool菜单并在工具栏点击SAVE_DB保存数据库。 3.7.1.4应用表格边界条件

1、选择“Utility Menu>Plot>Lines”。

2、选择“Main Menu>Solution>- Loads-Apply> -Thermal-Temperature>On Lines”，在图形中选择X=0位置的垂直线（左边线）；点击OK。

3、在出现的对话窗中输入TEMP值100；点击OK。

4、选择“Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Convection>On Lines”，在图形中选择除X=0位置的边线外的3条边线；点击OK。

5、在出现窗口的下拉菜单Apply Film Coef on lines中选择Existing table，删除VALI中的其它值，在VAL2I Bulk temperature中输入20，点击OK。

6、确认Existing table选择窗口中显示的是CNVTAB，点击OK图形上将显示指向变化边界的指示。

7、选择“Main Menu>Solution>- Loads-Apply> -Thermal-Temperature>Uniform Temp”，输入uniform temperature：50，点击OK。 3.7.1.5显示所施加的载荷

1、选择“Main Menu>PlotCtrls>Symbols”，在Surface Load Symbols下拉选项中选择Convect FilmCoef，在Show pres and convect as下拉选项中选择Arrows，点击OK。

2、选择“Menu>PlotCtrls>Numbering”，将Table Names设置为on，点击OK。 3、在工具栏点击SAVE_DB保存数据库。

3.7.1.6设置分析选项并求解

1、选择“Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis”，设定分析类型Steady-State。

2、选择“Main Menu>Solution>- Load Step Opts-Time/Frequenc> Time and Substps”，在Time at end of load step域输入60，在Number of substeps域输入1，选择Stepped，点击OK。

3、选择“Main Menu>Solution>- Load Step Opts-Output Ctrls>DB/Results File”，在Item to be controlled中选择All items；在File write frequency中选择Every substep。

4、选择“Main Menu>Solution>-Solve->Current LS”，查看分析选项是否正确，关闭/STAT窗口，点击OK。 3.7.1.7后处理

1、选择“Main Menu>General Postproc>-Read Results-Last Set”，读入结果数据。 2、选择“Utility Menu>List>Loads>Surface Loads>On All Nodes”，显示表面节点载荷。

3、选择“Main Menu>General Postproc>Plot Results>-Contour Plot-Nodal Solu”，选择弹出窗口左边的DOF Solution，右边的Temperature，并点击OK以显示节点温度等值线。

3.7.1.8退出ANSYS

点击工具栏中的QUIT，选择一种退出方式并点击OK。 3.7.2 等效的命令流方法

/batch,list

/show

/title, Demonstration of position-varying film coefficient using Tabular BC\

/com

/com * ------------------------------------------------------------------ /com * Table Support of boundary conditions /com *

/com * Boundary Condition TypePrimary VariablesIndependent Parameters /com * -------------------------------------------------------------- /com * Convection:Film CoefficientX- /com *

/com * Problem description

/com *

/com * A static Heat Transfer problem. A 2 x 1 rectangular plate is /com * subjected to temperature constraint at one of its end, while the /com * remaining perimeter of the plate is subjected to a convection boundary /com * condition. The film coefficient is a function of X-position and is described

/com * by a parametric table \/com **

*dim,cnvtab,table,5,,,x! 定义表格

cnvtab(1,0) = 0.0,0.50,1.0,1.50,2.0! 自变量名 Var1 = \cnvtab(1,1) = 20.0,30.0,50.0,80.0,120.0 /prep7 esize,0.5 et,1,55 rect,0,2,0,1 amesh,1 MP,KXX,,1.0 MP,DENS,,10.0 MP,C,,100.0 lsel,s,loc,x,0 dl,all,,temp,100 alls

lsel,u,loc,x,0 nsll,s,1

sf,all,conv,%cnvtab%,20

alls

/psf,conv,hcoef,2! 显示对流边界条件 /pnum,tabn,on! 显示表格 nplot fini /solu anty,static kbc,1 nsubst,1 time,60 tunif,50 outres,all,all solve finish

/post1

set,last

sflist,all! 列出对流边界条件 /pnum,tabn,off! 关闭表格名显示 /psf,conv,hcoef,2

/pnum,sval,1! 显示表格边界条件的数值 eplot! convection at t=60 sec. plns,temp fini

3.8《ANSYS Verification Manual》中与热分析相关的实例

《ANSYS Verification Manual》中包含了很多热分析的实例，尽管这些实例并没有逐步的指导和所明，但也通过其中的命令及注释来学习热分析中可能会遇到的各种问题。下面列出了校验手册中与热分析相关的实例：

VM3- Thermal Loaded Support Structure VM23- Thermal-structural Contact of Two Bodies VM27- Thermal Expansion to Close a Gap VM32- Thermal Stresses in a Long Cylinder VM58- Centerline Temperature of a Heat Generating Wire VM64- Thermal Expansion to Close a Gap at a Rigid Surface VM92- Insulated Wall Temperature VM93- Temperature-dependent Conductivity VM94 - Heat-generating Plate VM95 - Heat Transfer From a Cooling Spine VM96 - Temperature Distribution in a Short Solid Cylinder VM97 - Temperature Distribution Along a Straight Fin VM98 - Temperature Distribution Along a Tapered Fin VM99 - Temperature Distribution in a Trapezoidal Fin VM100 - Heat Conductivity Across a Chimney Section VM101 - Temperature Distribution in a Short Solid Cylinder VM102 - Cylinder with Temperature Dependent Conductivity VM103 - Thin Plate with a Central Heat Source VM104 - Liquid-solid Phase Change VM105 - Heat-generation Coil with Temperature Dependent Conductivity VM106 - Radiant Energy Emission VM107 - Thermocouple Radiation VM108 - Temperature Gradient Across a Solid Cylinder VM109 - Temperature Response of a Suddenly-cooled Wire VM110 - Transient Temperature Distribution in a Slab VM111 - Cooling of a Spherical Body VM112 - Cooling of a Spherical Body VM113 - Transient Temperature Distribution in an Orthotropic Metal Bar VM114 - Temperature Response to a Linearly Rising Surface Temperature VM115 - Thermal Response of a Heat-generating Slab VM116 - Heat-conducting Plate with Sudden Cooling VM118 - Centerline Temperature of a Heat Generating Wire VM119 - Centerline Temperature of an Electrical Wire VM121 - Laminar Flow through a Pipe with Uniform Heat Flux VM122 - Pressure Drop in a Turbulent Flowing Fluid VM123 - Laminar Flow in a Piping System VM124 - Discharge of Water from a Reservoir VM125 - Radiation Heat Transfer Between Concentric Cylinders VM126 - Heat Transferred to a Flowing Fluid VM147 - Gray-body Radiation Within a Frustrum of a Cone VM159 - Temperature Controlled Heater VM160 - Solid Cylinder with Harmonic Temperature Load VM161 - Heat Flow from an Insulated Pipe VM162 - Cooling of a Circular Fin of Rectangular Profile VM164 - Drying of a Thick Wooden Slab VM192 - Cooling of a Billet by Radiation VM193 - Adaptive Analysis of Two-dimensional Heat Transfer with Convection 第四章瞬态热分析

4.1瞬态传热的定义

ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical，ANSYS/FLOTRAN和ANSYS/Professional这些产品支持瞬态热分析。瞬态热分析用于计算一个系统的随时间变化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。许多传热应用—热处理问题，喷管，引擎堵塞，管路系统，压力容器等，都包含瞬态热分析。

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，可使用提供的函数工具描述载荷～时间曲线并将该函数作为载荷施加（请参考《ANSYS Basic Porcedures Guide》中的“施加函数边界条件载荷”），或将载荷～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:

图4-1 用荷载步定义时变荷载

对于每一个载荷步，必须定义载荷值及时间值，同时还需定义其它载荷步选项，如：载荷步为渐变或阶跃、自动时间步长等，定义完一个载荷步的所有信息后，将其写为载荷步文件，最后利用载荷步文件统一求解。本章对一个铸件的分析的实例对此有进一步说明。 4.2瞬态热分析中使用的单元和命令

瞬态热分析中使用的单元与稳态热分析相同，第三章对单元有简单的描述。要了解每个单元的详细说明，请参阅《ANSYS Element Reference》。要了解每个命令的详细功能，请参阅《ANSYS Commands Reference》。 4.3瞬态热分析的过程

瞬态热分析的过程为： 建模

施加荷载并求解

在后处理中查看结果

以下的内容将讲述瞬态分析的基本步骤，由于并不是每个瞬态分析的过程都一致，因此本书先对整个过程进行了一般的讲解，再进行实例的分析。

4.4建模

建立一个模型首先应为分析指定jobname和title。如果是运行的是GUI，可以在Main Menu>Preferences中对菜单进行过滤。然后进入前处理器（PREP7）完成以下工作：

定义单元类型

定义需要的单元实常数

定义材料属性 建立几何实体

划分网格

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

4.5施加荷载和求解

在瞬态分析中，施加荷载的第一步是定义分析类型，然后为分析建立初始条件。 4.5.1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>Analysis Type>New Analysis>Transient

如果是一个新的分析，执行命令：ANTYPE,TRANSIENT,NEW 如果是重新启动以前的分析，比如，附加一个荷载。执行命令：ANTYPE,TRANSIENT,REST。（条件是先前分析的jobname.ESAV、jobname.DB等文件是可以利用的） 4.5.2为分析建立初始条件

瞬态热分析的初始条件来自于对应的一个稳态计算结果，或者直接为所有节点设定初始温度。

4.5.2.1设置均匀的初始温度

如果已知模型起始时的环境温度，可用下面的方法来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，则默认为参考温度，参考温度的值默认为零，可以如下设定参考温度：

命令：TREF

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

注意：设定均匀的初始温度，与下面的设定节点温度（自由度）不同。 命令：D

GUI:Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->On Nodes 初始均匀温度仅对分析的第一个子步有效；而设定节点温度将使节点温度在整个瞬态分析过程等于指定值，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 4.5.2.1设置非均匀的初始温度

在瞬态热分析（不是稳态热分析）中，可以指定一个和一组初始温度不均匀的节点，方法如下：

命令：IC

GUI: Main Menu> Solution>Loads>Apply>-Initial Condit\还可以对某些节点设定非均匀的初始温度，同时再设定其它节点的初始温度为均匀初始温度。要做到这点，只需要在为选择的节点定义不均匀温度之前，先定义均匀的温度就行了。

用以下命令可显示具有非均匀初始温度的节点：

命令：ICLIST

GUI: Main Menu> Preprocessor>Loads>Apply>Initial Condit\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，步骤如下：指定相应的稳态分析荷载，如：温度约束，对流换热等。

关闭瞬态效应

命令：TIMINT,OFF,THERRM

GUI： Main Menu>Preprocessor>Load>Time/Frequenc>Time-Time Integration 定义通常较小的一个时间值（如：1E-6秒） 命令：TIME

GUI： Main Menu>Preprocessor>Load>Time/Frequenc>Time-Time Step 定义斜坡或阶越荷载，如果使用斜坡荷载，则就必须考虑相应的时间内产生的温度梯度效应。

命令：KBC

GUI： Main Menu>Preprocessor>Load>Time/Frequenc>Time-Time Step 写荷载步文件 命令：LSWRITE

GUI： Main Menu>Preprocessor>Load>Write LS File 对于第二个载荷步，要记住删除所有固定温度边界条件，除非能够判断那些节点上的温度确实在整个瞬态分析过程中都保持不变。同时，记住执行TIMINT,ON, THERM命令以打开

瞬态效应。更多的细节，请见《ANSYS Commands Reference》中对D、DDELE、LSWRITE、SF、TIME和TIMINT等命令的详细描述。 4.5.3设置荷载步选项

对热分析可以设置通用选项，非线性选项和输入控制。 4.5.3.1设置时间步的策略

对于瞬态热分析，既可以用多个载荷步完成（对于阶跃或渐变边界条件），也可以只用一个载荷步、采用表格边界条件（对于随时间任意变化在边界条件）并由一个数组参数定义时间点。表格边界条件方式仅适用于仅传热单元、热电单元、热表面效应单元、热流体单元以及这些类型单元的部分组合。

如果采用载荷步的方法，则按下述步骤进行： 1．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 Time Step 2. 设定载荷变化方式。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>Preprocessor>Load>Time/Frequenc>Time-Time Step

3．定义在本载荷步结束时的载荷数值（相关的命令及菜单路径参见表3-9）。 4．将载荷步信息写入载荷步文件：

命令：LSWRITE

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

5．对于其它载荷步，重复步骤1～4即可，直到所有的载荷都已经写入到荷载步文件中。如要删除部分载荷（非温度约束），最好将其设置为在一个微小的时间段中值变为零，而不是直接删除。

如果采用表格参数定义载荷，按如下步骤进行： 1. 如《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》中的“采用表格数组参数施加载荷”所述，用TABLE类型的数组参数定义载荷特性（例如，载荷与时间的关系）。

2. 打开自动时间步长功能（AUTOTS,ON），定义时间步长（DELTIM）或子步数。 3. 定义时间步重置选项。可以选择在求解中不重置时间步,或基于一个已定义好的时间（关键时间）数组重置时间步,或基于一个新的关键时间数组重置时间步。

命令：TSRES

GUI： Main Menu>Preprocessor>Load>Time/Frequenc>Time-Time Step

GUI： Main Menu>Preprocessor>Load>Time/Frequenc>Time and Substeps

如果选择用新数组并交互时运行，此时程序要求填写一个n×1的关键时间数组。如果以批处理方式运行，则必须在执行TSRES命令之前定义一个数组，其将时间步重置为由DELTIM或NSUBST命令定义的初始值。如果在应用时间步重置数组（TSRES命令）的同时又采用了另外的时间值数组（OUTRES命令的FREQ = %array%），则需确认：如果FREQ数组的时间值比在TSRES数组中所对应的最接近的时间值大，则所大的数值至少应为由DELTIM或NSUBST命令定义的初始时间步增量。例如，如果FREQ数组的时间值为1.5, 2, 10, 14.1,和15，TSRES数组的时间值为1, 2, 10, 14,和16（在这些值处时间步将重新开始），初始时间步增量DTIME =0.2，则程序将停止运算，因为在这种设置下，在时间为14时时间步将重置，那么下一个时间步至少为14.2，所要求的FREQ数组时间值14.1并不存在。

注意：TSRES命令只有在设置了AUTOTS,ON的情况下才有效，如果采用固定时间步长（AUTOTS,OFF）,则TRES被忽略。

定义关键时间数组的方式如下：

命令：*DIM

GUI： Utility Menu>Parameters>Array Parameters>Define/Edit

在关键时间数组中，时间值必须是升序排列的，并且不能超过由TIME命令定义的载荷步结束时间。在求解过程中,时间步可能会在数组定义的关键时刻点被重置.重置的大小基于命令DELTIM,DTIME或NSUBST,NSBSTP设置的初始时间步尺寸或子步数。

4．用一个与关键时间数组类似的n×1数组参数来指定将哪些时刻的计算结果写入结果文件。可以就利用关键时间数组，或用一个不同的数组。如果是交互式运行程序，可在此时创建一个数组或采用已有数组，如果是批处理方式运行程序，则必须在OUTRES命令之前定义该数组。

命令：OUTRES

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

注意：只有在采用下列仅传热单元、热电单元、热表面效应单元、流体单元（FLUID166）或这些单元的组合的情况下，才能使用TSRES命令和相应的时间步策略：

LINK31、LINK32、LINK33、PLANE35、MATEIX50、PLANE55、SHELL57、PLANE67（只有热自由度）、LINK68（只有热自由度）、SOLID69（只有热自由度）、SOLID70、MASS71、PLANE75、PLANE77、SOLID87、SOLID90、FLUID116、SURF151、SURF152、SHELL157（只有热自由度）、TARGE169、TARGE170、CONTA171、CONTA172、CONTA173、CONTA174。 4.5.3.2通用选项

求解控制选项

该选项打开或关闭ANSYS内部的求解控制功能，如果打开，则用户通常只需定义子步数（NSUBST）或时间步长（DELTIM），以及载荷步结束时间（TIME），其它的求解控制命令将由程序自动设置为其最佳值，详见《ANSYS命令手册》中对SOLCONTROL命令的描述。按下述方式打开或关闭求解控制：

命令：SOLCONTROL

GUI：Main Menu>Solution>Solution Ctrl 时间选项

该选项定义载荷步的结束时间，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。

命令：TIME

GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time and Substps 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。 对于瞬态分析，在热梯度较大的区域（如淬火体的表面），热流方向的最大单元尺寸和能够得到好结果的最小时间步长有一个关系。在时间步保持不变的时候，更多的单元通常会得到更好的结果；但是，在网格尺寸不变的时候，子步越多，结果反而会变得更差。当采用自动时间步和代中间节点的二次单元时，ANSYS建议使用者根据输入的荷载来控制最大的时间步长，根据下面的关系来定义最小的时间步长：

其中

为在热梯度最大处沿热流方向的单元长度，

为扩散率，它等于导热系数除以密度

与比热的乘积（）。当采用有中间节点的单元时，如果违反上述关系式，ANSYS

的计算会出现不希望的振荡，计算出的温度会在物理上超出可能的范围。如果不采用带中间节点的单元，则一般不会计算出振荡的温度分布，那么上述建议的最小时间步长就有些保守。

注意：不要采用特别小的时间步长，特别是当建立初始条件时。在ANSYS中，很小的数

－10

可能导致计算错误，比如：当一个问题的时间量级为的时候，时间步长为1×10时就可能产生数值错误。

命令：NSUBST或DELTIM

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time and Substps 4.5.4非线性选项

对于单场非线性热分析，ANSYS允许三种求解选项：FULL选项对应于缺省的全N-R算法；Quasi选项对应于在非线性热问题求解过程中有选择性地重构热矩阵－只有当非线性材料的性质改变量较大（用户控制）时，才重构热矩阵，该选项在时间步间不执行平衡迭代，材料性质根据载荷步开始时的温度来确定；Linear选项只在每个载荷步的第一个时间步构建一个热矩阵，它只适用于进行快速求解以得到一个近似的结果。

在ANSYS中，这些选项可通过THOPT命令来选择，Quasi和Linear选项直接组集热矩阵，只有ICCG和JCG求解器支持这种求解，可用EQSLV命令选择这些求解器。

对于Quasi求解选项，必须定义用于矩阵重构的材料参数改变容差，缺省的容差为0.05，对应于材料参数变化5％。Quasi选项设置一个单一的固定材料表以及在最高和最低温度之间等分的温度指针，用以计算随温度变化的材料性质。因此，采用该选项时，必须为固定材料表定义温度指针数（缺省为64）以及最高和最低温度（缺省为MPTEMP命令定义的最高和最低温度）。还可用THOPT命令定义其它非线性载荷选项。

命令：THOPT

GUI:Main Menu>Solution>Analysis Options

只有存在非线性时，才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。如果打开求解控制（SOLCONTROL,ON），则缺省的迭代数介于15到26之间，根据具体的物理问题而变化。

命令：NEQIT

GUI: Main Menu> Solution>-Load step opts>Nonlinear>Equilibrium Iter 自动时间步长

在瞬态分析中也称为的时间步优化，它使程序自动确定子步间的载荷增量。同时，它根据分析模型的响应情况，自动增、减时间步大小。在瞬态分析中，响应检测基于热特征值。对于THOPT,Quasi选项，时间步的修正也基于求解过程中的材料参数变化情况。如果特征值小，就采用大的时间步，反之亦然。在确定下一时间步长时，上一时间步中所进行的平衡迭代数量也是要考虑的依据之一，同时也要考虑非线性单元的状态变化。对于大多数问题，都应该打开自动时间步长功能并设置积分时间步长的上下限，上下限的设置可用NSUBST或DELTIM命令或下面相应的菜单路径，这种设置有助于控制时间步长的变化量。

GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time and Substps 设置自动时间步选项：

命令：AUTOTS

GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time and Substps 调整自动时间步长中的默认参数值 命令：TINTP

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

时间积分效应

该选项决定了是否包括结构惯性力，热容之类的瞬态效应。

注意：在瞬态分析时，时间积分效应缺省是打开的，如果将其设为OFF，ANSYS将进行一个稳态分析。指定时间积分效应，使用：

命令：TIMINT

GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time Integration 瞬态积分参数

瞬态积分参数：此参数控制时间积分方案的性质并设定自动时间步长控制标准，详情请参考《ANSYS Theory Reference》。为尽量减少计算结果中的误差，可将此参数（THETA值）设为1。

命令：TIMINT

GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time Integration 对收敛容差，求解结束，线性搜索，预测－矫正等选项的设置参见本书第三章。 4.5.5输出控制

本节内容可参见本书第三章。 4.5.6求解

本节内容可参见本书第三章。 4.6后处理

ANSYS提供两种后处理方式。

4.6.1通用后处理（POST1）

本节内容可参见本书第三章。 4.6.2时间历程后处理（POST26）

时间历程后处理器POST26对随时间变化的变量进行操作，ANSYS为每一个变量安排一个编号，第一号固定为时间。在时间历程后处理中首先要定义变量。

命令：NSOL,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 或仅列出极值： 命令：EXTREM

GUI: Main Menu>TimeHist Postproc>List Extremes

通过在时间历程后处理器中观察模型的一些临界时刻点，就能够进一步在通用后处理器中这些时刻的结果进行后处理。此外，POST26还提供许多其它功能，更多的细节请参阅《ANSYS 基本过程指南》。 4.7相变问题

ANSYS热分析最强大的功能之一就是可以分析相变问题，例如凝固或熔化等。含有相变问题的热分析是一个非线性的瞬态问题，典型的相变应用有：

金属浇铸：确定相变过程中不同点处的温度分布、相变发生的时间长度、浇铸的热效率等；

合金生产：由化学差异而不是物理差异导致相变； 热处理问题；

相变问题是一个非线性的瞬态热分析，线性的瞬态热分析与非线性的瞬态热分析之间唯一的不同是：需要考虑潜热，即在相变过程吸收或释放的热量。ANSYS通过定义材料的焓随温度变化来考虑潜热（如下图所示）。

图4-2材料焓随温度的变化

焓的单位是J/m3，是密度与比热的乘积对温度的积分：

求解相变问题，应当设定足够小的时间步长，并将自动时间步长设置为ON，以使程序在相变前、相变中、相变后自动调整时间步长；

选用低阶的热单元，例如PLANE55或SOLID70。如果必须选用高阶单元，请利用相应的单元选项设置“Diagonalized Specific heat matrix”（对于低阶单元，这是缺省值）； 在设定瞬态积分参数时，请将THETA值设置为1(默认为0.5)，以便瞬态时间积分采用欧拉向后差分算法；

命令：TINTP

GUI: Main Menu> Solution>-Load and Step Opts->Time/Frequence>Time Intergation>THETA

线性搜索将有助于加速相变问题的求解。

命令：LNSRCH

GUI: Main Menu>Solution>-Load and Step Opts->Nonlinear>Line Search 4.8瞬态热分析的实例1

4.8.1问题描述

一个30公斤重、温度为70℃的铜块,以及一个20公斤重、温度为80℃的铁块，突然放入温度为20℃、盛满了300升水的、完全绝热的水箱中,如图所示。过了一个小时，求铜块与铁块的最高温度(假设忽略水的流动)。材料热物理性能如下： 热性能 单位制 铜 铁 水 导热系数 密度 比热 W/m℃ Kg/m J/kg℃ 3383 8889 390 70 7833 448 .61 996 4185

4.8.2 菜单操作过程 4.8.2.1设置分析标题

1、选择“Utility Menu>File>Change Jobname”，输入文件名Transient1。

2、选择“Utility Menu>File>Change Title” 输入Thermal Transient Exercise 1。 4.8.2.2定义单元类型

1、选择“Main Menu>Preprocessor”，进入前处理。

2、选择“Main Menu>Preprocesor>Element Type>Add/Edit/Delete”。选择热平面单元plane77。

4.8.2.3定义材料属性

1、选择“Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models”，在弹出的材料定义窗口中顺序双击Thermal选项。

2、点击Conductivity，Isotropic，在KXX框中输入383；点击Density，在DENS框中输入8898；点击Specific Heat，在C框中输入390。

3、在材料定义窗口中选择Material>New Model，定义第二种材料。

4、点击Conductivity，Isotropic，在KXX框中输入70；点击Density，在DENS框中输入7833；点击Specific Heat，在C框中输入448。

5、在材料定义窗口中选择Material>New Model，定义第三种材料。

6、点击Conductivity，Isotropic，在KXX框中输入.61；点击Density，在DENS框中输入996；点击Specific Heat，在C框中输入4185。 4.8.2.4创建几何模型

1、选择“Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Areas->Retangle>By Dimensions”，输入X1=0, Y1=0, X2=0.6, Y2=0.5, 点击Apply；输入X1=0.15, Y1=0.225, X2= 0.225,Y2=0.27, 点击Apply；输入X1=0.6-0.2-0.058, Y1=0.225, X2=0.6-0.2, Y2=0.225+0.044, 选择OK。

2、选择“Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Operate>Booleans>Overlap”，选择Pick All。

3、选择“Utility Menu>Plotctrls>Numbering>Areas, on”。 4、选择“Utility Menu>Plot>Areas”。 4.8.2.5划分网格

1、选择“Main Menu>Preprocessor>-Attributes->Define->All Areas”，选择材料1。 2、选择“Main Menu>Preprocessor>Meshing->Size

Cntrls->-Manualsize->-Global->Size”，输入单元大小0.02。

3、选择“Main Menu>Preprocessor>Meshing->Mesh->-Areas->Mapped>3 or 4 sided”，选择铜块。

4、选择“Main Menu>Preprocessor>-Attributes->Define->All Areas”，选择材料2。 5、选择“Main Menu>Preprocessor>Meshing->Mesh->-Areas->Mapped>3 or 4 sided”，选择铁块。

6、选择“Main Menu>Preprocessor>-Attributes->Define->All Areas”，选择材料3。 7、选择“Main Menu>Preprocessor>Meshing->Size

Cntrls->-Manualsize->-Global->Size”，输入单元大小0.05。

8、选择“Main Menu>Preprocessor>Meshing->Mesh->-Areas->Free”，选择水箱。 9、选择“Utility Menu>Plot>Area”。 4.8.2.6进行稳态分析设置初始条件

1、选择“Main Menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis”，选择Transient，定义为瞬态分析。

2、选择“Main Menu>Solution>-Load Step Opts>Time/Frenquenc>Time Integration”，将TIMINT设定为 off，首先进行稳态分析。

3、选择“Main Menu>Solution>-Load Step Opts>Time/Frenquenc>Time-Time Step”，设定TIME为0.01、DELTIM也为0.01

4、选择“Utility Menu: Select>Entities”，在对话框中自上而下依次选择：Elements，By Attributes，Material num，在“Min， Max”框中输入3，选择From Full，点击APPLY；选择选择Nodes，Attached to, Element，点击OK。

5、选择“Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Temperature>On Nodes”，选择Pick All, 输入20。

6、选择“Utility Menu: Select>Entities”，在对话框中自上而下依次选择：Elements，By Attributes，Material num，在“Min， Max”框中输入2，选择From Full，点击APPLY；选择选择Nodes，Attached to, Element，点击OK。

7、选择“Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Temperature>On Nodes”，选择Pick All, 输入80。

8、选择“Utility Menu>Select>Entities”，在对话框中自上而下依次选择：Elements，By Attributes，Material num，在“Min， Max”框中输入1，选择From Full，点击APPLY；选择选择Nodes，Attached to, Element，点击OK。

9、选择“Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Temperature>On Nodes”，选择Pick All, 输入70。

10、选择“Utility Menu>Select Everything”。 11、Main Menu>Solution>-Solve->Current LS”。 4.8.2.7进行瞬态分析

1、选择“Main Menu>Solution>-Load Step Opts>Time/Frenquenc>Time-Time Step”，设定TIME=3600,DELTIM=26, 最小、最大时间步长分别为2, 200, 将Autots设置为ON。

2、选择“Main Menu>Solution>-Load Step Opts>Time/Frenquenc>Time Integration”，将TIMINT设置为ON。

3、选择“Main Menu>Solution>-Loads->Delete>-Thermal->Temperature>On Nodes”，选择Pick All，删除稳态分析定义的节点温度。

4、选择“Main Menu>Solution>-Load Step Opts>Output Ctrls->DB/Results”，选择Every Substeps。

5、选择“Main Menu>Solution>-Solve->Current LS”。 4.8.2.8后处理

1、选择“Main Menu>TimeHist PostPro”，进入POST26。

2、选择“Main Menu>TimeHist PostPro>Define Variables”，点击Add，选择Solution summary，点击OK，在User specified label框中输入dtime，选择Solution Items和Step Time，点击OK定义子步时间为2号变量。

3、选择“Main Menu>TimeHist PostPro>Define Variables”，点击Add，选择Nodal result，点击OK，在User specified label框中输入T_Copper，在Node number框中输入node(0.1875,0.2475,0)，点击OK定义3号变量。同理可以定义其他节点解。

4、选择“Main Menu>TimeHist PostPro>Graph Virables”，输入变量代号，显示各变量随时间变化的曲线。

5、选择“Main Menu>General Postproc”，进入POST1。

6、选择“Main Menu>General Postproc>-Read Results->Last set”。 7、选择“Main Menu>General Postproc>Plot result>Nodal Solution”，选择temperature。

4.8.3 等效的命令流方法

/filename,transient1

/title, Thermal Transient Exercise 1 !进入前处理

/prep7

et,1,plane77! 定义单元类型

mp,kxx,1,383! 定义材料热性能参数 mp,dens,1,8889!1～铜，2～铁，3～水 mp,c,1,390 mp,kxx,2,70 mp,dens,2,7837 mp,c,2,448 mp,kxx,3,0.61 mp,dens,3,996 mp,c,3,4185 !创建几何实体

rectnag,0,0.6,0,0.5

rectang,0.15,0.225,0.225,0.27

rectang,0.6-0.2-0.058,0.6-0.2,0.225,0.225+0.044 aovlap,all!布尔操作 /pnum,area,1

aplot !划分网格 aatt,1,1,1 eshape,2 esize,0.02 amesh,2 aatt,2,1,1 amesh,3 aatt,3,1,1 eshape,3 esize,0.05 amesh,4 /pnum,mat,1 eplot finish !加载求解

/solu

antype,trans

timint,off!先作稳态分析,确定初始条件

time,0.01!设定只有一个子步的时间很小的载荷步 deltim,0.01 esel,s,mat,,3 nsle,s

d,all,temp,20 esel,s,mat,,2 nsle,s

d,all,temp,80 esel,s,mat,,1 nsle,s

d,all,temp,70

allsel

solve!得到初始温度分布 !进行瞬态分析 time,3600

timint,on!打开时间积分

deltim,26,2,200!设置时间步长，最大及最小时间步长 autots,on!打开自动时间步长

ddelet,all,temp!删除稳态分析中定义的节点温度 outres,all,1!将每个子步的值写入数据库文件 solve finish

save

!进入POST26后处理 /post26

solu,2,dtime,,dtime!2～每一子步采用的时间步长

nsol,3,node(0.1875,0.2475,0),temp,,T_Copper!3～铜块的中心点 nsol,4,node(0.371,0.247,0),temp,,T_Iron!4～铁块的中心点 nsol,5,node(30,0,0),temp,,T_H2O_Bot!5～水箱的底部 nsol,6,node(30,50,0),temp,,T_H2O_Top!6～水箱的顶部 nsol,7,node(0,25,0),temp,,T_H2O_Left!7～水箱的左部 nsol,8,node(60,25,0),temp,,T_H2O_Right!8～水箱的右部 Plvar,2

plvar,3,4,5,6,7,8 finish

!进入POST1后处理

/post1!设置为最后一个载荷子步 set,last

esel,s,mat,,1 nsle,s

plnsol,temp esel,s,mat,,2 nsle,s

plnsol,temp finish

4.9瞬态热分析的实例2

4.9.1问题描述

矩形的一个边温度恒定100℃。对边施加对流边界载荷，对流换热系数随固体表面温度而变化，如下表。初始温度为100℃,求解此矩形60秒温度分布的变化。

表面温度（℃） 对流换热系数 4.9.2 命令流方法 finish

/clear

*dim,cnvtab,table,3,,,TEMP ! 定义表格矩阵参数cnvtab，变量为TEMP cnvtab(1,0) = 20.0,50.0,100.0 cnvtab(1,1) = 10.0,20.0,30.0 /prep7 esize,0.5 et,1,55 rect,0,2,0,1 amesh,1

MP,KXX,,1.0 MP,DENS,,10.0 MP,C,,100.0 lsel,s,loc,x,0 dl,all,,temp,100 lsel,s,loc,x,2

sfl,all,conv,%cnvtab%,,20

20 10 50 20 100 30 alls

/psf,conv,hcoef,2! 显示对流边界 /pnum,tabn,on! show table names lplot fini /solu

antyp,trans kbc,1

DELTIM,.1,.05,10 time,60 tunif,100 outres,all,all solve finish /post1 set,last

sflist,all!对流系数值 /pnum,tabn,off

/psf,conv,hcoef,2! 显示对流边界. /pnum,sval,1! 显示表格参数的数值. eplot /pnum,sval,0 plns,temp fini /post26 nsol,2,2,temp prva,2

plva,2 finish

4.10《ANSYS Verification Manual》中与瞬态热分析相关的实例

VM28- Transient Heat Transfer in an Infinite Slab VM94- Heat Generating Plate VM104 -Liquid-solid phase change VM109 -Temperature gradient across a solid cylinder VM110 -Transient temperature distribution in a slab VM110 - Transient Temperature Distribution in a Slab VM111 - Cooling of a Spherical Body VM112 - Cooling of a Spherical Body VM113 - Transient Temperature Distribution in an Orthotropic Metal Bar VM114 - Temperature Response to a Linearly Rising Surface Temperature VM115 - Thermal Response of a Heat-generating Slab

VM116 - Heat-conducting Plate with Sudden Cooling VM159 - Temperature Controlled Heater VM192 - Cooling of a Billet by Radiation 第五章 表面效应单元 5.1简介

表面效应单元类似一层皮肤，覆盖在实体单元的表面。它利用实体表面的节点形成单元。因此，表面效应单元不增加节点数量（孤立节点除外），只增加单元数量。

ANSYS 5.7中热分析专用表面效应单元为SURF151(2-D)以及SRUF152(3-D)。有关单元的详细描述请参阅《ANSYS Element Reference》。 5.2表面效应单元在热分析中的应用

利用表面效应单元可更加灵活地定义表面热载荷： 当热流密度和热对流边界条件同时施加于同一表面时，必须将其中一个施加于实体单元表面，另一个施加在表面效应单元。建议将热对流边界施加于表面效应单元。 可将热对流边界条件中的流体温度施加于孤立节点上，将对流系数施加于表面单元，这样，可更灵活地控制对流载荷。

当对流系数随温度变化时，表面效应单元可提供设置计算对流系数的选项。 表面效应单元还可以用于模拟点与面的辐射传热。

5.3表面效应单元的有关热分析设置选项

SURF151是单元可用于多种载荷和表面效应的应用。可以覆盖在任何二维热实体单元的表面(除轴对称谐波单元PLANE75和PLANE78外)。该单元可用于二维热分析，多种载荷和表面效应可以同时存在。SURF151单元有2到4个节点，如考虑对流传热和辐射的影响需要定义一个外部节点。传热量和热对流量以表面载荷的形式施加在单元上。详细单元说明请参见《ANSYS Theory Reference》。

SURF152是三维热表面效应单元，可用于多种载荷和表面效应的应用。它可以覆盖在任何三维热单元的表面，该单元可用于三维热分析。该单元中多种载荷和表面效应可以同时存在。详细单元说明请参见《ANSYS Theory Reference》。

选定单元： 命令：ET

GUI： Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete>Options 分析设置选项： 中间节点：

Include： keyopt(4)=0 Exclude：keyopt(4)=1

如果实体单元为带中间节点的单元，如Solid90，则设为Include，否则为Exclude。 是否有孤立节点： Exclude： Keyopt(5)=0 Include：Keyopt(5)=1

如果在表面效应单元上施加热流密度，则为Exclude；如果在表面效应单元上施加热对流，则可为Exclude，也可为Include。如果有孤立节点，则对流系数施加在表面效应单元上，流体温度施加在孤立节点上。如果无孤立节点，则对流系数和流体温度都施加在表面效应单元上。

热流密度或对流边界条件：

忽略热流密度和对流边界条件：Keyopt(8)=0 施加热流密度，忽略对流：Keyopt(8)=1

根据平均温度（壁面与流体）(TS＋TB)/2，计算对流系数：Keyopt(8)=2 根据固体表面温度TS，计算对流系数：Keyopt(8)=3 根据流体温度TB，计算对流系数：Keyopt(8)=4

根据固体表面与流体温差｜TB-TS｜，计算对流系数：Keyopt(8)=5 是否考虑辐射，选择Exclude radiation： Keyopt(9)=

设置单元行为：

Plane：Keyopt(8)=4

Axisymmetric：Keyopt(8)=4 Plane with thickness：Keyopt(8)=4

图5-1面效应单元的选项设置

5.4表面效应单元的实常数

使用表面效应单元施加对流或热流密度边界条件，一般不需要定义实常数。面内厚度

在表面效应单元的每个角节点默认为1。只有当生热载荷施加于表面效应单元时，厚度才有作用，因为生热基于单元体积。其它实常数，在辐射热分析或结构分析时设置。 5.5表面效应单元的材料属性

使用表面效应单元施加对流或热流密度边界条件，一般不需要定义材料属性，但有一例外：对流系数随温度变化时，最好单独设定一材料编号，定义材料的对流系数随温度变化的表。在表面单元上施加对流边界时输入负号及材料编号。例如“-3”。其它材料属性在辐射或结构分析时设置。

5.6创建无孤立节点的表面效应单元

划分实体网格

设定表面效应单元的属性

GUI：Main>Menu>Preprocessor>Meshing Attributes>Default Attribs

一般无需设定表面效应单元的材料编号，但为了选择、加载及后处理方便，最好为每组表面单元设置一个唯一的材料编号。

生成表面单元

第一种方法：直接在相应的线或面上生成网格：

GUI：Main>Menu>Preprocessor> Meshing>Mesh Lines/Area

第二种方法：

选择要生成表面效应单元的边（2D）或面（3D）及所属节点； 设定表面效应单元的属性（TYPE，MAT等）； 创建表面效应单元；

GUI：Main>Menu>Preprocessor> Modeling>Create>Element> Surf Effect 5.7创建带孤立节点的表面效应单元

如果在表面效应单元选项设置时，带孤立节点，Keyopt(5)=1，则： 创建孤立节点

GUI：Main>Menu>Preprocessor>modeling>create>nodes 选择要创建表面效应单元的面或线，以及所属节点； 设定单元属性；

创建表面效应单元：

GUI：Main>Menu>Preprocessor>modeling>create> Element>on free SURF，输入关键点编号，OK

5.8管流单元热分析

在ANSYS中有三个用于管流热分析的单元：

FLUID116热管流单元 SURF1512-D热表面单元 SURF1523-D热表面单元

其中FLUID116单元求解一维带泵送效应的泊努利方程和一维带质量传递的热传递，可与SURF151或SURF152连接模拟对流效应。它的压力、流率、温度、角速度、滑移系数可以表格化参数方式输入。主要的单元属性有流体导热系数、流体密度、流体比热、流体粘度、流体流率等。

而表面效应单元的额外节点在FLUID116单元上，这样用管流单元FLUID116上的节点温度作为对流中的流体温度，将对流系数赋予表面效应单元上，模拟流体与管壁的耦合传热。

LFSUR, Sline, Tline

对组元Sline中包含的线划分表面效应单元，并连接表面效应单元和距离最近的管流单元。这些管流单元已经划分网格，并定义为组元Tline。 AFSUR, Sarea, Tline

对组元Sarea中包含的面划分表面效应单元，并连接表面效应单元和距离最近的管流单元。这些管流单元同样已经划分网格，并定义为组元Tline。

可用如下命令控制显示表面效应单元的额外节点： 命令：/PSYMB,XNODE,1

GUI：Utility Menu>PlotCtrls>Symbols 5.9表面效应单元的实例1－冷却栅的热分析 5.9.1 问题描述

分析冷却栅的温度分布及与空气的热传递速率。冷却栅的横截面如下图所示，单位为英寸。材料为铝，导热系数为8.5 BTU/hr.in°F。冷却栅底部流入的热流密度为17BTU/hr.sq.in。空气的温度为90 °F，自然对流。

5.9.2 菜单操作过程 5.9.2.1设置分析标题

1、选择“Utility Menu>File>Change Title”，输入HEATSINK1。

2、选择“Utility Menu>File>Change title”，输入Heat convection using SURF151 ignoring radiation。

5.9.2.2定义参数变量

1、选择“Utility Menu>Parameters>scalar paramaters”，输入：

base=.15 hgt=1.0 ttop=0.05 tbot=0.15 fspc=0.4

dt=301.5-90!假设表面平均温度与空气的温差 dt=dt*5/9!转换为摄氏度 len=(hgt-base)/39.37

hvert1=(1.42*(dt/len)**0.25)*0.1761/144!竖直边对流系数（经验公式） len=base/39.37

hvert2=(1.42*(dt/len)**0.25)*0.1761/144

len=(fspc-tbot)/39.37

hhorz1=(1.32*(dt/len)**0.25)*0.1761/144!水平边对流系数（经验公式） len=ttop/39.37

hhorz2=(1.32*(dt/len)**0.25)*0.1761/144 5.9.2.3定义热单元及表面效应单元

1、选择“Main Menu：>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete”，定义单元类型1为PLANE55；单元类型2为SURF151。

2、点击SURF151，Options，将“Midside nodes”设置为Exclude；“Extra node”设置为Include；“Heat flux and convect loads”设置为Hf at average T。 5.9.2.4定义定义材料属性

1、选择“Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models” 在弹出的材料定义窗口中顺序选择Thermal，Conductivity，Isotropic选项，KXX框中输入8.5。 2、任意定义2～5号材料。 5.9.2.5创建几何模型

1、选择“Main Menu>Preprocessor>Create>Keypoint>In Active CS”，创建8个关键点。关键点的编号及坐标如下： 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 X Y 0 0 0 Tbot/2 Tbot/2 Ttop/2 0 base hgt Fspc/2 Fspc/2 0 base 0 base hgt 2、选择“Main Menu>Preprocessor>Create>Area>Arbitrary>Through KPs”，输入1，4，5，2，点击APPLY；输入2，5，6，3，点击APPLY；输入4，7，8，5，点击OK，由关键点组成了3个面。

3、选择“Utility Menu>WorkPlane> Local Coordinate system>Create Local CS>At Specified Loc”，输入fspc/2,0,0创建局部坐标。

4、选择“MainMenu>Preprocessor>Reflect>Area，Pick all，on Y-Z plane”，映射面。

5、选择“MainMenu>Preprocessor>Numbering Contrls>Merge Items”，选择Keypoints。

6、选择“MainMenu>Preprocessor>Copy>Area”，点击Pick all，在number of copied中输入5， x offset中输入fspc。

7、选择“Utility Menu>WorkPlane> Local Coordinate system>Create Local CS>At Specified Loc”，输入5*fspc,0,0创建局部坐标。

8、选择“MainMenu>Preprocessor>Reflect>Area”，输入28,29,30，on Y-Z plane映射面。

9、选择“MainMenu>Preprocessor>Numbering Contrls>Merge Items”，选择Keypoints。

10、选择“Utility Menu>WorkPlane>Change Active CS>To Global Cartesian”，返回总体直角坐标系。 5.9.2.6赋予各边属性

1、选择所有的长斜边：

选择“Utility Menu>Select>Entities>Line>Exterior，From Full, Apply”； 选择“Utility Menu>Select>Entities>Line>By location，Y coordinate”，输入base+0.1，hgt-0.1，选择reselect，Apply；

选择“Utility Menu：> Select>Entities>Line> By location，X coordinate”，输入0，选择Unselect；

选择“Main Menu>Define>All Lines>”，选择材料为2，单元类型为2； 2、选择最右边的线：

选择“Utility Menu>Select>Entities>Line> By location，X coordinate”，输入5.5*fspc，From Full；

选择“Main Menu>Define>All Lines”，选择材料为3，单元类型为2； 3、选择冷却栅根部的线：

选择“Utility Menu>Select>Entities>Line>Exterior， From Full， Apply”；

选择“Utility Menu> Select>Entities>Line> By location， Y coordinate”，

输入base， Reselect， OK；

选择“Main Menu>Define>All Lines>”，选择材料为4，单元类型为2； 4、选择顶部的线：

选择“Utility Menu>Select>Entities>Line>By location， Y coordinate”，输入hgt， From Full，OK；

选择“Main Menu>Define>All Lines”，选择材料为5，单元类型为2； 5、选择“Utility Menu>Select>Select Everything”，选择所有项目。 5.9.2.7划分热单元网格

选择“Main Menu>Meshtool”，设定global size为ttop*0.9，选择mapped，点击mesh all。

5.9.2.8创建孤立节点

1、选择“Utility Menu>Parameter>Get Scalar Data>Model Data>For Selected Set”，点击OK，选择Current Node Set，Highest node num，输入NN得到最大节点编号。 2、选择“Main Menu>Preprocessor>Create>Node>On Active CS”，输入节点编号为NN+1，X坐标为5.5*fspc/2，Y坐标为hgt+0.2，创建面效应单元的附加节点。 5.9.2.9生成表面效应单元

1、生成材料编号为2的表面单元：

选择材料编号为2的线,选择“Utility Menu>Select>Entities>Line>By

attribute>

Material”，输入2，From full，Apply。

选择线上的节点，选择“Utility Menu>Select>Entities>Node>Attached to>Line all，From Full”，点击Apply；选择，By Num/Pick，Also Select，点击OK。

定义单元属性，选择“Main Menu：>Preprocessor>Create>Element>Elem Attribute”，选择单元类型为2，材料编号为2。

生成表面单元，选择“Utility Menu>Main Menu>Preprocessor>Create>Element>Surf Effect>Extra Node”，选择除附加节点外的所有节点，点击OK，输入NN+1，点击OK。

2、生成材料编号为3的表面单元： 选择材料编号为3的线,选择“Utility Menu>Select>Entities>Line>By

attribute>

Material”，输入2，From full，Apply。 选择线上的节点，选择“Utility Menu>Select>Entities>Node>Attached to>Line all，From Full”，点击Apply；选择，By Num/Pick，Also Select，点击OK。

定义单元属性，选择“Main Menu：>Preprocessor>Create>Element>Elem Attribute”，选择单元类型为2，材料编号为3。

生成表面单元，选择“Utility Menu>Main Menu>Preprocessor>Create>Element>Surf Effect>Extra Node”，选择除附加节点外的所有节点，点击OK，输入NN+1，点击OK。

3、生成材料编号为4的表面单元：

选择材料编号为4的线,选择“Utility Menu>Select>Entities>Line>By attribute>

Material”，输入4，From full，Apply。

选择线上的节点，选择“Utility Menu>Select>Entities>Node>Attached to>Line all，From Full”，点击Apply；选择，By Num/Pick，Also Select，点击OK。

定义单元属性，选择“Main Menu：>Preprocessor>Create>Element>Elem Attribute”，选择单元类型为2，材料编号为4。

生成表面单元，选择“Utility Menu>Main Menu>Preprocessor>Create>Element>Surf Effect>Extra Node”，选择除附加节点外的所有节点，点击OK，输入NN+1，点击OK。

4、生成材料编号为5的表面单元： 选择材料编号为5的线,选择“Utility Menu>Select>Entities>Line>By

attribute>

Material”，输入5，From full，Apply。 选择线上的节点，选择“Utility Menu>Select>Entities>Node>Attached to>Line all，From Full”，点击Apply；选择，By Num/Pick，Also Select，点击OK。

定义单元属性，选择“Main Menu：>Preprocessor>Create>Element>Elem Attribute”，选择单元类型为2，材料编号为5。

生成表面单元，选择“Utility Menu>Main Menu>Preprocessor>Create>Element>Surf Effect>Extra Node”，选择除附加节点外的所有节点，点击OK，输入NN+1，点击OK。 5.9.2.10施加热流密度载荷

1、选择“Utility Menu>Select>Entities>Node>By Location，y coordinate”，输入0， From Full，点击OK，。

2、选择“Main Menu>Solution>Apply>Heat flux>On nodes”，点击pick all，输入17。

5.9.2.11在表面单元施加对流载荷

1、选择材料编号为2的单元：选择“Utility Menu>Select>Entities>Element>By Attribute>

Material”，输入2， From Full， OK。

2、定义对流系数：选择“Main Menu>Solution>Apply>Convection>On Elements Uniform”，输入hvert1。

3、选择材料编号为3的单元：选择“Utility Menu>Select>Entities>Element>By Attribute>

Material”，输入3， From Full， OK。

4、定义对流系数：选择“Main Menu>Solution>Apply>Convection>On Elements Uniform”，输入hvert2。

5、选择材料编号为4的单元：选择“Utility Menu>Select>Entities>Element>By Attribute>

Material”，输入4， From Full， OK。

6、定义对流系数：选择“Main Menu>Solution>Apply>Convection>On Elements Uniform”，输入hhorz1。

7、选择材料编号为5的单元：选择“Utility Menu>Select>Entities>Element>By Attribute>

Material”，输入5， From Full， OK。

8、定义对流系数：选择“Main Menu>Solution>Apply>Convection>On Elements Uniform”，输入hhorz2。

9、选择“Utility Menu>Select>Select Everything”。 10、定义附加节点的温度（bulk temperature）：选择“Utility Menu>Select>Select Everything”。 5.9.2.12求解

选择“Main Menu>Solution>Current LS”。 5.9.2.13列出冷却栅与空气间的热流

选择“Main Menu>General Post>List Result>Reaction Solu”。

5.9.2.14显示冷却栅的温度分布

1、选择“Utility Menu>Select>Entities>Node>By Num/Pick，Unselect”，输入NN+1，点取工具条POWRGRPH，选择OFF。

2、选择“Main Menu>General Post>Plot Result>Nodal Result>Temperature”。 5.9.2.15求解冷却栅表面的平均温度，与假设作对比

1、选择所有的表面单元：选择“Utility Menu>Select>Entities>Element>By Attributes>

Element Type”，输入2，From Full。

2、定义单元表，得到各单元平均温度：选择“Main Menu：>General Post> Element Table>Define Table>Add”，输入tavg，选择By senquence num，nmisc，输入6。

3、求和：选择“Main Menu：>General Post>Element Table>sum of each item”。 4、附于变量TAVG：选择“Utility Menu>Parameter>Get Scalar Data>Result data >Elem Table Sum”，输入变量名TAVG。

5、得到单元总数：选择“Utility Menu：>Parameter>Get Scalar Data>Model data>For Selected set>Current Element set>Number of Elem’s”，输入NE。 6、输入tavg=tavg/ne。

7、显示冷却栅表面平均温度：输入*Stat， tavg。 5.9.3 等效的命令流方法

/filename,heatsink1

/title,Heatsink convection using SURF151 ignoring radiation base=.15 hgt=1.0 ttop=0.05

tbot=0.15 fspc=0.4

dt=301.5-90!假设表面与空气的温差 dt=dt*5/9!转换为摄氏度 len=(hgt-base)/39.37

hvert1=(1.42*(dt/len)**0.25)*0.1761/144 !竖直边的对流系数（根据经验公式） len=base/39.37

hvert2=(1.42*(dt/len)**0.25)*0.1761/144 len=(fspc-tbot)/39.37

hhorz1=(1.32*(dt/len)**0.25)*0.1761/144 !水平边的对流系数（根据经验公式） len=ttop/39.37

hhorz2=(1.32*(dt/len)**0.25)*0.1761/144 /prep7

et,1,plane55 mp,kxx,1,8.5 mp,kxx,2,8.5 mp,kxx,3,8.5 mp,kxx,4,8.5

mp,kxx,5,8.5

et,2,SURF151!定义带孤立节点的表面单元 keyopt,2,4,1 keyopt,2,5,1 keyopt,2,8,2 k,1

k,2,,base k,3,,hgt k,4,tbot/2

k,5,tbot/2,base

k,6,ttop/2,hgt k,7,fspc/2

k,8,fspc/2,base a,1,4,5,2 a,2,5,6,3 a,4,7,8,5 /pnum,area,1

aplot

local,11,0,fspc/2!创建局部直角坐标 arsym,x,all!映射所有的面 nummrg,kp!重合所有关键点

agen,5,1,6,1,fspc!将这6个面拷贝4次 nummrg,kp

local,11,0,5*fspc

arsym,x,28,30!完成整个几何模型 nummrg,kp

aplot

/pnum,area,0

csys,0!使用全局直角坐标 lsel,s,ext!选择所有外边界线 lsel,r,loc,y,base+.1,hgt-.1

lsel,u,loc,x,0!选择集中除去底边

latt,2,2,2!赋予材料2,实常数2,单元类型2 lsel,s,loc,x,5.5*fspc!选择最右边的线 latt,3,3,2!赋予材料3,实常数2,单元类型2 allsel

lsel,s,ext!选择所有外边界线

lsel,r,loc,y,base!选择冷却栅根部所有的线 latt,4,4,2!赋予材料4,实常数2,单元类型2 lsel,s,loc,y,hgt!选择冷却栅顶部所有的线 latt,5,5,2!赋予材料5,实常数2,单元类型2 lsel,s,mat,,2,5!选择材料编号为2到5的线 /pnum,mat,1 lplot

allsel

eshape,2!单元形状为四边型 esize,ttop*0.9!设定单元大小

amesh,all!用PLANE55划分网格

*get,nn,node,,num,max!得到节点的最大编号nn n,nn+1,5.5*fspc/2,hgt+0.2!创建孤立节点 lsel,s,mat,,2!选择材料为2的线 nsll,s,1!选择线上的节点 type,2!单元单元单元类型为2 mat,2!材料编号为2

eSURF,nn+1!生产带孤立节点的表面单元 lsel,s,mat,,3 nsll,s,1 type,2 mat,3

eSURF,nn+1 lsel,s,mat,,4 nsll,s,1 type,2 mat,4 eSURF,nn+1 lsel,s,mat,,5 nsll,s,1 type,2 mat,5

eSURF,nn+1 allsel eplot

/pnum,mat,0 finish /solu

antype,static!稳态分析

nsel,s,loc,y,0!底边施加热流密度载荷 sf,all,hflux,17.0 esel,s,mat,,2

sfe,all,1,conv,1,hvert1!定义各边的对流系数 esel,s,mat,,3

sfe,all,1,conv,1,hvert2 esel,s,mat,,4

sfe,all,1,conv,1,hhorz1 esel,s,mat,,5

sfe,all,1,conv,1,hhorz2

allsel

d,nn+1,temp,90!定义孤立节点的温度（bulk temperature） /pbc,temp,1 /psf,hflux,2 eplot /psf,conv,,2 nplot /pbc,default /psf,defautl solve!求解 finish save

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