稳态导热分析成果-有限元分析入门与应用

1.问题描述

某长方形二维薄板长宽分别为2m和1m，假设长方形薄板底部边线温度为1℃，右侧边线对流系数为5W/m²·℃，温度为0℃，顶部边线和左侧边线完全绝热；薄板材料各向同性，导热系数为1W/（m·C），其他相关参数在分析过程中体现。试确定二维薄板稳态导热下的温度分布。

2.有限元分析过程

（1）启动Workbench 18.0 在“开始”菜单中执行【ANSYS 18.0】→【Workbench 18.0】命令。

（2）创建稳态热分析项目

①在工具箱【Toolbox】的【Analysis Systems】中双击或拖动稳态热分析项目【Steady State Thermal】到项目分析流程图，如图6-13所示。

②在Workbench的工具栏中单击【Save】，保存项目工程名为：Plate.wbpj。有限元分析文件保存在D：\AWB\Chapter06文件夹中。

（3）确定材料参数

①编辑工程数据单元，单击鼠标右键选择【Engineering Data】→【Edit】。

②在工程数据属性中增加新材料：【Outline of Schematic A2：Engineering Data】→【Click here to add a new material】，输入材料名称New。

③在左侧的工具箱【Toolbox】中选择【Thermal】→【Isotropic Thermal Conductivity】→【Properties of Outline Row 4：New】→【Isotropic Thermal Conductivity】=1，同时，【Chart of Properties Row 2：Isotropic Thermal Conductivity】出现，显示温度 导热系数关系表。

图6-13 创建薄板稳态热分析项目

④单击工具栏中的【A2：Engineering Data】关闭按钮，返回到Workbench主界面，新材料创建完毕。

（4）导入几何

①在稳态热分析项目上，右键单击【Geometry】→【Properties】→【Properties of Schematic A3：Geometry】→【Advanced Geometry Options】→【Analysis Type】=2D。

②在稳态热分析项目上，右键单击【Geometry】→【Import Geometry】→【Browse】→找到模型文件Plate.agdb，打开导入几何模型。模型文件在D：\AWB\Chapter06文件夹中。

（5）进入Mechanical分析环境

①在稳态热分析项目上，右键单击【Model】→【Edit】进入Mechanical分析环境。

②在Mechanical的主菜单【Units】中设置单位为Metric（m，kg，N，s，V，A）。

（6）进行几何模型材料属性分配 分配薄板材料：单击【Model】→【Geometry】→【Plate】→【Detail of“Plate”】→【Material】→【Assignment】=New。

（7）划分网格

①在图形区域单击右键，从弹出的快捷菜单中选择【View】→【Front】，放正薄板模型。

②选择【Mesh】→【Details of“Mesh”】→【Sizing】→【Size Function】=Adaptive，其他默认。

③在标准工具栏上单击，选择薄板表面，然后在左边导航树图上右键单击【Mesh】→【Insert】→【Face Meshing】。

④在标准工具栏上单击，选择薄板左侧边，然后在左边导航树图上右键单击【Mesh】，从弹出的菜单中选择【Insert】→【Sizing】；【Sizing】→【Details of“Edge Sizing”Sizing】→【Defi-nition】→【Type】=Number of Divisions，【Number of Divisions】=20；【Advanced】→【Behavior】=Hard。

⑤在标准工具栏上单击，选择薄板顶侧边，然后在左边导航树图上右键单击【Mesh】，从弹出的菜单中选择【Insert】→【Sizing】；【Sizing】→【Details of“Edge Sizing”Siz-ing】→【Definition】→【Type】=Number of Divisions，【Number of Divisions】=10；【Advanced】→【Behavior】=Hard。

⑥生成网格，选择选择【Mesh】→【Generate Mesh】，图形区域显示程序自动生成的四边形网格模型，如图6-14所示。(www.xing528.com)

⑦网格质量检查，在导航树里单击【Mesh】→【Details of“Mesh”】→【Quality】→【Mesh Metric】=Element Quality，显示Element Quality规则下网格质量详细信息，平均值处在好水平范围内，展开【Statistics】显示网格和节点数量。

（8）施加边界条件

①选择【Steady State Thermal（A5）】。

②施加薄板底部边线温度，在标准工具栏上单击，选择薄板底边线，在工具栏中选择【Temperature】→【Detail of“Temperature”】→【Definition】→【Magnitude】=1℃，如图6-15所示。

图6-14 网格划分

图6-15 施加温度边界条件

③施加薄板右侧边线对流换热系数及环境温度，在标准工具栏上单击，选择薄板右边线，在工具栏中选择【Convection】→【Detail of“Convection”】→【Definition】→【Film Coeffi-cient】=5W/（m²·℃），【Ambient Temperature】=0℃，如图6-16所示。

④施加薄板左侧和顶部边线完全绝热条件，在标准工具栏上单击，选择薄板左边线和顶边线，在工具栏中选择【Heat】→【perfectly insulated】，其他默认，如图6-17所示。

图6-16 施加对流边界条件

图6-17 施加完全绝热边界

（9）设置需要的结果

①在导航树上单击【Solution（A6）】。

②在求解工具栏上单击【Thermal】→【Temperature】。

（10）求解与结果显示

①在Mechanical标准工具栏上单击进行求解运算。

②运算结束后，单击【Solution（A6）】→【Temperature】，图形区域显示稳态热传导计算得到的温度变化云图，如图6-18所示。

（11）保存与退出

①单击Mechanical主界面的菜单【File】→【Close Mechani-cal】退出环境，返回到Workbench主界面，此时主界面的项目管理区中显示的分析项目均已完成。

②单击Workbench主界面上的【Save】按钮，保存所有分析结果文件。

③退出Workbench环境，单击Workbench主界面的菜单【File】→【Exit】退出主界面，完成项目分析。

点评：本实例是二维薄板稳态导热分析，创建导热材料和施加热载荷是关键。稳态热分析过程相对简单，不过，本实例可以继续求热通量等结果，可进一步细化网格，验证结果与网格的无关性。

图6-18 温度结果