ANSYS 12.0软件培训

ANSYS 12.0 软 件 培 训 热 分 析 编 制 : 许 京 荆 2010.5 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 华 东 地 区 技 术 支 持 中 心 ANSYS 软 件 华 东 地 区 培 训 中 心

第 1 章 绪 论 内 容 目 录 1.1 ANSYS 软 件 概 述 1.2 ANSYS 12.0 新 功 能 介 绍 第 2 章 ANSYS12.0 Workbench 平 台 的 使 用 2.1 有 限 元 分 析 与 ANSYS12.0 Workbench 2.2 ANSYS12.0 Workbench 工 程 仿 真 分 析 一 般 过 程 2.2.1 ANSYS12.0 Workbench 界 面 2.2.2 分 析 系 统 加 入 工 程 图 解 2.2.3 使 用 分 析 系 统 2.2.4 使 用 Workbench 功 能 2.2.5 添 加 关 联 分 析 系 统 2.2.6 参 数 化 设 计 及 工 程 仿 真 优 化 2.2.7 自 定 义 工 程 仿 真 分 析 流 程 2.3 ANSYS12.0 Workbench 窗 口 管 理 2.3.1 Workbench 窗 口 管 理 功 能 2.3.2 Workbench 窗 口 相 互 切 换 2.3.3 Workbench 窗 口 紧 凑 模 式 第 3 章 ANSYS12.0 DesignModeler 几 何 模 型 3.1 ANSYS12.0 DesignModeler 几 何 模 型 3.1.1 DesignModeler 用 户 界 面 3.1.2 选 择 过 滤 器 及 案 例 3.1.3 长 度 单 位 3.1.4 草 图 模 式 3.1.4.1 平 面 和 草 图 及 案 例 3.1.4.2 绘 制 草 图 及 案 例 3.1.4.3 草 图 标 注 及 案 例 3.1.4.4 草 图 约 束 及 案 例 3.1.4.5 编 辑 草 图 及 案 例 3.1.4.6 草 图 援 引 及 案 例 3.1.4.7 草 图 技 巧 3.1.5 3D 实 体 模 型 3.1.5.1 体 和 零 件 3.1.5.2 3D 特 征 3.1.5.3 布 尔 操 作 及 案 例 3.1.5.4 特 征 方 向 3.1.5.5 特 征 类 型 3.1.5.6 特 征 创 建 及 案 例 3.1.5.7 3D 实 体 建 模 案 例 - 排 气 装 置 3.1.6 概 念 建 模 及 案 例 3.1.6.1 创 建 线 体 及 案 例 3.1.6.2 3D 曲 线 特 征 及 案 例 3.1.6.3 创 建 面 体 及 案 例 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 1

第 4 章 3.1.7 高 级 工 具 及 案 例 3.1.7.1 冰 冻 Freeze 及 案 例 3.1.7.2 解 冻 Unfreeze 3.1.7.3 命 名 选 择 Named Selection 3.1.7.4 接 合 Joint 3.1.7.5 包 围 Enclosure 及 案 例 3.1.7.6 填 充 Fill 及 案 例 3.1.7.7 抽 取 中 面 Mid-Surface 与 表 面 延 伸 Face Extend 及 案 例 3.1.7.8 切 片 Slice ANSYS12.0 Meshing 网 格 划 分 4.1 ANSYS12.0 Meshing 网 格 划 分 概 述 4.2 ANSYS12.0 Meshing 网 格 划 分 方 法 4.3 ANSYS12.0 Meshing 网 格 划 分 控 制 4.3.1 网 格 划 分 用 户 界 面 4.3.2 网 格 划 分 方 法 4.3.3 网 格 局 部 尺 寸 控 制 Sizing 4.3.4 接 触 区 域 网 格 控 制 Contact Sizing 4.3.5 网 格 局 部 单 元 细 化 Refinement 4.3.6 映 射 面 网 格 划 分 Mapped Face meshing 4.3.7 面 匹 配 网 格 划 分 Match Control 4.3.8 虚 拟 拓 扑 工 具 Virtual Topology 4.4 网 格 划 分 控 制 案 例 转 动 曲 柄 装 配 体 4.5 多 体 零 件 共 享 拓 扑 印 记 面 及 匹 配 网 格 划 分 案 例 4.6 装 配 体 薄 层 扫 略 网 格 划 分 及 案 例 第 5 章 ANSYS12.0 热 分 析 5.1 ANSYS12.0 热 分 析 概 述 5.1.1 传 热 基 本 方 式 5.1.2 传 热 过 程 5.1.3 稳 态 传 热 和 瞬 态 传 热 5.1.4 线 性 与 非 线 性 5.1.5 符 号 与 单 位 5.1.6 材 料 属 性 5.1.7 几 何 模 型 5.1.8 接 触 5.1.9 分 析 设 置 5.1.10 载 荷 和 边 界 条 件 5.1.11 结 果 与 后 处 理 5.2 ANSYS12.0 Steady-State Thermal 稳 态 热 分 析 5.2.1 ANSYS12.0 稳 态 热 分 析 概 述 5.2.2 ANSYS12.0 稳 态 热 分 析 方 法 5.2.3 ANSYS12.0 稳 态 热 分 析 案 例 短 圆 柱 体 的 热 传 导 5.2.3.1 问 题 描 述 5.2.3.2 问 题 分 析 5.2.3.3 数 值 模 拟 过 程 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 2

5.2.4 ANSYS12.0 稳 态 热 分 析 案 例 保 温 桶 的 对 流 传 热 5.2.4.1 问 题 描 述 5.2.4.2 问 题 分 析 5.2.4.3 数 值 模 拟 过 程 5.3 ANSYS12.0 Transient Thermal 瞬 态 热 分 析 5.3.1 ANSYS12.0 瞬 态 热 分 析 概 述 5.3.2 ANSYS12.0 瞬 态 热 分 析 方 法 5.3.3 ANSYS12.0 瞬 态 热 分 析 案 例 钢 球 淬 火 5.3.3.1 问 题 描 述 5.3.3.2 问 题 分 析 5.3.3.3 数 值 模 拟 过 程 5.3.4 ANSYS12.0 瞬 态 热 分 析 案 例 电 路 板 瞬 态 传 热 问 题 5.3.4.1 问 题 描 述 5.3.4.2 数 值 模 拟 过 程 第 6 章 ANSYS12.0 多 物 理 场 耦 合 分 析 6.1 多 物 理 场 耦 合 分 析 概 述 6.2 ANSYS12.0 多 物 理 场 耦 合 分 析 方 法 6.3 ANSYS12.0 结 构 - 热 耦 合 分 析 案 例 辐 射 杆 件 热 应 力 问 题 6.3.1 问 题 描 述 6.3.2 问 题 分 析 6.3.3 数 值 模 拟 过 程 6.4 ANSYS12.0 热 - 电 耦 合 分 析 6.4.1 ANSYS12.0 热 - 电 耦 合 分 析 概 述 6.4.2 ANSYS12.0 热 - 电 耦 合 分 析 方 法 6.4.3 ANSYS12.0 热 - 电 耦 合 分 析 案 例 导 线 传 热 6.4.3.1 问 题 描 述 6.4.3.2 问 题 分 析 6.4.3.3 数 值 模 拟 过 程 6.4.4 ANSYS12.0 热 - 电 耦 合 分 析 案 例 热 电 制 冷 6.4.4.1 问 题 描 述 6.4.4.2 问 题 分 析 6.4.4.3 数 值 模 拟 过 程 6.4.5 ANSYS12.0 热 - 电 耦 合 分 析 案 例 热 电 发 生 器 6.4.5.1 问 题 描 述 6.4.5.2 问 题 分 析 6.4.5.3 数 值 模 拟 过 程 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 3

第 1 章 绪 论 1.1 ANSYS 软 件 概 述 计 算 机 辅 助 工 程 技 术 CAE, 即 Computer Aided Engineering, 已 经 得 到 越 来 越 广 泛 的 使 用,CAE 的 技 术 种 类 有 很 多, 其 中 包 括 有 限 元 法 FEM, 即 Finite Element Method, 边 界 元 法 BEM, 即 Boundary Element Method, 有 限 差 分 法 FDM, 即 Finite Difference Element Method 等 每 一 种 方 法 各 有 其 应 用 的 领 域, 而 其 中 有 限 元 法 应 用 的 领 域 越 来 越 广, 现 已 应 用 于 结 构 静 力 学 结 构 动 力 学 热 力 学 流 体 力 学 电 路 学 电 磁 学 等 ANSYS 软 件 是 融 结 构 流 体 电 场 磁 场 声 场 分 析 于 一 体 的 大 型 通 用 有 限 元 分 析 软 件 ANSYS 软 件 由 美 国 ANSYS 开 发, 提 供 CATIA,UG,PRO/E 等 主 流 CAD 软 件 的 数 据 接 口 作 为 现 代 产 品 设 计 中 的 高 级 CAE 工 具,ANSYS 软 件 是 第 一 个 通 过 ISO9001 质 量 认 证 的 大 型 分 析 设 计 类 软 件, 是 美 国 机 械 工 程 师 协 会 (ASME) 美 国 核 安 全 局 (NQA) 及 近 二 十 种 专 业 技 术 协 会 认 证 的 标 准 分 析 软 件 在 国 内 第 一 个 通 过 了 中 国 压 力 容 器 标 准 化 技 术 委 员 会 认 证 并 在 国 务 院 十 七 个 部 委 推 广 使 用 ANSYS 有 限 元 软 件 包 是 一 个 多 用 途 的 有 限 元 法 计 算 机 设 计 程 序, 可 以 用 来 求 解 结 构 流 体 电 力 电 磁 场 及 碰 撞 等 问 题 因 此 它 可 应 用 于 以 下 工 业 领 域 : 航 空 航 天 汽 车 工 业 生 物 医 学 桥 梁 建 筑 电 子 产 品 重 型 机 械 微 机 电 系 统 运 动 器 械 等 ANSYS 软 件 是 开 放 灵 活 的 数 值 模 拟 软 件, 其 为 产 品 设 计 的 每 一 阶 段 提 供 解 决 方 案, 包 括 通 用 多 物 理 场 数 值 模 拟, 行 业 分 析, 模 型 建 造, 设 计 分 析, 多 目 标 优 化, 客 户 化 结 构 分 析 解 决 方 案,ANSYS 软 件 成 为 从 事 工 程 研 究 与 分 析 的 广 大 企 事 业 单 位, 研 究 院 所 广 泛 使 用 的 计 算 分 析 工 具 1.2 ANSYS12.0 新 功 能 介 绍 2009 年 6 月,ANSYS12.0 在 中 国 正 式 推 出, 作 为 一 个 大 型 的 CAE 分 析 软 件,ANSYS 自 上 个 世 纪 七 十 年 代 诞 生 以 来, 随 着 计 算 机 和 有 限 元 理 论 的 发 展, 在 各 个 领 域 得 到 了 高 度 的 评 价 和 广 泛 的 应 用 伴 随 着 版 本 的 更 新, 分 析 能 力 和 各 项 操 作 功 能 都 得 到 了 更 好 的 完 善 和 发 展 ANSYS12.0 不 仅 在 计 算 速 度 上 进 行 了 改 进, 同 时 增 强 了 软 件 的 几 何 处 理 网 格 划 分 和 后 处 理 等 能 力 另 外, 它 还 将 创 新 的 耳 目 一 新 的 数 值 模 拟 技 术 引 入 各 主 要 物 理 学 科 这 些 改 进 代 表 了 数 值 模 拟 驱 动 产 品 的 发 展 道 路 又 向 前 迈 出 了 一 步 ( 注 : 本 章 节 的 内 容 源 自 ANSYS 官 网 ) ANSYS12.0 Workbench ANSYS12.0 Workbench 作 为 一 个 框 架, 整 合 现 有 的 应 用, 将 数 值 模 拟 过 程 结 合 在 一 起, 在 工 程 页 引 入 了 工 程 流 程 图 的 概 念, 见 图 1-1 通 过 该 项 功 能, 一 个 复 杂 的 包 含 多 场 分 析 的 物 理 问 题, 通 过 系 统 间 的 连 接 实 现 相 关 性 图 表 元 素 右 边 的 状 态 符 号 显 示 了 该 项 设 置 是 否 需 要 更 新 输 入 等, 方 便 使 用 者 查 看 设 置 状 态 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 4

图 1-1 ANSYS12.0 Workbench 工 程 页 图 1-2 ANSYS12.0 Workbench 核 心 应 用 程 序 界 面 此 外,ANSYS12.0 Workbench 平 台 还 可 以 作 为 一 个 应 用 开 发 框 架, 提 供 项 目 全 脚 本 报 告 用 户 界 面 (UI) 工 具 包 和 标 准 的 数 据 接 口, 该 功 能 将 随 后 发 布 在 ANSYS12.0 版 本 中, 工 程 数 据 和 DesignExploration 将 不 再 是 独 立 的 应 用 程 序, 通 过 工 具 箱 它 们 被 重 新 设 计 整 合 在 ANSYS12.0 Workbench 工 程 页 下 尽 管 工 程 页 做 了 较 大 调 整, 但 Workbench 的 核 心 应 用 程 序 及 操 作 界 面 并 无 大 的 改 变, 见 图 1-2 在 这 个 创 新 的 框 架 下, 工 程 师 可 以 完 成 一 个 完 整 的 数 值 模 拟, 包 括 CAD 集 成 几 何 修 改 和 网 格 划 分 工 程 页 的 概 念 流 程 图 帮 助 指 导 使 用 者 完 成 复 杂 的 分 析, 说 明 和 明 确 数 据 关 系, 捕 捉 自 动 化 的 过 程 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 5

几 何 & 网 格 划 分 ANSYS12.0 在 其 深 厚 的 知 识 和 经 验 的 基 础 上, 融 合 了 丰 富 的 几 何 和 网 格 划 分 技 术, 整 合 后 的 几 何 和 网 格 划 分 解 决 方 案, 在 不 同 的 分 析 应 用 中 可 以 共 享 几 何 和 网 格 信 息, 对 几 何 接 口 进 行 了 增 强, 通 过 几 何 接 口 使 用 者 可 以 从 CAD 系 统 中 输 入 更 多 的 信 息, 包 括 新 的 数 据 类 型 如 : 用 于 模 拟 梁 的 线 体 ; 附 加 属 性 如 颜 色 坐 标 系 及 在 CAD 系 统 中 改 进 的 命 名 选 择 等 前 处 理 大 模 型 时, 支 持 64 位 操 作 系 统, 可 以 对 几 何 进 行 智 能 有 选 择 更 新 另 外,ANSYS12.0 Workbench 增 强 了 创 建 几 何 的 功 能, 提 供 了 更 多 的 自 动 化 功 能 和 更 强 的 适 应 性, 增 加 了 合 并 连 接 和 映 射 等 功 能 用 于 曲 面 建 模 新 增 工 具 可 以 自 动 探 测 处 理 常 见 问 题, 如 小 边 碎 面 孔 洞 裂 痕 以 及 尖 角 面 新 版 本 对 几 何 模 型 的 修 改 和 处 理 速 度 更 快 图 1-3 显 示 了 清 除 前 后 的 飞 机 模 型 图 1-3 采 用 几 何 清 除 工 具 前 后 的 飞 机 模 型 自 动 网 格 划 分 解 决 方 案 在 流 体 动 力 学 中 取 得 了 很 好 的 结 果 应 用 GAMBIT 和 TGrid 的 网 格 附 加 功 能, 可 以 在 最 少 输 入 情 况 下, 自 动 生 成 合 适 的 进 行 计 算 流 体 动 力 学 分 析 的 四 面 体 网 格 另 外, 它 融 合 了 高 级 尺 寸 函 数 ( 与 GAMBIT 相 似 ) 棱 柱 及 四 面 体 网 格 ( 来 自 TGRID) 及 其 他 网 格 划 分 技 术, 改 进 了 网 格 平 滑 度 网 格 质 量 划 分 速 度 曲 率 近 似 功 能 捕 捉 边 界 分 层 捕 捉 等 功 能 尽 管 许 多 功 能 是 出 于 流 体 动 力 学 的 应 用 而 改 进 的, 但 是 它 们 仍 然 可 以 用 于 其 他 数 值 模 拟 分 析 应 用 如 结 构 分 析 的 用 户 可 以 应 用 这 些 功 能, 得 到 自 动 化 和 高 质 量 的 网 格 新 增 多 区 域 网 格 划 分 方 法 使 用 户 在 不 进 行 几 何 分 割 的 情 况 下, 可 以 对 复 杂 的 几 何 模 型 划 分 纯 六 面 体 网 格, 图 1-4 为 对 制 动 器 转 子 执 行 一 次 操 作 所 得 到 的 六 面 体 网 格 多 物 理 场 图 1-4 制 动 器 转 子 六 面 体 网 格 新 版 本 扩 展 了 多 场 求 解 功 能 新 增 功 能 及 增 强 功 能 可 以 处 理 直 接 耦 合 和 顺 序 耦 合 的 多 物 理 场 问 题,ANSYS12.0 Workbench 下 的 多 场 数 值 模 拟 速 度 比 以 前 更 快 ANSYS12.0 将 求 解 器 技 术 整 合 在 一 个 统 一 的 数 值 模 拟 环 境 中, 为 多 场 求 解 提 供 了 更 有 效 的 工 作 流 程 扩 展 分 布 式 稀 疏 求 解 器 功 能, 支 持 共 享 和 分 布 式 计 算 环 境 下 的 非 对 称 和 复 杂 矩 阵 这 种 新 的 求 解 技 术 极 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 6

大 的 缩 短 了 某 些 直 接 耦 合 解 决 方 案 的 执 行 时 间, 如 : 包 含 Peltier 和 Seebeck 效 应 的 耦 合 场 分 析, 及 热 电 耦 合 分 析 等 此 外, 可 以 应 用 直 接 耦 合 单 元 模 拟 多 孔 介 质 的 渗 流 ANSYS12.0 Workbench 框 架 支 持 直 接 耦 合 场 分 析, 相 关 的 直 接 耦 合 场 单 元 (SOLID226 和 SOLID227) 支 持 热 电 耦 合 此 外, 还 有 一 个 热 电 耦 合 分 析 系 统 支 持 温 度 相 关 材 料 的 焦 耳 传 热 分 析 和 高 级 热 电 效 应, 如 Peltier 和 Seebeck 效 应 该 新 技 术 的 应 用 领 域 包 括 集 成 电 路 电 子 轨 道 排 线 和 热 电 制 冷 装 置 的 焦 耳 热 分 析 图 1-5 Workbench 热 电 分 析 (WEG 电 子 装 备 授 权 ) 流 固 耦 合 功 能 中 提 出 了 一 种 新 的 Immersed Solid FSI 算 法 这 是 一 种 基 于 网 格 重 叠 的 技 术, 流 体 和 固 体 区 域 各 自 拥 有 一 套 网 格, 该 算 法 可 以 帮 助 工 程 师 模 拟 流 场 中 运 动 刚 体 与 流 体 之 间 的 相 互 作 用 ANSYS12.0 流 固 耦 合 的 另 外 一 个 新 功 能 就 是 可 以 通 过 求 解 非 线 性 雷 诺 压 膜 方 程 来 解 决 FSI 涉 及 到 薄 液 膜 的 非 线 性 瞬 态 应 用 12.0 版 本 提 供 了 另 外 一 个 FSI 功 能 : 该 功 能 采 用 ANSYS12.0 FLUENT 软 件 作 为 CFD 求 解 器 来 进 行 单 向 流 固 耦 合 计 算, 基 于 ANSYS12.0 CFX-Post, 可 以 使 表 面 温 度 和 表 面 力 在 ANSYS12.0 FLUENT 和 ANSYS12.0 Mechanical 产 品 之 间 进 行 单 向 载 荷 传 递 结 构 力 学 12.0 版 本 在 结 构 应 用 中 的 驱 动 工 程 设 计 过 程 功 能 得 到 了 很 大 的 改 进 许 多 新 增 功 能 及 工 具 整 合 到 ANSYS12.0 Workbench 平 台 中, 以 缩 短 整 体 求 解 时 间 另 外, 在 单 元 材 料 接 触 求 解 性 能 线 性 动 力 学 刚 体 动 力 学 及 柔 体 动 力 学 上 也 集 中 进 行 了 改 进 图 1-6 涡 轮 机 叶 片 裂 纹 分 析 ( 经 PADT 许 可 ) 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 7

ANSYS12.0 中 最 引 人 注 目 的 新 单 元 是 用 于 超 弹 性 或 成 型 应 用 中 模 拟 复 杂 几 何 的 4 节 点 四 面 体 单 元 它 缩 短 了 从 几 何 到 求 解 的 分 析 时 间, 同 时 保 证 了 求 解 的 精 确 度 材 料 方 面, 在 原 有 众 多 选 择 的 基 础 上 引 入 了 几 个 新 材 料, 如 Gurson 材 料, 可 用 于 模 拟 聚 合 体 及 聚 合 体 复 合 材 料 等 装 配 体 分 析 在 数 值 模 拟 中 越 来 越 重 要,ANSYS12.0 增 强 了 高 级 接 触 属 性, 开 发 了 包 含 许 多 附 加 接 触 模 拟 特 征, 包 括 新 增 接 触 算 法 自 动 去 除 过 约 束 接 触 对 修 整 等 功 能, 在 求 解 接 触 问 题 时 得 到 了 极 大 的 改 进, 缩 短 了 求 解 时 间, 加 快 了 求 解 速 度 ANSYS12.0 改 善 了 求 解 器 性 能, 新 增 一 个 新 的 模 态 求 解 器, 称 为 SNODE, 用 于 求 解 大 模 型 ( 超 过 100 万 自 由 度 ) 的 大 数 量 振 型 ( 几 百 阶 振 型 ) 并 行 求 解 器 DANSYS 的 功 能 也 进 行 了 改 进, 支 持 低 频 电 磁 分 析 高 频 电 磁 分 析 PSTRESS PSOLVE 及 循 环 对 称 分 析, 可 以 有 效 的 解 决 电 磁 问 题 转 子 动 力 学 问 题 及 循 环 对 称 和 应 力 强 化 问 题, 节 约 求 解 时 间, 图 7 为 所 用 并 行 数 目 对 求 解 时 间 的 影 响 图 1-7 DANSYS12.0 求 解 效 率 对 此 ANSYS12.0 Structural Mechanical 及 Multiphysics 在 刚 体 动 力 学 及 柔 体 动 力 学 功 能 上 做 了 改 进, 可 以 快 速 处 理 机 构 问 题 另 外, 对 数 据 及 过 程 的 众 多 改 进 增 加 了 ANSYS 刚 体 动 力 学 数 值 模 拟 的 易 用 性 流 体 动 力 学 ANSYS12.0 将 流 体 产 品 完 全 整 合 进 入 ANSYS12.0 Workbench 环 境, 以 在 该 环 境 下 进 行 数 值 模 拟 工 作 流 程 的 管 理 用 户 可 以 采 用 ANSYS12.0 CFX 或 ANSYS12.0 Fluent 软 件 来 创 建 连 接 重 复 使 用 系 统 来 完 成 自 动 参 数 化 分 析, 然 后 进 行 多 物 理 场 无 缝 管 理 数 值 模 拟 图 1-8 内 燃 机 腔 内 流 体 数 值 模 拟 结 果 ANSYS 一 直 坚 持 不 懈 的 致 力 于 改 进 求 解 器 速 度, 以 使 所 有 用 户 从 中 受 益 囊 括 工 业 应 用 的 一 系 列 案 例 显 示,ANSYS12.0 CFX 和 ANSYS12.0 Fluent 求 解 器 速 度 已 经 提 高 了 百 分 之 十 到 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 8

百 分 之 二 十, 甚 至 更 多 ANSYS12.0 Fluent 通 过 显 式 松 弛 增 加 了 密 度 基 隐 式 求 解 器 的 稳 健 性, 采 用 递 推 映 射 方 法 选 项 来 提 高 稳 定 性 ( 耦 合 压 力 基 求 解 器 ), 极 大 的 增 强 了 求 解 器 性 能 另 外, 程 序 的 易 用 性 在 很 多 方 面 得 到 了 提 高 ANSYS12.0 Fluent 采 用 单 视 框 用 户 图 形 界 面, 以 便 和 Workbench 中 的 其 他 分 析 应 用 保 持 一 致, 同 时 改 进 了 TUI 日 志 的 鲁 棒 性, 扩 展 了 Case Check 的 推 荐 功 能, 在 用 户 界 面 发 展 史 上 又 前 进 了 一 步 ANSYS12.0 CFX 软 件 界 面 风 格 上 的 主 要 改 进 在 于 增 加 了 图 形 用 户 界 面 (GUI) ANSYS12.0 的 一 个 新 功 能 允 许 用 户 定 制 界 面 外 观, 包 括 创 建 附 加 输 入 面 板 定 制 面 板 通 过 GUI 布 局 和 必 要 的 输 入 进 行 控 制, 将 常 用 操 作 及 基 本 过 程 封 装 一 起 数 值 模 拟 过 程 及 数 据 管 理 在 今 天 全 球 化 环 境 中, 数 值 模 拟 和 设 计 不 断 整 合, 使 有 效 的 合 作 和 交 流 成 为 产 品 开 发 必 不 可 少 的 一 部 分 ANSYS12.0 工 程 知 识 管 理 (EKM) 解 决 方 案 旨 在 解 决 数 值 模 拟 和 CAE 界 的 数 值 模 拟 过 程 和 数 据 管 理 (SPDM) 难 题 ANSYS12.0 EKM 内 容 包 括 如 何 更 好 的 管 理 共 享 重 复 使 用 数 值 模 拟 数 据 以 及 如 何 更 好 的 捕 捉 和 重 复 使 用 数 值 模 拟 结 果 等 工 程 专 业 技 术 ANSYS12.0 EKM 共 有 三 个 版 本 :ANSYS12.0 EKM Desktop ANSYS12.0 EKM Workgroup 和 ANSYS12.0 EKM Enterprise 这 三 个 版 本 分 别 面 向 个 人 用 户 工 作 组 及 企 业 级 用 户 ANSYS12.0 EKM Desktop 是 ANSYS12.0 EKM 产 品 中 单 用 户 局 部 环 境 版 本, 作 为 ANSYS12.0 的 一 部 分, 已 经 集 成 于 ANSYS12.0 Workbench 环 境, 通 过 提 供 数 据 搜 索 修 补 和 报 告 特 性, 解 决 已 有 数 值 模 拟 任 务 的 重 复 使 用, 满 足 单 个 用 户 的 数 据 管 理 需 求, 提 高 生 产 力 和 效 率 应 用 ANSYS12.0 Emag 由 于 Ansoft 和 ANSYS 开 发 团 队 的 组 合,ANSYS12.0 将 Ansoft 电 子 设 计 分 析 产 品 融 入 ANSYS12.0 框 架,ANSYS12.0 使 用 者 将 很 快 在 ANSYS12.0 中 从 改 进 和 扩 展 的 Electromagnetic 功 能 中 获 益 ANSYS12.0 中 的 Emag 软 件 包 含 了 一 个 新 的 用 于 低 频 电 磁 数 值 模 拟 3D 实 体 单 元 家 族 (SOLID236 和 SOLID237), 可 用 于 模 拟 静 磁 时 谐 分 析 和 瞬 态 电 磁 场 分 析 用 户 可 以 在 大 多 数 的 低 频 电 磁 应 用 中 采 用 这 些 新 单 元, 如 电 机 螺 线 管 等 电 磁 设 备 图 1-9 SOLID236 和 SOLID237 和 新 的 绞 线 选 项 求 解 的 非 线 性 瞬 态 分 析 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 9

显 式 动 力 学 ANSYS12.0 在 显 式 动 力 学 领 域 倾 注 了 大 量 的 精 力, 包 括 附 加 新 产 品, 使 该 技 术 对 于 无 使 用 经 验 者 也 易 于 使 用 另 外, 增 强 ANSYS12.0 LS-DYNA 和 ANSYS12.0 AUTODYN 产 品 功 能, 为 用 户 提 供 更 大 的 便 利 新 增 ANSYS12.0 Explicit STR 软 件, 它 基 于 ANSYS12.0 AUTODYN 产 品 的 拉 氏 算 子 部 分, 是 ANSYS12.0 Workbench 界 面 第 一 个 本 地 显 式 软 件 该 技 术 可 用 于 满 足 固 体 流 体 气 体 及 它 们 之 间 相 互 作 用 的 非 线 性 动 力 学 数 值 模 拟, 对 已 有 Workbench 环 境 使 用 经 验 的 使 用 者, 该 软 件 有 更 好 的 适 用 性 图 1-10 ANSYS12.0Explicit STR 应 用 实 例 ANSYS12.012.0 的 新 增 功 能 和 增 强 功 能 还 有 很 多, 本 文 未 作 一 一 阐 述 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 10

第 2 章 ANSYS12.0 Workbench 平 台 的 使 用 2.1 有 限 元 分 析 与 ANSYS12.0 Workbench 由 于 计 算 规 模 和 计 算 方 法 的 限 制, 早 期 的 FEA 工 具 只 能 用 来 求 解 一 些 简 化 的 2D 稳 态 线 性 工 程 问 题 随 着 数 字 技 术 的 发 展 及 计 算 能 力 的 提 高, 越 来 越 多 的 复 杂 问 题 可 由 数 值 模 拟 分 析 工 具 解 决 事 实 上, 实 际 的 工 程 问 题 往 往 涉 及 结 构 流 体 流 动 热 传 导 电 磁 学 等 各 种 不 同 的 物 理 环 境, 而 解 决 这 些 领 域 中 的 工 程 问 题, 有 限 元 方 法 已 经 得 到 成 功 且 广 泛 的 应 用 多 数 情 况 下, 使 用 对 称 反 对 称 平 面 应 力 平 面 应 变 等 简 化 假 定 能 更 有 效 的 完 成 3D 模 型 的 数 值 模 拟 分 析 也 就 是 说, 如 果 工 程 问 题 满 足 简 化 条 件, 我 们 就 应 该 使 用 这 些 简 化 假 设, 而 不 必 进 行 3D 整 体 模 型 的 数 值 模 拟 分 析 ANSYS12.0 Workbench 有 限 元 数 值 模 拟 分 析 软 件 用 来 模 拟 复 杂 的 多 物 理 场 环 境 的 实 际 工 程 问 题, 它 在 工 程 页 面 引 入 了 工 程 流 程 图 的 概 念, 通 过 各 个 分 析 系 统 间 的 连 接, 将 数 值 模 拟 过 程 结 合 在 一 起, 每 个 分 析 系 统 的 数 值 模 拟 过 程 一 般 是 采 用 简 化 假 定 或 者 真 实 的 物 理 模 型, 将 CAD 模 型 构 造 成 有 限 元 网 格 模 型, 再 通 过 施 加 载 荷 和 边 界 条 件 后 运 行 求 解 得 到 分 析 结 果, 分 析 系 统 之 间 通 过 共 同 变 量 建 立 关 联 ANSYS12.0 Workbench 提 供 的 分 析 类 型 如 下 : 结 构 静 力 分 析 用 来 求 解 外 载 荷 引 起 的 位 移 应 力 和 约 束 反 力 静 力 分 析 很 适 合 求 解 惯 性 和 阻 尼 对 结 构 的 影 响 并 不 显 著 的 问 题 静 力 分 析 不 仅 可 以 进 行 线 性 分 析, 而 且 也 可 以 进 行 非 线 性 分 析, 结 构 非 线 性 导 致 结 构 或 部 件 的 响 应 随 外 载 荷 不 成 比 例 变 化 可 求 解 的 静 态 非 线 性 问 题, 包 括 材 料 非 线 性 : 如 塑 性 大 应 变 ; 几 何 非 线 性 : 如 膨 胀 大 变 形 ; 单 元 非 线 性 如 接 触 分 析 等 结 构 动 力 学 分 析 结 构 动 力 学 分 析 用 来 求 解 随 时 间 变 化 的 载 荷 对 结 构 或 部 件 的 影 响 与 静 力 分 析 不 同, 动 力 分 析 要 考 虑 随 时 间 变 化 的 力 载 荷 以 及 它 对 阻 尼 和 惯 性 的 影 响 动 力 学 分 析 可 以 分 析 大 型 三 维 柔 体 和 刚 体 运 动 当 运 动 的 积 累 影 响 起 主 要 作 用 时, 可 使 用 这 些 功 能 分 析 复 杂 结 构 在 空 间 中 的 运 动 特 性, 并 确 定 结 构 中 由 此 产 生 的 应 力 应 变 和 变 形 结 构 动 力 学 分 析 类 型 包 括 : 模 态 分 析 谐 波 响 应 分 析 响 应 谱 分 析 随 机 振 动 响 应 分 析 瞬 态 动 力 学 分 析 显 式 动 力 分 析 等 热 分 析 热 分 析 可 处 理 热 传 递 的 三 种 基 本 类 型 : 传 导 对 流 和 辐 射 热 传 递 的 三 种 类 型 均 可 进 行 稳 态 和 瞬 态 线 性 和 非 线 性 分 析 热 分 析 应 用 于 热 处 理 问 题 电 子 封 装 发 动 机 组 压 力 容 器 流 固 耦 合 问 题 热 结 构 耦 合 的 热 应 力 问 题 等 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 11

流 体 动 力 学 分 析 ANSYS12.0 流 体 动 力 学 分 析 包 含 CFX 和 Fluent, 分 析 类 型 可 以 为 瞬 态 或 稳 态 分 析 结 果 可 以 是 每 个 节 点 的 压 力 和 通 过 每 个 单 元 的 流 速 并 且 可 以 利 用 后 处 理 功 能 产 生 压 力 流 速 和 温 度 分 布 的 图 形 显 示 电 磁 场 分 析 主 要 用 于 电 磁 场 问 题 的 分 析, 如 电 感 电 容 磁 通 量 密 度 涡 流 电 场 分 布 磁 力 线 分 布 力 运 动 效 应 电 路 和 能 量 损 失 等 还 可 用 于 螺 线 管 变 压 器 发 电 机 电 解 槽 及 无 损 检 测 装 置 等 设 计 和 分 析 领 域 耦 合 场 分 析 通 过 直 接 耦 合 或 载 荷 传 递 顺 序 耦 合 求 解 不 同 场 的 交 互 作 用, 用 于 分 析 诸 如 流 体 - 结 构 耦 合 结 构 - 热 耦 合 热 电 耦 合 等 问 题 2.2 ANSYS12.0 WORKBENCH 工 程 数 值 模 拟 分 析 一 般 过 程 通 常 下 面 的 过 程 可 以 完 成 一 般 的 有 限 元 数 值 模 拟, 然 而, 值 得 提 示 的 是, 利 用 Workbench 平 台 模 拟 不 同 分 析 类 型 的 工 程 问 题 时, 比 如 静 力 分 析 动 力 分 析 自 由 振 动 等, 这 些 分 析 类 型 中 可 能 包 含 不 同 的 材 料 非 线 性 瞬 态 载 荷 刚 体 运 动 等 特 征, 这 就 需 要 增 加 相 应 的 属 性 定 义 以 帮 助 完 成 分 析 ANSYS12.0 Workbench 工 程 数 值 模 拟 一 般 过 程 如 下 : 1 选 择 工 程 问 题 的 分 析 类 型, 将 分 析 系 统 加 入 工 程 流 程 图 2 使 用 分 析 系 统 3 DesignModeler 建 立 几 何 模 型 或 CAD 接 口 关 联 几 何 模 型 4 利 用 提 供 的 工 程 材 料 或 自 定 义 来 分 配 材 料 属 性 5 施 加 载 荷 和 边 界 条 件 6 设 置 需 要 求 解 得 到 的 结 果 7 计 算 求 解 8 查 看 评 估 结 果 9 添 加 关 联 系 统 10 查 看 参 数 和 设 计 点 11 生 成 有 限 元 数 值 模 拟 分 析 报 告 2.2.1 ANSYS12.0 Workbench 界 面 ANSYS12.0 Workbench 中 采 用 Workbench 2.0 的 框 架 体 系,Workbench 2.0 整 合 所 有 的 功 能, 将 不 同 分 析 类 型 的 数 值 模 拟 过 程 结 合 在 一 起, 和 以 往 的 版 本 不 同,Workbench 2.0 中 引 入 工 程 流 程 图 的 方 式 管 理 工 程 项 目, 通 过 该 功 能, 一 个 复 杂 的 多 物 理 场 分 析 问 题, 通 过 系 统 间 的 相 互 关 联 来 实 现 图 2-1 是 Workbench 界 面, 该 界 面 由 以 下 区 域 构 成 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 12

图 2-1 ANSYS12.0 Workbench 界 面 1 主 菜 单 ( 图 2-2) 主 菜 单 包 括 基 本 的 菜 单 系 统, 如 文 件 操 作 File, 窗 口 显 示 View, 提 供 工 具 Tools, 单 位 制 Units, 帮 助 信 息 Help 2 基 本 工 具 条 ( 图 2-3) 图 2-2 主 菜 单 基 本 工 具 条 包 括 常 用 命 令 按 钮, 如 新 建 文 件 New, 打 开 文 件 Open, 保 存 文 件 Save, 另 存 为 文 件 Save As, 导 入 模 型 Import, 紧 凑 视 图 模 式 Compact Mode 图 2-3 基 本 工 具 条 3 工 具 箱 ( 图 2-4) Workbench 界 面 左 侧 是 工 具 箱, 工 具 箱 窗 口 中 包 含 了 工 程 数 值 模 拟 所 需 的 各 类 模 块 工 具 箱 包 括 分 析 系 统 Analysis Systems, 如 图 2-4, 分 析 系 统 显 示 不 同 的 分 析 类 型 见 表 2-1 组 件 系 统 Component Systems, 如 图 2-5, 组 件 系 统 显 示 不 同 的 组 件 类 型 见 表 2-2 自 定 义 系 统 CustomSystems, 设 计 优 化 Design Exploration 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 13

表 2-1 分 析 系 统 说 明 分 析 类 型 Electric (ANSYS) Explicit Dynamics (ANSYS) Fluid Flow (CFX) Fluid Flow (Fluent) Hamonic Response (ANSYS) Linear Buckling (ANSYS) Magnetostatic (ANSYS) Modal (ANSYS) Random Vibration (ANSYS) Response Spectrum (ANSYS) Shape Optimization (ANSYS) Static Structural (ANSYS) Steady-State Thermal (ANSYS) Thermal-Electric (ANSYS) Transient Structural(ANSYS) Transient Structural(MBD) Transient Thermal(ANSYS) 说 明 ANSYS 电 场 分 析 ANSYS 显 式 动 力 学 分 析 CFX 流 体 分 析 FLUENT 流 体 分 析 ANSYS 谐 响 应 分 析 ANSYS 线 性 屈 曲 ANSYS 静 磁 场 分 析 ANSYS 模 态 分 析 ANSYS 随 机 振 动 分 析 ANSYS 响 应 谱 分 析 ANSYS 形 状 优 化 分 析 ANSYS 结 构 静 力 分 析 ANSYS 稳 态 热 分 析 ANSYS 热 电 耦 合 分 析 ANSYS 结 构 瞬 态 分 析 MBD 多 体 结 构 动 力 分 析 ANSYS 瞬 态 热 分 析 图 2-4 分 析 系 统 表 2-2 组 件 类 型 说 明 图 2-5 组 件 系 统 4 工 程 流 程 图 组 件 类 型 AUTODYN BladeGen CFX Engineering Data Explicit Dynamic (LS-DYNA) Finite Element Modeler FLUNET Geometry Mechanical APDL Mechanical Model Mesh Results TurboGrid Vista TF 说 明 AUTODYN 非 线 性 显 式 动 力 分 析 涡 轮 机 械 叶 片 设 计 工 具 CFX 高 端 流 体 分 析 工 具 工 程 数 据 工 具 LS-DYNA 显 式 动 力 分 析 FEM 有 限 元 模 型 工 具 FLUNET 流 体 分 析 几 何 建 模 工 具 机 械 APDL 命 令 机 械 分 析 模 型 网 格 划 分 工 具 结 果 后 处 理 工 具 涡 轮 叶 栅 通 道 网 格 生 成 工 具 叶 片 二 维 性 能 评 估 工 具 在 ANSYS12.0 Workbench 中 工 程 流 程 图 是 管 理 工 程 的 一 个 区 域, 如 图 2-1 右 侧 所 示, 分 析 系 统 和 各 个 组 件 都 可 以 加 入 工 程 流 程 图, 并 建 立 关 联 对 于 熟 悉 ANSYS11.0 Workbench 的 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 14

使 用 者 来 说, 使 用 工 程 页 面 管 理 数 值 模 拟 文 件 并 不 是 件 困 难 的 事 在 ANSYS12.0 版 本 里, 工 程 页 面 的 文 件 管 理 被 分 析 流 程 所 取 代 Project Schematic 工 程 流 程 图 窗 口 引 入 图 表 显 示 方 式 管 理 整 个 工 程, 依 靠 引 入 分 析 系 统, 描 述 工 作 流 程 及 使 用 ANSYS12.0 Workbench 中 的 各 项 功 能 2.2.2 分 析 系 统 加 入 工 程 流 程 图 下 面 使 用 ANSYS12.0 Workbench 开 始 一 个 工 程 数 值 模 拟 过 程, 先 关 闭 Getting Started 欢 迎 界 面, 按 住 鼠 标 左 键, 将 需 要 的 流 体 分 析 类 型 Fluid Flow(CFX) 从 工 具 箱 窗 口 拖 入 工 程 流 程 图 窗 口, 如 图 2-6, 在 此 我 们 可 以 看 到, 由 于 选 择 了 CFX 流 体 分 析 系 统, 工 程 流 程 图 中 就 会 生 成 CFX 流 体 分 析 图 表,CFX 流 体 分 析 图 表 显 示 了 执 行 CFX 流 体 分 析 的 工 作 流 程, 其 中 每 一 个 单 元 格 命 令 分 别 代 表 CFX 流 体 分 析 过 程 中 所 需 的 每 个 步 骤 根 据 CFX 流 体 分 析 图 表 所 示, 从 上 往 下 执 行 每 个 单 元 格 命 令, 我 们 就 可 以 从 头 到 尾 进 行 流 体 数 值 模 拟, 也 就 是 先 得 到 几 何 模 型, 然 后 利 用 几 何 模 型 生 成 有 限 元 网 格 模 型, 然 后 设 置 数 值 模 拟 的 物 理 条 件, 然 后 计 算 并 求 解 得 到 结 果, 最 后 在 后 处 理 中 显 示 得 到 的 结 果 单 元 格 右 边 的 图 标 实 时 提 示 每 个 步 骤 的 当 前 状 态 图 2-6 工 程 流 程 图 窗 口 继 续 下 面 的 分 析, 如 果 需 要 释 放 一 些 屏 幕 空 间, 可 以 关 闭 工 具 箱 窗 口, 点 击 Save 保 存 按 钮, 可 以 随 时 保 存 此 工 程 分 析 图 2-7 保 存 工 程 分 析 文 件 2.2.3 使 用 分 析 系 统 图 2-7 保 存 工 程 分 析 文 件 点 击 鼠 标 右 键, 选 择 Geomety 几 何 模 型 单 元 格, 选 择 Geomety New Geomety Import Geomety Wing.agdb 文 件, 建 立 几 何 模 型 如 图 2-8, 此 案 例 中 加 载 现 有 的 几 何 模 型 Wing.agdb, 鼠 标 右 键 选 择 Geomety Edit 可 以 进 入 DesignModeler 编 辑 几 何 模 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 15

型 见 图 2-9. 几 何 模 型 修 改 后 可 以 最 小 化 或 关 闭 DesignModeler 窗 口 提 示, 我 们 并 没 有 保 存 DesignModeler 中 的 几 何 模 型,ANSYS12.0 Workbench 会 在 后 台 自 动 运 行 文 件 管 理 功 能, 保 存 文 件 Geomety 后 面 的 打 勾 标 记 表 明 可 以 进 行 下 一 个 网 格 划 分 的 步 骤 图 2-8 建 立 几 何 模 型 图 2-9 编 辑 几 何 模 型 点 击 鼠 标 右 键, 选 择 单 元 格 Mesh Edit,Workbench 将 调 入 相 应 的 分 析 系 统 窗 口, 改 变 网 格 尺 寸, 单 元 网 格 会 自 动 更 新, 当 修 改 网 格 划 分 后, 可 以 关 闭 或 最 小 化 该 窗 口, 得 到 有 限 元 网 格 模 型 见 图 2-10 图 2-10 有 限 元 网 格 模 型 点 击 鼠 标 右 键, 选 择 单 元 格 Setup Edit,Workbench 将 加 载 CFX-Pre 功 能 窗 口 见 图 2-11, 这 里 设 置 所 需 的 流 场 物 理 环 境, 设 置 完 成 后, 可 以 关 闭 或 最 小 化 该 窗 口, Setup 单 元 格 自 动 更 新 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 16

图 2-11 CFX-Pre 窗 口 设 置 流 场 物 理 环 境 点 击 鼠 标 右 键, 选 择 单 元 格 Solution Edit,Workbench 将 加 载 CFX-Solver Manager 功 能 窗 口, 在 这 里 进 行 计 算 得 到 收 敛 解 见 图 2-12 求 解 完 成 后, Solution 单 元 格 自 动 更 新 图 2-12 计 算 求 解 点 击 鼠 标 右 键, 选 择 单 元 格 Results Edit,Workbench 将 加 载 CFX-Post 功 能 窗 口, 在 这 里 进 行 结 果 后 处 理 得 到 所 需 的 结 果 见 图 2-13 2.2.4 使 用 Workbench 功 能 图 2-13 结 果 后 处 理 点 击 鼠 标 左 键, 选 择 Workbench 功 能 菜 单 中 View Files, 分 析 过 程 中 涉 及 到 的 文 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 17

件 列 表 显 出 出 来, 见 图 2-14. 图 2-14 文 件 列 表 现 在, 选 择 单 元 格 命 令 Geometry Edit, 在 DesignModeler 窗 口 改 变 模 型 位 置 后, 会 看 到 CFX 图 表 中, 下 游 单 元 格 命 令 随 着 上 游 单 元 格 命 令 的 变 化 立 即 产 生 相 应 的 改 变 我 们 也 可 以 鼠 标 右 击 每 个 单 元 格 Update 得 到 更 新, 或 者 选 择 工 具 按 钮 Update Project 以 批 处 理 方 式 进 行 更 新, 见 图 2-15 图 2-15 工 程 更 新 2.2.5 添 加 关 联 分 析 系 统 下 面 将 CFX 求 解 结 果 作 为 结 构 加 载 的 边 界 条 件 完 成 结 构 静 力 分 析 点 击 鼠 标 右 键, 选 择 Solution Transfer Data to New Static structural (ANSYS) 见 图 2-16 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 18

图 2-16 载 入 静 力 分 析 类 型 新 的 静 力 分 析 系 统 加 入 工 程 流 程 图, 静 力 分 析 系 统 中, 同 样, 每 个 单 元 格 依 次 排 序 来 表 示 分 析 过 程 的 每 个 步 骤, 两 个 分 析 系 统 中 的 方 点 连 线 表 示 共 享 内 容, 也 就 是 几 何 模 型 是 一 致 的, 圆 点 连 线 表 示 求 解 结 果 将 从 前 一 个 分 析 系 统 传 递 到 后 一 个 分 析 系 统, 见 图 2-17 图 2-17 关 联 分 析 系 统 点 击 鼠 标 右 键, 选 择 Model Edit, 图 2-18, 进 入 Static Structual (ANSYS) 界 面, 可 以 看 到, 流 体 模 型 部 分 被 抑 制, 仅 显 示 出 结 构 的 实 体 模 型, 对 结 构 实 体 模 型 网 格 划 分 如 图 2-19. 图 2-18 编 辑 模 型 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 19

图 2-19 结 构 有 限 元 网 格 选 择 结 构 表 面, 流 场 计 算 的 压 力 载 荷 自 动 传 递 到 改 表 面, 计 算 求 解, 结 构 静 力 分 析 结 果 如 图 2-20 提 示 : 所 有 静 力 分 析 系 统 中 单 元 内 容 自 动 更 新 如 果 再 次 改 变 几 何 模 型, 点 击 Update Project 按 钮, 工 程 所 有 单 元 会 全 部 更 新, 参 见 图 2-21 图 2-20 静 力 分 析 结 果 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 20

图 2-21 工 程 更 新 结 果 示 意 2.2.6 参 数 化 设 计 及 工 程 数 值 模 拟 优 化 参 数 化 设 计 可 以 更 好 的 比 较 设 计 方 案 优 劣, 我 们 可 以 在 分 析 系 统 中 定 义 可 变 参 数, 可 变 参 数 加 入 分 析 系 统 图 表, 工 程 图 表 显 示 出 Parameter Set 参 数 设 置 栏, 如 图 2-22 图 2-22 参 数 化 设 计 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 21

点 击 Parameter Set 参 数 设 置 栏, 载 入 设 计 点 表 格, 表 格 中 每 一 行 代 表 一 个 参 数 设 计 方 案, 增 加 行, 可 以 生 成 新 的 设 计 方 案, 选 择 工 具 栏 按 钮 Update All Design Points 可 以 更 新 所 有 的 设 计 方 案, 如 图 2-23 关 闭 设 计 方 案 窗 口, 回 到 工 程 流 程 图 窗 口 图 2-23 设 计 方 案 图 表 下 面 使 用 CFX 网 格 设 置 FLUENT 流 体 分 析, 在 Toolbox 工 具 箱 内 选 择 Componet Systems 组 件 系 统 来 组 建 工 程, 把 Componet Systems 中 FLUENT 流 体 拖 入 工 程 流 程 图 的 空 白 区 将 生 成 一 个 独 立 系 统, 如 果 拖 入 到 已 有 的 分 析 系 统 单 元 将 和 已 有 的 系 统 共 享 单 元 数 据 或 者 从 已 有 系 统 中 导 入 单 元 数 据, 该 工 程 也 可 以 得 到 FLUENT 求 解 器 计 算 的 流 体 分 析 结 果 见 图 2-24 图 2-24 加 入 FLUENT 流 体 分 析 组 件 2.2.7 自 定 义 工 程 数 值 模 拟 分 析 流 程 如 果 想 把 工 程 流 程 图 用 于 其 它 的 工 程 项 目, 可 以 将 该 示 意 图 保 存 为 自 定 义 工 程 模 板, 以 供 以 后 调 用, 鼠 标 右 击 工 程 流 程 图 Project Schematic, 选 择 Add to Custom, 在 Add Project Template 添 加 工 程 模 板 窗 口 输 入 名 称 即 可, 见 图 2-25, 点 击 View All/Customize 可 以 简 化 或 定 制 工 具 箱 内 的 显 示 内 容, 见 图 2-26 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 22

图 2-25 自 定 义 工 程 模 板 图 2-26 定 制 工 具 箱 内 的 显 示 内 容 2.3 ANSYS12.0 Workbench 窗 口 管 理 2.3.1 Workbench 窗 口 管 理 功 能 ANSYS12.0 Workbench 使 用 多 窗 口 管 理, 以 静 力 分 析 为 例, 调 入 几 何 模 型 时, DesignModeler 窗 口 打 开, 编 辑 模 型 单 元 时,Mechanical 程 序 窗 口 打 开,Windows 任 务 栏 显 示 DM 和 M 标 签 按 钮, 通 过 这 些 按 钮 的 切 换, 可 以 改 变 几 何 模 型 和 更 新 分 析 过 程, 见 图 2-27 图 2-27 Workbench 多 窗 口 管 理 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 23

2.3.2 Workbench 窗 口 相 互 切 换 单 击 DM 按 钮, 进 入 DesignModeler, 改 变 几 何 模 型 孔 的 定 位, 在 任 务 栏 单 击 Workbench 按 钮, 进 入 Workbench 界 面, 提 示, Gemetry 状 态 图 标 发 生 了 更 新 变 化, 图 2-28, 从 Workbench 界 面 单 击 工 具 栏 Update Project 按 钮, 以 批 处 理 方 式 更 新 全 部 单 元, 在 任 务 栏 单 击 Mechanical 按 钮, 可 以 查 看 更 新 后 的 分 析 结 果 见 图 2-29 图 2-28 Workbench 窗 口 相 互 切 换 2.3.3 Workbench 窗 口 紧 凑 模 式 图 2-29 查 看 更 新 后 的 分 析 结 果 Workbench 窗 口 在 Compact Mode 紧 凑 模 式 下 工 作 是 很 方 便 的, 从 工 具 栏 选 择 Compact Mode 按 钮,Workbench 窗 口 仅 显 示 工 程 流 程 图 界 面 图 2-30, 右 上 方 工 具 按 钮 提 供 不 同 的 窗 口 显 示 方 式 及 显 示 内 容, 选 择 Applications Arrange Vertically 可 以 垂 直 排 列 分 析 系 统 窗 口 见 图 2-31 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 24

图 2-30 Compact Mode 紧 凑 模 式 图 2-31 垂 直 排 列 分 析 系 统 窗 口 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 25

第 3 章 ANSYS12.0 DesignModeler 几 何 模 型 3.1 ANSYS12.0 DesignModeler 几 何 模 型 创 建 设 计 模 型 是 产 品 研 发 处 理 的 第 一 步, 也 是 核 心 内 容 CAD 模 型 通 常 不 会 考 虑 CAE 分 析 的 需 要,DesignModeler 是 它 们 之 间 的 桥 梁 DesignModeler 全 参 数 化 实 体 建 模, 基 于 ANSYS12.0 Workbench, 提 供 适 用 于 有 限 元 计 算 的 建 模 功 能, 包 含 具 体 模 型 创 建,CAD 模 型 修 复,CAD 模 型 简 化 以 及 概 念 化 模 型 创 建 功 能 工 程 流 程 图 中 建 立 几 何 模 型 是 通 过 DesignModeler( 以 下 简 称 DM) 程 序 实 现 的 DM 的 功 能 主 要 用 于 建 立 和 编 辑 几 何 模 型, 由 于 它 采 用 特 征 描 述, 参 数 化 的 实 体 设 计 方 法, 因 此 可 以 很 方 便 的 构 造 2D 草 图 和 3D 实 体 模 型, 以 及 载 入 3D CAD 模 型 用 于 后 续 的 工 程 分 析 对 于 没 有 使 用 过 参 数 化 实 体 建 模 的 初 学 者 来 说,DM 是 极 为 易 学 易 用 的, 而 对 于 有 经 验 的 使 用 者 而 言,DM 也 提 供 将 各 种 2D 草 图 转 换 为 3D 实 体 模 型 的 功 能 DM 几 何 模 型 主 要 关 注 以 下 四 个 基 本 方 面 : 1. 草 图 模 式 : 包 括 创 建 二 维 几 何 体 工 具, 这 些 二 维 草 图 为 3D 几 何 体 创 建 和 概 念 建 模 作 准 备 2. 3D 几 何 体 : 将 草 图 进 行 拉 伸 旋 转 表 面 建 模 等 操 作 得 到 的 几 何 体 3. 几 何 体 输 入 : 直 接 导 入 CAD 模 型 进 入 DM 并 对 其 进 行 修 补, 使 之 适 应 有 限 元 网 格 划 分 4. 概 念 建 模 : 用 于 创 建 和 修 补 直 线 和 表 面 实 体 使 之 能 应 用 于 创 建 梁 和 壳 体 3.1.1 DesignModeler 用 户 界 面 从 组 件 系 统 Component Systems 中 将 Geometry 拖 入 工 程 流 程 图 区 域 Project Schematic, 选 择 Geometry New Geometry 进 入 DesignModeler 程 序 窗 口, 如 图 3-1 图 3-1 调 入 几 何 模 型 组 件 DesignModeler 用 户 界 面 类 似 于 大 多 数 特 征 建 模 软 件, 见 图 3-2 菜 单 和 工 具 条 可 以 接 受 使 用 者 输 入 的 命 令, 主 菜 单 文 件 操 作 File,3D 建 模 Creat, 线 体 及 面 体 的 概 念 建 模 Concept, 建 模 工 具 Tools, 窗 口 视 图 管 理 View, 帮 助 信 息 Help 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 26

图 3-2 DesignModeler 用 户 界 面 工 具 条 可 以 根 据 用 户 要 求 放 置 在 任 何 地 方 也 可 以 自 行 改 变 其 尺 寸, 基 本 工 具 条 包 括 常 用 命 令 按 钮, 如 新 建 保 存 模 型 导 出 抓 图 等, 以 及 目 标 选 择 方 式 按 钮 如 点 选 线 选 面 选 体 选 等 视 图 工 具 条 上 的 命 令 按 钮 可 以 激 活 鼠 标 操 作 目 标 对 象, 如 旋 转 平 移 缩 放 聚 焦 等 见 图 3-3 工 作 平 面 工 具 条 可 以 用 来 设 置 工 作 平 面 和 定 义 草 图 3D 建 模 工 具 条 提 供 三 维 建 模 的 各 种 命 令 按 钮, 如 拉 伸 Extrude 旋 转 Revolve 扫 掠 Sweep 蒙 皮 Skin/Loft 等 图 3-3 视 图 工 具 条 命 令 导 航 树 Tree Outline 区 域 显 示 整 个 建 模 流 程 中 的 所 有 特 征 操 作, 模 型 的 变 化 跟 随 特 征 操 作 的 改 变 导 航 树 下 每 个 分 支 命 令 的 详 细 描 述 及 设 置 都 显 示 在 详 细 信 息 窗 口 Details View 图 形 窗 口 Graphics 显 示 当 前 模 型 状 态, 状 态 栏 区 域 显 示 当 前 模 型 的 状 态 提 示 3.1.2 选 择 过 滤 器 及 案 例 选 择 命 令 选 择 工 具 条 命 令 见 图 3-4 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 27

图 3-4 选 择 工 具 条 命 令 功 能 介 绍 激 活 选 择 过 滤 器 Select 可 以 进 行 特 征 选 取, 完 成 最 初 的 选 择 后, 图 形 窗 口 左 下 角 的 选 择 窗 格 用 来 选 择 被 遮 盖 的 线 面 等 几 何 元 素, 其 中 每 个 待 选 方 块 代 表 一 个 几 何 元 素, 方 块 的 颜 色 和 装 配 体 零 件 颜 色 相 配, 见 图 3-5 用 户 可 以 通 过 工 具 条 的 选 择 方 式 按 钮 选 择 对 象, 单 选 Single Select 或 框 选 Box Select, 相 邻 选 择 则 用 于 选 取 相 邻 的 面 或 边 图 3-5 特 征 选 取 案 例 演 示 下 面 用 实 例 演 示 选 择 过 滤 器 中 各 个 命 令 用 法 : 1. Componet Systems Geomety 拖 入 Project Schematic 中 2. Project Schematic 中, 鼠 标 右 键 选 择 Geomety Import Geometry Browse 输 入 文 件 resistance.x_t, 见 图 3-6 图 3-6 导 入 几 何 文 件 3. Project Schematic 中, 鼠 标 右 键 选 择 Geomety Edit 进 入 DesignModeler 程 序 窗 口 4. DM 中 关 闭 单 位 选 择 窗 口, 鼠 标 点 击 Generate 按 钮, 点 击 视 图 工 具 条 的 各 个 视 图 按 钮 显 示 模 型, 参 见 图 3-7 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 28

图 3-7 显 示 模 型 5. 点 取 选 面 按 钮, BoxSelect 框 选 面 如 图 3-8 左 到 右 右 到 左 右 提 示 : 图 3-8 框 选 面 框 选 时, 拖 动 鼠 标 从 左 到 右 将 选 择 完 全 在 选 择 框 中 的 对 象, 从 右 到 左 将 选 择 包 含 或 经 过 选 择 框 的 对 象, 选 择 框 边 框 的 识 别 符 号 有 助 于 用 户 确 定 正 在 使 用 的 是 那 种 拾 取 模 式 6. 单 选 模 式 Single Select 选 择 面 Extend to Adjacent, 选 择 相 邻 面 结 果 如 图 3-9 1 3 2 4 图 3-9 选 择 相 邻 面 7. 单 选 模 式 Single Select 选 择 面 Extend to Limits, 选 择 相 邻 扩 展 面 结 果 如 图 3-10 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 29

图 3-10 选 择 相 邻 扩 展 面 8. 单 选 模 式 Single Select 选 择 面 Flood Blends, 选 择 相 邻 倒 圆 面 结 果 如 图 3-11 图 3-11 选 择 相 邻 倒 圆 面 9. 单 选 模 式 Single Select 选 择 面 Flood Area, 选 择 所 有 相 邻 面 结 果 如 图 3-12 图 3-12 选 择 所 有 相 邻 面 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 30

3.1.3 长 度 单 位 开 始 一 个 新 的 设 计 模 型 之 前 会 出 现 一 个 长 度 单 位 对 话 框, 以 选 择 需 要 的 长 度 单 位, 默 认 单 位 为 米 Meter, 也 可 以 选 择 厘 米 Centimeter 毫 米 Millimeter 微 米 Micrometer 英 寸 Inch 或 英 尺 Foot 如 图 3-13 图 3-13 长 度 单 位 3.1.4 草 图 模 式 DesignModeler 主 要 包 含 2 个 基 本 操 作 模 式,2D 草 图 Sketching 和 3D 建 模 Modeling, 在 2D 草 图 模 式 中, 提 供 画 图 Draw 修 改 Modify 尺 寸 定 义 Dimensions 约 束 Constraints 设 置 Settings 5 个 工 具 用 于 创 建 2D 草 图 3D 建 模 中, 利 用 草 图 轮 廓 创 建 特 征 模 型, DesignModeler 中, 使 用 特 征 可 以 分 割 实 体 以 提 高 网 格 质 量, 或 者 加 入 印 记 面 以 施 加 局 部 载 荷 建 立 新 模 型 一 般 是 从 草 图 开 始 下 文 中 将 以 案 例 演 示 方 式 创 建 草 图, 对 其 中 涉 及 的 概 念 及 命 令 在 案 例 中 加 以 解 释 3.1.4.1 平 面 和 草 图 及 案 例 平 面 和 草 图 工 具 条 说 明 见 图 3-14,DM 草 图 首 先 定 义 绘 制 草 图 的 平 面, 然 后 在 所 希 望 的 平 面 上 绘 制 或 识 别 草 图 一 个 新 的 DM 交 互 对 话 中 在 全 局 直 角 坐 标 系 原 点 有 三 个 默 认 的 正 交 平 面 (XY, ZX, YZ), 可 以 根 据 需 要 定 义 原 点 和 方 位 创 建 平 面, 也 可 以 通 过 使 用 现 有 几 何 体 作 参 考 平 面 创 建 和 放 置 新 的 工 作 平 面, 一 个 平 面 可 以 和 多 个 草 图 关 联, 构 建 平 面 的 六 种 类 型 见 表 3-1. 图 3-14 平 面 和 草 图 工 具 条 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 31

表 3-1 构 建 平 面 的 六 种 类 型 构 建 平 面 命 令 From Plane From Face From Point and Edge From Point and Normal From Three Point From Coordinates 说 明 基 于 另 一 个 已 有 面 创 建 平 面 利 用 已 有 几 何 体 表 面 创 建 平 面 用 一 点 和 一 条 直 线 的 边 界 定 义 平 面 用 一 点 和 一 条 边 界 方 向 的 法 线 定 义 平 面 用 三 点 定 义 平 面 通 过 键 入 距 离 原 点 的 坐 标 和 法 线 定 义 平 面 案 例 演 示 : 从 组 件 系 统 Component Systems 中 将 Geometry 拖 入 工 程 流 程 图 区 域 Project Schematic, 保 存 文 件 DM1-Sketch.wbpj, 选 择 Geometry New Geometry 进 入 DesignModeler 程 序 窗 口, 开 始 草 图 过 程 如 下 ( 见 图 3-15): 1. 选 择 XYPlane 2. 创 建 新 平 面 New Plane 3. 导 航 树 显 示 新 平 面 对 象 Plane4 4. 构 建 平 面 的 六 种 类 型 ( 见 表 3-1), Plane4 属 性 设 置 : Type From Plane, 平 面 变 换 Transform 1 Offset Z ; 偏 移 距 离 FD1 =10m 5. Generate 生 成 平 面 提 示 : 这 并 非 创 建 草 图 的 必 要 步 骤 6. 将 草 图 放 到 平 面 中, 草 图 用 来 创 建 3D 几 何 体 选 择 新 建 草 图 按 钮, 在 激 活 平 面 上 新 建 草 图 Sketh1, 新 草 图 放 在 树 形 目 录 中 与 其 相 关 平 面 的 下 方 可 以 通 过 导 航 树 或 下 拉 列 表 激 活 草 图, 保 存 文 件 图 3-15 生 成 草 图 提 示 : 下 拉 列 表 仅 显 示 以 当 前 激 活 平 面 为 参 照 的 草 图 平 面 和 草 图 的 详 细 视 图 Details View 控 制 着 基 本 操 作, 用 鼠 标 右 键 点 击 Transform 可 以 迅 速 完 成 选 定 平 面 的 变 换, 一 旦 选 择 了 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 32

变 换, 将 出 现 附 加 属 性 选 项, 允 许 键 入 偏 移 距 离, 旋 转 角 度, 旋 转 轴 等 更 多 的 控 制 参 数, 多 种 平 面 变 换 方 式 见 图 3-16 无 变 换 轴 变 换 Z,X 轴 反 向 X,Y 轴 反 向 X 轴 与 基 点 对 齐 X 轴 与 全 局 坐 标 X 轴 对 齐 X 轴 与 边 对 齐 偏 移 变 换 旋 转 变 换 上 一 变 换 下 一 变 换 删 除 变 换 生 成 变 换 X 轴 方 向 水 平 偏 移 Y 轴 方 向 水 平 偏 移 Z 轴 方 向 水 平 偏 移 全 局 坐 标 X 轴 水 平 偏 移 全 局 坐 标 Y 轴 水 平 偏 移 全 局 坐 标 Z 轴 水 平 偏 移 绕 X 轴 旋 转 绕 Y 轴 旋 转 绕 Z 轴 旋 转 绕 边 旋 转 绕 全 局 坐 标 X 轴 旋 转 绕 全 局 坐 标 Y 轴 旋 转 绕 全 局 坐 标 Z 轴 旋 转 图 3-16 平 面 变 换 选 择 方 式 3.1.4.2 绘 制 草 图 及 案 例 绘 图 命 令 说 明 见 图 3-17 1. 接 上 例, 选 中 草 图 Sketh1, 切 换 到 草 图 标 签 Skething 开 始 绘 制 草 图 2. 选 择 矩 形 命 令 Rectangle 3. 按 照 状 态 条 的 提 示 操 作 :: 将 光 标 定 位, 单 击 鼠 标 按 住 并 拖 动, 在 图 形 区 域 绘 制 矩 形, 松 开 鼠 标 创 建 一 个 矩 形 4. 选 择 画 圆 命 令 Circle 5. 按 照 状 态 条 的 提 示 操 作, 选 择 圆 心 位 置, 坐 标 原 点 出 现 P ( 点 约 束 ) 标 志, 拖 放 鼠 标 以 获 得 圆 见 图 3-18, 保 存 文 件 图 3-17 草 图 画 图 命 令 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 33

图 3-18 绘 制 草 图 3.1.4.3 草 图 标 注 及 案 例 DM 包 括 一 个 完 整 的 标 注 工 具 箱, 见 图 3-19, 除 了 可 以 逐 个 标 注 尺 寸 之 外, 还 可 以 进 行 半 自 动 标 注, 半 自 动 标 注 循 环 链 给 出 待 标 注 的 尺 寸 的 选 项, 直 到 模 型 完 全 约 束 或 用 户 选 择 退 出 自 动 模 式, 单 击 鼠 标 右 键 按 钮 跳 出 或 结 束 此 项 功 能 用 鼠 标 右 键 单 击 General 标 注 工 具 可 以 迅 速 标 注 所 有 主 要 的 标 注 工 具 Move 功 能 可 以 修 改 尺 寸 放 置 的 位 置 Animate 用 来 浏 览 对 所 选 定 尺 寸 的 动 态 变 化 Display 可 以 显 示 尺 寸 的 具 体 数 值 或 尺 寸 名 称 编 辑 尺 寸 功 能, 选 择 待 修 改 的 尺 寸, 然 后 在 详 细 列 表 窗 口 键 入 新 值 即 可 完 成 修 改, 或 用 鼠 标 右 键 菜 单 弹 出 选 项 也 可 以 快 速 进 行 尺 寸 编 辑 图 3-19 草 图 尺 寸 标 注 命 令 案 例 演 示 ( 见 图 3-20- 图 3-21) 1. 接 上 例, 选 择 Dimensions 标 签 选 项 2. 选 择 命 令 Dimensions General 3. 分 别 点 击 图 形 区 的 矩 形 外 边 框, 拖 放 鼠 标, 得 到 矩 形 边 长 的 尺 寸 标 注 4. 选 择 命 令 Dimensions Horizontal 5. 点 击 图 形 区 的 矩 形 短 边 和 Y 轴 中 心 线, 拖 放 鼠 标, 得 到 矩 形 短 边 到 中 心 线 的 水 平 尺 寸 标 注 6. 选 择 命 令 Dimensions Vertical 7. 点 击 图 形 区 的 矩 形 长 边 和 X 轴 中 心 线, 拖 放 鼠 标, 得 到 矩 形 长 边 到 中 心 线 的 垂 直 尺 寸 标 注 8. 选 择 命 令 Dimensions Radius 9. 点 击 图 形 区 的 圆, 拖 放 鼠 标, 得 到 圆 半 径 尺 寸 标 注 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 34

10. Details View Dimensions: 5 显 示 当 前 尺 寸 名 称 及 数 值 11. 编 辑 Details View Dimensions: 5 各 个 尺 寸 数 值 12. 选 择 Dimensions Display Value 中 打 勾 13. 显 示 修 改 尺 寸 及 数 值 14. 选 择 Dimensions Edit 15. 点 击 水 平 尺 寸 H12 16. 编 辑 Details View Details of H12 名 称 和 数 值 :Horizontal=hor1, Value=10m 17. 同 样 修 改 别 的 尺 寸 见 图 3-22, 保 存 文 件 图 3-20 草 图 尺 寸 标 注 A 图 3-21 草 图 尺 寸 标 注 B 图 3-22 草 图 尺 寸 标 注 C 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 35

3.1.4.4 草 图 约 束 及 案 例 草 图 约 束 命 令 如 图 3-23, 详 细 信 息 窗 口 可 以 显 示 草 图 约 束 的 详 细 情 况, 约 束 可 以 通 过 自 动 约 束 产 生 也 可 以 由 用 户 定 义, 选 中 定 义 的 约 束 后 用 Delete 键 即 可 删 除 约 束, 草 图 实 体 还 用 颜 色 显 示 当 前 的 约 束 状 态 : 凫 蓝 色 : 未 约 束, 欠 约 束 蓝 色 : 完 整 定 义 的 黑 色 : 固 定 红 色 : 过 约 束 灰 色 : 矛 盾 或 未 知 图 3-23 草 图 约 束 命 令 提 示 : 如 果 一 个 草 图 没 有 在 空 间 内 固 定, 则 开 始 草 图 中 的 线 是 凫 蓝 色 的, 表 明 没 有 约 束, 即 使 在 标 注 后 这 些 线 也 是 欠 约 束, 此 时 加 入 尺 寸 约 束 固 定 该 草 图, 则 草 图 定 义 完 整, 所 有 的 线 为 蓝 色 如 果 加 入 过 多 的 尺 寸 或 约 束 使 草 图 成 为 过 约 束, 则 草 图 模 式 下 过 约 束 线 为 红 色 如 图 3-24 图 3-24 颜 色 显 示 约 束 状 态 一 个 矛 盾 约 束 的 示 例 为 灰 色 线 如 图 3-25 是 一 个 矛 盾 约 束, 这 里 定 义 圆 弧 的 半 径 为 5, 然 而 已 给 出 的 竖 直 尺 寸 为 15, 显 然 无 法 在 维 持 现 有 尺 寸 的 情 况 下 将 2 条 水 平 线 和 圆 弧 连 接 起 来 图 3-25 矛 盾 约 束 示 例 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 36

3.1.4.5 编 辑 草 图 及 案 例 Modify 工 具 箱 有 许 多 编 辑 草 图 的 工 具, 见 图 3-26, 一 些 功 能 如 倒 圆 角 倒 角 等 是 显 而 易 见 的,GUI 底 端 的 状 态 条 可 以 实 时 显 示 每 一 个 功 能 的 提 示 下 文 将 主 要 阐 述 一 些 无 法 从 名 称 上 直 接 看 出 功 能 的 命 令 1 分 割 Split 命 令 Split 命 令 用 于 分 割 边 线, 案 例 操 作 如 图 3-27, 其 相 关 命 令 解 释 如 下 : 图 3-26 编 辑 草 图 命 令 Split Edge at Selection : 缺 省 选 项, 表 示 在 选 定 位 置 将 一 条 边 线 分 割 成 两 段, 但 指 定 边 线 不 能 是 整 个 圆 或 椭 圆, 要 对 整 个 圆 或 椭 圆 做 分 割 操 作, 必 须 指 定 起 点 和 终 点 的 位 置 Split Edges at Point : 用 点 分 割 边 线 : 选 定 一 个 点 后, 所 有 过 此 点 的 边 线 都 将 被 分 割 成 两 段 Split Edge at all Points : 用 边 上 的 所 有 点 分 割 : 选 择 一 条 边 线, 它 被 所 有 通 过 的 点 分 割 Split Edge into n Equal Segments : 将 线 n 等 分 : 先 在 编 辑 框 中 设 定 n 值, 然 后 选 择 待 分 割 的 线,n 最 大 为 100 案 例 演 示 1) 接 上 例, 选 择 Modify Split 2) 选 择 边 线 之 前, 在 图 形 区 选 择 鼠 标 右 键 选 项, 选 择 边 等 分 n 段 命 令 Split Edge into n Equal Segments 3) 在 Modify Split Equal Segments 中 设 置 n=8 4) 在 图 形 区 选 择 圆, 圆 被 分 割 成 8 段, 保 存 文 件 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 37

2 1 3 4 图 3-27 分 割 操 作 提 示 Split 命 令 对 草 图 蒙 皮 Skin/Loft 是 非 常 有 用 的, Split 线 操 作 对 将 要 进 行 的 划 分 网 格 和 或 加 入 边 界 条 件 操 作 也 很 有 用 2 拖 曳 Drag 用 光 标 可 以 拖 曳 一 个 点 或 一 条 边 可 以 在 使 用 拖 曳 Drag 功 能 前 预 先 选 择 多 个 实 体, 模 型 如 何 变 化 取 决 于 所 选 定 的 内 容 所 加 的 约 束 和 尺 寸 3 剪 切 Cut 拷 贝 Copy 和 粘 帖 Paste 命 令 : Cut + Paste 或 Copy + Paste 用 于 移 动 或 复 制 对 象, 案 例 操 作 如 图 3-28, 鼠 标 右 键 粘 贴 操 作 点 选 项 命 令 解 释 如 下 : End / Set Paste Handle : 指 定 粘 贴 点 位 置 End / Use Plane Origin as Handle : 指 定 粘 贴 点 在 平 面 原 点 End / Use Default Paste Handle : 将 第 一 条 线 的 起 始 点 作 为 粘 贴 点 Rotate by +/- r Degrees : 正 向 旋 转 + 或 反 向 旋 转 - r 度 Flip Horizontally / Vertically : 水 平 或 垂 直 翻 转 Scale by Factor f or 1/f : 放 大 f 倍 或 缩 小 1/f Paste at Plane Origin : 在 平 面 原 点 粘 贴 Change Paste Handl : 修 改 粘 贴 点 End : 结 束 案 例 演 示 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 38

1) 接 上 例, 选 择 Modify Copy 2) 选 择 框 选 Box Select 3) 图 形 区 选 择 对 象 : 圆 4) 图 形 区 点 击 鼠 标 右 键, 设 置 粘 帖 点 为 圆 中 心 End / Use Plane Origin as Handle 5) 选 择 Modify Paste, 设 置 缩 放 比 例 f=0.5 6) 图 形 区 点 击 鼠 标 右 键, 选 择 比 例 缩 放 Scale by Factor f 7) 移 动 鼠 标 到 矩 形 左 端, 点 击 鼠 标 8) 图 形 区 点 击 鼠 标 右 键, 选 择 结 束 End, 保 存 文 件 图 3-28 草 图 复 制 提 示 : 完 成 Copy 后, 可 以 进 行 多 次 粘 帖 操 作, 可 以 从 一 个 草 图 复 制 后 粘 帖 到 另 一 个 草 图, 在 进 行 粘 帖 操 作 时 可 以 改 变 粘 帖 操 作 点. 4 复 制 Replicate 命 令 : Replicate 命 令 和 Copy + Paste 命 令 等 效, 选 取 其 中 一 个 End 选 项 后, 再 次 单 击 Replicate 鼠 标 右 键 就 变 成 了 粘 贴 功 能 右 键 5 移 动 Move 命 令 Move 命 令 和 Replicate 命 令 相 似, 但 操 作 后 选 取 的 对 象 移 动 到 一 个 新 的 位 置 而 不 是 被 复 制 6 偏 移 Offset 命 令 可 以 从 一 组 已 有 的 线 和 圆 弧 偏 移 相 等 的 距 离 来 创 建 一 组 线 和 圆 弧, 原 始 的 一 组 线 和 圆 弧 必 须 相 互 连 接 构 成 一 个 开 放 或 封 闭 的 轮 廓 选 择 边, 然 后 在 鼠 标 右 键 弹 出 菜 单 中 选 择 结 束 选 择 / 设 定 偏 移 用 光 标 位 置 设 定 一 下 三 个 值 : 偏 移 距 离 偏 移 侧 方 向 偏 移 区 域 如 果 按 照 指 定 的 偏 移 方 向 和 偏 移 距 离 操 作, 选 定 的 曲 线 的 一 部 分 将 被 破 坏 或 相 互 交 叉, 那 么 光 标 的 所 在 位 置 将 决 定 偏 移 曲 线 的 哪 一 个 区 域 将 被 保 存 下 来, 示 例 如 图 3-29 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 39

图 3-29 草 图 偏 移 命 令 3.1.4.6 草 图 援 引 及 案 例 演 示 草 图 援 引 Instance 命 令 草 图 援 引 用 来 复 制 源 草 图 并 将 其 加 入 到 目 标 面 中, 复 制 的 草 图 和 源 草 图 始 终 保 持 一 致, 也 就 是 说 复 制 对 象 随 着 源 对 象 的 更 新 而 更 新 提 示 草 图 援 引 中 的 边 界 是 固 定 的, 不 能 通 过 草 图 操 作 进 行 移 动 编 辑 或 删 除 基 准 草 图 中 改 变 时, 援 引 草 图 将 被 更 新 源 草 图 所 在 的 面 必 须 在 目 标 面 之 前 创 建, 援 引 的 草 图 不 能 放 在 XY 平 面 前 草 图 援 引 可 以 像 正 常 草 图 一 样 用 于 生 成 其 他 特 征, 但 不 能 作 为 基 准 草 图 被 其 他 草 图 援 引 案 例 演 示 : 从 组 件 系 统 Component Systems 中 将 Geometry 拖 入 工 程 流 程 图 区 域 Project Schematic, 保 存 文 件 DM2-Instance.wbpj, 选 择 Geometry New Geometry 进 入 DesignModeler 程 序 窗 口 : 1) XYPlane 工 作 平 面 上 创 建 草 图 Sketch1 2) 草 图 1 为 带 中 心 圆 孔 的 矩 形, 尺 寸 任 意 3) 选 择 ZXPlane 工 作 平 面 4) 鼠 标 右 键 选 择 Insert Skectch Instance 5) 选 取 所 要 援 引 的 目 标 面 Details View Details of Sketch2 Base Sketch =Sketch1, 用 Apply/Cancel 按 钮 选 择 源 对 象 6) 修 改 放 置 位 置 选 项, 草 图 援 引 可 以 偏 移, 旋 转 或 按 比 例 缩 放, 这 里 缩 小 一 半 : Details View Details of Sketch2 FD6,Scale =0.5 7) 点 击 Generate 按 钮 完 成 草 图 援 引 8) 生 成 缩 小 一 半 的 草 图 Sketch2 如 图 3-30 显 示. 9) Extrude 特 征 拉 伸 草 图 成 实 体, 保 存 文 件 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 40

3.1.4.7 草 图 技 巧 图 3-30 草 图 援 引 提 示 与 技 巧 1) Ruler 工 具 可 以 快 捷 的 看 到 图 形 的 比 例 范 围 2) 默 认 的 设 计 模 型 是 自 动 约 束 模 式, 自 动 约 束 可 以 在 新 的 草 图 实 体 中 自 动 捕 捉 位 置 和 方 向, 光 标 表 示 所 施 加 的 约 束 类 型 3) 当 创 建 或 改 变 平 面 和 草 图 时, 运 用 Look At 工 具 可 以 立 即 改 变 视 图 方 向, 使 该 平 面 草 图 或 选 定 的 实 体 与 你 的 视 线 垂 直 4) 用 鼠 标 右 键 从 图 形 屏 幕 上 点 击 上 下 文 菜 单 有 时 是 必 须 的 或 者 是 更 有 效 的 5) 只 有 在 草 图 模 式 下 才 可 以 使 用 Undo/Redo 按 钮 进 行 撤 销 / 恢 复 操 作 任 何 时 候 只 能 激 活 一 个 草 图 6) GUI 状 态 条 包 括 进 行 每 一 步 操 作 的 提 示 7) 一 些 操 作 要 求 用 鼠 标 右 键 点 击 完 成! 3.1.5 3D 实 体 模 型 3.1.5.1 体 和 零 件 DM 中 为 便 于 建 立 有 限 元 模 型, 将 几 何 模 型 分 为 三 种 不 同 体 类 型 如 图 3-31: 实 体 : 由 表 面 和 体 组 成 面 体 : 由 表 面 但 没 有 体 组 成 线 体 : 完 全 由 边 线 组 成, 没 有 面 和 体 体 在 DM 中 呈 现 激 活 和 冻 结 两 种 状 态 : 激 活 状 态 : 体 可 以 进 行 常 规 的 建 模 操 作 图 3-31 三 种 体 类 型 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 41

修 改 ( 不 能 被 切 片 ), 激 活 体 在 导 航 树 中 显 示 为 蓝 色, 体 在 导 航 树 中 的 图 标 取 决 于 它 是 实 体 表 面 还 是 线 体 类 型 冻 结 状 态 : 体 冻 结 可 以 将 零 件 切 片 Slice 分 割 成 不 同 部 分, 为 数 值 模 拟 分 析 中 装 配 建 模 提 供 不 同 选 择 的 方 式, 冻 结 体 中 只 能 使 用 切 片 操 作, 用 冻 结 特 征 Freeze 可 以 将 所 有 的 激 活 体 转 到 冻 结 状 态, 选 取 体 对 象 后 用 解 冻 特 征 Unfreeze 可 以 激 活 单 个 体, 冻 结 体 在 导 航 树 中 呈 现 较 淡 的 颜 色 1 体 抑 制 Suppress Body 抑 制 体 不 显 示 在 窗 口 中, 抑 制 体 既 不 能 用 于 数 值 模 拟 也 不 能 导 出, 如 Parasolid (.x_t) 文 件, 抑 制 体 在 导 航 树 前 面 有 一 个 X, 如 图 3-32 1) 接 上 例, 选 择 第 2 个 实 体 2) 体 抑 制 : 鼠 标 右 键 选 择 Suppress Body 3) 图 形 区 体 不 再 显 示 该 实 体, 保 存 文 件 2 多 体 零 件 图 3-32 体 抑 制 缺 省 时,DM 将 每 一 个 体 自 动 放 入 一 个 零 件 中, 可 以 将 多 个 体 置 于 同 一 零 件 中, 这 些 零 件 将 作 为 含 有 多 个 体 素 的 零 件 传 递 到 数 值 模 拟 分 析 中, 该 命 令 可 以 描 述 为 : 选 择 多 个 体, 选 命 令 Tools Form New Part 提 示 只 有 在 选 择 体 之 后 才 可 以 创 建 新 零 件 选 项, 同 时 不 能 处 在 特 征 创 建 或 特 征 编 辑 状 态 默 认 时, 单 体 零 件 的 装 配 模 型 中, 零 件 实 体 间 接 触 连 接, 每 一 个 实 体 都 独 立 地 划 分 网 格, 节 点 不 共 享 多 体 零 件 的 装 配 模 型 中, 零 件 实 体 间 无 接 触,1 个 零 件 可 以 有 多 种 材 料 实 体, 每 个 实 体 独 立 划 分 网 格 但 实 体 间 的 关 联 被 保 留 多 体 零 件 网 格 划 分 案 例 演 示 1) 接 上 例, 生 成 的 实 体 中 选 择 面 体 Surface Body 和 线 体 Line Body 2) 鼠 标 右 键 选 择 生 成 新 零 件 Form New Part 图 3-33A 生 成 多 体 零 件 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 42

3) 工 程 流 程 图 中 选 择 Geometry Properties 4) 设 置 线 体 输 入 选 项 : Properties of Schematic A2: Geometry Basic Geometry Options Line Bodies 勾 选 图 3-33B 设 置 输 出 线 体 5) 机 械 分 析 模 型 组 件 Mechanical Model 拖 入 工 程 流 程 图 6) 几 何 模 型 设 置 共 享 : 几 何 组 件 中 Geometry 拖 到 机 械 模 型 中 的 Geometry 7) 编 辑 分 析 模 型 : 选 择 Mechanical Model Model Edit 图 3-33C 进 入 网 格 划 分 环 境 8) 机 械 分 析 模 型 中 生 成 网 格 : 选 择 Model Mesh, 鼠 标 右 键 选 Generate Mesh 9) 视 图 显 示 设 置 : View Thick Shells and Beams 取 消 勾 选 10) 导 航 树 中 零 件 Part4 由 面 体 和 线 体 组 成 11) 图 形 区 显 示 网 格 模 型, 面 体 网 格 和 线 体 网 格 共 享 连 接 节 点 12) 导 航 树 中 两 个 实 体 为 各 自 独 立 13) 图 形 区 显 示 两 个 实 体 网 格 模 型 各 自 独 立, 实 体 交 接 处 节 点 不 共 享, 保 存 文 件 图 3-33D 多 体 零 件 网 格 划 分 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 43

3.1.5.2 3D 特 征 3D 几 何 特 征 命 令 可 以 从 Creat 下 拉 菜 单 获 得, 命 令 及 相 关 说 明 见 表 3-2, 其 生 成 包 括 两 个 步 骤 : 1. 选 择 特 征 并 在 详 细 信 息 窗 口 指 定 细 节 2. 生 成 Generate 特 征 体 表 3-2 3D 特 征 操 作 命 令 及 说 明 3D 特 征 操 作 命 令 及 说 明 拉 伸 旋 转 扫 掠 蒙 皮 抽 壳 固 定 半 径 导 圆 角 变 半 径 导 圆 角 点 导 圆 角 倒 角 阵 列 体 操 作 布 尔 操 作 切 片 面 删 除 边 删 除 生 成 点 简 单 几 何 体 - 球 体 简 单 几 何 体 - 块 体 简 单 几 何 体 - 平 行 六 面 体 简 单 几 何 体 - 圆 柱 体 简 单 几 何 体 - 圆 锥 体 简 单 几 何 体 - 棱 柱 体 简 单 几 何 体 - 棱 锥 体 简 单 几 何 体 - 圆 环 体 简 单 几 何 体 - 弯 曲 体 3.1.5.3 布 尔 操 作 及 案 例 对 3D 特 征 可 以 运 用 以 下 5 种 不 同 的 布 尔 操 作 : 1. 添 加 材 料 Add Material : 创 建 材 料 并 合 并 到 激 活 体 中 2. 切 除 材 料 Cut Material : 从 激 活 体 上 切 除 材 料 3. 切 片 材 料 Slice Material : 将 冻 结 体 切 片, 仅 当 体 全 部 被 冻 结 时 才 可 用 4. 给 表 面 添 加 印 记 Imprint Faces : 和 切 片 相 似, 但 仅 仅 分 割 体 上 的 面, 如 果 需 要 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 44

也 可 以 在 边 线 上 增 加 印 记 ( 不 创 建 新 体 ) 5. 加 入 冻 结 Add Frozen : 和 加 入 材 料 相 似, 但 新 增 特 征 体 不 被 合 并 到 已 有 的 模 型 中, 而 是 作 为 冻 结 体 加 入, 线 体 不 能 进 行 切 除, 印 记 和 切 片 操 作 案 例 演 示 : 1. 草 图 拉 伸 : 打 开 文 件 DM1sketch.wbpj, 另 存 为 文 件 DM3-Solid.wbpj, 双 击 Geometry, 进 入 DesignModeler 程 序 窗 口, 1) 选 择 Modeling 标 签 选 项 2) 选 择 要 拉 伸 的 草 图 Plane4 Sketch1 3) 在 激 活 的 草 图 中 选 择 拉 伸 特 征 Extrude 4) 默 认 布 尔 操 作 为 添 加 材 料 Details View Operation Add Material, 设 置 拉 伸 长 度 FD1=40m 5) 点 击 生 成 按 钮 Generate 6) 获 得 拉 伸 3D 模 型, 见 图 3-34 图 3-34 草 图 拉 伸 2. 添 加 材 料 : 7) 选 择 面 8) 图 形 区 选 择 上 表 面 9) 生 成 新 平 面 10) 导 航 树 选 择 Plane6 11) 生 成 新 草 图 Sketch3 12) 切 换 草 图 模 式 Sketching 13) 绘 制 草 图 如 图 3-35 所 示 平 面 中 14) 切 换 到 模 型 Modeling 15) 选 择 草 图 Sketch3 16) 拉 伸 草 图 Extrude 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 45

17) 拉 伸 属 性 设 置 添 加 材 料 Details View Operation Add Material 18) 点 击 生 成 按 钮 Generate 生 成 模 型, 由 于 体 已 经 存 在, 添 加 材 料 生 成 的 对 象 会 自 动 合 并 到 几 何 体 中, 如 图 3-35 图 3-35 添 加 材 料 3. 加 入 冰 冻 体 : 19) 选 择 面 20) 图 形 区 选 择 侧 表 面 21) 生 成 新 平 面 22) 导 航 树 选 择 Plane7 23) 生 成 新 草 图 24) 选 择 草 图 Sketch4 25) 切 换 草 图 模 式 Sketching 26) 绘 制 草 图 如 图 3-27 所 示 六 边 形 27) 切 换 到 模 型 Modeling 28) 拉 伸 草 图 Extrude 29) 拉 伸 属 性 设 置 添 加 冰 冻 Details View Operation Add Frozen 30) 设 置 拉 伸 长 度 FD1=30m 31) 点 击 生 成 按 钮 Generate 生 成 模 型 32) 生 成 新 的 冰 冻 实 体 33) 和 添 加 材 料 操 作 相 似, 但 产 生 的 是 各 个 独 立 的 体 ( 或 单 个 冻 结 体 ), 导 航 树 显 示 2 个 实 体, 如 图 3-36 图 3-36 加 入 冰 冻 体 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 46

4. 加 入 印 记 面 34) 选 择 面 35) 图 形 区 选 择 卵 形 体 侧 表 面 36) 生 成 新 平 面 37) 导 航 树 选 择 Plane8 38) 生 成 新 草 图 39) 选 择 草 图 Sketch5 40) 切 换 草 图 模 式 Sketching 41) 绘 制 草 图 如 图 3-37 所 示 圆 形 42) 切 换 到 模 型 Modeling 43) 拉 伸 草 图 Extrude 44) 拉 伸 属 性 设 置 加 入 印 记 面 Details View Operation 图 3-37 加 入 印 记 面 Imprint Faces 45) 点 击 生 成 按 钮 Generate 生 成 模 型, 印 记 面 操 作 将 连 续 面 进 行 分 割, 这 使 得 在 任 意 位 置 加 入 有 限 元 边 界 条 件 变 得 非 常 方 便, 如 图 3-37 5. 切 除 材 料 46) 导 航 树 选 择 Plane8 47) 生 成 新 草 图 48) 选 择 草 图 Sketch7 49) 切 换 草 图 模 式 Sketching 50) 绘 制 草 图 如 图 3-29 所 示 矩 形 51) 拉 伸 草 图 Extrude 52) 拉 伸 属 性 设 置 切 除 材 料 Details View Operation Cut Material 53) 设 置 去 除 材 料 长 度 FD1=10m 54) 点 击 生 成 按 钮 Generate 生 成 模 型, 如 图 3-38 图 3-38 切 除 材 料 3.1.5.4 特 征 方 向 激 活 特 征, 则 特 征 属 性 中 方 向 和 草 图 平 面 有 关, 有 些 操 作 ( 如 切 除 ) 会 自 动 改 变, 见 图 3-39 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 47

图 3-39 特 征 方 向 3.1.5.5 特 征 类 型 特 征 延 伸 类 型 有 如 下 几 种, 见 图 3-40: 图 3-40 特 征 延 伸 类 型 1. 固 定 Fixed : 固 定 界 限 将 使 草 图 轮 廓 按 指 定 的 距 离 进 行 拉 伸, 特 征 预 览 精 确 地 显 示 出 创 建 特 征 后 的 情 形 2. 穿 过 所 有 Through All : 将 剖 面 延 伸 到 整 个 模 型, 在 添 加 材 料 操 作 中 延 伸 轮 廓 必 须 完 全 和 模 型 相 交 3. 到 下 一 个 To Next : 在 添 加 材 料 操 作 将 延 伸 轮 廓 到 所 遇 到 的 第 一 个 面, 在 剪 切 印 记 和 切 片 操 作 中, 将 轮 廓 延 伸 至 所 遇 到 的 第 一 个 面 或 体 4. 到 面 To Faces : 可 以 延 伸 拉 伸 特 征 到 有 一 个 或 多 个 面 形 成 的 边 界, 对 多 个 轮 廓 而 言 要 确 保 每 一 个 轮 廓 至 少 有 一 个 面 和 延 伸 线 相 交 否 则 导 致 延 伸 错 误, 到 面 选 项 不 同 于 到 下 一 个 选 项, 到 下 一 个 并 不 意 味 着 到 下 一 个 面, 而 是 到 下 一 个 块 的 体 ( 实 体 或 薄 片 ), 到 面 选 项 可 以 用 于 到 冻 结 体 的 面 5. 到 表 面 To Surface : 和 到 面 选 项 类 似, 但 只 能 选 择 一 个 面, 延 伸 长 度 可 以 由 到 所 选 表 面 的 下 一 个 并 且 有 可 能 是 无 约 束 的 面 所 定 义 3.1.5.6 特 征 创 建 及 案 例 1 拉 伸 Extrude 1) 拉 伸 包 括 实 体, 表 面 和 薄 壁 特 征 属 性 设 置 如 图 3-41 2) 创 建 表 面 要 先 选 择 As Thin/Surface, 然 后 内 外 厚 度 设 置 为 零 3) 激 活 的 草 图 作 为 默 认 输 入, 但 可 以 通 过 在 导 航 树 中 选 择 想 要 的 草 图 改 变 输 入 4) 详 细 列 表 菜 单 用 来 设 定 拉 伸 深 度, 方 向 和 布 尔 操 作 ( 添 加 切 除 切 片 印 记 或 加 入 冻 结 ) 5) 点 击 生 成 按 钮 完 成 特 征 创 建 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 48

图 3-41 拉 伸 特 征 详 细 信 息 设 置 2 旋 转 Revolve 1) 旋 转 激 活 草 图 创 建 3D 几 何 体, 如 图 3-42, 从 详 细 信 息 窗 口 菜 单 中 选 择 旋 转 轴, 如 果 在 草 图 中 有 一 条 孤 立 ( 自 由 ) 的 线, 它 将 被 作 为 缺 省 的 旋 转 轴 2) 旋 转 方 向 特 性 : a) 正 常 : 按 基 本 对 象 的 正 Z 方 向 旋 转 b) 反 向 : 按 基 本 对 象 的 负 Z 方 向 旋 转 c) 双 向 - 对 称 : 在 两 个 方 向 上 创 建 特 征, 两 个 方 向 角 度 相 同 d) 双 向 - 不 对 称 : 在 两 个 方 向 上 创 建 特 征, 每 一 个 方 向 角 度 不 同 3) 单 击 生 成 按 钮 完 成 特 征 创 建 案 例 演 示 : 图 3-42 旋 转 特 征 详 细 信 息 设 置 1) 接 上 例, 工 具 条 选 择 Revolve 旋 转 按 钮 2) 设 置 要 旋 转 的 草 图 : Details View Details of Revolve Base Object =Sketch5 3) 指 定 旋 转 轴 : 图 形 区 选 择 面 体 边 线 4) Details View Details of Revolve Axis 中 选 Apply 确 认 后 出 现 Selected 5) 设 置 旋 转 角 度 : Details View Details of Revolve FD1,Angle =90 6) 生 成 旋 转 体 : 工 具 条 中 选 择 Generate 7) 旋 转 体 生 成 如 图 3-43, 保 存 文 件 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 49

图 3-43 旋 转 特 征 操 作 3 扫 掠 Sweep 1) 实 体 表 面 和 薄 壁 特 征 都 可 以 通 过 沿 一 条 路 径 扫 掠 一 个 剖 面 创 建 图 3-44 为 扫 掠 特 征 详 细 信 息 设 置 窗 口 2) 比 例 和 圈 数 特 征 可 用 来 创 建 螺 旋 扫 掠 a) 比 例 : 沿 扫 掠 路 径 逐 渐 扩 张 或 收 缩 b) 圈 数 : 沿 扫 掠 路 径 转 动 剖 面 负 圈 数 要 求 剖 面 沿 与 路 径 相 反 的 方 向 旋 转, 正 圈 数 为 逆 时 针 旋 转 3) 对 齐 : a) 路 径 相 切 : 沿 路 径 扫 掠 时 自 动 调 整 剖 面 以 保 证 沿 路 径 的 切 线 方 向 图 3-44 扫 掠 特 征 详 细 信 息 设 置 窗 口 b) 全 局 : 沿 路 径 扫 掠 时, 不 管 路 径 的 形 状 如 何 剖 面 的 方 向 保 持 不 变 螺 旋 扫 掠 案 例 演 示 : 1) 接 上 例, 图 形 区 选 择 轴 对 称 面 2) 创 建 工 作 平 面 Plane10 3) Plane10 中 创 建 草 图 Sketch11 4) 草 图 Sketch11 中 建 立 一 根 线 作 为 扫 掠 路 径 5) 同 样, 选 择 另 一 轴 对 称 面 创 建 工 作 平 面 Plane11 6) Plane11 创 建 草 图 Sketch12 7) 草 图 Sketch12 中 建 立 一 个 圆 作 为 扫 掠 轮 廓 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 50

8) 工 具 条 中 选 择 扫 掠 命 令 Sweep, 导 航 树 出 现 特 征 Sweep6 9) 扫 掠 属 性 设 置 : 选 择 扫 掠 轮 廓 Details View Details of Sweep6 Profile =Sketch12 10) 选 择 扫 掠 路 径 : Details View Details of Sweep6 Path =Sketch11 11) 选 择 切 除 材 料 操 作 : Details View Details of Sweep6 Operation =Cut Material 12) 定 义 圈 数 确 定 的 螺 旋 扫 掠 : Details View Details of Sweep6 Twist Specification =Turns 13) 定 义 螺 旋 圈 数 : Details View Details of Sweep6 FD5,Turns =4 14) 生 成 螺 旋 扫 掠 15) 图 形 区 显 示 螺 旋 扫 掠 特 征 操 作 结 果, 如 图 3-45 图 3-45 螺 旋 扫 掠 4 蒙 皮 / 放 样 Skin/Loft 1. 从 不 同 平 面 上 的 一 系 列 剖 面 轮 廓 产 生 一 个 样 条 面 拟 合 的 三 维 几 何 体 ( 必 须 选 两 个 或 更 多 的 剖 面 ) a) 剖 面 可 以 是 一 个 闭 合 或 开 放 的 环 路 草 图, 或 由 表 面 得 到 的 一 个 面 b) 所 有 的 剖 面 必 须 有 同 样 的 边 数 c) 不 能 混 杂 开 放 和 闭 合 的 剖 面 2. 草 图 和 面 可 以 通 过 在 图 形 区 域 内 点 击 它 们 的 边 或 点 3. 选 取 好 足 够 数 量 的 剖 面 轮 廓 后, 可 以 预 览 选 定 的 剖 面 和 导 引 多 边 形 4. 导 引 多 边 形 是 一 段 灰 色 的 多 义 线, 它 用 来 显 示 剖 面 轮 廓 的 顶 点 如 何 相 互 连 接 的 5. 蒙 皮 / 放 样 操 作 非 常 依 赖 鼠 标 右 键 弹 出 菜 单 的 选 项 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 51

蒙 皮 / 放 样 实 例 : 从 组 件 系 统 Component Systems 中 将 Geometry 拖 入 工 程 流 程 图 区 域 Project Schematic, 保 存 文 件 DM4-Skin.wbpj, 选 择 Geometry New Geometry 进 入 DesignModeler 程 序 窗 口 : 1) 选 择 工 作 平 面 XYPlane 2) 创 建 草 图 Sketch1 3) 绘 制 草 图 为 圆, 直 径 100mm 4) 创 建 偏 移 工 作 平 面 Plane4, 偏 移 XYPlane 距 离 50mm 5) 创 建 草 图 援 引 Sketch2, 其 援 引 草 图 Sketch1, 比 例 0.5 6) 如 图 形 区 显 示 中 截 面 7) 创 建 偏 移 工 作 平 面 Plane5, 偏 移 XYPlane 距 离 80mm 8) 创 建 草 图 援 引 Sketch3, 其 援 引 草 图 Sketch1, 比 例 0.8 9) 如 图 形 区 显 示 上 截 面 10) 工 具 条 选 择 蒙 皮 命 令 Skin/Loft 11) 选 择 要 蒙 皮 的 所 有 草 图 : 按 住 CTRL 键, 选 取 好 每 个 草 图 轮 廓 后, 显 示 灰 色 的 引 导 线, 鼠 标 右 键 弹 出 菜 单 用 于 引 导 线 的 修 改, 继 续 通 过 所 有 的 剖 面, Apply 确 认 后, Details View Details of Skin1 Profiles =3 Sketches 12) Generate 操 作 生 成 3D 实 体, 见 图 3-46, 保 存 文 件 图 3-46 蒙 皮 / 放 样 提 示 : 鼠 标 右 键 弹 出 菜 单 中 可 以 对 引 导 线 重 新 排 列, 排 列 方 向 出 现 差 错 可 能 导 致 出 现 不 可 预 知 的 形 状 5 抽 壳 Thin/Surface : 1. 抽 壳 特 征 有 两 个 明 显 的 用 处 : a) 创 建 薄 壁 实 体 Thin b) 创 建 简 化 壳 Surface 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 52

2. 详 细 菜 单 中 的 选 择 方 式 : a) 删 除 面 Face to Remove : 所 选 面 将 从 体 中 删 除 b) 保 留 面 Face to Keep : 保 留 所 选 面, 删 除 没 有 选 择 的 面 c) 仅 对 体 操 作 Boldies only : 只 对 所 选 体 上 操 作 不 删 除 任 何 面 3. 将 实 体 转 换 成 薄 壁 体 或 面 时, 可 以 采 用 以 下 三 种 方 向 中 的 一 种 偏 移 方 向 指 定 模 型 的 厚 度 : 向 内, 向 外, 中 面 提 示 1) 创 建 面 几 何 体 并 非 薄 壁 实 体 时, 必 须 将 厚 度 属 性 域 设 为 零 2) 如 果 所 选 面 是 表 面 体 的 一 部 分, 则 可 以 将 Thin/Surface 特 征 的 厚 度 设 为 > 0, 这 个 操 作 可 以 对 某 个 输 入 的 面 增 厚 3) 中 面 选 项 : 并 非 意 味 着 中 面 抽 取 体 是 中 空 的 案 例 演 示 : 1) 接 上 例, 工 具 条 中 选 择 抽 壳 命 令 Thin/Surface 2) 属 性 设 置 去 除 面 : Details View Details of Thin1 Selection Type =Face to Remove 3) 图 形 区 选 择 上 表 面 4) 确 认 要 去 除 的 面 : Details View Details of Thin1 Geometry =Apply 5) 抽 壳 成 面 体 : Details View Details of Thin1 FD1,Thickness =0 6) 选 择 Generate 生 成 抽 壳 特 征 7) 图 形 区 显 示 结 果 8) 导 航 树 零 件 下 由 原 来 的 实 体 Solid 变 成 面 体 Surface Body 见 图 3-47, 保 存 文 件 图 3-47 抽 壳 特 征 操 作 6 圆 角 Blend 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 53

1) 固 定 半 径 圆 角 Fixed Radius : 固 定 半 径 圆 角 可 以 在 模 型 边 界 上 创 建 圆 角 选 择 3D 边 或 面 用 于 圆 角, 如 果 面 选 将 圆 角 面 上 的 所 有 边, 在 详 细 列 表 菜 单 中 可 以 编 辑 圆 角 半 径, 点 击 Generate 完 成 特 征 案 例 操 作 见 图 3-48 图 3-48 固 定 半 径 导 圆 角 2) 可 变 半 径 圆 角 Variable Radius : 用 详 细 列 表 菜 单 可 以 改 变 每 边 的 起 始 和 结 尾 的 圆 角 半 径, 也 可 以 设 定 圆 角 间 的 过 渡 形 式 为 光 滑 还 是 线 性, 点 击 生 成 完 成 特 征, 创 建 更 新 模 型, 如 图 3-49 图 3-49 可 变 半 径 导 圆 角 3) 顶 点 倒 圆 (Vertex Radius) 允 许 在 面 体 和 线 体 上 的 顶 点 导 圆 角, 但 顶 点 必 须 和 两 条 边 相 连, 围 绕 顶 点 的 几 何 模 型 必 须 共 面 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 54

7 倒 角 : 倒 角 特 征 用 来 在 模 型 边 上 创 建 平 面 过 渡 1) 选 择 3D 边 或 面 来 倒 角, 如 果 选 择 的 是 面, 那 个 面 上 的 所 有 边 缘 将 被 倒 角 2) 面 上 的 每 条 边 都 有 方 向, 该 方 向 定 义 右 侧 和 左 侧 3) 可 以 用 平 面 ( 倒 角 面 ) 过 渡 的 两 条 边 的 距 离 或 距 离 ( 左 或 右 ) 和 角 度 来 定 义 斜 面 4) 在 详 细 列 表 菜 单 中 设 定 倒 角 类 型 包 括 设 定 距 离 和 角 度 图 3-50 倒 角 特 征 操 作 8 点 特 征 点 特 征 可 以 使 点 相 对 面 或 边 的 位 置 按 尺 寸 放 置 1) 选 取 一 组 基 准 面 和 引 导 边 2) 选 择 点 分 析 类 型 : (1) 焊 点 : 用 于 将 装 配 体 中 的 分 离 的 零 件 焊 接 在 一 起, 仅 那 些 成 功 匹 配 的 点 才 能 作 为 焊 点 传 到 数 值 模 拟 中 (2) 加 载 点 : 用 于 分 析 的 hard points 节 点, 所 有 成 功 生 成 的 点 都 可 以 传 到 数 值 模 拟 中 (3) 构 造 点 : 这 类 点 不 能 够 传 到 数 值 模 拟 中 3) 从 三 种 可 能 的 点 定 义 中 选 择, 每 一 种 明 确 地 定 义 了 位 置, 如 图 3-51: (1) 单 点 Single : Sigma and Offset (2) 根 据 间 隔 控 制 序 列 点 Sequence By Delta : Sigma, Offset, Delta (3) 根 据 数 量 控 制 序 列 点 Sequence By N : Sigma, Offset, N, Omega (4) 坐 标 点 From Coordinates File : 文 本 格 式 文 件, 类 似 于 3D 曲 线 参 数 Sigma : 导 引 边 起 始 端 和 起 始 点 之 间 的 距 离 边 偏 移 Edge Offset : 导 引 边 和 基 准 面 上 点 阵 放 置 处 之 间 的 距 离 参 数 Delta : 对 于 按 间 隔 控 制 序 列 点 Sequence By Delta 选 项, 这 项 指 的 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 55

是 引 导 上 测 得 的 两 个 连 续 点 之 间 的 距 离 N: 放 置 的 点 数, 与 导 引 边 相 关, 在 根 据 数 量 控 制 序 列 点 Sequence By N 选 项 情 况 下 使 用 参 数 Omega: 对 根 据 数 量 控 制 序 列 点 Sequence By N 选 项, 这 项 是 导 引 边 末 端 和 末 点 之 间 的 距 离 图 3-51 点 特 征 参 数 示 例 9 阵 列 特 征 Pattern 阵 列 特 征 可 以 以 下 列 形 式 复 制 面 或 体, 如 图 3-52: 1) 线 性 ( 方 向 + 偏 移 距 离 ) 2) 环 形 ( 旋 转 轴 + 角 度 ): 将 角 度 设 为 0, 系 统 会 自 动 计 算 均 布 放 置 3) 矩 形 ( 两 个 方 向 + 偏 移 ) 提 示 : 对 于 面 选 定, 每 个 复 制 的 对 象 实 例 必 须 和 原 始 体 保 持 一 致, 复 制 对 象 不 能 彼 此 接 触 或 相 交, 复 制 的 总 数 = Copies + 1 图 3-52 阵 列 特 征 3.1.5.7 3D 实 体 建 模 案 例 排 气 装 置 创 建 一 个 排 气 装 置 如 图 3-53 主 要 操 作 : 建 立 草 图, 草 图 分 割, 工 作 面 偏 移, 草 图 援 引, 草 图 投 影, 蒙 皮 / 放 样, 旋 转, 抽 壳 及 面 体 生 成 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 56

图 3-53 排 气 装 置 模 型 操 作 过 程 : 1. 组 件 窗 口 中 将 Geometry 拖 入 工 程 流 程 图, 保 存 工 程 文 件 为 DM5-exhaust.wbpj 2. 几 何 组 件 命 名 exhaust 3. 选 择 几 何 建 模 Geometry, 鼠 标 右 键 选 New Geometry 如 图 3-54 4. 在 XY 面 上 创 建 草 图 sketch1 图 3-54 创 建 新 的 几 何 模 型 1) 在 导 航 树 点 击 XYPlane 2) 工 具 条 选 新 草 图 3) 切 换 到 Sketching 草 图 选 项, 将 在 XY 面 上 创 建 草 图 4) 创 建 图 示 圆, 并 将 圆 分 割 为 8 分, 旋 转 22.5 5) 设 置 圆 半 径 2.5cm, 如 图 3-55 5. 生 成 草 图 Sketch2 图 3-55 创 建 草 图 1 1) XY 平 面 Z 轴 平 移 2cm 生 成 新 平 面 Plane4 2) 插 入 草 图 援 引 Insert > Skech Instance 3) 援 引 草 图 设 置 : Base Skeitch 4) 缩 放 比 例 1.2 倍 : Scale =1.2 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 57

5) 如 图 3-56 图 3-56 创 建 草 图 2 6. 生 成 草 图 Sketch3 1) XY 平 面 Z 轴 平 移 7cm 生 成 新 平 面 Plane5 2) 建 立 草 图 Skech 3 3) 绘 制 图 示 圆 角 四 边 形 4) 标 注 相 关 尺 寸, 如 图 3-57 图 3-57 创 建 草 图 3 7. 生 成 草 图 Sketch4 1) XY 平 面 Z 轴 平 移 9cm 生 成 新 平 面 Plane6 2) 插 入 草 图 援 引 Insert > Skech Instance 生 成 草 图 Sketch4 3) 援 引 草 图 设 置 : Base Sketch =Sketch3 4) 缩 放 比 例 1.2 倍 : Scale =1.2 5) 如 图 3-58 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 58

图 3-58 创 建 草 图 4 8. 生 成 蒙 皮 特 征 1) 工 具 条 选 择 蒙 皮 命 令 Skin/Loft 2) 显 示 4 个 草 图 轮 廓, 按 顺 序 同 时 选 中 图 中 草 图 黄 色 线 段, 提 示 引 导 线 的 方 向 3) 选 择 Generate 4) 生 成 蒙 皮 图 形 5) 导 航 树 显 示 生 成 的 蒙 皮 特 征 包 含 4 个 草 图 轮 廓, 如 图 3-59 9. 生 成 旋 转 特 征 图 3-59 创 建 蒙 皮 特 征 1) 平 面 Plane6 生 成 草 图 Sketch5 2) Sketch5 上 画 旋 转 轴 线 3) 体 上 表 面 生 成 平 面 Plane7 > Insert > Sketch Projection 4) 选 择 体 上 表 面 确 认 Plane7 上 建 草 图 Sketch6 5) 选 择 旋 转 命 令 Revolve 6) 旋 转 面 为 Sketch6 7) 旋 转 轴 为 Sketch5 中 的 线 8) 旋 转 角 为 Angle =45 9) Generate 生 成 10) 导 航 树 显 示 生 成 旋 转 特 征, 如 图 3-60 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 59

图 3-60 创 建 旋 转 特 征 10. 生 成 抽 壳 特 征 1) 选 择 抽 壳 命 令 Thin/Surface 2) 设 置 面 去 除 Face to Remove 3) 选 择 图 形 中 上 下 两 个 表 面 4) 设 置 零 厚 度 Thickness =0 5) Generate 生 成, 如 图 3-61, 保 存 文 件 图 3-61 创 建 抽 壳 特 征 3.1.6 概 念 建 模 及 案 例 Concept 菜 单 中 的 特 征 用 于 创 建 和 修 改 线 体 或 表 面 体, 这 些 体 将 变 成 有 限 元 梁 和 板 壳 模 型, 可 以 用 绘 图 工 具 箱 中 的 特 征 创 建 线 或 表 面 体, 用 来 设 计 2D 草 图 或 生 成 3D 模 型 ; 也 可 以 导 入 外 部 几 何 体 文 件 特 征 概 念 建 模 工 具 命 令 如 下 表 3-3: 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 60

表 3-3: 概 念 建 模 命 令 Concept 概 念 建 模 命 令 说 明 Cross Section 横 截 面 用 点 生 成 线 体 用 草 图 生 成 线 体 用 边 生 成 线 体 3D 曲 线 分 割 线 体 用 边 生 成 面 体 用 草 图 生 成 面 体 线 体 横 截 面 3.1.6.1 创 建 线 体 及 案 例 1) 点 生 成 线 体 Line From Points 点 可 以 是 任 何 2D 草 图 点 3D 模 型 顶 点 或 点 特 征 点, 一 个 点 分 段 通 常 是 一 条 连 接 两 个 选 定 点 的 直 线, 该 特 征 可 以 产 生 多 个 线 体, 这 一 点 取 决 于 所 选 点 分 段 的 连 接 性 质 操 作 域 允 许 在 线 体 中 选 择 添 加 材 料 或 添 加 冻 结 选 择 2) 草 图 生 成 线 体 Line From Sketches : 基 于 草 图 创 建 线 体 3) 边 生 成 线 体 Line From Edges : 基 于 已 有 的 2D 和 3D 模 型 边 界 创 建 线 体 4) 分 割 线 体 Split Edges : 分 割 线 体 边 成 段, 用 比 例 特 性 控 制 分 割 位 置, 如 0.5 等 效 于 在 一 半 处 分 割 5) 横 截 面 Cross Section : 横 截 面 作 为 一 种 属 性 赋 给 线 体, 这 样 就 可 以 在 有 限 元 数 值 模 拟 中 定 义 梁 的 属 性 (1) DM 中 在 草 图 中 描 绘 横 截 面 并 通 过 一 组 尺 寸 控 制 横 截 面 的 形 状 (2) DM 中 可 以 自 定 义 横 截 面, 不 用 画 出 横 截 面, 而 只 需 在 详 细 列 表 窗 口 填 写 截 面 的 属 性 (3) DM 中 横 截 面 位 于 XY 平 面, 定 义 横 截 面 对 齐 采 用 局 部 坐 标 系 或 横 截 面 的 +Y 方 向, 默 认 的 对 齐 是 全 局 坐 标 系 的 +Y 方 向 (4) DM 中 用 有 色 编 码 显 示 线 体 横 截 面 的 状 态 : a) 紫 色 : 线 体 未 赋 值 截 面 属 性 b) 黑 色 : 线 体 赋 予 了 截 面 属 性 且 对 齐 合 法 c) 红 色 : 线 体 赋 予 了 截 面 属 性 但 对 齐 非 法 (5) 树 形 目 录 中 的 线 体 图 标 有 同 样 的 可 视 化 帮 助 : a) 绿 色 : 有 合 法 对 齐 的 赋 值 横 截 面 b) 黄 色 : 没 有 赋 值 横 截 面 或 使 用 默 认 对 齐 c) 红 色 : 非 法 的 横 截 面 对 齐 用 视 图 菜 单 进 行 图 形 化 的 截 面 对 齐 检 查 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 61

图 3-62 线 体 图 标 表 示 横 截 面 状 态 6) 选 择 默 认 的 对 齐 总 是 要 修 改 横 截 面 方 向, 有 2 种 方 式 可 以 进 行 横 截 面 对 齐, 选 择 法 或 矢 量 法 任 何 一 种 方 式 都 可 以 输 入 旋 转 角 度 或 是 否 反 向 如 图 3-63: a) 选 择 使 用 现 有 几 何 体 : 边 点 等 作 为 对 齐 参 照 方 式 b) 矢 量 方 式 法 输 入 相 应 的 X, Y, Z 坐 标 方 向 图 3-63 修 改 横 截 面 方 向 7) 横 截 面 偏 移 : 将 横 截 面 赋 给 一 个 线 体 后, 详 细 列 表 窗 口 中 允 许 用 户 对 横 截 面 进 行 偏 移 : a) 质 心 : 横 截 面 中 心 和 线 体 质 心 相 重 合 ( 默 认 ) b) 剪 力 中 心 : 横 截 面 剪 力 中 心 和 线 体 中 心 相 重 合, 提 示 质 心 和 剪 力 中 心 的 图 形 显 示 看 起 来 是 一 样 的, 但 分 析 时 使 用 的 是 剪 力 中 心 c) 原 点 : 横 截 面 不 偏 移 3.1.6.2 3D 曲 线 特 征 及 案 例 3D 曲 线 可 用 于 : 为 概 念 建 模 定 制 曲 线, 建 立 特 征 时 的 基 本 对 象 1. 创 建 3D 曲 线 : 可 以 从 现 有 模 型 点 Point Select 或 者 坐 标 ( 文 本 ) 文 件 From Coordinates File 2. 曲 线 通 过 链 路 上 所 有 的 点 : 所 有 点 必 须 唯 一 的, 曲 线 可 能 是 开 放 的 也 可 能 是 闭 合 的 演 示 : 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 62

1. 接 上 例, 选 择 Concept 3D Curve 2. 选 择 Definition Point Select 3. 选 择 已 有 模 型 上 的 点 按 住 <CTRL> 键 选 择 多 个 点 4. Apply 确 认 选 择 的 4 个 点 5. 曲 线 可 以 是 开 放 的 也 可 以 是 闭 合 的, 产 生 的 曲 线 通 过 所 有 选 取 的 点, 如 图 3-64 图 3-64 创 建 3D 曲 线 提 示 : 通 过 XYZ 坐 标 的 文 本 文 件 创 建 3D 曲 线, 文 本 需 要 满 足 一 定 的 格 式 如 图, 格 式 化 文 本 文 件,# 表 示 此 行 是 注 解, 忽 略 空 行, 数 据 行 包 括 5 个 数 据 域, 被 空 格 或 TAB 键 隔 开, 依 次 为 组 号 ( 整 数 ), 点 号 ( 整 数 ),X 坐 标,Y 坐 标,Z 坐 标, 对 于 封 闭 曲 线, 最 后 一 行 的 点 号 应 该 是 0, 如 图 3-65 图 3-65 3D 曲 线 文 本 文 件 格 式 3.1.6.2 创 建 面 体 及 案 例 平 面 体 是 在 XY 面 的 表 面 体, 在 DM 中 创 建 的 平 面 体 用 于 进 行 2D 数 值 模 拟, 应 用 于 平 面 应 变 平 面 应 力 轴 对 称, 在 数 值 运 算 上 比 3D 模 型 高 效 的 模 型 3D 曲 面 则 用 于 数 值 模 拟 壳 体 模 型 1. 用 边 生 成 表 面 体 Surface From Edges 用 线 体 边 作 为 边 界 创 建 表 面 体, 线 体 边 必 须 是 没 有 交 叉 的 闭 合 回 路, 每 个 闭 合 回 路 都 创 建 一 个 冻 结 表 面 体, 回 路 应 该 形 成 一 个 可 以 插 入 模 型 的 简 单 表 面 形 状, 如 平 面 圆 柱 面 圆 环 面 圆 锥 面 球 面 和 简 单 扭 曲 面 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 63

3-66 边 生 成 面 体 提 示 : 无 横 截 面 属 性 的 线 体 能 用 于 将 表 面 模 型 连 在 一 起, 在 这 种 情 况 下 线 体 仅 仅 起 到 确 保 表 面 边 界 有 连 续 网 格 的 作 用 2. 草 图 生 成 面 体 Surface From Sketches 由 草 图 作 为 边 界 创 建 面 体, 单 个 或 多 个 草 图 都 是 可 以 的, 但 基 本 草 图 必 须 是 不 自 相 交 叉 的 闭 合 剖 面, 可 以 选 择 添 加 或 加 入 冻 结 体 操 作 3. 边 接 合 显 示 Edge Joints 边 接 合 Joint 就 是 将 放 在 一 起 的 面 体 以 及 概 念 模 型 中 梁 和 表 面 相 粘 合, 每 当 生 成 一 个 接 合, 从 边 界 生 成 线 或 从 线 特 征 生 成 表 面 时,DM 就 隐 含 地 创 建 了 边 接 合, 在 视 图 菜 单 中 打 开 边 接 合 显 示 Edge Joints 选 项 就 可 以 浏 览 边 连 接 : 蓝 色 表 示 边 接 合 包 含 在 已 正 确 定 义 的 多 体 素 零 件 中, 红 色 表 示 边 接 合 没 有 分 组 进 同 一 个 零 件 中 图 3-67 边 接 合 显 示 3.1.7 高 级 工 具 及 案 例 如 下 : Tools 工 具 菜 单 给 出 用 于 数 值 模 拟 分 析 常 用 命 令, 见 表 3-4, 其 中 一 些 命 令 及 案 例 演 示 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 64

表 3-4: 高 级 工 具 菜 单 命 令 列 表 命 令 说 明 修 补 命 令 Repair 及 说 明 Freeze 冰 冻 Repair Edges 小 边 修 补 Unfreeze 解 冻 Repair Seams 缝 隙 修 补 Named Selection 命 名 选 择 Repair Holes 孔 洞 修 补 Attribute 属 性 Repair Sharp Angles 尖 角 修 补 Mid-Surface 抽 取 中 面 Repair Slivers 裂 痕 修 补 Joint 接 合 Repair Spikes 钉 修 补 Encolsure 包 围 Repair Face 碎 面 修 补 Symmetry 对 称 Fill 填 充 分 析 工 具 Analysis Tools 及 说 明 Surface Extension 表 面 延 伸 Distance Finder 检 测 距 离 Surface Patch 表 面 修 补 Entity Information 实 体 信 息 Surface Flip 表 面 翻 转 Bounding Box 边 界 框 Solid Extensior 实 体 扩 展 Mass Properties 质 量 属 性 Merge 合 并 Fault Detection 默 认 检 测 Connect 连 接 Small Entity Search 查 找 小 体 Projection 投 影 3.1.7.1 冰 冻 Freeze 及 案 例 通 常 3D 实 体 特 征 操 作 如 下 : 1. 创 建 3D 特 征 体 ( 例 如 拉 伸 特 征 ) 2. 通 过 布 尔 操 作 将 特 征 体 和 现 有 模 型 合 并 : 加 入 材 料, 切 除 材 料, 表 面 印 记 等 而 冰 冻 特 征 Freeze 的 作 用 是 构 造 模 型 历 程 的 隔 离 器, 也 就 是 在 冰 冻 前 创 建 的 特 征 将 变 成 冰 冻 体, 冰 冻 特 征 之 后, 对 任 何 特 征 所 做 的 添 加 去 除 印 记 面 材 料 操 作 都 将 忽 略 所 有 的 冰 冻 体 案 例 演 示 : 1) 打 开 文 件 DM5-exhaust.wbpj, 另 存 为 DM6-Frozent.wbpj, 双 击 Geometry, 进 入 DM 环 境, 加 入 冰 冻 命 令 Tools Freeze 2) 导 航 树 在 最 后 的 特 征 处 Thin1 出 现 冰 冻 特 征 Freeze1 3) 图 形 区 显 示 冰 冻 面 体 4) 选 择 工 作 面 Plane6 点 击 鼠 标 右 键 插 入 草 图 援 引 Insert Sketch Instance 建 立 新 草 图 Sketch9 5) 草 图 属 性 : 援 引 草 图 Details View Details of Sketch9 Base Sketch =Sketch3 6) 草 图 属 性 : 草 图 比 例 Details View Details of Sketch9 FD6,Scale =1.2 7) 生 成 草 图 Sketch9, 如 图 3-68 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 65

图 3-68 创 建 冰 冻 体 8) 创 建 拉 伸 特 征 Extrude2 9) 拉 伸 特 征 属 性 设 置 : Details of Extrude2 Base Object =Sketch9 10) 拉 伸 特 征 属 性 : 拉 伸 草 图 Details of Extrude2 Base Object =Sketch9 11) 拉 伸 特 征 属 性 : 拉 伸 长 度 Details of Extrude2 FD1,Depth =5cm 12) 拉 伸 特 征 属 性 : 拉 伸 为 面 体 Details of Extrude2 As Thin/Surface =Yes 13) 拉 伸 特 征 属 性 : 输 入 厚 度 Details of Extrude2 FD2,Inward Thickness =0cm 14) Generate 生 成 拉 伸 面 体 如 图 15) 导 航 树 显 示 两 个 面 体, 前 一 个 冰 冻, 后 一 个 激 活, 如 果 没 有 冰 冻 特 征, 则 两 个 面 体 将 合 并 为 一 个 面 体, 如 图 3-69, 保 存 文 件 图 3-69 创 建 薄 壁 拉 伸 3.1.7.2 解 冻 Unfreeze 冻 结 是 全 局 操 作, 解 冻 Unfreeze 可 以 有 选 择 地 移 除 对 单 个 或 多 个 体 的 冻 结 提 示 : 如 果 从 CAD 软 件 中 导 入 一 个 装 配 体,DM 将 默 认 为 装 配 体 是 没 有 冻 结 的 分 离 零 件, 然 而 接 下 来 的 任 何 3D 建 模 操 作 将 合 并 装 配 体 中 的 任 何 相 互 接 触 体, 这 些 合 并 可 以 用 冻 结 和 解 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 66

冻 工 具 避 免 3.1.7.3 命 名 选 择 Named Selection 命 名 选 择 Named Selection 将 一 组 实 体 组 织 在 一 个 名 字 下, 可 以 传 递 到 数 值 模 拟 分 析 模 块 中 3.1.7.4 接 合 Joint 接 合 Joint 将 表 面 体 接 合 在 一 起, 以 便 在 分 析 模 块 中 对 其 适 当 处 理, 可 用 于 激 活 体 或 冻 结 体, 拓 扑 结 构 可 以 共 享 网 格 或 不 共 享 成 接 触 区 域 将 共 享 拓 扑 设 为 Yes ( 缺 省 ), 分 析 模 型 沿 边 界 的 网 格 是 连 续 的 ; 将 共 享 拓 扑 设 为 No 则 用 接 触 单 元 对 边 / 面 的 边 界 进 行 建 模, 提 示 : 表 面 / 边 探 测 必 须 设 为 Yes 3.1.7.5 包 围 Enclosure 及 案 例 包 围 命 令 Enclosure 沿 体 创 建 一 个 环 绕 区 域 以 便 于 对 场 效 应 区 进 行 数 值 模 拟, 如 流 体 和 电 磁 场 等 可 以 使 用 块 体 球 体 柱 体 或 自 定 义 的 形 状 创 建 包 围 体, 夹 层 特 性 允 许 将 包 围 体 边 界 延 伸 至 指 定 值 但 须 > 0, 可 以 将 包 围 应 用 于 所 有 的 体 或 仅 对 选 定 目 标, 合 并 特 性 可 以 对 多 体 零 件 自 动 创 建 包 围 体, 确 保 划 分 网 格 时 原 始 零 件 和 包 围 体 有 公 共 节 点 1. 接 上 例, 加 入 包 围 特 征 Tools Enclosure 2. 导 航 树 显 示 包 围 特 征 Enclosure1 3. 设 置 包 围 体 为 球 体 : Details View Details of Enclosure1 Shape =Sphere 4. 设 置 球 体 半 径 : Details View Details of Enclosure1 FD1,Cushion =10cm 5. Generate 生 成 6. 图 形 区 显 示 球 体 包 围 7. 导 航 树 选 实 体 8. 图 形 区 显 示 包 围 的 球 体, 如 图 3-70, 保 存 文 件 图 3-70 创 建 包 围 区 域 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 67

3.1.7.6 填 充 Fill 及 案 例 填 充 命 令 Fill 用 于 创 建 充 满 内 部 空 腔 的 实 体, 可 在 激 活 或 冻 结 体 中 操 作, 但 只 能 在 实 体 中 操 作 该 操 作 对 大 量 的 CFD 应 用 软 件 非 常 有 用 填 充 可 以 通 过 指 定 空 腔 内 部 表 面 或 创 建 封 盖 面 完 成, 见 下 面 的 案 例 演 示 : 1. 拖 入 Geometry 到 Project Schematic 2. 调 入 填 充 模 型 文 件 : Geometry Import Geometry =fill model.agdb, 如 图 3-71 图 3-71 调 入 填 充 模 型 文 件 3. 创 建 空 腔 表 面 填 充 : 1) 选 择 填 充 命 令 : Tools Fill 2) 选 择 空 腔 内 表 面 3) 确 认 选 择 的 表 面 Details View Details of Fill1 Faces =Apply 4) Generate 生 成 特 征 5) 导 航 树 显 示 出 现 2 个 实 体, 选 择 空 腔 生 成 的 实 体 6) 图 形 区 显 示 内 部 实 体, 如 图 3-72 如 图 3-72 创 建 空 腔 表 面 填 充 4. 创 建 封 盖 面 填 充 : 1) 创 建 封 盖 面 : Concept Surface From Edges 2) 图 形 区 选 择 边 3) 确 认 选 择 的 表 面 Details View Details of Surf1 Edges =Apply 4) Generate 生 成 表 面 特 征 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 68

5) 导 航 树 显 示 出 现 2 个 面 体, 6) 生 成 填 充 特 征 Fill3 7) 设 置 封 盖 面 填 充 Details View Details of Fill3 Extraction Type =by Caps 8) 图 形 区 显 示 填 充 后 实 体, 如 图 3-73 图 3-73 创 建 封 盖 面 填 充 3.1.7.7 抽 取 中 面 Mid-Surface 与 表 面 延 伸 Face Extend 及 案 例 抽 取 中 面 Mid-Surface 将 实 体 模 型 转 化 为 面 体, 表 面 延 伸 Face Extend 则 在 所 选 边 上 创 建 表 面 延 伸, 延 伸 可 以 是 固 定 或 延 伸 到 选 定 表 面, 使 用 DM 表 面 模 型 工 具 实 例 演 示 如 下 : 1. 拖 入 几 何 建 模 系 统 Geometry 到 工 程 流 程 图 Project Schematic 2. 命 名 工 程 为 Surface 3. 选 择 Geometry - Import Geometry - Browse 加 入 文 件 MidSurfaceBracket.agdb 绿 勾 标 记 表 明 模 型 加 载 成 功 4. 保 存 工 程 文 件 5. 选 择 Geometry - Edit 如 图 3-74 图 3-74 调 入 几 何 模 型 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 69

6. DM 窗 口 中 出 现 支 座 模 型, 该 模 型 有 两 个 实 体, 前 支 架 为 一 单 独 实 体, 选 择 Generate 更 新 模 型 7. 使 用 抽 取 中 面 工 具 获 得 实 体 中 间 截 面 的 面 体, 如 图 3-75, 选 择 Tools - Mid-Surface 8. 点 击 面 选 过 滤 器 9. 图 形 区 选 择 面 10. 选 面 小 窗 口, 按 住 Ctrl 键, 也 选 择 被 遮 盖 的 面 11. 确 认, Details View - Face Pairs - Apply 图 3-75A 抽 取 中 面 12. 前 面 只 选 择 一 对 面, 需 要 增 加 其 它 的 面 对, 设 置 选 择 方 法 Selection Method =Automatic, 13. 实 体 面 对 之 间 的 控 制 距 离 为 Minimum Threshold =1mm 14. Maximum Threshold =2mm 15. 自 动 查 找 匹 配 的 面 对 追 加 到 前 面 的 面 对 Find Face Pairs Now =Yes,Add to Face Pairs 16. 现 在 生 成 11 个 面 对 Face Pairs =11 图 3-75B 抽 取 中 面 17. 选 择 Generate 更 新 模 型 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 70

18. 需 要 删 除 多 余 的 面 对, 右 击 鼠 标 Midsurf - Edit Selections 19. 图 形 区 选 择 多 的 面 20. 图 形 区 右 击 鼠 标 选 择 Remove Face Pairs 21. 选 择 Generate 更 新 模 型 22. 得 到 面 体 模 型 23. 前 支 架 和 支 座 需 要 用 表 面 延 伸 命 令 连 接 起 来, 因 此 使 用 延 伸 工 具 延 伸 面 体, 如 图 3-76, 选 择 Tools - Surface-Extension 24. 图 形 区 选 择 前 支 架 边 25. 确 认 选 择 边 : DetailsView - Surface Extension Group 1 - Edges =Apply 26. 所 选 边 延 伸 到 表 面 : Surface Extension Group 1 - Extend - To Surface 27. 图 形 区 选 择 要 延 伸 到 的 面 28. 确 认 目 标 面 : Surface Extension Group 1 - Target Face - Apply 图 3-76A 创 建 表 面 延 伸 29. 延 伸 前 支 架 另 一 边, 增 加 新 的 延 伸 组, 点 击 鼠 标 右 键 Surface Extension Group 1 - Add 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 71

New Extension Group 30. 图 形 区 选 择 前 支 架 另 一 边 31. 确 认 选 择 边 : DetailsView - Surface Extension Group 2 - Edges =Apply 32. 所 选 边 延 伸 到 表 面 : Surface Extension Group 2 - Extend - To Surface 33. 图 形 区 选 择 要 延 伸 到 的 面 34. 确 认 目 标 面 : Surface Extension Group 2 - Target Face - Apply 35. 选 择 Generate 更 新 模 型 36. 输 出 几 何 模 型, File - Export -Surface.agdb 图 3-76B 创 建 表 面 延 伸 3.1.7.8 切 片 Slice 当 模 型 完 全 由 冰 冻 体 组 成 时 才 可 以 使 用 切 片 Slice, 切 片 有 两 个 选 项 : 1. 用 平 面 切 片 : 选 定 一 个 面 并 用 此 面 对 模 型 进 行 切 片 操 作 2. 切 开 表 面 : 在 模 型 中 选 择 表 面,DM 将 这 些 表 面 切 开, 然 后 就 可 以 用 这 些 切 开 的 面 创 建 一 个 分 离 体 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 72

第 4 章 ANSYS12.0 Meshing 网 格 划 分 4.1 ANSYS12.0 Meshing 网 格 划 分 概 述 网 格 是 计 算 机 辅 助 工 程 ( CAE 技 术 ) 模 拟 过 程 中 不 可 分 割 的 一 部 分 网 格 直 接 影 响 到 精 度, 收 敛 性 和 解 决 方 案 的 速 度 此 外, 建 立 网 格 模 型 所 花 费 的 时 间 往 往 是 取 得 CAE 解 决 方 案 所 花 费 的 时 间 中 一 个 重 要 部 分 因 此, 一 个 越 好 的 自 动 化 的 网 格 工 具, 越 能 得 到 更 好 的 解 决 方 案 从 简 单, 自 动 化 网 格, 以 及 到 高 度 复 杂 的 流 体 网 格, ANSYS12.0 软 件 提 供 了 最 终 的 解 决 方 案 强 大 的 自 动 化 能 力 通 过 关 闭 物 理 参 数 和 实 用 智 能 缺 省 设 置 简 化 了 一 个 新 几 何 体 的 网 格 初 始 化, 从 而 使 得 网 格 在 第 一 次 使 用 时 就 能 生 成 此 外, 用 户 可 以 变 化 参 数 得 到 即 时 的 更 新, 在 前 期 设 计 中 从 CAD 到 CAE 能 自 由 切 换 一 旦 发 现 最 好 的 设 计, ANSYS12.0 的 网 格 技 术 提 供 了 生 成 网 格 的 灵 活 性, 可 以 把 正 确 的 网 格 用 于 正 确 的 地 方, 并 确 保 在 物 理 模 型 上 进 行 精 确 有 效 的 数 值 模 拟 网 格 的 节 点 和 单 元 参 与 有 限 元 求 解,ANSYS12.0 在 求 解 开 始 时 会 自 动 生 成 默 认 的 网 格 可 以 通 过 预 览 网 格, 检 查 有 限 元 模 型 是 否 满 足 要 求, 细 密 的 网 格 可 以 使 结 果 更 精 确, 但 是 会 增 加 CPU 计 算 时 间 和 需 要 更 大 的 存 储 空 间, 因 此 需 要 权 衡 计 算 成 本 和 网 格 划 分 份 数 之 间 的 矛 盾 在 理 想 情 况 下, 我 们 所 需 要 的 网 格 密 度 是 结 果 随 着 随 网 格 的 细 化 而 收 敛, 但 要 提 示 : 细 化 网 格 不 能 弥 补 不 准 确 的 假 设 和 错 误 的 输 入 条 件 4.2 ANSYS12.0 Meshing 网 格 划 分 方 法 不 同 的 物 理 场 对 网 格 的 要 求 不 一 样, 通 常 流 场 的 网 格 比 结 构 场 要 细 密 的 多, 因 此 选 择 不 同 的 物 理 场, 也 会 有 不 同 的 网 格 划 分 把 Meshing 组 件 调 入 工 程 流 程 图, 可 以 通 过 Tools Options Meshing 设 置 缺 省 的 物 理 环 境, 如 图 4-1 图 4-1 网 格 划 分 物 理 环 境 设 置 网 格 划 分 类 型 根 据 算 法 可 以 分 为 : 协 调 分 片 算 法 Patch Conforming 和 独 立 分 片 算 法 Patch Independent 协 调 分 片 算 法 的 分 片 面 及 边 界 考 虑 零 件 实 体 间 的 相 互 影 响 采 用 小 公 差 常 用 于 考 虑 几 何 体 的 小 特 征 可 以 用 虚 拟 拓 扑 工 具 把 一 些 面 或 边 组 成 组, 构 成 虚 拟 单 元, 从 而 减 少 单 元 数 目, 简 化 小 特 征, 简 化 载 荷 提 取, 因 此 如 果 采 用 虚 拟 拓 扑 工 具 可 以 放 宽 分 片 限 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 73

制 独 立 分 片 算 法 的 分 片 不 是 太 严 格, 通 常 用 于 统 一 尺 寸 的 网 格 机 械 分 析 适 用 于 协 调 分 片 算 法 划 分, 电 磁 分 析 和 流 体 分 析 适 合 协 调 分 片 算 法 划 分 或 独 立 分 片 算 法 划 分, 显 式 动 力 分 析 适 用 于 独 立 分 片 算 法 划 分 或 有 虚 拟 拓 扑 的 协 调 分 片 算 法 划 分 网 格 划 分 类 型 根 据 单 元 形 状 可 以 分 为 : 四 面 体 网 格 Tet Meshing, 六 面 体 网 格 Hex Meshing, 四 边 形 网 格 Quad Meshing, 三 角 形 网 格 Triangle Meshing 4.3 ANSYS12.0 Meshing 网 格 划 分 控 制 4.3.1 网 格 划 分 用 户 界 面 选 择 几 何 模 型 后, 进 入 网 格 划 分 Meshing 环 境 及 相 关 说 明 如 图 4-2 所 示, 网 格 选 项 显 示 默 认 的 物 理 场 及 网 格 划 分 方 法, 图 形 区 的 网 格 显 示 为 相 关 物 理 场 的 默 认 网 格 划 分 结 果, 网 格 划 分 整 体 控 制 属 性 如 表 4-1, 网 格 质 量 检 查 控 制 如 表 4-2, 网 格 划 分 工 具 条 用 于 网 格 控 制 及 生 成, 其 相 关 命 令 表 示 如 表 4-3. 图 4-2 网 格 划 分 用 户 界 面 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 74

表 4-1: 网 格 划 分 整 体 控 制 属 性 设 置 网 格 划 分 属 性 说 明 Defaults 默 认 设 置 选 择 物 理 场 网 格 相 关 度 ( 100 至 +100) 由 疏 到 密 Sizing 网 格 尺 寸 控 制 使 用 高 级 尺 寸 函 数 ( 关 闭 ) 相 关 度 中 心 ( 稀 疏 ) 定 义 平 均 的 单 元 边 长 控 制 网 格 基 准 ( 根 据 激 活 装 配 体 确 定 ) 平 滑 度 ( 中 等 ) 网 格 过 渡 ( 快 速 ) 跨 度 角 中 心 ( 稀 疏 ) 最 小 单 元 边 长 Inflation 网 格 膨 胀 控 制 使 用 自 动 四 面 体 膨 胀 ( 无 ) 膨 胀 选 项 过 渡 比 (0.272) 最 大 层 (5) 生 长 率 (1.2) 膨 胀 算 法 显 示 高 级 选 项 ( 无 ) Advanced 网 格 高 级 控 制 形 状 检 查 检 验 单 元 质 量 ( 标 准 结 构 ) 单 元 是 否 带 中 节 点 ( 程 序 控 制 ) 网 格 采 用 直 边 单 元 ( 无 ) 重 试 次 数 ( 默 认 为 4) 刚 体 行 为 是 否 允 许 网 格 变 形 ( 否 ) Pinch 网 格 收 缩 控 制 网 格 收 缩 公 差 ( 需 定 义 ) 网 格 刷 新 后 重 生 成 ( 否 ) Statistics 网 格 划 分 统 计 网 格 划 分 的 节 点 数 网 格 划 分 的 单 元 数 网 格 划 分 的 节 点 数 网 格 检 查 准 则 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 75

表 4-2: 网 格 检 查 准 则 设 置 网 格 检 查 准 则 网 格 检 查 准 则 说 明 无 ( 默 认 ) 单 元 质 量 检 验 纵 横 比 检 验 雅 可 比 率 检 验 翘 曲 因 子 检 验 平 行 偏 差 检 验 最 大 顶 角 检 验 偏 斜 检 验 表 4-3: 网 格 划 分 命 令 说 明 网 格 命 令 说 明 网 格 生 成 预 览 表 面 网 格 预 览 源 及 目 标 网 格 CFX 中 编 辑 网 格 网 格 控 制 说 明 网 格 划 分 方 法 尺 寸 控 制 接 触 尺 寸 控 制 网 格 细 化 映 射 面 网 格 划 分 面 匹 配 控 制 收 缩 控 制 膨 胀 控 制 4.3.2 网 格 划 分 方 法 选 择 命 令 Mesh Control Method, 提 供 如 下 六 种 方 法 : 图 4-3 网 格 划 分 方 法 1. Automatic : 程 序 自 动 划 分 网 格 2. Tetrahedrons : 采 用 四 面 体 单 元 划 分 3. Hex Dominant : 主 要 采 用 六 面 体 单 元 划 分, 但 是 包 含 少 量 金 字 塔 单 元 和 四 面 体 单 元 4. Sweep : 扫 掠 划 分, 可 以 扫 掠 的 实 体 划 分 后 具 有 的 是 六 面 体 单 元, 也 可 能 包 含 楔 形 单 元, 其 他 实 体 采 用 四 面 体 单 元 划 分, 扫 掠 划 分 要 求 实 体 在 某 一 方 向 上 具 有 相 同 的 拓 扑 结 构, 在 Mesh 分 支 上 点 击 右 键 选 择 Show Sweepable Bodies 可 以 看 到 能 够 采 用 扫 掠 划 分 的 体, 此 时 该 体 被 选 中, 如 图 4-4 5. Multizone : 多 重 区 域 网 格 划 分 自 动 对 几 何 体 进 行 分 解 成 映 射 区 域 和 自 由 区 域, 可 以 自 动 判 断 区 域 并 生 成 纯 六 面 体 网 格, 对 不 满 足 条 件 的 区 域 采 用 更 好 的 非 结 构 网 格 划 分, 多 重 区 域 网 格 划 分 和 扫 掠 网 格 划 分 相 似, 但 更 适 合 于 用 扫 掠 方 法 不 能 分 解 的 几 何 体 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 76

6. CFX-Mesh : 采 用 流 体 网 格 CFX 划 分 实 体 图 4-4 显 示 可 扫 掠 实 体 4.3.3 网 格 局 部 尺 寸 控 制 Sizing Sizing 尺 寸 控 制 允 许 设 置 局 部 单 元 大 小, 采 用 如 下 方 法 : 1. Element Size 设 置 单 元 平 均 边 长 2. Number of Divisions 设 定 边 上 的 单 元 数 目 3. Sphere of Influence 用 球 体 设 定 控 制 单 元 平 均 大 小 的 范 围, 球 体 的 中 心 坐 标 采 用 的 是 局 部 坐 标 系, 所 有 包 含 在 球 域 内 的 实 体 单 元 网 格 尺 寸 按 给 定 尺 寸 划 分, 如 图 4-5 图 4-5 球 体 区 域 控 制 局 部 网 格 4.3.4 接 触 区 域 网 格 控 制 Contact Sizing Contact Sizing 允 许 在 接 触 面 上 产 生 大 小 一 致 的 单 元 接 触 面 定 义 了 零 件 间 的 相 互 作 用, 在 接 触 面 上 采 用 相 同 的 网 格 密 度 对 分 析 有 利, 在 接 触 区 域 可 以 设 定 Element Size 或 Relevance 如 图 4-6 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 77

图 4-6 接 触 区 网 格 控 制 4.3.5 网 格 局 部 单 元 细 化 Refinement Refinement 可 以 对 已 经 划 分 的 网 格 进 行 单 元 细 化, 一 般 而 言, 网 格 划 分 先 进 行 整 体 和 局 部 网 格 控 制, 然 后 对 被 选 的 边 面 进 行 网 格 细 化 推 荐 使 用 1 级 别 细 化 这 使 单 元 边 界 划 分 为 初 始 单 元 边 界 的 一 半, 这 是 在 生 成 粗 网 格 后, 网 格 细 化 得 到 更 密 网 格 的 简 易 方 法 如 图 4-7. 图 4-7 网 格 局 部 单 元 细 化 提 示 : 尺 寸 控 制 和 细 化 控 制 的 区 别 : 1. 尺 寸 控 制 在 划 分 前 先 给 出 单 元 的 平 均 单 元 长 度 通 常 来 说, 在 定 义 的 几 何 体 上 可 以 产 生 一 致 的 网 格, 网 格 过 渡 平 滑 2. 细 化 是 打 破 原 来 的 网 格 划 分 如 果 原 来 的 网 格 不 一 致, 细 化 后 的 网 格 也 不 一 致 尽 管 对 单 元 的 过 渡 进 行 平 滑 处 理, 但 是 细 化 仍 导 致 不 平 滑 的 过 渡 3. 在 同 一 个 表 面 进 行 尺 寸 和 细 化 定 义 在 网 格 初 始 划 分 时, 首 先 应 有 尺 寸 控 制, 然 后 在 进 行 第 二 步 的 细 化 4.3.6 映 射 面 网 格 划 分 Mapped Face meshing 映 射 面 网 格 划 分 Mapped Face meshing 允 许 在 面 上 生 成 结 构 网 格, 如 图 4-8 对 内 圆 柱 面 进 行 映 射 网 格 划 分 可 以 得 到 很 一 致 的 网 格 这 样 对 计 算 求 解 有 益 如 果 因 为 某 些 原 因 不 能 进 行 映 射 面 网 格 划 分, 网 格 划 分 仍 将 继 续, 导 航 树 上 会 出 现 相 应 的 标 志 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 78

图 4-8 映 射 面 网 格 划 分 4.3.7 面 匹 配 网 格 划 分 Match Control 面 匹 配 网 格 Match Control 用 于 在 对 称 面 上 划 分 一 致 的 网 格, 尤 其 适 用 于 旋 转 机 械 的 旋 转 对 称 分 析 因 为 旋 转 对 称 所 使 用 的 约 束 方 程 其 连 接 的 截 面 上 节 点 的 位 置 除 偏 移 外 必 须 一 致, 如 图 4-9 4.3.8 虚 拟 拓 扑 工 具 Virtual Topology 图 4-9 旋 转 对 称 模 型 虚 拟 拓 扑 Virtual Topology 允 许 为 了 更 好 的 进 行 网 格 划 分 而 合 并 面, Virtual Cell 虚 拟 单 元 就 是 把 多 个 相 邻 的 面 定 义 为 一 个 面 虚 拟 单 元 可 以 把 小 面 缝 合 到 一 个 大 的 面 中, 属 于 虚 拟 单 元 原 始 面 上 的 内 部 线, 不 再 影 响 网 格 划 分, 所 以 划 分 这 样 的 拓 扑 结 构 可 能 和 原 始 几 何 体 会 有 不 同, 对 于 其 他 操 作 如 加 载 面 就 不 被 承 认, 而 用 虚 拟 单 元 代 替, 如 图 4-10 虚 拟 单 元 通 常 用 于 删 除 小 特 征 从 而 在 特 定 的 面 上 减 小 单 元 密 度, 或 删 除 有 问 题 几 何 体, 如 长 缝 或 是 小 面, 从 而 避 免 网 格 划 分 失 败, 但 是, 要 提 示 虚 拟 单 元 改 变 了 原 有 的 拓 扑 模 型, 因 此 内 部 的 特 征 如 果 有 加 载 支 撑 求 解 等 将 不 再 被 考 虑 图 4-10 虚 拟 拓 扑 网 格 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 79

4.4 网 格 划 分 控 制 方 法 案 例 转 动 曲 柄 装 配 体 1. 导 入 CAD 几 何 模 型, 见 图 4-11 1) Mesh 拖 入 工 程 流 程 图 Project Schematic 2) 导 入 CAD 几 何 模 型 : Geometry Import Geometry =crank-assy.sat 3) 保 存 工 程 文 件 : Save 图 4-11 导 入 CAD 几 何 模 型 2. 设 置 手 柄 网 格 尺 寸, 见 图 4-12 1) 程 序 选 择 自 动 网 格 尺 寸 划 分, 显 示 网 格, 导 航 树 中 选 择 Mesh 2) 图 示 为 默 认 网 格 3) 选 择 网 格 尺 寸 控 制 命 令 : Mesh Control Sizing 4) 图 形 窗 口 选 择 手 柄 实 体 5) 尺 寸 控 制 属 性 中 确 认 1 个 实 体 选 中 : Details of Body Sizing - Sizing Scope Geometry =1 Body 6) 设 置 单 元 边 长 : Details of Body Sizing - Sizing Definition Element Size =0.1mm 图 4-12 设 置 手 柄 网 格 尺 寸 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 80

3. 对 手 柄 进 行 多 重 区 域 网 格 划 分, 见 图 4-13 1) 仅 显 示 手 柄 1 个 实 体 : 导 航 树 中 选 择 Model Geometry Part2 鼠 标 右 键 选 Hide All Other Bodies 2) 选 择 网 格 控 制 方 法 : Mesh Control Method 3) 控 制 属 性 中 确 认 1 个 实 体 选 中 : Details of MultiZone - Method Scope Geometry =1 Body 4) 设 置 多 重 区 域 网 格 划 分 方 法 : Details of MultiZone - Method Definition Method =Multizone 5) 手 动 选 择 源 / 目 标 面 : Details of MultiZone - Method Definition Src/Trg Selection =Manual Source 6) 按 住 Ctrl 键, 图 形 区 选 中 上 中 下 3 个 表 面 7) 确 认 所 选 择 的 面 : Details of MultiZone - Method Definition Source =Apply 8) 修 改 公 差 : Details of MultiZone - Method Adanced Defeaturing Tolerance =0.001mm 9) 生 成 网 格, 导 航 树 中 选 择 Mesh, 鼠 标 右 键 选 择 Generate Mesh 10) 手 柄 网 格 划 分 如 图 示 六 面 体 网 格 图 4-13 手 柄 多 重 区 域 网 格 划 分 4. 设 置 曲 柄 尺 寸, 见 图 4-14 1) 选 择 网 格 尺 寸 控 制 命 令 : Mesh Control Sizing 2) 图 形 窗 口 选 择 曲 柄 实 体 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 81

3) 尺 寸 控 制 属 性 中 确 认 1 个 实 体 选 中 : Details of Body Sizing2 - Sizing Scope Geometry =1 Body 4) 设 置 单 元 边 长 : Details of Body Sizing2 - Sizing Definition Element Size =0.2mm 图 4-14 设 置 曲 柄 尺 寸 5. 对 曲 柄 进 行 扫 掠 网 格 划 分, 见 图 4-15 1) 选 择 网 格 控 制 方 法 : Mesh Control Method 2) 显 示 曲 柄, 控 制 属 性 中 确 认 1 个 实 体 选 中 : Details of Sweep Method - Method Scope Geometry =1 Body 3) 设 置 扫 掠 网 格 划 分 方 法 : Details of Sweep Method - Method Definition Method = Sweep 4) 设 置 扫 掠 方 向 的 网 格 划 分 为 单 元 分 割 数 : Details of Sweep Method - Method Definition Type =Number of Divisions 5) 扫 掠 方 向 分 4 层 单 元 : Details of Sweep Method - Method Definition Sweep Num Divs =4 6) 生 成 网 格, 导 航 树 中 选 择 Mesh, 鼠 标 右 键 选 择 Generate Mesh 7) 曲 柄 网 格 划 分 如 图 示 扫 掠 六 面 体 网 格 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 82

图 4-15 曲 柄 扫 掠 网 格 划 分 6. 销 轴 顶 面 生 成 虚 拟 单 元, 见 图 4-16 1) 显 示 销 轴 : 导 航 树 中 选 择 Model Geometry Part3 鼠 标 右 键 选 Hide All Other Bodies 2) 导 航 树 选 Mesh, 工 具 条 中 选 择 虚 拟 拓 扑 工 具 Virtual Topology 3) 图 形 区 选 择 销 轴 顶 部 连 续 3 个 面 4) 选 择 的 面 生 成 虚 拟 单 元 : 导 航 树 选 择 Virtual Topology, 鼠 标 右 键 选 择 Generate Virtual Cells 图 形 区 显 示 3 个 面 构 成 一 个 面 5) 生 成 网 格 : 导 航 树 中 选 择 Mesh, 鼠 标 右 键 选 择 Generate Mesh 6) 销 轴 网 格 划 分 如 图 示 四 面 体 网 格 图 4-16 销 轴 顶 面 生 成 虚 拟 单 元 7. 销 轴 顶 部 生 成 局 部 坐 标 系, 见 图 4-17 1) 导 航 树 中 选 择 坐 标 系 Coordinate Systems 2) 工 具 条 中 选 择 创 建 坐 标 系 Coordinate Systems 3) 图 形 区 选 择 圆 柱 面, 新 坐 标 系 原 点 将 定 位 到 选 择 面 中 心 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 83

4) 确 认 局 部 坐 标 系 原 点 : Details of Coordinate System Origin Geometry =Apply 5) 导 航 树 中 生 成 新 的 局 部 坐 标 系 统 Coordinate Systems Coordinate System 图 4-17 销 轴 顶 部 生 成 局 部 坐 标 系 8. 销 轴 局 部 球 形 区 域 网 格 划 分, 见 图 4-18 1) 选 择 网 格 尺 寸 控 制 命 令 : Mesh Control Sizing 导 航 树 出 现 Body Sizing3 2) 图 形 窗 口 选 择 销 轴 实 体, 尺 寸 控 制 属 性 中 确 认 1 个 实 体 选 中 : Details of Body Sizing3 - Sizing Scope Geometry =1 Body 3) 设 置 网 格 划 分 为 球 形 区 域 Details of Body Sizing3 - Sizing Definition Type =Sphere of Influence 4) 设 置 球 形 区 域 中 心 为 局 部 坐 标 : Details of Body Sizing3 - Sizing Definition Sphere Center =Coordinate System 5) 设 置 球 形 区 域 半 径 : Details of Body Sizing3 - Sizing Definition Sphere Radius =0.5mm 6) 设 置 球 形 区 域 内 网 格 划 分 的 单 元 边 长 : Details of Body Sizing3 - Sizing Definition Element Size =0.1mm 7) 图 形 区 显 示 球 形 区 域 对 销 轴 的 影 响 范 围 图 4-18 销 轴 局 部 球 形 区 域 网 格 划 分 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 84

9. 生 成 映 射 面 网 格, 见 图 4-19 1) 选 择 网 格 划 分 方 法 : Mesh Control Mapped Face Meshing 2) 按 住 ctrl 键, 图 形 区 选 择 8 个 表 面 3) 确 认 8 个 面 选 中 : Details of Mapped Face Meshing Scope Geometry =8 Faces 4) 生 成 网 格, 导 航 树 中 选 择 Mesh, 鼠 标 右 键 选 择 Generate Mesh 5) 曲 柄 网 格 划 分 如 图 示, 外 表 面 为 映 射 面 网 格 图 4-19 生 成 映 射 面 网 格 10. 生 成 接 触 面 网 格, 见 图 4-20 1) 选 择 网 格 控 制 方 法 : Mesh Control Contact Sizing 2) 显 示 所 有 实 体 : 导 航 树 中 选 择 Model Geometry Part1 鼠 标 右 键 选 Show All Bodies 3) 选 择 接 触 区 : Details of Contact Sizing - Contact Sizing Scope Contact Region = Contact Region 4) 图 示 选 中 的 接 触 区 为 曲 柄 和 手 柄 接 触 处 5) 设 置 网 格 划 分 按 照 相 关 度 : Details of Contact Sizing - Contact Sizing Definition Type =Relevance 6) 设 置 相 关 度 值 Details of Contact Sizing - Contact Sizing Definition Relevance =20 7) 生 成 网 格, 导 航 树 中 选 择 Mesh, 鼠 标 右 键 选 择 Generate Mesh 8) 网 格 划 分 如 图 示, 接 触 区 网 格 加 密, 保 存 文 件 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 85

图 4-20 生 成 接 触 面 网 格 4.5 多 体 零 件 共 享 拓 扑 印 记 面 及 匹 配 网 格 划 分 案 例 该 案 例 比 较 多 体 零 件 中 共 享 拓 扑 Shared Topology 的 三 种 方 法, Automatic 自 动 方 法 在 交 界 面 合 并 节 点, 即 节 点 匹 配 而 不 产 生 接 触, Imprints 印 记 面 方 法 限 定 交 界 面 的 接 触 区 域, 因 此 提 供 更 好 的 接 触 行 为 的 控 制, None 不 设 定 方 法 则 和 以 前 的 版 本 一 样 产 生 接 触 行 为 案 例 演 示 : 1. 调 入 Mesh 网 格 划 分 组 件 2. 如 图 4-21 创 建 多 体 零 件 Geometry - New Geometry 1) DM 中 XYPlane 创 建 草 图 1 Sketch1 2) 草 图 为 200*100mm 四 边 形 如 图 3) 从 草 图 1 创 建 拉 伸 特 征, 拉 伸 长 度 30mm 4) 长 方 体 表 面 创 建 工 作 面 Plane4 创 建 草 图 2 Sketch2 5) 草 图 为 六 边 形, 相 对 居 中 如 图 示 6) 从 草 图 2 创 建 拉 伸 特 征, 拉 伸 长 度 100mm 7) 拉 伸 特 征 设 置 为 冰 冻 体, 图 形 区 生 成 2 个 实 体 8) XYPlane 沿 Z 方 向 平 移 200mm, 创 建 新 平 面 Plane5 9) XYPlane 沿 Z 方 向 平 移 400mm, 创 建 新 平 面 Plane6 10) 创 建 体 操 作 特 征 BodyOp5, 将 原 来 2 个 实 体 从 平 面 XYPlane 移 动 到 新 平 面 Plane5, 并 保 留 原 实 体 11) 图 中 显 示 新 复 制 的 2 个 实 体, 图 形 区 共 有 4 个 实 体 12) 创 建 体 操 作 特 征 BodyOp6, 将 原 来 2 个 实 体 从 平 面 XYPlane 移 动 到 新 平 面 Plane6, 并 保 留 原 实 体 13) 图 中 显 示 新 复 制 的 2 个 实 体, 图 形 区 共 有 6 个 实 体 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 86

14) 用 生 成 多 体 零 件 命 令 Form New Parts 将 原 实 体 Solid1 和 Solid2 组 成 新 多 体 零 件, 采 用 自 动 方 法 并 改 名 为 Part-Automatic 15) 用 生 成 多 体 零 件 命 令 Form New Parts 将 实 体 Solid-a1 和 Solid-a2 组 成 新 多 体 零 件, 采 用 印 记 面 方 法 并 改 名 为 Part-Imprint 16) 用 生 成 多 体 零 件 命 令 Form New Parts 将 实 体 Solid-b1 和 Solid-b2 组 成 新 多 体 零 件, 采 用 不 设 置 方 法 并 改 名 为 Part-None 图 4-21 创 建 多 体 零 件 3. 工 程 流 程 图 中 选 择 Mesh - Edit 切 换 到 Meshing 网 格 划 分 环 境, 生 成 网 格 图 4-22 1) 导 航 树 Geometry 下 显 示 3 个 多 体 零 件 2) 查 看 接 触 关 系 并 改 名 接 触 对, 选 择 Connections - Contact Region imprint 3) 详 细 信 息 显 示 有 接 触 面 的 实 体 为 Solid-a1 和 Solid-a2 4) 图 形 区 显 示 印 记 面 的 多 体 零 件 接 触 区 域 是 完 全 匹 配 面 5) 查 看 接 触 关 系 并 改 名 接 触 对, 选 择 Connections - Contact Region none 6) 图 形 区 显 示 不 设 置 的 多 体 零 件 接 触 区 域 是 非 匹 配 面 7) 生 成 默 认 网 格 Mesh - Generate Mesh 8) 自 动 多 体 零 件 网 格 在 交 界 面 节 点 处 匹 配, 生 成 六 面 体 和 四 面 体 网 格 9) 印 记 面 多 体 零 件 网 格 在 交 界 面 节 点 处 不 匹 配, 生 成 六 面 体 和 四 面 体 网 格 10) 不 设 置 多 体 零 件 网 格 在 交 界 面 节 点 处 不 匹 配, 生 成 六 面 体 网 格 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 87

图 4-22 生 成 网 格 在 片 体 独 立 算 法 Patch Independent 中, 可 以 设 置 交 界 面 处 节 点 是 否 匹 配 选 项 Match Mesh Where Possible, 对 模 拟 接 触 行 为 而 言, 由 于 接 触 表 面 节 点 不 匹 配 时, 会 产 生 初 始 穿 透, 因 此 设 置 节 点 匹 配 选 项 可 以 防 止 不 必 要 的 初 始 接 触 行 为 选 择 交 界 面 处 节 点 匹 配 根 据 需 求, 如 果 是 较 大 的 模 型, 可 以 将 相 似 实 体 构 成 多 体 零 件, 采 用 印 记 面 或 接 触 行 为, 如 果 采 用 其 它 的 网 格 控 制 方 法 以 及 严 格 限 定 接 触 区 域 应 选 择 印 记 面 接 触, 这 样 在 接 触 面 上 允 许 精 细 网 格 而 其 他 区 域 为 粗 网 格 4. 显 式 动 力 分 析 环 境 节 点 匹 配 的 网 格 划 分, 如 图 4-23 图 4-23 显 式 动 力 环 境 节 点 匹 配 网 格 划 分 1) 接 上 例, 选 择 Mesh 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 88

2) 物 理 环 境 设 置 为 显 式 动 力 分 析 Details of Mesh Defaults Physics Preference =Explicit 3) 网 格 划 分 自 动 采 用 片 体 独 立 算 法 Patch Independent 4) 选 择 所 有 实 体 Details of Patch Independent Scope Geometry =6 bodies 5) 设 置 单 元 尺 寸 Details of Patch Independent Advanced Min Size Limit =10mm 6) 节 点 匹 配 网 格 Details of Patch Independent Advanced Match Mesh Where Possible =Yes 7) 图 形 区 中 3 个 多 体 零 件 的 实 体 交 界 面 处 节 点 匹 配, 且 均 为 四 面 体 网 格 注 意 : 由 于 显 示 动 力 分 析 中 多 数 为 接 触 问 题, 因 此 上 例 中 设 置 为 显 示 动 力 分 析 环 境, 对 结 构 分 析 中, 如 果 考 虑 接 触 问 题, 需 要 避 免 初 始 穿 透 时 也 可 以 采 用 网 格 匹 配 选 项, 读 者 可 自 行 验 证, 课 程 教 学 中 有 附 加 案 例 加 以 说 明 4.5 装 配 体 薄 层 扫 掠 网 格 划 分 及 案 例 薄 层 扫 掠 Thin Sweep 对 薄 层 实 体 允 许 沿 厚 度 方 向 分 层 进 行 扫 掠, 对 多 体 零 件, 沿 厚 度 方 向 仅 划 分 一 层 单 元, 对 装 配 体 沿 厚 度 方 向 则 可 以 划 分 多 层 单 元 选 择 扫 掠 网 格 化 分 方 法 Sweep 后, 可 以 设 置 自 动 薄 层 扫 掠 Automatic Thin 或 手 动 薄 层 扫 掠 Manual Thin, 设 置 沿 厚 度 方 向 的 分 割 数 图 4-24 为 对 几 何 模 型 MidSurfaceBracket.agdb 进 行 薄 层 扫 掠 的 结 果, 图 中 上 部 为 装 配 体 薄 层 扫 掠 网 格, 薄 层 厚 度 方 向 为 2 层 单 元, 图 中 下 部 为 多 体 零 件 薄 层 扫 掠 网 格, 薄 层 厚 度 方 向 为 1 层 单 元, 详 细 操 作 见 课 堂 讲 解 或 参 见 演 示 文 件 图 4-24 装 配 体 薄 层 扫 掠 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 89

第 5 章 ANSYS12.0 热 分 析 5.1 ANSYS12.0 热 分 析 概 述 传 热 即 热 量 传 递, 凡 是 有 温 度 差 存 在 的 地 方, 必 然 有 热 的 传 递, 传 热 是 极 为 普 遍 的 一 种 能 量 传 递 过 程 如 : 物 料 的 加 热 冷 却 或 者 冷 凝 蒸 发 过 程 ; 设 备 和 管 道 的 保 温, 以 减 少 热 损 失 ; 生 产 中 热 能 的 合 理 利 用, 废 热 回 收 5.1.1 传 热 基 本 方 式 热 的 传 递 是 由 于 物 体 内 部 或 物 体 之 间 的 温 度 不 同 而 引 起 的 当 无 外 功 输 入 时, 根 据 热 力 学 第 二 定 律, 热 总 是 自 动 地 从 温 度 较 高 的 部 分 传 给 温 度 较 低 的 部 分, 根 据 传 热 机 理 的 不 同, 传 热 的 基 本 方 式 有 热 传 导 对 流 和 辐 射 三 种 1. 热 传 导 1) 基 本 概 念 : 当 物 体 的 内 部 或 两 个 直 接 接 触 的 物 体 之 间 存 在 着 温 度 差 异 时, 物 体 各 部 分 之 间 不 发 生 相 对 位 移 时, 依 靠 分 子 原 子 及 自 由 电 子 等 微 观 粒 子 的 热 运 动 而 产 生 的 热 量 传 递 称 热 传 导 热 能 就 从 物 体 的 较 高 部 分 传 给 温 度 较 低 的 部 分 或 从 一 个 温 度 较 高 的 物 体 传 递 给 直 接 接 触 的 温 度 较 低 的 物 体 2) 特 点 : 物 体 各 个 部 分 不 发 生 宏 观 的 相 对 位 移 导 电 固 体 中, 导 热 起 主 要 作 用 的 是 自 由 电 子 的 扩 散 运 动 ; 非 导 电 固 体 和 大 部 分 的 液 体 中, 导 热 是 通 过 振 动 能 从 一 个 分 子 传 递 到 另 一 个 分 子 ; 在 气 体 中, 导 热 则 是 由 于 分 子 的 不 规 则 运 动 而 引 起 的 3) 热 传 导 基 本 规 律 ( 傅 立 叶 定 律 ) Q = λa dt dn (5-1) 式 中 :Q 为 热 流 量, 表 示 单 位 时 间 内 通 过 某 一 给 定 面 积 的 热 量, 单 位 w; dt/dn 为 温 度 梯 度, 单 位 /m;a 为 导 热 面 积, 单 位 m 2 ;λ 为 材 料 的 导 热 系 数, 单 位 w/(m ) 导 热 系 数 是 物 质 的 一 种 物 理 性 质, 表 示 物 质 的 导 热 能 力 的 大 小, 导 热 系 数 值 越 大, 物 质 的 导 热 性 能 越 好 导 热 系 数 只 能 实 际 测 定 一 般, 金 属 的 导 热 系 数 最 大, 非 金 属 的 固 体 次 之, 液 体 的 较 小, 而 气 体 的 最 小 傅 立 叶 定 律 表 示 : 在 单 位 时 间 热 传 导 的 方 式 传 递 的 热 量 与 垂 直 于 热 流 的 截 面 积 成 正 比, 与 温 度 梯 度 成 正 比 负 号 表 示 导 热 方 向 与 温 度 梯 度 方 向 相 反 2. 对 流 1) 基 本 概 念 : 是 指 由 于 流 体 的 宏 观 运 动, 从 而 使 流 体 各 部 分 之 间 发 生 相 对 位 移, 冷 热 流 体 相 互 掺 混 所 引 起 的 热 量 传 递 过 程 对 流 仅 发 生 在 流 体 中, 对 流 的 同 时 必 伴 随 有 导 热 现 象 2) 对 流 换 热 : 流 体 流 过 一 个 物 体 表 面 时 的 热 量 传 递 过 程, 称 为 对 流 换 3) 对 流 换 热 的 分 类 : 根 据 对 流 换 热 时 是 否 发 生 相 变 分 : 有 相 变 的 对 流 换 热 和 无 相 变 的 对 流 换 热 根 据 引 起 流 动 的 原 因 分 : 自 然 对 流 和 强 制 对 流 自 然 对 流 : 由 于 流 体 冷 热 各 部 分 的 密 度 不 同 而 引 起 流 体 的 流 动 如 : 暖 气 片 表 面 附 近 受 热 空 气 的 向 上 流 动 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 90

强 制 对 流 : 流 体 的 流 动 是 由 于 水 泵 风 机 或 其 他 压 差 作 用 所 造 成 的 沸 腾 换 热 及 凝 结 换 热 : 液 体 在 热 表 面 上 沸 腾 及 蒸 汽 在 冷 表 面 上 凝 结 的 对 流 换 热, 称 为 沸 腾 换 热 及 凝 结 换 热 ( 相 变 对 流 换 热 ) 4) 对 流 传 热 的 分 析 滞 流 内 层 : 流 体 呈 滞 流 流 动, 沿 壁 面 法 向 没 有 质 点 的 移 动 和 混 合, 即 无 对 流 传 热, 传 热 方 式 仅 是 热 传 导 因 为 液 体 导 热 系 数 小, 因 此 热 阻 较 大, 温 度 梯 度 大 缓 冲 层 : 流 动 介 于 滞 流 和 湍 流 之 间, 热 传 导 和 对 流 传 热 同 时 起 作 用, 热 阻 较 小 湍 流 主 体 : 质 点 剧 烈 运 动, 完 全 混 合, 温 度 基 本 均 匀, 无 温 度 梯 度 因 此, 对 流 传 热 的 热 阻 主 要 集 中 在 滞 流 内 层, 减 薄 其 厚 度 是 强 化 传 热 过 程 的 关 键 4) 对 流 换 热 的 基 本 规 律 ( 牛 顿 冷 却 公 式 ) Q = Ah(t s t f ) (5-2) 其 中 t s 及 t f 分 别 为 表 面 温 度 和 流 体 温 度 ;h 为 对 流 换 热 系 数, 表 示 单 位 温 差 作 用 下 通 过 单 位 面 积 的 热 流 量, 对 流 换 热 系 数 越 大, 传 热 越 剧 烈, 单 位 w/m 2 C 对 流 换 热 系 数 的 大 小 与 传 热 过 程 中 的 许 多 因 素 有 关 它 不 仅 取 决 于 物 体 的 物 性 换 热 表 面 的 形 状 大 小 相 对 位 置, 而 且 与 流 体 的 流 速 有 关 一 般 地, 就 介 质 而 言 : 水 的 对 流 换 热 比 空 气 强 烈 ; 就 换 热 方 式 而 言 : 有 相 变 的 强 于 无 相 变 的 ; 强 制 对 流 强 于 自 然 对 流 对 流 换 热 研 究 的 基 本 任 务 是 用 理 论 分 析 或 实 验 的 方 法 推 出 各 种 场 合 下 表 面 对 流 换 热 系 数 的 关 系 式 3. 辐 射 1) 辐 射 和 热 辐 射 : 物 体 通 过 电 磁 波 来 传 递 能 量 的 方 式 称 为 辐 射 因 热 的 原 因 而 发 出 辐 射 能 的 现 象 称 为 热 辐 射 2) 辐 射 换 热 : 辐 射 与 吸 收 过 程 的 综 合 作 用 造 成 了 以 辐 射 方 式 进 行 的 物 体 间 的 热 量 传 递 称 辐 射 换 热 自 然 界 中 的 物 体 都 在 不 停 的 向 空 间 发 出 热 辐 射, 同 时 又 不 断 的 吸 收 其 它 物 体 发 出 的 辐 射 热 辐 射 换 热 是 一 个 动 态 过 程, 当 物 体 与 周 围 环 境 温 度 处 于 热 平 衡 时, 辐 射 换 热 量 为 零, 但 辐 射 与 吸 收 过 程 仍 在 不 停 的 进 行, 只 是 辐 射 热 与 吸 收 热 相 等 3) 热 辐 射 的 基 本 规 律 : 所 谓 绝 对 黑 体 : 把 吸 收 率 等 于 1 的 物 体 称 黑 体, 是 一 种 假 想 的 理 想 物 体 黑 体 的 吸 收 和 辐 射 能 力 在 同 温 度 的 物 体 中 是 最 大 的, 而 且 辐 射 热 量 服 从 于 斯 忒 藩 玻 耳 兹 曼 定 律 实 际 物 体 辐 射 热 流 量 根 据 斯 忒 潘 玻 耳 兹 曼 定 律 求 得 :Q = εaσt 4 (5-3) 其 中 T 为 黑 体 的 热 力 学 温 度 K( 开 尔 文 Kelvin,0 C= 绝 对 温 度 273.16 K); 为 斯 忒 潘 玻 耳 兹 曼 常 数 ( 黑 体 辐 射 常 数 ),5.67*10-8 w/m 2 *k 4 ;A 为 辐 射 表 面 积 m 2 其 中 Q 为 物 体 自 身 向 外 辐 射 的 热 流 量, 而 不 是 辐 射 换 热 量 ; 为 物 体 的 发 射 率 ( 黑 度 ), 其 大 小 与 物 体 的 种 类 及 表 面 状 态 有 关 1 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 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 91

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 : Q = ε 1 A 1 σf 12 (T 1 4 T 2 4 ) (5-4) 式 中 Q 为 热 流 率, 1 为 该 物 体 辐 射 率 ( 黑 度 ), 为 斯 蒂 芬 - 波 尔 兹 曼 常 数,A1 为 辐 射 面 1 的 面 积,F12 为 由 辐 射 面 1 到 辐 射 面 2 的 形 状 系 数,T1 为 辐 射 面 1 的 绝 对 温 度,T2 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 4. 导 热 对 流 辐 射 的 评 述 1 导 热 对 流 两 种 热 量 传 递 方 式, 只 在 有 物 质 存 在 的 条 件 下, 才 能 实 现, 而 热 辐 射 不 需 中 间 介 质, 可 以 在 真 空 中 传 递, 而 且 在 真 空 中 辐 射 能 的 传 递 最 有 效 2 在 辐 射 换 热 过 程 中, 不 仅 有 能 量 的 转 换, 而 且 伴 随 有 能 量 形 式 的 转 化 在 辐 射 时, 辐 射 体 内 热 能 辐 射 能 ; 在 吸 收 时, 辐 射 能 受 射 体 内 热 能, 因 此, 辐 射 换 热 过 程 是 一 种 能 量 互 变 过 程 3 辐 射 换 热 是 一 种 双 向 热 流 同 时 存 在 的 换 热 过 程, 即 不 仅 高 温 物 体 向 低 温 物 体 辐 射 热 能, 而 且 低 温 物 体 向 高 温 物 体 辐 射 热 能, 4 辐 射 换 热 不 需 要 中 间 介 质, 在 真 空 中 即 可 进 行, 而 且 在 真 空 中 辐 射 能 的 传 递 最 有 效 因 此, 又 称 其 为 非 接 触 性 传 热 5 热 辐 射 现 象 仍 是 微 观 粒 子 性 态 的 一 种 宏 观 表 象 6 物 体 的 辐 射 能 力 与 其 温 度 性 质 有 关 这 是 热 辐 射 区 别 于 导 热, 对 流 的 基 本 特 点 5.1.2 传 热 过 程 传 递 热 量 的 基 本 方 式 : 导 热 对 流 热 辐 射, 由 这 三 个 基 本 方 式 组 成 不 同 的 传 热 过 程 如 : 对 流 换 热 暖 气 : 热 水 管 子 内 壁 管 子 外 壁 室 内 环 境 凝 结 换 热 冷 凝 器 : 蒸 汽 管 子 外 壁 管 子 内 壁 水 分 析 一 个 实 际 传 热 过 程 的 目 的, 就 是 分 析 该 过 程 由 哪 些 串 联 环 节 组 成 以 及 每 一 环 节 中 有 哪 些 传 热 方 式 起 主 要 作 用, 它 是 解 决 实 际 传 热 的 核 心 基 础 上 述 分 析 导 热 对 流 热 辐 射 的 基 本 定 律, 即 傅 里 叶 定 律 牛 顿 冷 却 公 式 斯 忒 藩 玻 耳 兹 曼 定 律, 适 用 于 稳 态 和 瞬 态 传 热 过 程, 若 是 瞬 态 时 公 式 中 的 温 度 是 瞬 时 温 度, 温 度 T 不 仅 仅 是 坐 标 的 函 数, 而 且 与 时 间 有 关 5.1.3 稳 态 传 热 和 瞬 态 传 热 导 热 导 热 对 流 换 热 辐 射 换 热 对 流 换 热 1. 稳 态 传 热 : 传 热 系 统 中 各 点 的 温 度 仅 随 位 置 的 变 化 而 变 化, 不 随 时 间 变 化 而 变 化 特 点 : 单 位 时 间 通 过 传 热 面 额 定 热 量 是 一 个 常 量 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 92

如 果 系 统 的 净 流 为 零, 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 : Q 流 入 + Q 生 成 - Q 流 出 =0 (5-5) 则 系 统 热 稳 态 稳 态 热 分 析 的 能 量 平 衡 方 程 以 矩 阵 形 式 表 示 为 : [K]{T}={Q} (5-6) [K] 为 热 传 导 矩 阵, 包 含 热 系 数 对 流 系 数 及 辐 射 和 形 状 系 数 ;{T} 为 节 点 温 度 向 量 ;{Q} 为 节 点 热 流 率 向 量, 包 括 热 生 成 ;ANSYS 利 用 模 型 几 何 参 数 材 料 热 性 能 参 数 以 及 所 施 加 的 边 界 条 件, 生 成 [K]{T} 及 {Q} 2. 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 不 仅 随 位 置 不 同 而 不 同, 而 且 随 时 间 发 生 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 :[K] 为 热 传 导 矩 阵, 包 含 热 系 数 对 流 系 数 及 辐 射 和 形 状 系 数 ;[C] 为 比 热 矩 阵, 考 虑 系 统 内 能 的 增 加 ;{T}] 为 节 点 温 度 向 量 ;*T+ 为 温 度 对 时 间 的 导 数 ;{Q} 为 节 点 热 流 率 向 量, 包 括 热 生 成 (5-7) 连 续 生 产 过 程 中 所 进 行 的 传 热 多 为 稳 态 传 热 在 间 歇 操 作 中 的 换 热 设 备 中 或 连 续 操 作 的 换 热 设 备 处 于 开 停 车 阶 段 所 进 行 的 传 热, 都 属 于 瞬 态 传 热 5.1.4 线 性 与 非 线 性 如 果 满 足 下 列 条 件, 则 为 非 线 性 热 分 析 : 1. 材 料 热 性 能 随 温 度 变 化, 如 K(T),C(T) 等 ; 2. 边 界 条 件 随 温 度 变 化, 如 h(t) 等 ; 3. 含 有 非 线 性 单 元 ; 4. 考 虑 辐 射 传 热 ; 非 线 性 热 分 析 的 热 平 衡 方 程 为 : (5-8) 5.1.5 符 号 与 单 位 ANSYS 热 分 析 中 常 用 的 符 号 及 单 位 表 达 见 表 5-1 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 93

表 5-1 热 分 析 符 号 及 单 位 名 称 国 际 单 位 英 制 单 位 ANSYS 长 度 L m ft Length 时 间 t s s Time 质 量 m Kg lbm Mass 温 度 T o F Temperature 力 F N lbf Force 能 量 ( 热 量 )J J BTU Joule 功 率 ( 热 流 率 )Q W BTU/sec Heat Flow 热 流 密 度 q W/m 2 BTU/sec-ft 2 Heat Flux 生 热 速 率 q W/m 3 BTU/sec-ft 3 Internal Heat Generation 导 热 系 数 W/m- BTU/sec-ft- o F Thermal Conductivity 对 流 系 数 h W/m 2 - BTU/sec-ft 2 - o F Film Coefficient 密 度 Kg/m 3 lbm/ft 3 Density 比 热 c J/Kg- BTU/lbm- o F Specific Heat 焓 H J/m 3 BTU/ft 3 Enthalpy 5.1.6 材 料 属 性 稳 态 热 分 析 中, 必 须 定 义 热 传 导 系 数 热 传 导 系 数 可 以 是 各 向 同 性 或 各 向 异 性, 是 常 量 或 与 温 度 相 关 瞬 态 热 分 析 中, 必 须 定 义 热 传 导 系 数 密 度 和 比 热 热 传 导 系 数 可 以 是 各 向 同 性 或 各 向 异 性, 所 有 属 性 可 以 是 常 量 或 与 温 度 相 关 5.1.7 几 何 模 型 在 热 分 析 中, 可 以 支 持 大 多 数 体 类 型 对 于 线 体, 仅 能 得 到 温 度 结 果, 热 分 析 不 支 持 点 质 量, 对 于 线 体, 不 考 虑 截 面 厚 度 上 的 温 度 变 化 线 用 于 类 似 梁 或 桁 架 的 结 构, 此 时 可 认 为 其 截 面 上 的 温 度 是 常 量 沿 着 线 方 向 的 温 度 变 化 仍 然 要 考 虑, 但 不 是 沿 着 截 面 的 对 于 壳, 不 考 虑 沿 壳 厚 度 方 向 的 温 度 梯 度 壳 体 应 用 于 较 薄 的 结 构, 假 设 壳 的 上 下 表 面 温 度 相 等 表 面 的 温 度 变 化 仍 然 要 考 虑, 但 不 是 厚 度 方 向 的 5.1.8 接 触 当 导 入 实 体 零 件 组 成 的 装 配 体 时, 实 体 间 的 接 触 区 将 会 被 自 动 创 建 面 与 面 或 面 与 边 接 触 允 许 实 体 零 件 间 的 边 界 上 不 匹 配 的 网 格 每 个 接 触 区 都 用 到 接 触 面 和 目 标 面 的 概 念 接 触 区 的 一 侧 由 接 触 面 组 成, 另 一 侧 由 目 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 94

标 面 组 成 当 一 侧 为 接 触 面 而 另 一 侧 为 目 标 面 时, 称 为 反 对 称 接 触 另 一 方 面, 如 果 两 侧 都 被 指 定 成 接 触 面 或 目 标 面, 则 称 为 对 称 接 触 在 热 分 析 中, 指 定 哪 一 侧 是 接 触 面, 哪 一 侧 是 目 标 面 并 不 重 要 在 接 触 的 法 向 上 允 许 有 接 触 面 和 目 标 面 间 的 热 流 接 触 实 现 了 装 配 体 中 零 件 间 的 传 热 热 量 在 接 触 区 内 沿 着 接 触 法 向 流 动, 不 管 接 触 区 定 义 如 何, 只 要 接 触 法 向 上 有 接 触 单 元, 热 量 就 会 流 动 在 接 触 面 与 目 标 界 面 中, 不 考 虑 热 量 的 扩 散 在 壳 或 实 体 单 元 内 的 接 触 面 或 目 标 面 上, 由 于 傅 立 叶 定 律, 需 考 虑 热 量 扩 散 如 果 零 件 初 始 有 接 触, 零 件 间 就 会 发 生 传 热, 如 果 零 件 初 始 不 接 触, 零 件 间 将 不 会 互 相 传 热 不 同 的 接 触 类 型, 热 量 是 否 会 在 接 触 面 和 目 标 面 间 传 递 可 以 参 见 表 5-2 表 5-2 接 触 区 传 热 接 触 类 型 接 触 区 传 热 否 初 始 接 触 弹 球 区 内 弹 球 区 外 绑 定 不 分 离 是 是 否 粗 糙 无 摩 擦 摩 擦 是 否 否 接 触 的 弹 球 Pinball 区 域 自 动 设 置 为 一 个 相 对 较 小 的 值, 以 调 和 模 型 中 可 能 出 现 的 小 间 隙 对 基 于 MPC 的 绑 定 接 触, 如 果 存 在 间 隙, 在 搜 索 方 向 可 使 用 弹 球 区 以 检 测 间 隙 外 的 接 触, 见 图 5-1 MPC 算 法 产 生 完 全 传 热 对 包 含 壳 面 或 实 体 边 的 接 触, 只 能 设 置 为 绑 定 或 不 分 离 类 型 包 含 壳 面 接 触, 只 允 许 使 用 MPC 算 法 的 绑 定 接 触 行 为 点 焊 为 连 接 的 壳 装 配 体 在 离 散 点 处 传 热 提 供 了 一 种 方 法, 见 图 5-2 图 5-1 接 触 弹 球 区 域 图 5-2 点 焊 接 触 接 触 温 差 缺 省 时, 在 装 配 体 的 零 件 间 会 定 义 一 个 高 的 接 触 导 热 系 数 T CC, 两 个 零 件 间 的 热 流 量 由 接 触 热 通 量 q 定 义 : q=tcc(t t -T c ) (5-9) 这 里,T c 是 位 于 接 触 法 向 上 某 接 触 节 点 的 温 度,T t 是 相 应 的 目 标 节 点 的 温 度 缺 省 时,T CC 根 据 设 定 的 接 触 模 型 中 的 最 大 热 传 导 系 数 max 值 和 装 配 体 总 体 外 边 界 的 对 角 线 Diag, 被 设 为 一 个 相 对 较 高 的 值, 即 T CC = max*10000/diag, 这 最 终 提 供 了 零 件 间 完 全 的 传 热 图 5-3 接 触 温 差 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 95

理 想 的 零 件 间 的 接 触 传 热 系 数 假 定 在 接 触 界 面 上 没 有 温 度 降 接 触 热 阻 使 接 触 的 两 个 表 面 在 穿 过 界 面 上 有 温 度 降, 见 图 5-3, 这 种 温 差 是 由 两 表 面 间 的 不 良 接 触 产 生, 由 此 产 生 有 限 热 传 导, 受 到 影 响 因 素 包 括 : 表 面 的 平 面 度 表 面 磨 光 氧 化 物 残 存 流 体 接 触 压 力 表 面 温 度 导 热 脂 的 使 用 等 可 以 定 义 接 触 传 热 系 数 T CC 考 虑 接 触 热 阻 的 影 响, 每 个 接 触 区 在 详 细 信 息 窗 口 中 输 入 单 位 面 积 的 接 触 传 热 系 数, 用 接 触 面 积 除 以 接 触 热 阻, 可 得 到 T CC 值, 这 样, 接 触 区 域 的 接 触 面 和 目 标 面 间 就 会 产 生 温 度 降 5.1.9 分 析 设 置 对 简 单 线 性 行 为 无 需 设 置, 对 复 杂 分 析 则 需 要 设 置 一 些 控 制 选 项, 设 置 命 令 见 表 5-3 表 5-3: 分 析 设 置 命 令 说 明 分 析 设 置 命 令 说 明 步 长 控 制 时 步 数 ;1( 默 认 ) 当 前 时 步 :1( 默 认 ) 时 步 结 束 时 间 :1s( 默 认 ) 自 动 时 间 步 设 置 : 程 序 控 制 ( 默 认 ) 求 解 控 制 求 解 类 型 : 程 序 控 制 ( 默 认 ) 非 线 性 控 制 热 收 敛 准 则 ; 程 序 控 制 ( 默 认 ) 温 度 收 敛 准 则 ; 程 序 控 制 ( 默 认 ) 线 性 搜 索 : 程 序 控 制 ( 默 认 ) 输 出 控 制 : 是 否 计 算 热 通 量 : 是 ( 默 认 ) 计 算 结 果 输 出 : 在 所 有 时 间 点 ( 默 认 ) 分 析 数 据 管 理 求 解 器 工 作 路 径 ; 后 续 分 析 类 型 : 无 ( 默 认 ) 获 取 求 解 文 件 : 是 否 保 存 ANSYS DB 文 件 : 否 ( 默 认 ) 是 否 删 除 不 需 要 的 文 件 : 是 ( 默 认 ) 是 否 非 线 性 求 解 : 否 ( 默 认 ) 求 解 器 单 位 : 当 前 活 动 系 统 ( 默 认 ) 求 解 器 单 位 系 统 :nks( 默 认 ) 可 视 化 对 流 ( 对 流 换 热 系 数 ): 显 示 温 度 : 显 示 1. 步 长 控 制 Step Controls 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 96

非 线 性 热 分 析 时, 步 长 控 制 用 于 控 制 时 间 步 长, 步 长 控 制 也 用 于 创 建 多 载 荷 步 2. 求 解 器 控 制 Solver Controls 求 解 器 控 制 中 直 接 法 Direct 和 迭 代 法 Iterative 两 种 求 解 器 可 以 使 用, 求 解 器 是 自 动 选 取 的 Solver Type 下 设 置 默 认 选 项, 直 接 求 解 器 Direct 在 包 含 薄 面 和 细 长 体 的 模 型 中 是 有 用 的 它 是 个 很 有 力 的 求 解 器 并 且 可 以 处 理 任 何 情 况 迭 代 求 解 器 Iteritive 在 处 理 体 积 大 的 模 型 是 十 分 有 效 的 尽 管 它 对 梁 和 壳 来 说 不 是 很 有 效, 但 是 可 以 很 好 的 处 理 大 的 模 型 3. 非 线 性 控 制 Nonlinear Controls 非 线 性 控 制 可 以 修 改 收 敛 准 则 和 其 他 的 一 些 求 解 控 制 选 项 只 要 运 算 满 足 收 敛 判 据, 程 序 就 认 为 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 Value 和 收 敛 容 差 Tolerance, 程 序 将 二 者 的 乘 积 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 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 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 率 之 间 的 差 值 ANSYS Value 值 由 缺 省 确 定, 收 敛 容 差 为 0.5% 线 性 搜 索 Line Search 选 项 可 使 ANSYS 用 Newton-Raphson 方 法 进 行 线 性 搜 索 4. 输 出 控 制 Output Controls 输 出 控 制 允 许 在 结 果 后 处 理 中 得 到 需 要 的 时 间 点 结 果, 尤 其 在 非 线 性 分 析 中, 中 间 载 荷 的 结 果 是 很 重 要 的 5. 分 析 数 据 管 理 Analysis Data Management 分 析 数 据 管 理 保 存 稳 态 热 分 析 结 果 文 件 用 于 其 他 的 分 析 系 统 如 稳 态 热 分 析 的 结 果 作 为 瞬 态 分 析 的 初 始 条 件, 因 此 可 以 将 稳 态 热 分 析 结 果 随 后 的 分 析 Future Analysis 设 置 为 瞬 态 热 分 析 Transient Thermal 用 于 后 面 的 瞬 态 热 分 析 5.1.10 载 荷 与 边 界 条 件 Workbench 热 分 析 的 载 荷 与 边 界 条 件 如 下 : 1) 温 度 Temperature 2) 对 流 Convection 3) 辐 射 Radiation 4) 热 流 率 Heat Flow 5) 完 全 绝 热 Perfectly Insulated 6) 热 流 密 度 Heat Flux 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 97

7) 内 部 热 生 成 Internal Heat Generation 8) CFD 导 入 温 度 CFD Imported Temperature 9) CFD 导 入 对 流 CFD Imported Convection 载 荷 与 边 界 条 件 可 以 直 接 在 实 体 模 型 ( 点 线 面 体 ) 施 加, 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 热 载 荷 1. 恒 定 温 度 Temperature 通 常 作 为 自 由 度 约 束 施 加 于 温 度 已 知 的 边 界 上 用 于 3D 分 析 和 2D 平 面 应 力 及 轴 对 称 分 析, 如 图 5-4 图 5-4 恒 定 温 度 2. 对 流 Convection 用 于 3D 分 析 和 2D 平 面 应 力 及 轴 对 称 分 析, 对 流 通 过 与 流 体 接 触 面 发 生 对 流 换 热, 只 能 施 加 到 表 面 上, 对 流 使 环 境 温 度 与 表 面 温 度 相 关 图 5-5 对 流 q = Q A = h(t s T f ) (5-10) 对 流 热 通 量 q 与 对 流 换 热 系 数 h 表 面 积 A 表 面 温 度 T s 及 环 境 温 度 T f 有 关, 如 图 5-5 对 流 换 热 系 数 h 可 以 是 常 量 或 温 度 的 变 量, 与 温 度 相 关 的 对 流 条 件 1) 首 先 确 定 h(t) 使 用 什 么 样 的 温 度, 温 度 可 以 是 : (1) 平 均 膜 温 度 Average Film Temperature : T=(T s +T f )/2 (2) 表 面 温 度 Surface Temperature : T= T s (3) 环 境 温 度 Bulk Temperature : T= T f (4) 表 面 与 环 境 温 度 差 Difference of Surface and Bulk Temperature : T=T s -T f 2) 对 流 详 细 信 息 窗 口 中 选 择 Film Coefficient - Tabular(Temperature) 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 98

3) 在 出 现 的 表 数 据 Tabular Data 中 输 入 温 度 和 对 于 的 对 流 换 热 系 数, 见 图 5-6 图 5-6 输 入 变 量 对 流 换 热 系 数 3. 辐 射 Radiation 施 加 到 3D 表 面 或 2D 模 型 的 边, 仅 提 供 向 周 围 环 境 的 辐 射 ( 不 包 括 两 个 面 之 间 的 相 互 辐 射 ) 即 形 状 系 数 假 定 为 F12=1; Q = ε 1 A 1 σf 12 (T 1 4 T 2 4 ) (5-11) 其 中 斯 蒂 芬 - 波 尔 兹 曼 常 数 为 定 值, 并 且 自 动 由 采 用 的 单 位 制 决 定 ; 辐 射 属 性 中 设 置 热 辐 射 率 ( 黑 度 ) 1, 环 境 温 度 T 2 4. 热 流 率 Q Heat Flow 指 单 位 时 间 内 通 过 传 热 面 的 热 量 整 个 换 热 器 的 传 热 速 率 表 征 换 热 器 的 生 产 能 力, 单 位 为 w 热 流 率 作 为 节 点 集 中 载 荷, 可 以 施 加 点 边 面 上, 这 对 线 体 模 型 通 常 不 能 直 接 施 加 对 流 和 热 流 密 度 载 荷, 则 很 方 便 如 果 输 入 的 值 为 正, 表 示 热 流 流 入 节 点, 即 获 取 热 量 图 5-7 热 流 率 提 示 : 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 5. 完 全 绝 热 Perfectly Insulated 用 于 3D 分 析 和 2D 平 面 应 力 及 轴 对 称 分 析, 完 全 绝 热 条 件 施 加 到 表 面 上, 可 认 为 是 零 热 流 率 加 载, 在 热 分 析 中, 当 不 施 加 任 何 载 荷 时, 它 实 际 上 是 自 然 产 生 的 边 界 条 件 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 99

通 常, 不 需 要 给 面 上 施 加 完 全 绝 热 条 件, 因 为 这 是 一 个 规 则 表 面 的 默 认 状 态 因 此, 这 种 加 载 通 常 用 于 删 除 某 个 特 定 面 上 的 载 荷 例 如, 可 以 先 在 所 有 面 上 施 加 热 通 量 或 对 流, 然 后 用 完 全 绝 热 条 件 选 择 性 地 删 除 某 些 面 上 的 载 荷 ( 比 如 与 其 它 零 件 相 接 触 的 面 等 ), 此 时 要 方 便 简 单 得 多 6. 热 通 量 q( 热 流 密 度 Heat Flux ) 指 单 位 时 间 内 通 过 单 位 传 热 面 积 所 传 递 的 热 量,q=Q/A 在 一 定 的 热 流 量 下,q 越 大, 所 需 的 传 热 面 积 越 小 因 此, 热 通 量 是 反 映 传 热 强 度 的 指 标, 又 称 为 热 流 密 度, 单 位 为 w/m 2, 见 图 5-8 图 5-8 热 通 量 热 流 密 度 也 是 一 种 面 载 荷 用 于 3D 分 析 和 2D 平 面 应 力 及 轴 对 称 分 析, 当 通 过 单 位 面 积 的 热 流 率 已 知, 可 以 在 模 型 相 应 的 外 表 面 施 加 一 致 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 7. 内 部 热 生 成 Internal Heat Generation 用 于 3D 分 析 和 2D 平 面 应 力 及 轴 对 称 分 析, 内 部 热 生 成 作 为 体 载 只 能 施 加 到 体 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 (w/m 3 ) 正 的 热 负 荷 值 将 会 向 系 统 中 添 加 能 量 而 且, 如 果 有 多 个 载 荷 存 在, 其 效 果 是 累 加 的 8. 小 结 1) 热 载 荷 : 一 般 往 系 统 中 输 入 能 量, 热 负 荷 可 以 用 已 知 的 热 流 率 或 单 位 面 积 / 体 积 上 的 热 流 率 输 入 2) 热 边 界 条 件 : 热 边 界 条 件 呈 现 为 一 个 已 知 的 局 部 或 偏 远 的 温 度 条 件 作 用 如 同 已 知 温 度 条 件 下 的 热 源 或 汇, 可 以 是 确 定 的 温 度 或 已 知 环 境 温 度 下 的 对 流 辐 射, 完 全 绝 热 为 自 然 边 界 条 件 3) 至 少 应 存 在 一 种 热 边 界 条 件 如 温 度 对 流 或 辐 射, 否 则, 如 果 热 量 源 源 不 断 地 输 入 到 系 统 中, 稳 态 时 的 温 度 将 会 达 到 无 穷 大 4) 给 定 的 温 度 或 对 流 不 能 施 加 到 已 经 施 加 了 某 种 热 载 荷 或 热 边 界 条 件 的 表 面 上 如 果 施 加 到 已 经 承 受 热 载 荷 的 实 体 上, 温 度 边 界 条 件 将 忽 略, 完 全 绝 热 条 件 将 忽 略 其 它 的 热 边 界 条 件 5) 提 供 一 些 结 构 分 析 与 热 分 析 的 类 比 见 表 5-4 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 100

表 5-4 结 构 与 热 分 析 载 荷 和 约 束 类 比 名 称 作 用 方 式 结 构 热 自 然 条 件 无 外 力 完 全 绝 热 边 界 条 件 直 接 给 定 位 移 给 定 温 度 间 接 弹 性 支 撑 对 流 / 辐 射 直 接 力 热 流 率 载 荷 单 位 面 积 压 力 热 通 量 单 位 体 积 温 度 内 部 热 生 成 惯 性 载 荷 整 体 加 速 度, 旋 转 速 度 旋 转 速 度 加 速 度 之 类 的 惯 性 载 荷, 没 有 类 比, 对 流 边 界 条 件 的 类 比 是 一 个 结 构 分 析 中 的 基 础 刚 度 支 撑, 类 似 于 接 地 弹 簧 5.1.11 结 果 与 后 处 理 热 分 析 中 可 得 到 各 种 结 果 用 于 后 处 理, 如 温 度 热 通 量 反 作 用 热 流 率 等 一 般 在 求 解 之 前 定 义 需 要 的 结 果, 也 可 以 在 求 解 之 后 增 加 需 要 结 果, 此 时 不 需 要 进 行 新 的 求 解 1. 温 度 场 的 云 图 显 示 : 温 度 是 求 解 的 自 由 度, 且 是 最 基 本 的 输 出, 温 度 是 标 量, 因 此 没 有 与 之 相 关 的 方 向 如 图 5-9 图 5-9 温 度 的 云 图 显 示 2. 热 通 量 云 图 或 矢 量 显 示 : 热 通 量 q 定 义 为 :q = λ dt dn, 热 通 量 与 温 度 梯 度 有 关, Total Heat Flux 热 通 量 云 图 显 示 大 小, 热 通 量 矢 量 显 示 大 小 和 方 向, 可 以 看 到 热 量 是 如 何 流 动 的, 见 图 5-10 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 101

图 5-10 热 通 量 云 图 和 矢 量 显 示 热 通 量 输 出 有 三 个 分 量, 热 通 量 的 分 量 可 以 用 Directional Heat Flux, 并 可 映 射 到 任 意 坐 标 系 下 3. 反 作 用 的 热 流 率 给 定 的 温 度 和 对 流 都 能 直 接 或 非 直 接 地 补 充 一 个 已 知 的 温 度, 它 就 相 当 于 一 个 热 源 / 汇, 流 入 ( 正 ) 或 流 出 ( 负 ) 量 就 可 以 输 出 对 每 个 单 独 的 给 定 温 度 或 对 流 载 荷, 反 作 用 热 流 率 Reaction Probe 会 在 求 解 之 后 在 Details 明 细 窗 口 中 输 出 见 图 5-11 图 5-11 反 作 用 的 热 流 率 5.2 ANSYS12.0 Steady-State Thermal 稳 态 热 分 析 5.2.1 ANSYS12.0 稳 态 热 分 析 概 述 对 于 一 个 稳 态 热 分 析, 温 度 {T} 是 由 如 下 的 矩 阵 求 解 :[K]{T}={Q} [K] 为 热 传 导 矩 阵,{Q} 为 热 流 量 矩 阵, 包 括 如 下 假 设 : 1. 稳 态 热 分 析 基 于 热 传 导 方 程, 不 考 虑 任 何 时 间 相 关 的 瞬 态 效 应 2. 可 以 分 析 线 性 行 为 ( 材 料 属 性 为 常 量 ) 或 非 线 性 行 为 ( 材 料 属 性 与 温 度 相 关 ), 也 就 是 说,[K] 可 以 是 常 量 或 是 温 度 的 函 数 ; 每 种 材 料 属 性 中 都 可 输 入 温 度 相 关 的 热 传 导 率 ;{Q} 也 可 是 常 量 或 是 温 度 的 函 数 ; 在 对 流 边 界 条 件 中 可 以 输 入 温 度 相 关 的 对 流 传 热 系 数 3. 固 体 内 部 的 热 传 导 ( 傅 立 叶 定 律 ) 是 [K] 的 基 础 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 102

4. 载 荷 和 约 束 包 括 热 生 成 热 通 量 热 流 率 对 流 及 辐 射 ; 虽 然 对 流 换 热 系 数 有 可 能 与 温 度 相 关, 但 对 流 被 处 理 成 简 单 的 边 界 条 件, 如 果 需 要 分 析 共 轭 传 热 / 流 动 问 题, 则 需 要 用 流 体 分 析 ANSYS CFX 或 ANSYS FLUENT 5. 稳 态 热 分 析 通 常 用 于 建 立 瞬 态 热 分 析 的 初 始 条 件, 也 可 以 作 为 瞬 态 热 分 析 的 最 后 一 步, 即 模 拟 瞬 态 传 热 效 应 完 全 消 失 后 的 状 态 5.2.2 ANSYS12.0 稳 态 热 分 析 方 法 1. 工 具 箱 中 将 稳 态 热 分 析 系 统 Steady-State Thermal 拖 入 工 程 图 解 2. 定 义 工 程 数 据 Engineering Data : 必 须 定 义 热 传 导 系 数, 热 传 导 系 数 可 以 是 各 向 同 性 或 各 向 异 性, 是 常 量 或 与 温 度 相 关 3. 导 入 几 何 模 型 4. 定 义 零 件 行 为 5. 定 义 联 接 关 系 热 分 析 中 仅 考 虑 接 触, 任 何 关 节 和 弹 簧 将 被 忽 略 热 分 析 中 初 始 接 触 条 件 始 终 保 持 不 变, 默 认 条 件 下, 热 传 导 完 全 通 过 无 间 隙 接 触 面, 如 果 考 虑 接 触 热 阻, 可 以 手 工 输 入 热 传 导 值 6. 应 用 网 格 控 制 划 分 网 格 : 如 果 热 分 析 用 于 随 后 的 结 构 分 析, 则 需 要 足 够 精 细 的 网 格 密 度 7. 建 立 分 析 设 置 : 1) 步 长 控 制 Step Controls 用 于 非 线 性 分 析 设 置 小 的 增 量 步, 或 用 于 多 载 荷 步 的 分 析 设 置 时 间 选 项 Step End Time 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 Define by 可 以 按 照 步 数 或 按 照 时 间 定 义 载 荷 子 步, 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 2) 输 出 控 制 Output Controls 定 义 后 处 理 所 需 要 的 输 出 值, 非 线 性 分 析 中 往 往 需 要 获 得 中 间 结 果 3) 非 线 性 控 制 Nonlinear Controls 可 以 修 改 收 敛 准 则 和 求 解 控 制 4) 分 析 数 据 管 理 Analysis Data Management 保 存 结 果 文 件 用 于 其 它 分 析 类 型 8. 定 义 初 始 条 件 : 可 以 定 义 各 个 节 点 相 同 的 初 始 温 度, 用 于 非 线 性 求 解 中 的 第 一 次 迭 代, 或 作 为 常 温 载 荷 的 起 始 温 度 9. 应 用 热 载 荷 及 边 界 条 件 : 包 括 温 度 对 流 辐 射 热 流 率 完 全 绝 热 热 通 量 内 部 热 生 成 CFD 导 入 的 温 度 及 对 流 载 荷 及 边 界 可 以 表 示 为 常 量 或 输 入 表 格 形 式 的 变 量 或 函 数 表 达 式 10. 求 解 : 求 解 信 息 Solution Information 监 测 求 解 过 程, 可 以 插 入 结 果 跟 踪 工 具 Result Tracker 监 测 设 定 位 置 的 温 度 变 化 11. 显 示 结 果 : 包 括 云 图 显 示 动 画 显 示 探 测 点 显 示 及 图 表 显 示 所 有 的 热 结 果 类 型 5.2.3 ANSYS12.0 稳 态 热 分 析 案 例 短 圆 柱 体 的 热 传 导 5.2.3.1 问 题 描 述 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 103

短 圆 柱 体, 直 径 和 长 度 均 为 1m, 上 方 施 加 100 的 温 度 载 荷, 下 端 面 和 侧 面 温 度 为 0, 求 圆 柱 体 内 部 温 度 场 的 分 布 ( 假 设 圆 柱 体 和 外 界 无 热 交 换 ) 材 料 的 热 传 导 系 数 为 30w/m. 见 图 5-12 5.2.3.2 问 题 分 析 图 5-12 短 圆 柱 体 属 于 稳 态 热 传 导 问 题, 由 于 几 何 结 构, 载 荷 及 边 界 条 件 对 称, 取 圆 柱 体 1/4 分 析 分 析 方 法 如 下 : 1) 选 择 稳 态 热 分 析 系 统 2) 确 定 材 料 参 数 : 稳 态 热 传 导 问 题, 仅 输 入 热 传 导 系 数 3) DesignMdoler 建 立 几 何 模 型 : 考 虑 对 称 性, 建 立 1/4 圆 柱 体 4) 进 入 Mechanical 分 析 程 序 5) 网 格 划 分 : 采 用 系 统 默 认 网 格 6) 施 加 边 界 条 件 : 圆 柱 体 对 称 面 无 热 量 交 换, 为 绝 热 边 界, 系 统 默 认 无 需 输 入 圆 柱 体 其 它 外 表 面 输 入 温 度 7) 设 置 需 要 的 结 果 : 温 度 分 布 8) 求 解 及 结 果 显 示 5.2.3.3 数 值 模 拟 过 程 1 选 择 稳 态 热 分 析 系 统 ( 图 5-13) 1) 工 程 图 解 中 调 入 稳 态 热 分 析 系 统 Steady-State Thermal(ANSYS) 2) 工 程 命 名 Cylinder Thermal conduction 3) 保 存 工 程 名 为 Steady-State Thermal(cylinder) 见 图 5-13 图 5-13 调 入 稳 态 热 分 析 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 104

2 确 定 材 料 参 数 ( 图 5-14- 图 5-15) 1) 编 辑 工 程 数 据 模 型, 添 加 材 料 的 热 传 导 率, 右 击 鼠 标 选 择 Engineering Data Edit 见 图 5-14 图 5-14 编 辑 工 程 数 据 模 型 2) 工 程 数 据 属 性 中 增 加 新 材 料 : Outline of Schematic A2:Engineering Data Click here to add new material 输 入 材 料 名 称 steel. 3) 选 择 Thermal Isotropic Thermal Conductivity 4) 选 择 钢 材 料 属 性 Properties of Outline Row 3: steel Isotropic Thermal Conductivity 5) 出 现 Table of Properties Row 2: Thermal Conductivity 材 料 属 性 表, 双 击 鼠 标, 点 击 每 个 区 域 输 入 材 料 属 性 参 数 : 温 度 22 C, 热 传 导 率 30w/m. 6) 参 数 输 完 后, 工 程 数 据 表 显 示 热 传 导 率 - 温 度 图 表 见 图 5-15 3 DM 建 立 几 何 模 型 ( 图 5-16) 图 5-15 输 入 材 料 参 数 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 105

1) 选 择 Geometry - New Geometry, 出 现 esignmodeler 程 序 窗 口, 选 择 尺 寸 单 位 Meter 2) DesignModeler 中 在 工 作 平 面 XYPlane 创 建 圆 柱 体 截 面 草 图 (1) 选 择 Sketching (2) 选 择 Draw Rectangle (3) 在 图 形 区 坐 标 原 点 处 点 击 鼠 标 左 键, 拖 放 鼠 标 画 矩 形 (4) 选 择 尺 寸 标 注 Dimensions (5) 图 形 区 中 选 择 矩 形 边 线, 拖 放 鼠 标 显 示 水 平 尺 寸 H1, 垂 直 尺 寸 V2. (6) 设 置 尺 寸 Details View Dimensions H1 =120mm,V2=50mm 图 5-16 创 建 草 图 3) 草 图 选 择 生 成 1/4 圆 柱 体 ( 图 5-17) 1) 选 择 Modeling 模 式 2) 选 择 矩 形 草 图 XYPlane Sketch1 3) 工 具 栏 中 选 择 旋 转 命 令 Revolve 4) 选 择 旋 转 轴 : 图 形 区 点 击 Y 轴 5) 确 认 旋 转 轴 : Details View Details of Revolve1 Axis =Apply 6) 设 置 旋 转 角 度 : Details View Details of Revolve1 FD1,Angle =90 7) 生 成 实 体 : 选 择 Generate 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 106

图 5-17 生 成 实 体 4 进 入 Mechanical 分 析 程 序 切 换 回 Workbench 窗 口, 选 择 Setup Edit, 进 入 Mechanical 分 析 环 境 5 网 格 划 分 ( 图 5-18) 1) 选 择 Mesh Generate Mesh 2) 图 形 区 显 示 程 序 自 动 生 成 的 网 格 模 型 6 施 加 边 界 条 件 施 加 上 表 面 温 度 100 C:( 图 5-19) 1) 选 择 Steady-State Thermal(A5) 2) 工 具 栏 中 选 择 Temperature 3) 图 形 区 选 取 上 表 面 图 5-18 网 格 划 分 4) 确 认 选 择 : Details of Temperature Scope Geometry =Apply 5) 设 置 温 度 : Details of Temperature Definiton Magnitude =100 C 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 107

图 5-19 上 表 面 施 加 温 度 施 加 外 表 面 及 底 部 温 度 0 C:( 图 5-20) 6) 选 择 Steady-State Thermal(A5) 7) 工 具 栏 中 选 择 Temperature 8) 工 具 栏 选 取 面 选 择 按 钮 9) 按 住 Ctrl 键, 图 形 区 选 取 外 表 面 及 底 部 面 10) 确 认 选 择 : Details of Temperature Scope Geometry =Apply 11) 设 置 温 度 : Details of Temperature Definiton Magnitude =0 C 7 设 置 需 要 的 结 果 ( 图 5-21) 图 5-20 施 加 底 部 及 边 表 面 温 度 1) 选 择 Solution(A6) 2) 工 具 栏 中 选 择 Thermal Temperature 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 108

图 5-21 设 置 温 度 结 果 8 求 解 及 结 果 显 示 ( 图 5-22) 运 行 Solve 求 解, 选 Solution Information 时, 可 以 从 输 出 工 作 表 看 求 解 状 态, 求 解 结 束 后 可 以 显 示 结 果 : 1) 设 置 显 示 窗 口 为 4 个 视 窗 2) 选 择 左 上 窗 口 3) 导 航 树 选 择 Model Mesh, 左 上 窗 口 显 示 网 格 4) 选 择 右 上 窗 口 5) 导 航 树 选 择 Steady-State Thermal(A5) Temperature, 右 上 窗 口 显 示 加 载 温 度 100 C 6) 选 择 左 下 窗 口 7) 导 航 树 选 择 Steady-State Thermal(A5) Temperature2, 左 下 窗 口 显 示 加 载 温 度 0 C 8) 选 择 右 下 窗 口 9) 导 航 树 选 择 Solutionl Temperature, 右 下 窗 口 显 示 稳 态 热 传 导 计 算 得 到 的 温 度 变 化 图 5-22 结 果 显 示 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 109

5.2.4 ANSYS12.0 稳 态 热 分 析 案 例 保 温 桶 的 对 流 传 热 5.2.4.1 问 题 描 述 4 层 保 温 桶, 最 外 层 为 钢, 次 外 层 为 铝, 中 间 为 隔 热 的 树 脂 基 复 合 材 料, 里 层 为 铝, 筒 内 为 热 水, 筒 外 为 空 气, 需 确 定 筒 壁 的 温 度 场 分 布 图 5-23 保 温 桶 模 型 已 知 : 筒 内 半 径 0.1m 筒 长 度 0.2m 4 层 厚 度 为 0.01m 0.02m 0.01m 0.005m, 钢 复 合 材 料 及 铝 导 热 系 数 70 0.055 236w/m., 水 温 度 80, 空 气 温 度 为 20, 空 气 对 流 系 数 12.5 w/m 2. 5.2.4.2 问 题 分 析 属 于 稳 态 传 热 问 题, 由 于 几 何 结 构, 载 荷 及 边 界 条 件 的 轴 对 称, 可 取 圆 柱 体 任 意 圆 周 角 的 一 部 分, 这 里 取 45 度 1. 选 择 稳 态 热 分 析 系 统 2. 确 定 材 料 参 数 : 稳 态 传 热 问 题, 仅 输 入 热 传 导 系 数 3. DesignMdoler 建 立 几 何 模 型 : 考 虑 对 称 性, 建 立 1/8 圆 柱 体 4. 进 入 Mechanical 分 析 程 序 5. 网 格 划 分 : 采 用 系 统 默 认 网 格 6. 施 加 边 界 条 件 : 圆 柱 体 对 称 面 无 热 量 交 换, 为 绝 热 边 界, 系 统 默 认 无 需 输 入, 圆 柱 体 其 它 外 表 面 输 入 温 度 7. 设 置 需 要 的 结 果 : 温 度 分 布 8. 求 解 及 结 果 显 示 5.2.4.3 数 值 模 拟 过 程 1 选 择 稳 态 热 分 析 系 统 ( 图 5-24) 1) 工 程 图 解 中 调 入 稳 态 热 分 析 系 统 Steady-State Thermal(ANSYS) 2) 工 程 命 名 Attemperator Thermal analysis 3) 保 存 工 程 名 为 Steady-State Thermal(attemperator) 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 110

图 5-24 建 立 保 温 桶 分 析 文 件 2 确 定 材 料 参 数 ( 图 5-25- 图 5-26) 1) 编 辑 工 程 数 据 模 型, 添 加 材 料 的 热 传 导 率, 右 击 鼠 标 选 择 Engineering Data Edit 见 图 5-25 图 5-25 编 辑 工 程 数 据 图 5-26 设 置 材 料 属 性 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 111

2) 工 程 数 据 属 性 中 增 加 新 材 料 : Outline of Schematic A2:Engineering Data Click here to add new material 输 入 材 料 名 称 Aluminium. 3) 选 择 Thermal Isotropic Thermal Conductivity 4) 选 择 钢 材 料 属 性 Properties of Outline Row 3: Aluminium. Isotropic Thermal Conductivity 5) 出 现 Table of Properties Row 2: Thermal Conductivity 材 料 属 性 表, 双 击 鼠 标, 点 击 每 个 区 域 输 入 材 料 属 性 参 数 : 温 度 20 C, 热 传 导 率 236w/m. 6) 参 数 输 完 后, 工 程 数 据 表 显 示 热 传 导 率 - 温 度 图 表 7) 同 样 输 入 树 脂 基 复 合 材 料 热 传 导 率 0.055w/m. 8) 同 样 输 入 钢 材 料 热 传 导 率 70w/m. 3 DM 建 立 几 何 模 型 1) 选 择 Geometry - New Geometry, 出 现 DesignModeler 程 序 窗 口, 选 择 尺 寸 单 位 Meter 2) DesignModeler 中 在 工 作 平 面 XYPlane 创 建 圆 柱 体 截 面 草 图 (1) 选 择 Sketching (2) 选 择 Draw Rectangle (3) 在 图 形 区 坐 标 原 点 处 点 击 鼠 标 左 键, 拖 放 鼠 标 画 矩 形 (4) 选 择 尺 寸 标 注 Dimensions (5) 图 形 区 中 选 择 矩 形 边 线, 拖 放 鼠 标 显 示 铝 层 厚 度 尺 寸 H1, 高 度 尺 寸 V2, 内 半 径 尺 寸 L3 (6) 设 置 尺 寸 Details View Dimensions H1 =0.01m, V2 =0.2m, L3 =0.1m 见 图 5-27 图 5-27 创 建 内 层 草 图 (7) 选 择 标 签 Modeling (8) 选 择 工 作 平 面 XYPlane (9) 工 作 平 面 内 创 建 第 2 个 草 图 : 选 择 新 草 图 按 钮 (10) 选 择 新 草 图 Sketch2 (11) 新 草 图 中 绘 制 第 2 个 矩 形 : 选 择 标 签 Sketching, 选 择 Draw Rectangle, 点 击 图 形 区 第 1 个 矩 形 外 边 线 的 一 点, 拖 放 鼠 标 画 第 2 个 矩 形, 选 择 尺 寸 标 注 Dimensions, 图 形 区 中 选 择 第 2 个 矩 形 边 线, 拖 放 鼠 标 显 示 复 合 材 料 层 厚 度 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 112

尺 寸 H4, 设 置 尺 寸 Details View Dimensions H4 =0.02m, 见 图 5-28 (12) 和 创 建 第 2 个 草 图 一 样, 创 建 草 图 Sketch3 和 Sketch4 (13) 分 别 在 草 图 Sketch3 上 绘 制 次 外 层 矩 形, 厚 度 为 0.01m, 在 草 图 Sketch4 上 绘 制 外 层 矩 形, 厚 度 为 0.005m, 如 图 5-29 图 5-28 创 建 中 层 草 图 图 5-29 创 建 外 层 草 图 3) 草 图 旋 转 生 成 1/8 圆 柱 体 (1) 选 择 Modeling 模 式, 选 择 矩 形 草 图 XYPlane Sketch1 (2) 工 具 栏 中 选 择 旋 转 命 令 Revolve (3) 选 择 旋 转 轴 : 图 形 区 点 击 Y 轴 (4) 确 认 旋 转 轴 : Details View Details of Revolve1 Axis =Apply (5) 设 置 旋 转 角 度 : Details View Details of Revolve1 FD1,Angle =45 (6) 生 成 实 体 : 选 择 Generate (7) 得 到 旋 转 体, 见 图 5-30 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 113

图 5-30 创 建 内 层 实 体 (8) 选 择 矩 形 草 图 XYPlane Sketch1 (9) 工 具 栏 中 选 择 旋 转 命 令 Revolve (10) 选 择 旋 转 轴 : 图 形 区 点 击 Y 轴 (11) 确 认 旋 转 轴 : Details View Details of Revolve2 Axis =Apply (12) 设 置 冰 冻 体 : Details View Details of Revolve2 Operation =Add Frozen (13) 旋 转 角 度 : Details View Details of Revolve2 FD1,Angle =45 (14) 生 成 实 体 : 选 择 Generate, 得 到 旋 转 体, 见 图 5-31 图 5-31 创 建 中 层 实 体 (15) 同 样 创 建 冰 冻 体 Revolve3 Revolve4 (16) 为 方 便, 对 创 建 的 4 个 体 按 材 料 重 新 命 名, 内 层 aluminium1, 中 间 层 resin, 次 外 层 aluminium1, 最 外 层 steel (17) 点 击 体 选 择 按 钮 (18) 图 形 区, 点 击 鼠 标 右 键, 选 择 所 有 实 体 Select All (19) 4 个 体 合 成 一 个 零 件 : Tools Form New Part, 见 图 5-32 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 114

图 5-32 创 建 外 层 实 体 4 进 入 Mechanical 分 析 程 序 切 换 回 Workbench 窗 口, 选 择 Setup Edit, 进 入 Mechanical 分 析 环 境 5 给 几 何 体 分 配 材 料 属 性 ( 图 5-33) 1) 选 择 体 Model Geometry Part Resin 2) 分 配 树 脂 复 合 材 料 : Details of resin Material Assignment =resin composite 3) 同 样, 选 择 体 Model Geometry Part aluminium2 4) 分 配 铝 材 料 : Details of aluminium2 Material Assignment = aluminium 5) 同 样, 选 择 体 Model Geometry Part steel 6) 分 配 铝 材 料 : Details of steel Material Assignment = steel 7) 同 样, 选 择 体 Model Geometry Part aluminium1 分 配 铝 材 料 : Details of aluminium1 Material Assignment = aluminium 图 5-33 分 配 材 料 属 性 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 115

6 网 格 划 分 ( 图 5-34) 1) 选 择 Mesh Generate Mesh 2) 图 形 区 显 示 程 序 自 动 生 成 的 六 面 体 网 格 模 型 7 施 加 边 界 条 件 施 加 内 层 表 面 温 度 80 C:( 图 5-35) 1) 选 择 Steady-State Thermal(A5) 2) 工 具 栏 中 选 择 Temperature 图 5-34 网 格 划 分 3) 图 形 区 选 取 内 层 表 面 4) 确 认 选 择 : Details of Temperature Scope Geometry =Apply 选 中 1 Face 5) 设 置 温 度 : Details of Temperature Definiton Magnitude =80 C 图 5-35 施 加 内 层 表 面 温 度 施 加 外 表 面 对 流 换 热 系 数 及 环 境 温 度 20 C:( 图 5-36) 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 116

6) 工 具 栏 中 选 择 Convection 7) 图 形 区 选 取 外 表 面 8) 确 认 选 择 : Details of Convection Scope Geometry =Apply 选 中 1 Face 9) 设 置 对 流 换 热 系 数 : Details of Convection Definiton Film Coefficient =12.5W/m 2. C 10) 设 置 环 境 温 度 : Details of Temperature Definiton Ambient Temperature =0 C 8 设 置 需 要 的 结 果 ( 图 5-37) 图 5-36 施 加 对 流 载 荷 1) 选 择 Solution(A6) 2) 工 具 栏 中 选 择 Thermal Temperature 图 5-37 设 置 温 度 结 果 9 求 解 及 结 果 显 示 ( 图 5-38) 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 117

运 行 Solve 求 解, 选 Solution Information 时, 可 以 从 输 出 工 作 表 看 求 解 状 态, 求 解 结 束 后 可 以 显 示 结 果 : 1) 导 航 树 选 择 Solutionl Temperature, 2) 图 形 区 显 示 稳 态 热 传 导 计 算 得 到 的 温 度 变 化, 温 度 从 内 向 外 逐 步 减 少 3) 动 画 演 示 : 图 形 区 下 方 选 择 play 播 放 按 钮, 可 以 动 画 演 示 温 度 的 变 化 4) 温 度 详 细 信 息 窗 口 显 示 最 小 温 度 值 29.22 C 和 最 大 温 度 值 80 C 图 5-38 温 度 结 果 5.3 ANSYS12.0 Transient Thermal 瞬 态 热 分 析 5.3.1 瞬 态 热 分 析 概 述 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 工 程 传 热 应 用 中, 如 热 处 理 问 题 电 子 封 装 管 口 或 喷 嘴 发 动 机 组 压 力 容 器 流 固 耦 合 等, 都 包 含 瞬 态 热 分 析 瞬 态 热 分 析 可 以 是 线 性 或 非 线 性 与 温 度 相 关 的 材 料 属 性 如 热 传 导 系 数 比 热 及 密 度, 或 者 与 温 度 相 关 的 对 流 系 数 辐 射 系 数 都 需 要 进 行 迭 代 求 解 的 非 线 性 分 析 多 数 材 料 的 热 属 性 和 温 度 相 关, 因 此 该 分 析 通 常 是 非 线 性 的 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 函 数 工 具 或 描 述 载 荷 ~ 时 间 曲 线 作 为 载 荷 施 加 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 图 5-39 所 示, 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 : 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 118

载 荷 步 为 渐 变 或 阶 跃 自 动 时 间 步 长 等 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 渐 变 加 载, 则 载 荷 值 在 当 前 载 荷 步 的 每 一 子 步 内 线 性 变 化 图 5-39 时 变 热 载 荷 5.3.2 瞬 态 热 分 析 方 法 1. 工 具 箱 中 将 瞬 态 热 分 析 系 统 Transient Thermal 拖 入 工 程 图 解 Project Schematic 2. 定 义 工 程 数 据 Engineering Data : (1) 必 须 定 义 热 传 导 系 数 比 热 和 密 度 (2) 热 传 导 系 数 可 以 是 各 向 同 性 或 各 向 异 性, 所 有 材 料 参 数 可 以 是 常 量 或 温 度 相 关 3. 导 入 几 何 模 型 4. 定 义 零 件 行 为 5. 定 义 联 接 关 系 (1) 瞬 态 热 分 析 中 仅 考 虑 接 触, 任 何 关 节 和 弹 簧 将 被 忽 略 (2) 热 分 析 中 初 始 接 触 条 件 始 终 保 持 不 变, 默 认 条 件 下, 热 传 导 完 全 通 过 无 间 隙 接 触 面, 如 果 考 虑 接 触 热 阻, 可 以 手 工 输 入 热 传 导 值 6. 应 用 网 格 控 制 划 分 网 格 : 如 果 瞬 态 热 分 析 用 于 随 后 的 结 构 分 析, 则 需 要 足 够 精 细 的 网 格 密 度 7. 建 立 分 析 设 置 : (1) 步 长 控 制 Step Controls : 定 义 瞬 态 分 析 的 结 束 时 间 Step End Time, 控 制 时 间 步 长 Time Step, 或 生 成 多 载 荷 步 Number of Steps 对 非 线 性 分 析 必 须 定 义 小 的 载 荷 步 以 获 得 收 敛 解 (2) 时 间 步 长 Time Step : 对 于 瞬 态 分 析, 在 热 梯 度 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 中 间 节 点 的 二 次 单 元 时, 可 以 根 据 输 入 的 荷 载 来 控 制 最 大 的 时 间 步 长, 定 义 最 小 的 时 间 步 长 : t=l 2 c/4 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 119

其 中 :l 为 在 热 梯 度 最 大 处 沿 热 流 方 向 的 单 元 长 度, 为 密 度,c 为 比 热, 为 热 传 导 系 数 当 采 用 有 中 间 节 点 的 单 元 时, 如 果 违 反 上 述 关 系 式, 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 (3) 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 很 小 的 数 可 能 导 致 计 算 错 误, 比 如 : 当 一 个 问 题 的 时 间 量 级 很 小 的 时 候, 时 间 步 长 为 1 10-10 时 就 可 能 产 生 数 值 错 误. (4) 自 动 时 间 步 Auto Time Stepping 在 瞬 态 分 析 中 也 称 为 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 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 这 种 设 置 有 助 于 控 制 时 间 步 长 的 变 化 量 (5) 时 间 积 分 Time Integration : 该 选 项 决 定 了 是 否 包 括 结 构 惯 性 力, 热 容 之 类 的 瞬 态 效 应, 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 (6) 输 出 控 制 Output Controls : 定 义 后 处 理 所 需 要 时 间 点 的 输 出 值, 因 为 瞬 态 分 析 涉 及 到 载 荷 历 程 中 不 同 的 时 间 点 的 计 算 结 果, 而 并 非 所 有 结 果 都 是 我 们 感 兴 趣 的, 或 者 结 果 数 据 非 常 大, 因 此 利 用 该 选 项 可 以 严 格 控 制 得 到 在 确 定 点 的 输 出 结 果 (7) 非 线 性 控 制 Nonlinear Controls : 可 以 修 改 收 敛 准 则 和 求 解 控 制, 通 常 不 需 要 改 变 默 认 设 置 (8) 分 析 数 据 管 理 Analysis Data Management : 从 瞬 态 热 分 析 中 保 存 特 定 的 结 果 文 件 用 于 其 它 的 分 析 类 型 8. 定 义 初 始 条 件 : (1) 瞬 态 热 分 析 中 载 荷 是 时 间 的 函 数, 应 用 瞬 态 热 载 荷 的 第 一 步 是 建 立 零 时 刻 的 初 始 温 度 (2) 瞬 态 分 析 默 认 的 初 始 条 件 是 统 一 温 度 为 22 C 或 71.6 F, 该 温 度 可 以 根 据 实 际 的 分 析 情 况 改 变 到 适 当 的 值 比 如 热 处 理 中, 把 金 属 工 件 加 热 到 一 定 温 度, 然 后 突 然 浸 在 水 或 油 中 使 其 冷 却, 以 增 加 硬 度 的 淬 火 分 析 (3) 可 以 使 用 同 样 模 型 稳 态 热 分 析 的 温 度 结 果 作 为 瞬 态 分 析 的 初 始 温 度 分 布, 如 铸 造 零 件 的 固 化 分 析 中 模 具 和 金 属 具 有 不 同 的 初 始 温 度, 模 具 内 融 化 金 属 的 稳 态 热 分 析 将 作 为 固 化 分 析 的 起 点 (4) 瞬 态 分 析 的 第 一 次 迭 代 中, 除 了 定 义 的 温 度 自 由 度 外, 开 始 计 算 的 温 度 值 就 是 初 始 温 度, 此 外, 温 度 也 用 于 评 估 温 度 相 关 的 材 料 属 性 值 (5) 如 果 初 始 温 度 不 一 致, 则 可 以 定 义 温 度 来 自 于 稳 态 热 分 析 中 不 同 时 间 点 的 温 度 值, 设 置 的 时 间 点 不 能 超 出 稳 态 分 析 的 结 束 时 间 零 值 默 认 瞬 态 分 析 的 初 始 条 件 来 自 于 稳 态 分 析 的 结 束 时 间 点 的 温 度 结 果 9. 应 用 热 载 荷 及 边 界 条 件 : (1) 包 括 温 度 对 流 辐 射 热 流 率 完 全 绝 热 热 通 量 内 部 热 生 成 CFD 导 入 的 温 度 及 对 流 (2) 载 荷 值 可 以 表 示 为 常 量 或 和 时 间 相 关 的 变 量, 载 荷 变 量 可 以 输 入 表 格 形 式 或 函 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 120

数 表 达 式 10. 求 解 : (1) 求 解 信 息 Solution Information 提 供 一 些 用 于 监 测 求 解 过 程 的 工 具 求 解 输 出 Solution Output 根 据 求 解 器 的 计 算 不 断 以 列 表 形 式 更 新 输 出 求 解 信 息, 收 敛 数 据 的 输 出 是 以 图 形 方 式 表 示 的 (2) 可 以 插 入 结 果 跟 踪 工 具 Result Tracker, 显 示 关 心 点 的 温 度 随 时 间 变 化 图, 以 监 测 求 解 过 程 中 关 心 点 的 温 度 11. 显 示 结 果 : (1) 包 括 所 有 热 分 析 类 型 结 果 的 云 图 显 示 动 画 显 示 (2) 探 测 点 Probes 可 以 显 示 结 果 随 载 荷 历 程 的 变 化 (3) 图 表 Chart 可 以 表 示 一 个 结 果 对 另 一 个 结 果 的 变 化, 如 表 面 温 度 随 热 生 成 率 的 变 化, 图 表 也 用 于 同 模 型 不 同 分 析 直 接 的 结 果 比 较 5.3.3 ANSYS12.0 瞬 态 热 分 析 案 例 钢 球 淬 火 5.3.3.1 问 题 描 述 直 径 0.12m, 温 度 900 C 的 钢 球 突 然 放 入 水 箱, 水 箱 完 全 绝 热, 直 径 及 高 度 为 0.6m 的 圆 柱 体, 水 温 20 C, 计 算 1 分 钟 后 钢 球 与 水 的 温 度 场 分 布 材 料 属 性 见 表 5-5. 表 5-5: 材 料 属 性 水 钢 单 位 密 度 1000 7800 Kg/m3 导 热 系 数 0.61 70 w/m. 比 热 4185 448 J/kg. 5.3.3.2 问 题 分 析 图 5-40 钢 球 模 型 1. 忽 略 水 的 流 动, 钢 球 置 于 水 箱 中 央 2. 属 于 瞬 态 热 传 导 问 题, 几 何 模 型 轴 对 称, 取 对 称 截 面 模 型 的 一 半 进 行 轴 对 称 分 析 3. 分 析 过 程, 先 做 稳 态 热 分 析 (1 个 时 间 步 ), 以 获 得 瞬 态 分 析 的 初 始 条 件 再 分 析 瞬 态 过 程, 瞬 态 分 析 设 置 多 个 子 载 荷 步, 采 用 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 5.3.3.3 数 值 模 拟 过 程 1. 调 入 工 程 数 据 Engineering Data 2. 添 加 材 料 3. 调 入 稳 态 热 分 析 4. 材 料 数 据 传 入 稳 态 分 析 环 境 5. 导 入 几 何 模 型 ThermalBall.agdb 6. 进 行 稳 态 热 分 析 7. 稳 态 热 分 析 结 果 传 入 瞬 态 热 分 析 8. 进 行 瞬 态 热 分 析, 整 个 分 析 流 程 如 图 5-41 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 121

图 5-41 钢 球 冷 却 分 析 流 程 其 中 稳 态 热 分 析 及 结 果 见 图 5-42, 施 加 球 体 温 度 900 C, 施 加 水 20 C, 网 格 密 度 1mm, 计 算 结 果 作 为 瞬 态 分 析 初 值 图 5-42 稳 态 热 分 析 及 结 果 瞬 态 分 析 中, 初 始 条 件 来 自 于 稳 态 热 分 析 : 1) 选 择 分 析 设 置 2) 设 置 属 性 为 Step End Time =60s, Auto Time Stepping =on, Define By =Time, Initial Time Step =0.01s, Minimum Time Step =0.001s, Maximum Time Step =0.1s, Time Integration =on, 3) 加 入 温 度 在 圆 柱 体 外 边 为 20 C 4) 如 图 5-43 中 的 外 边 5) 瞬 态 热 分 析 结 果 显 示 如 图 5-44, 图 中 左 侧 为 1 分 钟 后 温 度 分 布 结 果, 显 示 此 时 钢 球 降 温 为 262 C, 下 方 曲 线 显 示 温 度 随 时 间 的 变 化 图 中 右 侧 为 热 通 量 结 果, 中 间 交 界 面 处 最 大 注 意 : 时 间 步 长 及 网 格 划 分 对 结 果 的 影 响, 建 模 中, 交 界 面 处 公 共 边 应 重 合, 否 则 会 导 致 热 量 无 法 从 钢 球 传 导 到 水 中, 此 外 最 好 建 模 单 位 为 mm 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 122

图 5-43 瞬 态 热 分 析 过 程 图 5-44 瞬 态 热 分 析 结 果 5.3.4 ANSYS12.0 瞬 态 热 分 析 案 例 电 路 板 热 分 析 5.3.4.1 问 题 描 述 分 析 电 路 板 中 芯 片 在 不 同 时 间 段 发 热 的 电 路 板 的 传 热 问 题, 先 进 行 稳 态 热 分 析, 得 到 初 始 电 路 板 中 一 个 芯 片 发 热 的 温 度 分 布, 然 后 计 算 随 后 不 同 芯 片 发 热 的 瞬 态 传 热 过 程, 电 路 板 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 123

为 3D 模 型, 几 何 模 型 为 文 件 BoardWithChips.x_t 或 chipset.x_t 瞬 态 传 热 的 载 荷 为 热 生 成 率 随 时 间 变 化 以 表 格 形 式 输 入 5.3.4.2 数 值 模 拟 过 程 图 5-45 电 路 板 模 型 1. 调 入 稳 态 热 分 析 2. 材 料 数 据 为 默 认 3. 导 入 几 何 模 型 BoardWithChips. x_t 4. 进 行 稳 态 热 分 析 5. 稳 态 热 分 析 结 果 传 入 瞬 态 热 分 析 6. 进 行 瞬 态 热 分 析, 整 个 分 析 流 程 如 图 5-46 图 5-46 电 路 板 瞬 态 热 分 析 流 程 其 中, 稳 态 热 分 析 及 结 果 见 图 5-49, 应 用 热 生 成 载 荷 5e7 W/m 3, 应 用 简 单 对 流 边 界 条 件, 计 算 结 果 作 为 瞬 态 分 析 初 值 1) 选 择 单 位 : Units Metric (m, kg, N, s, V, A). 2) 应 用 热 生 成 载 荷 5e7 W/m 3, 见 图 5-47 (1) 选 择 应 用 芯 片, 插 入 载 荷 (2) Insert Internal Heat Generation (3) 输 入 载 荷 值 : Definition Magnitude =5e7 W/m 3 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 124

图 5-47 应 用 热 生 成 载 荷 3) 应 用 简 单 对 流 边 界 条 件 ( 图 5-48) (1) 选 择 所 有 外 表 面 : 面 选 择, 图 形 区 鼠 标 右 键 选 择 Select All (2) 加 入 对 流 边 界 : Insert Convection (3) 详 细 信 息 窗 口 设 置 : 对 流 换 热 系 数 Film Coefficient =Stagnant Air - Simplified Case 图 5-48 施 加 简 单 对 流 边 界 4) 加 入 温 度 结 果 : (1) Solution (2) Insert Thermal Temperature 5) 求 解 : Solve 6) 显 示 结 果 : Temperature 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 125

图 5-49 稳 态 热 分 析 结 果 稳 态 热 分 析 的 结 果 传 入 瞬 态 热 分 析 : 工 程 图 解 中 选 择 Solution Transfer Data To New Transient Thermal, 如 图 5-50 图 5-50 稳 态 热 分 析 结 果 做 瞬 态 热 分 析 初 始 条 件 进 入 瞬 态 热 分 析 中, 初 始 条 件 自 动 为 稳 态 热 分 析 的 结 果 其 它 设 置 如 下 : 1) 分 析 设 置 如 图 5-51 (1) 选 择 Analysis Settings (2) 详 细 信 息 窗 口 定 义 结 束 时 间 : Step End Time =200s (3) 时 间 子 步 为 程 序 默 认 图 5-51 时 间 步 设 置 2) 定 义 内 部 热 生 成 5e7 W/m 3 在 另 一 芯 片 上, 作 用 时 间 20s-40s, 模 拟 开 关 状 态 ( 图 5-52) (1) 图 中 选 芯 片 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 126

(2) 加 入 热 生 成 率 : Insert Internal Heat Generation (3) 编 辑 数 据 表 Tabular Data, 设 置 Time = 0,20,20.1,40,40.1,200, Internal Heat Generation = 0,0,5e7,5e7,0,0 (4) 载 荷 历 程 图 表 图 5-52 应 用 热 生 成 历 程 3) 同 样 应 用 热 生 成 1e8 W/m 3 在 另 一 芯 片, 模 拟 开 关 时 间 60-70 s, 见 图 5-53 4) 加 入 简 单 对 流 边 界 图 5-53 应 用 热 生 成 1e8 W/m 3 5) 定 义 温 度 : Insert Thermal Temperature 6) 求 解 结 果 Solve 在 另 一 芯 片 7) 看 温 度 历 程 结 果 图 5-54, 图 形 区 显 示 最 后 时 间 200s 时, 最 大 温 度 144 度, 而 温 度 - 时 间 历 程 曲 线 及 数 据 列 表 显 示 75s 时, 最 大 温 度 近 260 度 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 127

图 5-54 瞬 态 分 析 温 度 结 果 8) 查 看 关 心 时 间 点 对 应 的 温 度 : 选 择 温 度 曲 线 的 最 大 值 点, 鼠 标 右 键 选 Retrieve This Result, 图 中 显 示 当 前 时 间 点 的 温 度 分 布 图 5-55 图 5-55 查 看 某 一 时 间 点 温 度 分 布 9) 查 看 关 心 处 的 温 度 数 据 曲 线. (1) 选 择 芯 片 (2) 选 Solution, 鼠 标 右 键 Insert Probe Temperature (3) 选 Temperature Probe Evaluate All Results 得 到 该 芯 片 的 温 度 随 时 间 变 化 结 果 图 5-56 查 看 关 心 处 的 温 度 变 化 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 128

10) 画 关 心 芯 片 的 温 度 曲 线 表, 图 5-57 (1) 选 择 温 度 Temperature Probe (2) 选 择 图 表 按 钮 加 入 Chart (3) 选 图 表, 显 示 芯 片 的 温 度 随 时 间 变 化 曲 线 图 5-57 芯 片 温 度 变 化 曲 线 第 6 章 ANSYS12.0 多 物 理 场 耦 合 分 析 6.1 多 物 理 场 耦 合 分 析 概 述 自 然 界 存 在 四 种 场 : 位 移 ( 应 力 应 变 ) 场 电 磁 场 温 度 场 流 场 工 程 中 使 用 的 分 析 软 件 通 常 仅 可 进 行 这 些 场 的 单 场 分 析 但 是, 自 然 界 中 这 四 个 场 之 间 是 相 互 联 系 的, 现 实 世 界 不 存 在 纯 粹 的 单 场 问 题, 所 遇 到 的 所 有 物 理 问 题 都 是 多 场 耦 合 的 只 是 受 到 硬 件 或 软 件 的 限 制, 人 为 将 它 们 分 成 单 场 现 象, 各 自 进 行 分 析 有 时 这 种 分 离 是 可 以 接 受 的, 但 许 多 问 题 这 样 计 算 将 得 到 错 误 结 果 因 此, 在 条 件 允 许 时, 应 该 尽 量 进 行 多 场 耦 合 分 析 现 在 硬 件 的 发 展 已 使 多 场 耦 合 分 析 成 为 可 能, 主 要 的 瓶 颈 在 于 软 件 ANSYS 作 为 世 界 顶 尖 的 CAE 技 术 公 司, 不 仅 提 供 结 构 流 体 热 电 磁 单 场 分 析 功 能, 而 且 这 些 分 析 在 统 一 模 拟 环 境, 同 一 数 据 库 中 进 行 通 过 多 场 耦 合 处 理 工 具, 可 以 进 行 复 杂 的 多 物 理 耦 合 分 析 经 过 多 年 的 不 断 发 展 和 完 善, 现 已 成 为 世 界 领 先 的 多 物 理 场 模 拟 工 具, 以 先 进 的 分 析 技 术 和 理 念 引 领 着 多 物 理 场 及 耦 合 仿 真 的 发 展 方 向 耦 合 场 分 析 是 结 合 不 同 的 工 程 学 科 解 决 一 个 完 整 的 工 程 问 题, 因 此, 通 常 耦 合 场 分 析 也 称 为 多 物 理 场 分 析, 耦 合 分 析 中 一 个 场 的 输 入 源 自 于 另 一 个 场 的 分 析 结 果 一 些 分 析 可 以 进 行 单 向 耦 合, 如 热 应 力 问 题, 温 度 场 在 结 构 场 里 产 生 热 应 变, 但 结 构 应 变 一 般 并 不 影 响 温 度 分 布, 因 此 这 两 个 场 之 间 的 求 解 不 用 迭 代 复 杂 的 分 析 涉 及 到 双 向 耦 合, 如 压 电 分 析 中 处 理 结 构 和 电 场 之 间 的 交 互 影 响, 根 据 施 加 的 位 移 求 解 电 压 分 布, 反 之 亦 然 流 固 耦 合 分 析 中, 流 体 压 力 产 生 结 构 变 形, 结 构 变 形 反 过 来 影 响 流 场 变 化, 这 些 问 题 需 要 两 个 物 理 场 之 间 的 迭 代 求 解 应 用 于 压 力 容 器 中 热 应 力 分 析, 流 体 流 动 压 缩 中 的 流 - 固 分 析, 感 应 加 热 中 磁 热 分 析, 超 声 换 能 器 中 压 电 分 析, 电 磁 成 形 中 的 磁 - 结 构 分 析, 以 及 微 机 电 系 统 (MEMS) 等 6.2 ANSYS12.0 多 物 理 场 耦 合 分 析 方 法 物 理 场 耦 合 分 析 可 以 采 用 直 接 法 和 载 荷 传 递 耦 合 法, 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 129

1 直 接 法 直 接 耦 合 方 法 所 有 物 理 场 采 用 单 一 代 码 求 解, 耦 合 场 单 元 包 括 所 有 必 要 自 由 度, 通 过 计 算 所 需 物 理 量 的 单 元 矩 阵 或 载 荷 向 量 的 方 式 进 行 耦 合 如 采 用 SOLID226 PLANE223 或 SOLID227 单 元 进 行 压 电 分 析 2 载 荷 传 递 法 载 荷 传 递 法 涉 及 到 多 场 分 析, 不 同 场 之 间 的 耦 合 通 过 将 一 个 场 的 分 析 结 果 作 为 另 一 个 场 的 载 荷 施 加 载 荷 传 递 分 析 法 有 不 同 的 类 型, 解 释 如 下 : a) 载 荷 传 递 耦 合 分 析 -ANSYS 多 场 求 解 器 ANSYS 多 场 求 解 器 用 于 多 数 耦 合 分 析, 是 一 个 自 动 化 的 工 具, 每 个 物 理 场 具 有 独 立 的 实 体 模 型 和 网 格, 载 荷 传 递 通 过 表 面 或 体, 多 场 求 解 器 定 义 求 解 顺 序, 耦 合 载 荷 在 不 同 的 网 格 间 自 动 传 递, 该 求 解 用 于 静 态 谐 响 应 和 瞬 态 分 析 对 于 不 同 的 应 用,ANSYS 多 场 求 解 器 提 供 2 个 版 本,MFS-Single Code 及 MFX-Multiple code,mfs-single Code 是 基 本 的 多 场 求 解 器, 用 于 包 含 所 有 场 的 ANSYS 单 个 产 品 ( 如 ansys 多 物 理 场 产 品 ) 处 理 小 的 模 型 该 方 法 采 用 迭 代 耦 合 顺 序 求 解 物 理 场, 每 个 矩 阵 方 程 单 独 求 解, 物 理 场 间 的 求 解 迭 代 仅 在 载 荷 传 递 的 交 界 面 处 发 生 MFX-Multiple code 是 增 强 的 ANSYS 多 场 求 解 器, 用 于 模 拟 不 同 产 品 之 间 的 多 物 理 场 耦 合 分 析,( 如 ANSYS Multiphysics 和 ANSYS CFX 进 行 双 向 流 固 耦 合 分 析, 分 析 类 型 不 受 任 何 限 制, 可 充 分 发 挥 Multiphysics 与 CFX 各 自 的 独 特 优 势 ), 可 以 处 理 大 模 型, 可 以 同 步 或 顺 序 使 用 迭 代 耦 合, 求 解 迭 代 仅 在 载 荷 传 递 的 多 场 交 界 面 处 b) 载 荷 传 递 耦 合 分 析 - 物 理 场 文 件 该 方 法 必 须 使 用 多 物 理 场 环 境 传 递 载 荷, 如 顺 序 热 应 力 分 析, 热 分 析 的 节 点 温 度 作 为 随 后 的 结 构 应 力 分 析 中 的 体 载 荷 施 加, 该 分 析 基 于 单 一 的 有 限 元 网 格, 通 过 定 义 物 理 场 环 境 生 成 物 理 场 文 件, 这 些 文 件 设 置 数 据 库 和 准 备 单 一 网 格, 常 用 方 法 是 读 入 第 一 个 物 理 场 文 件 并 求 解 然 后 读 入 到 第 二 个 物 理 场, 定 义 要 传 递 的 载 荷, 并 求 解 第 二 个 物 理 场 c) 载 荷 传 递 耦 合 分 析 - 单 向 载 荷 传 递 流 固 耦 合 分 析 可 以 使 用 该 方 法, 需 要 知 道 流 体 分 析 结 果 对 结 构 载 荷 影 响 不 大, 反 之 亦 然, ANSYS Multiphysics 载 荷 可 以 单 向 传 递 到 CFX 流 体 分 析, 或 反 之 3 何 时 运 用 直 接 法 或 载 荷 传 递 法 直 接 耦 合 法 不 同 场 的 求 解 同 步 进 行, 在 解 决 强 耦 合 场 相 互 作 用 或 具 有 高 度 非 线 性 时 更 具 优 势, 并 且 可 利 用 耦 合 公 式 一 次 性 得 到 最 好 的 计 算 结 果 直 接 耦 合 法 的 例 子 包 括 压 电 分 析, 伴 随 流 体 流 动 的 共 轭 传 热 问 题, 以 及 电 路 - 电 磁 场 耦 合 分 析 求 解 这 类 耦 合 场 相 互 作 用 问 题 都 有 专 门 的 单 元 供 直 接 选 用 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 130

对 于 不 存 在 高 度 非 线 性 相 互 作 用 的 情 形, 载 荷 传 递 法 更 为 有 效 和 方 便, 因 为 可 以 独 立 的 进 行 两 种 场 的 分 析 例 如, 对 于 热 - 应 力 耦 合 分 析, 可 以 先 进 行 非 线 性 瞬 态 热 分 析, 再 进 行 线 性 静 态 应 力 分 析 而 后 可 以 用 热 分 析 中 任 意 载 荷 步 或 时 间 点 的 节 点 温 度 作 为 载 荷 进 行 应 力 分 析 这 里 耦 合 是 一 个 循 环 过 程, 其 中 迭 代 在 两 个 物 理 场 之 间 进 行 直 到 结 果 收 敛 到 所 需 要 的 精 度 总 之, 直 接 耦 合 由 于 使 用 耦 合 场 单 元 处 理 载 荷 传 递, 因 此 不 用 过 多 的 人 工 干 涉, 载 荷 传 递 法 需 要 定 义 更 多 的 细 节 及 指 定 要 传 递 的 载 荷, 但 在 不 同 网 格 及 不 同 分 析 之 间 传 递 载 荷 更 具 灵 活 性, 两 者 对 比 见 表 6-1 表 6-2 给 出 多 物 理 场 分 析 的 选 择 方 法 表 6-1 耦 合 方 法 对 比 耦 合 方 法 单 向 双 向 直 接 法 ( 强 耦 合 ) 有 载 荷 传 递 法 ( 弱 耦 合 ) 有 有 表 6-2 选 择 多 物 理 场 分 析 方 法 选 择 方 法 应 用 载 荷 传 递 法 热 - 结 构 分 析 电 磁 - 热, 电 磁 - 热 - 结 构 各 种 场 合 感 应 加 热,RF 射 频 加 热,Peltier 冷 却 器 静 电 - 结 构, 静 电 - 结 构 - 流 体 微 机 电 系 统 (MEMS) 磁 - 结 构 FSI,CFX- 及 基 于 FLOTRAN 电 磁 - 固 体 - 流 体 热 -CFD 螺 线 管 电 磁 机 械 航 空 液 压 系 统 MEMS 流 体 阻 尼, 输 液 泵, 心 脏 瓣 膜 流 体 处 理 系 统,EFI, 液 压 系 统 电 子 冷 却 直 接 法 热 - 结 构 声 - 结 构 压 电 电 弹 压 阻 热 电 静 电 - 结 构 电 路 耦 合 电 磁 电 子 - 热 - 结 构 - 磁 流 体 - 热 多 孔 流 体 扩 散 - 结 构 各 种 场 合, 如 燃 气 涡 轮,MEMS 谐 振 器 声 学, 声 纳 ( 声 波 导 航 和 测 距 装 置 ),SAW 麦 克 风 传 感 器 致 动 器 换 能 器 谐 振 器 MEMS 压 力 传 感 器 应 变 仪 ( 变 形 测 量 器 ) 加 速 度 计 温 度 传 感 器, 热 处 理,Peltiere 冷 却 器, 热 电 发 电 机 MEMS MEMS, 马 达 集 成 电 路 IC PCB 印 刷 电 路 板 电 子 热 应 力,MEMS 激 励 器 管 道 网 络, 歧 管 隧 道 开 挖 核 废 料 处 理, 滴 油 器, 骨 骼 变 形 及 康 复 6.3 ANSYS12.0 结 构 - 热 耦 合 分 析 案 例 辐 射 杆 件 热 应 力 问 题 6.3.1 问 题 描 述 两 端 夹 紧, 杆 件 (2 x 2 x 20) m 轴 端 流 入 热 流 2500 W 及 热 通 量 625 W/m 2, 在 另 一 段 通 过 辐 射 散 热, 辐 射 系 数 0.3, 环 境 温 度 T 2 = 20 C 确 定 端 面 温 度, 轴 向 应 力 及 变 形 沿 Z 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 131

方 向 几 何 体 尺 寸 依 次 为 :2 m x 2 m x 2 m, 2 m x 2 m x 5 m;2 m x 2 m x 10 m;2 m x 2 m x 3 m, 材 料 属 性 : 弹 性 模 型 E = 2.0e11 Pa, 泊 松 比 v = 0, 热 膨 胀 系 数 α = 1.2 x 10-5 1/ C, 导 入 系 数 = 60.5 W/m C, 杆 件 初 始 温 度 T u = 22 C 图 6-1 辐 射 杆 件 模 型 6.3.2 问 题 分 析 热 分 析 结 果 应 满 足 : 流 入 热 量 Q = 辐 射 热 Q r = 传 导 热 Q C 流 入 热 量 Q = 2500+625*2*2=5000 W 根 据 辐 射 公 式 :Q r = ε 1 A 1 σ(t 1 4 T 2 4 ), 代 入 1 =0.3,A 1 =2*2=4 m 2,T 2 =20+273.16=293.16 K, =5.67*10-8 w/m 2 *k 4,Q r =5000 W, 得 到 T 1 =260 C 根 据 热 传 导 公 式 :Q c = λa 1 (T 0 T 1 )/l, 代 入 热 辐 射 端 温 度 T 1 = 260.15 C, = 60.5 W/m C,A 1 =4 m 2,l=20 m, 得 到 热 传 导 温 度 T 0 = 673.37 C 平 均 应 力 计 算 如 下 : z =-E [(T 0 +T 1 )/2-T u ]=-2x10 11 x1.2x10-5 x[(673.37+260.15)/2-22]=-1.0674e9pa 轴 向 温 度 T z =673.37-(673.37-260.15)z/20, 总 变 形 为 热 膨 胀 变 形 与 热 应 力 变 形 之 和 l/2 l/2 δ = α(t z 22) dz + σ z dz = 0.001234m 0 0 仿 真 分 析 中, 先 进 行 稳 态 热 分 析, 然 后 将 温 度 结 果 导 入 结 构 分 析, 端 部 加 无 摩 擦 约 束, 求 解 应 力 及 位 移 流 程 图 如 下 : E 图 6-2 热 应 力 分 析 流 程 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 132

6.3.3 数 值 模 拟 过 程 1. 稳 态 热 分 析 1) 选 择 端 面 2) 加 入 热 流 量 载 荷 Insert Heat Flow 3) 明 细 窗 口 设 置 热 流 量 大 小 Magnitude =2500 W 4) 选 择 同 样 端 面, 加 入 热 流 密 度 载 荷 Insert Heat Flux 5) 明 细 窗 口 设 置 热 流 密 度 大 小 Magnitude =625 W/m 2, 见 图 6-3 6) 选 择 另 一 端 面 7) 加 入 辐 射 载 荷 Insert Radiation 8) 明 细 窗 口 设 置 辐 射 系 数 Emissivity =0.3 9) 明 细 窗 口 设 置 环 境 温 度 Ambient Temperature =20 C 10) 求 解 结 果 加 入 温 度 Insert Thermal Temperature 11) 求 解 结 果 加 入 热 通 量 Insert Thermal Total Heat Flux, 见 图 6-4 图 6-3 施 加 热 流 率 及 热 流 密 度 载 荷 图 6-4 施 加 辐 射 边 界 及 求 解 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 133

12) 选 择 温 度 Temperature 图 形 区 显 示 头 端 最 大 温 度 367.37 C, 尾 部 最 小 温 度 260.15 C 13) 选 择 热 通 量 Total Heat Flux, 图 形 区 显 示 一 致 热 通 量 为 1250 W/m 2, 如 图 6-5 图 6-5 稳 态 热 分 析 结 果 2 工 程 图 解 中 将 稳 态 热 分 析 结 果 导 入 结 构 静 力 分 析, 选 择 Solution Transfer Data To New Static Structural, 见 图 6-6 图 6-6 稳 态 热 分 析 导 入 结 构 静 力 分 析 3 结 构 静 力 分 析 见 图 6-7 1) 杆 件 两 端 加 入 无 摩 擦 约 束 Frictionless Support 2) 参 见 图 形 区 左 上 窗 口 3) 导 航 树 中 加 入 总 变 形 Z 轴 正 应 力 及 Z 轴 向 变 形 并 求 解, 选 择 轴 向 变 形 Directional Deformation 4) 图 形 区 右 上 窗 口, 显 示 杆 件 中 部 最 大 轴 向 变 形 5) 选 择 Z 轴 向 应 力 Normal Stress 6) 图 形 区 左 下 窗 口 显 示 平 均 轴 向 应 力 为 -1.0674e9Pa 7) 选 择 总 变 形 Total Deformation 8) 图 形 区 右 下 窗 口 显 示 总 变 形, 中 部 红 色 区 域 显 示 最 大 值 为 0.0147m 对 比 数 值 模 拟 的 结 果 和 理 论 计 算 的 结 果, 表 明 两 者 是 一 致 的 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 134

6.4 ANSYS12.0 热 - 电 耦 合 分 析 6-7 结 构 静 力 分 析 及 热 应 力 结 果 6.4.1 ANSYS12.0 热 - 电 耦 合 分 析 概 述 热 电 效 应, 是 当 受 热 物 体 中 的 电 子, 因 随 着 温 度 梯 度 由 高 温 区 往 低 温 区 移 动 时, 所 产 生 电 流 或 电 荷 堆 积 的 一 种 现 象 而 这 个 效 应 的 大 小, 则 是 用 称 为 Thermopower(Q) 的 参 数 来 测 量, 其 定 义 为 Q=E/-dT(E 为 因 电 荷 堆 积 产 生 的 电 场,dT 则 是 温 度 梯 度 ) 热 电 制 冷 的 理 论 基 础 是 固 体 的 热 电 效 应, 在 无 外 磁 场 存 在 时, 它 包 括 五 个 效 应, 导 热 焦 耳 热 损 失 西 伯 克 (Seebeck) 效 应 帕 尔 帖 (Peltire) 效 应 和 汤 姆 逊 (Thomson) 效 应 1821 年, 德 国 物 理 学 家 塞 贝 克 发 现, 在 两 种 不 同 的 金 属 所 组 成 的 闭 合 回 路 中, 当 两 接 触 处 的 温 度 不 同 时, 回 路 中 会 产 生 一 个 电 势, 这 就 是 热 电 效 应, 也 称 作 塞 贝 克 效 应 (Seebeckeffect) 图 6-8 热 电 效 应 1. 焦 耳 热 : 由 电 流 通 过 导 体 产 生, 正 比 于 电 阻 与 电 流 的 平 方 积, 与 电 流 方 向 无 关 Q J =I 2 R 2 西 伯 克 (seebeck) 效 应 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 135

有 两 种 不 同 导 体 组 成 的 开 路 中, 如 果 导 体 的 两 个 结 点 存 在 温 度 差, 这 开 路 中 将 产 生 电 动 势 V, 这 就 是 西 伯 克 效 应 由 于 西 伯 克 效 应 而 产 生 的 电 动 势 称 作 温 差 电 动 势 材 料 的 西 伯 克 效 应 的 大 小, 用 温 差 电 动 势 率 表 示 材 料 相 对 于 某 参 考 材 料 的 温 差 电 动 势 率 为 :α = d dt, 单 位 为 伏 特 / 开 尔 文 (v /K), 即 V= T 由 两 种 不 同 材 料 P N 所 组 成 的 电 偶, 它 们 的 温 差 电 动 势 率 PN 等 于 P 与 N 之 差, 即 : α = d dt = α α 热 电 制 冷 中 用 P 型 半 导 体 和 N 型 半 导 体 组 成 电 偶 两 材 料 对 应 的 P 和 N, 一 个 为 负, 一 个 为 正 取 其 绝 对 值 相 加, 并 将 PN 直 接 简 化 记 作, α = α + α 3 帕 尔 帖 (peltire) 效 应 电 流 流 过 两 种 不 同 导 体 的 界 面 时, 将 从 外 界 吸 收 热 量, 或 向 外 界 放 出 热 量 这 就 是 帕 尔 帖 效 应 由 帕 尔 帖 效 应 产 生 的 热 流 量 称 作 帕 尔 帖 热, 用 符 号 Q p 表 示 对 帕 尔 帖 效 应 的 物 理 解 释 是 : 电 荷 载 体 在 导 体 中 运 动 形 成 电 流 由 于 电 荷 载 体 在 不 同 的 材 料 中 处 于 不 同 的 能 级, 当 它 从 高 能 级 向 低 能 级 运 动 时, 便 释 放 出 多 余 的 能 量 ; 相 反, 从 低 能 级 向 高 能 级 运 动 时, 从 外 界 吸 收 能 量 能 量 在 两 材 料 的 交 界 面 处 以 热 的 形 式 吸 收 或 放 出 材 料 的 帕 尔 贴 效 应 强 弱 用 它 相 对 于 某 参 考 材 料 的 帕 尔 贴 系 数 表 示 : = dq d, 单 位 W/A 式 中 I 为 流 经 导 体 的 电 流, 单 位 安 培 (A) 帕 耳 帖 系 数 的 物 理 意 义 是 单 位 电 流 在 某 种 材 料 中 携 带 的 热 流 数 量 由 于 两 种 材 料 连 接 处 电 流 连 续 而 帕 耳 帖 系 数 不 连 续, 此 处 就 会 有 热 量 的 积 累 或 是 损 失 通 过 改 变 电 流 的 方 向, 就 可 以 决 定 让 设 备 产 热 或 是 制 冷. 类 似 的, 对 于 P 型 半 导 体 和 N 型 半 导 体 组 成 的 电 偶, 其 帕 尔 贴 系 数 PN 有 : PN = P - N 帕 耳 帖 热 为 Q p =( P - N )I 帕 尔 贴 效 应 与 西 伯 克 效 应 都 是 温 差 电 效 应, 二 者 有 密 切 联 系 事 实 上, 它 们 互 为 反 效 应, 一 个 是 说 电 偶 中 有 温 差 存 在 时 会 产 生 电 动 势 ; 一 个 是 说 电 偶 中 有 电 流 通 过 时 会 产 生 温 差 温 差 电 动 势 率 a 与 帕 尔 贴 系 数 之 间 存 在 下 述 关 系 : = T, 式 中 T 为 结 点 处 的 绝 对 温 度, 单 位 4. 汤 姆 逊 效 应 电 流 通 过 具 有 温 度 梯 度 的 均 匀 导 体 时, 导 体 将 吸 收 或 放 出 热 量 这 就 是 汤 姆 逊 效 应 由 汤 姆 逊 效 应 产 生 的 热 流 量, 称 汤 姆 逊 热, 用 符 号 Q T 表 示, 单 位 W,: Q T =- T 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 136

式 中 为 汤 姆 逊 系 数, 单 位 W/(A.K) ; T 为 温 度 差, 单 位 K; 为 电 流, 单 位 A 在 热 电 制 冷 分 析 中, 通 常 忽 略 汤 姆 逊 效 应 的 影 响 另 外, 需 指 出 : 以 上 热 电 效 应 在 电 流 反 向 时 是 可 逆 的 由 于 固 体 系 统 存 在 有 限 温 差 和 热 流, 所 以 热 电 制 冷 是 不 可 逆 热 力 学 过 程 ANSYS12.0 中 热 电 耦 合 分 析 可 以 耦 合 热 场 和 电 场, 其 分 析 内 容 包 括 焦 耳 热 Seebeck 塞 贝 克 效 应 Peltier 珀 耳 帖 效 应 及 Thomson 效 应, 热 电 耦 合 分 析 有 多 种 应 用 如 电 子 元 件 焦 耳 热, 熔 断 器, 热 电 偶 ( 热 电 偶 : 用 于 准 确 测 量 温 度 的 热 电 子 元 件, 尤 指 一 个 热 电 子 元 件, 由 两 种 连 在 一 起 的 不 同 金 属 组 成, 这 样 连 结 点 间 产 生 的 电 压 变 化 就 是 两 点 间 温 度 差 异 的 量 度 ) 及 热 电 冷 却 器 等 热 电 分 析 类 型 : 稳 态 和 瞬 态, 其 中, 瞬 态 热 电 分 析 包 括 瞬 态 电 效 应 ( 电 容 性 阻 尼 ) 热 电 方 程 : 热 电 耦 合 考 虑 焦 耳 热 Q J 和 Seebeck 系 数 ( ) *q+ = T,α-*J+,K-* T+ *J+ =,σ-*e+,α-* T+ Q J = *J+ *E+d {q} 热 通 量 ;T 绝 对 温 度 ;[K] 热 传 导 率 ;[ ]Seebeck 系 数 ;{ T} 温 度 梯 度,{J} 电 流 密 度 ; {E} 电 场 强 度 ;[ ] 电 导 率 有 限 元 方 程 : 矩 阵 和 载 荷 矢 量 耦 合 [ C TT 0 0 C ] { T } + [ KTT 0 K T K ]{ T } = { Q + Q + Q J } I [K VT ]: Seebeck 矩 阵 ;[K TT ]: 热 传 导 矩 阵 ; [K VV ]: 电 传 导 矩 阵 ;[K VT ]: Seebeck 耦 合 矩 阵 ; [C TT ]: 比 热 阻 尼 矩 阵 ;[C VV ]: 电 介 质 ( 绝 缘 体 ) 的 介 电 系 数 矩 阵 ; {Q J } 焦 耳 热 ;{Q P }:Peltier 热,{Q} 为 包 含 热 生 成 载 荷 对 流 等 其 它 热 源 的 总 和 Tomson 效 应 考 虑 在 随 温 度 变 化 的 Seebeck 系 数 中 6.4.2 ANSYS12.0 热 电 耦 合 分 析 方 法 如 下 : 热 电 分 析 中, 热 及 电 载 荷 同 时 施 加 在 零 件 上, 稳 态 热 电 分 析 支 持 多 步 求 解 其 分 析 过 程 1 热 电 分 析 系 统 Thermal-Electric 导 入 工 程 图 解 2 定 义 工 程 数 据 : 需 定 义 热 电 材 料 属 性, 如 电 阻 率 和 热 传 导 率,Seebeck 系 数 等 3 导 入 几 何 模 型 4 定 义 零 件 行 为 5 定 义 联 接 关 系 : 接 触 关 系 考 虑 热 电 效 应, 也 就 是 零 件 如 果 具 有 热 属 性, 则 产 生 热 接 触 关 系, 零 件 如 果 具 有 电 属 性, 则 产 生 电 接 触 关 系, 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 137

6 应 用 网 格 控 制 及 预 览 网 格 7 建 立 分 析 设 置 1) 步 长 控 制 Step controls : 用 于 定 义 单 步 或 多 步 载 荷 的 终 止 时 间, 如 果 需 要 改 变 载 荷 值, 改 变 求 解 设 置, 或 者 改 变 特 殊 时 步 的 求 解 输 出 频 率 则 需 要 多 步 载 荷 2) 典 型 的 热 电 问 题 包 括 温 度 相 关 的 材 料, 需 要 非 线 性 控 制 Nonlinear Controls, 可 以 控 制 热 和 温 度 收 敛, 电 压 和 电 流 收 敛, 非 线 性 算 法 采 用 默 认 Quasi 选 项, 如 果 考 虑 辐 射 或 使 用 分 布 求 解 器, 可 用 使 用 Full 选 项 3) 输 出 控 制 Output Controls 可 以 定 义 需 要 输 出 时 间 点 4) Solver Controls 求 解 器 默 认 是 直 接 法 ( 稀 疏 求 解 器 ), 也 可 以 选 择 迭 代 求 解 (PCG 求 解 器 ), 如 果 包 含 Seebeck 效 应, 程 序 自 动 设 置 为 直 接 法 8 施 加 载 荷 和 支 撑 : 包 括 电 压 电 流 耦 合 条 件 温 度 对 流 辐 射 热 流 率 完 全 绝 热 边 界 热 通 量 内 部 热 生 成 率 9 求 解 : Solution Information 提 供 监 测 求 解 过 程 的 工 具 ; Solution Output 动 态 显 示 分 析 求 解 过 程 信 息, 如 果 设 置 收 敛 工 具, 也 以 图 表 形 式 显 示 出 来 10 查 看 结 果 : 以 云 图 或 动 画 显 示 热 场 及 电 场 结 果 使 用 探 测 工 具 显 示 不 同 时 间 步 的 结 果, 使 用 图 表 显 示 结 果 随 时 间 的 变 化 及 比 较 结 果 6.4.3 ANSYS12.0 热 - 电 耦 合 分 析 案 例 导 线 传 热 6.4.3.1 问 题 描 述 : 一 根 裸 露 钢 线, 电 阻 为 R, 通 过 电 流 I, 需 要 确 定 电 线 中 心 温 度 和 表 面 温 度, 表 面 与 空 气 对 流 系 数 为 h, 空 气 温 度 为 Ta 相 关 参 数 见 表 6-3 表 6-3 导 线 参 数 模 型 材 料 参 数 几 何 参 数 载 荷 热 传 导 率 截 面 半 径 对 流 换 热 系 数 k=60.5 w/m C r 0 =0.005 m h=5 w/m 2 C 电 阻 率 导 线 长 度 环 境 温 度 =1.7e-7 m L=0.1 m Ta=20 C 电 流 I=20 A 6.4.3.2 问 题 分 析 : 为 方 便 起 见, 选 择 导 线 自 由 长 度 0.1m, 电 阻 可 以 计 算 得 到 2 R= L/( r0 )=1.7e-7*0.1/( *0.005 2 )=2.1645x10-4 电 压 :U=IR=20*2.1645e-4=4.329 x10-3 v 单 位 体 积 的 焦 耳 热 q J =I 2 2 R/(L r0 )=20*20*2.1645e-4/(0.1* *0.005 2 )=11024 w/m 3 温 度 T= I 2 R /(2h L r0)+ Ta=20*20*2.1645e-4/(2*5*0.1* *0.005)+20=25.512 C 6.4.3.3 分 析 过 程 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 138

1. 热 电 分 析 系 统 Thermal-Electric 导 入 工 程 图 解 2. 定 义 工 程 名 称 wire 3. 定 义 工 程 数 据 : 选 择 Engineering Data Edit 取 默 认 值, 该 步 可 省 略, 4. 图 显 示 出 电 阻 率 和 热 传 导 率 的 材 料 参 数 5. 导 入 几 何 模 型 : 选 择 Geometry Import Geometry =wire.agdb; 或 者 创 建 模 型 Geometry New Geometry, 草 图 画 圆 直 径 为 0.01m, 拉 伸 长 度 为 0.1m 6. 得 到 几 何 模 型 如 图 6-9 7. 进 入 分 析 模 型, 选 择 Model Edit 图 6-9 材 料 属 性 8. 网 格 划 分 1) 加 入 尺 寸 划 分 Mesh Control Sizing 2) 图 形 区 选 择 导 线 一 端 的 圆 边 3) 详 细 信 息 窗 口 确 定 选 择 的 边 Scope Geometry =1 Edge 4) 尺 寸 按 数 量 分 割 : Definition Type =Number of Divisions 5) 定 义 分 割 数 量 : Definition Number of Divisions =20 6) 划 分 网 格 : 选 择 Mesh Generate Mesh 7) 生 成 网 格 如 图 6-10 图 6-10 网 格 划 分 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 139

9. 施 加 载 荷 和 边 界 条 件 : 1) 图 形 区 选 择 导 线 端 面 2) 施 加 0 电 压 Voltage 3) 图 形 区 选 择 导 线 另 一 端 面 4) 施 加 20A 电 流 Current 5) 图 形 区 选 择 导 线 圆 柱 面 6) 施 加 对 流 边 界 Convection 7) 对 流 边 界 条 件 设 置 为 Definition Film Coefficient =5 W/ m 2 C; Ambient Temperature =20 C, 见 图 6-11 图 6-11 施 加 载 荷 和 边 界 条 件 10. 求 解 并 显 示 结 果 1) 求 解 选 项 加 入 温 度 Temperature, 电 压 Electric Voltage, 焦 耳 热 Joule Heat, 热 通 量 Total Heat Flux, 运 行 Solve 求 解 后, 选 择 4 窗 口 显 示 结 果 2) 图 形 区 选 择 左 上 窗 口 3) 导 航 树 选 择 温 度 Temperature, 图 形 区 显 示 温 度 分 布 中 心 为 25.513 C, 表 面 为 25.512 C 4) 图 形 区 选 择 右 上 窗 口 5) 导 航 树 选 择 电 压 Electric Voltage, 图 形 区 显 示 电 压 最 大 为 0.0043291 v 6) 图 形 区 选 择 左 下 窗 口 7) 导 航 树 选 择 焦 耳 热 Joule Heat, 图 形 区 显 示 焦 耳 热 为 11024 W/m 3 8) 图 形 区 选 择 右 下 窗 口 9) 导 航 树 选 择 热 通 量 Total Heat Flux, 图 形 区 剖 面 分 割 显 示 一 半 导 线, 从 内 向 外 沿 径 向 增 加, 外 表 面 热 通 量 最 大 见 图 6-12 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 140

图 6-12 求 解 并 显 示 结 果 6.4.4 ANSYS12.0 热 电 耦 合 分 析 实 例 热 电 制 冷 6.4.4.1 问 题 描 述 : 半 导 体 热 电 偶 制 冷 元 件 由 N 型 和 P 型 半 导 体 材 料 通 过 厚 度 为 t 的 铜 带 连 接,N 型 和 P 型 半 导 体 长 度 L, 截 面 积 为 A=W 2,W 为 宽 度, 热 端 温 度 为 T h, 通 过 电 流 I 时 散 热, 保 持 冷 端 温 度 为 T c, 电 流 正 方 向 从 N 型 半 导 体 到 P 型 半 导 体 如 表 6-4 所 示 相 关 材 料 参 数 见 表 6-5 表 6-4 热 电 偶 制 冷 元 件 模 型 模 型 参 数 半 导 体 长 度 L=1 cm 半 导 体 宽 度 及 厚 度 W=1 cm 冷 端 温 度 T c =0 C 热 端 温 度 T h =54 C 输 入 电 流 I=28.7 A 铜 带 厚 度 t 1 =0.1 cm 铜 带 边 缘 宽 度 t 2 =0.2 cm 半 导 体 间 距 W 1 =1 cm 表 6-5 热 电 偶 制 冷 元 件 模 型 材 料 参 数 名 称 模 型 电 阻 率 ohm*m 热 传 导 率 w/(m*k) Seebeck 热 电 系 数 (v/k) N 型 半 导 体 N =1.05x 10-5 N =1.3 N =-165 x 10-6 P 型 半 导 体 P =0.98 x 10-5 P =1.2 P =-210 x 10-6 铜 带 1.7 x 10-8 400 6.4.4.2 问 题 分 析 : 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 141

采 用 3D 稳 态 热 电 耦 合 分 析 评 估 热 电 偶 制 冷 元 件 效 率 为 保 持 冷 端 温 度, 需 要 带 走 的 热 流 率 为 :QC= TCI-0.5I 2 R-K T 其 中 Seebeck 热 电 系 数 α = α + α, 忽 略 铜, 则 内 电 阻 R=( N + P )L/A, 内 部 热 传 导 系 数 K=( N + P )A/L, 温 差 T=T h -T c 输 入 功 率 : P=VI= I T +I 2 R 效 率 : = QC/P 6.4.4.3 数 值 模 拟 过 程 1. 热 电 分 析 系 统 Thermal-Electric 导 入 工 程 图 解 2. 定 义 分 析 项 目 名 称 cooler 3. 定 义 工 程 数 据 : 选 择 Engineering Data Edit 取 表 6-5 中 材 料 参 数 4. 加 入 N 型 半 导 体 材 料 参 数 5. 加 入 P 型 半 导 体 材 料 参 数 6. 加 入 铜 带 材 料 参 数 7. 导 入 几 何 模 型 : 选 择 Geometry Import Geometry =cooler.agdb, 注 意 几 何 模 型 中 5 个 实 体 构 成 1 个 零 件 8. 进 入 分 析 模 型, 选 择 Model Edit 图 6-13 材 料 属 性 9. 分 配 材 料 见 图 6-14 1) 导 航 树 中 选 择 第 一 个 实 体 Geometry Part Solid 2) 如 图 右 侧 实 体 3) 分 配 材 料 为 P 型 半 导 体, 实 体 明 细 窗 口 设 置 Details of Solid Material Assignment =P 4) 导 航 树 中 选 择 第 2,4,5 个 实 体 Geometry Part Solid 5) 如 图 上 下 3 个 实 体 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 142

6) 分 配 材 料 为 铜 带, 实 体 明 细 窗 口 设 置 Details of Solid Material Assignment =Cu 7) 导 航 树 中 选 择 第 3 个 实 体 Geometry Part Solid 8) 如 图 左 侧 实 体 9) 分 配 材 料 为 N 型 半 导 体, 实 体 明 细 窗 口 设 置 Details of Solid Material Assignment =N 图 6-14 材 料 分 配 10. 网 格 划 分 为 默 认 尺 寸, 见 图 6-15 图 6-15 网 格 划 分 11. 施 加 载 荷 和 边 界 条 件, 见 图 6-16: 1) 图 形 区 选 择 铜 带 上 表 面, 设 置 冷 端 温 度 为 0 C, 鼠 标 右 键 选 择 Insert Temperature, 温 度 明 细 窗 口 设 置 Magnitude =0, 如 图 中 A 所 示 2) 图 形 区 选 择 P 型 半 导 体 端 铜 带 端 面, 设 置 电 压 为 0 V, 鼠 标 右 键 选 择 Insert Voltage, 电 压 明 细 窗 口 设 置 Magnitude =0, 如 图 中 B 所 示 3) 图 形 区 选 择 N 型 半 导 体 端 铜 带 端 面, 设 置 电 流 为 28.7 A, 鼠 标 右 键 选 择 Insert Current, 电 流 明 细 窗 口 设 置 Magnitude =28.7 A, 如 图 中 C 所 示 4) 图 形 区 选 择 铜 带 底 面, 设 置 热 端 温 度 为 54 C, 鼠 标 右 键 选 择 Insert Temperature, 温 度 明 细 窗 口 设 置 Magnitude =54 C, 如 图 中 D 所 示 5) 求 解 环 境 Solution 中 添 加 温 度 和 电 势 结 果, 选 择 鼠 标 右 键 选 择 Insert Temperature 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 143

6) 鼠 标 右 键 选 择 Insert Electric Voltage 图 6-16 施 加 载 荷 和 边 界 条 件 12. 求 解 并 显 示 结 果 见 图 6-17 1) 运 行 Solve 求 解 后, 选 择 2 窗 口 显 示 结 果, 图 形 区 选 择 左 窗 口, 导 航 树 选 择 温 度 Temperature 2) 左 图 形 区 显 示 温 度 分 布, 底 面 热 端 为 54 C, 上 表 面 冷 端 接 近 为 0 C 3) 图 形 区 选 择 右 上 窗 口, 导 航 树 选 择 电 压 Electric Voltage 4) 右 图 形 区 显 示 N 型 半 导 体 底 面 电 压 最 大 为 0.074039V 图 6-17 求 解 显 示 温 度 分 布 和 电 势 5) 取 冷 端 热 流 率 结 果, 鼠 标 右 键 选 择 Insert Probe Heat Reaction 6) 反 热 流 率 明 细 窗 口 选 择 冷 边 边 界 Boundary Condition =Temperature2 7) 导 航 树 显 示 Reaction Probe, 重 新 求 解 8) 选 择 Reaction Probe, 图 形 区 显 示 反 热 流 率 的 位 置, 9) 明 细 窗 口 显 示 值 为 0.663W, 见 图 6-18 因 此 根 据 数 值 模 拟 结 果, 可 以 得 到 冷 却 效 率 = QC/P=0.663/(0.074039*28.7)=31.2%,P 也 可 以 根 据 输 入 热 端 温 度 的 反 热 流 率 数 据 得 出 P=-2.787+0.663=-2.124 W 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 144

图 6-18 冷 边 热 流 率 6.4.5 ANSYS12.0 热 电 耦 合 分 析 实 例 热 电 发 生 器 6.4.5.1 问 题 描 述 : 热 电 发 生 器 由 N 型 和 P 型 半 导 体 材 料 通 过 厚 度 为 t 的 铜 带 连 接,N 型 和 P 型 半 导 体 材 长 度 L N, L p, 截 面 积 为 A N =W N t 和 A P =W P t,w N,W P 为 宽 度,t 为 厚 度, 发 生 器 热 端 温 度 为 T h, 冷 端 温 度 为 T c,, 冷 端 连 接 外 部 电 阻 R O, 由 于 冷 热 端 温 度 不 同 将 产 生 电 流 以 及 在 负 载 电 阻 上 输 出 功 率 P O, 模 型 参 数 如 表 6-6 所 示, 相 关 材 料 参 数 见 表 6-7 表 6-6 热 电 发 生 器 模 型 热 电 发 生 器 模 型 参 数 半 导 体 长 度 L P =L N =1 cm, 厚 度 t=1cm 半 导 体 宽 度 W P =1.5cm W N =1 cm 半 导 体 间 距 W 1 =0.5 cm 铜 带 厚 度 t 1 =0.1 cm, 铜 带 边 缘 宽 度 t 2 =0.2 cm 负 载 电 阻 尺 寸 3cm x 1cm x 0.1cm 热 端 温 度 T h =327 C 冷 端 温 度 T c =27 C 表 67 热 电 发 生 器 模 型 材 料 参 数 名 称 模 型 电 阻 率 ohm*m 热 传 导 率 w/(m*k) Seebeck 热 电 系 数 (v/k) N 型 半 导 体 N =1.35x 10-5 N =1.4 N =-195 x 10-6 P 型 半 导 体 P =1.75 x 10-5 P =1.2 P =-230 x 10-6 铜 带 1.7 x 10-8 400 负 载 电 阻 1 x 10-6 6.4.5.2 问 题 分 析 : 采 用 3D 稳 态 热 电 耦 合 分 析 评 估 热 电 发 生 器 的 热 效 率 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 145

热 端 输 入 热 量 为 :Q h = T h I-0.5I 2 R+K T 其 中 Seebeck 热 电 系 数 α = α + α, 忽 略 铜, 则 内 电 阻 R= N (L N /A N )+ P (L P /A P ), 内 部 热 传 导 系 数 K= N (A N /L N )+ P (A N /L N ), 温 差 T=T h -T c 电 流 I= T/(R+R O ), 输 出 功 率 : P O =I 2 R O, 效 率 : = P O /Q h 6.4.5.3 数 值 模 拟 过 程 1. 热 电 分 析 系 统 Thermal-Electric 导 入 工 程 图 解 2. 定 义 分 析 项 目 名 称 generator 3. 定 义 工 程 数 据 : 选 择 Engineering Data Edit 取 表 6-7 中 材 料 参 数, 如 图 6-19 1) 加 入 N 型 半 导 体 材 料 参 数 2) 加 入 P 型 半 导 体 材 料 参 数 3) 加 入 铜 材 料 参 数 4) 加 入 负 载 电 阻 材 料 参 数 图 6-19 材 料 参 数 4. 导 入 几 何 模 型 : 选 择 Geometry Import Geometry =generator.agdb, 注 意 几 何 模 型 中 5 个 实 体 构 成 1 个 热 电 生 成 器, 另 外 一 个 长 方 体 为 负 载 电 阻 5. 进 入 分 析 模 型, 选 择 Model Edit 6. 分 配 材 料 见 图 6-20 1) 导 航 树 中 选 择 第 一 个 实 体 Geometry Part Solid 如 图 左 侧 实 体, 分 配 材 料 为 P 型 半 导 体, 实 体 明 细 窗 口 设 置 Details of Solid Material Assignment =P 2) 导 航 树 中 选 择 第 3 个 实 体 Geometry Part Solid, 如 图 右 侧 实 体, 分 配 材 料 为 N 型 半 导 体, 实 体 明 细 窗 口 设 置 Details of Solid Material Assignment =N 3) 导 航 树 中 选 择 第 2,4,5 个 实 体 Geometry Part Solid, 如 图 上 下 3 个 实 体, 分 配 材 料 为 铜 带, 实 体 明 细 窗 口 设 置 Details of Solid Material Assignment =Cu 4) 导 航 树 中 选 择 第 6 个 实 体 Geometry Solid, 如 图 R O, 分 配 材 料 为 负 载 电 阻 5) 实 体 明 细 窗 口 设 置 Details of Solid Material Assignment =r 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 146

图 6-20 材 料 分 配 7. 网 格 划 分 为 默 认 尺 寸, 见 图 6-21 图 6-21 网 格 划 分 8. 施 加 载 荷 和 边 界 条 件, 见 图 6-22: 1) 图 形 区 选 择 铜 带 下 表 面, 设 置 冷 边 温 度 为 27 C, 鼠 标 右 键 选 择 Insert Temperature, 温 度 明 细 窗 口 设 置 Magnitude =27 C, 如 图 中 A 所 示 2) 图 形 区 选 择 铜 带 顶 面, 设 置 热 边 温 度 为 327 C, 鼠 标 右 键 选 择 Insert Temperature, 温 度 明 细 窗 口 设 置 Magnitude =327 C, 如 图 中 B 所 示 3) 图 形 区 选 择 P 型 半 导 体 端 铜 带 端 面, 设 置 电 压 为 0 V, 鼠 标 右 键 选 择 Insert Voltage, 电 压 明 细 窗 口 设 置 Magnitude =0, 如 图 中 C 所 示 4) 图 形 区 选 择 负 载 电 阻 靠 P 型 半 导 体 端 面, 设 置 电 压 为 0 V, 鼠 标 右 键 选 择 Insert Voltage, 电 压 明 细 窗 口 设 置 Magnitude =0, 如 图 中 E 所 示 5) 图 形 区 选 择 N 型 半 导 体 端 铜 带 端 面 及 负 载 电 阻 靠 N 型 半 导 体 端 面, 设 置 电 势 耦 合 边 界, 鼠 标 右 键 选 择 Insert Coupling, 明 细 窗 口 设 置 DOF Selection =Voltage (VOLT), 如 图 中 D 所 示 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 147

图 6-22 施 加 载 荷 和 边 界 条 件 9. 求 解 并 显 示 温 度 及 电 压 结 果 见 图 6-23 求 解 环 境 Solution 中 添 加 温 度 和 电 势 结 果, 选 择 鼠 标 右 键 选 择 Insert Temperature, 选 择 Insert Electric Voltage, 运 行 Solve 求 解 后, 选 择 2 窗 口 显 示 结 果, 1) 图 形 区 选 择 左 窗 口, 导 航 树 选 择 温 度 Temperature 2) 左 图 形 区 显 示 温 度 分 布, 顶 面 热 端 为 327 C, 底 面 冷 端 为 27 C, 负 载 电 阻 为 0 C 3) 图 形 区 选 择 右 窗 口, 导 航 树 选 择 电 压 Electric Voltage 4) 右 图 形 区 显 示 N 型 半 导 体 底 面 电 压 降 最 大 为 -0.072267V 图 6-23 求 解 显 示 温 度 分 布 和 电 势 10. 获 得 输 入 热 量 及 输 出 热 功, 见 图 6-24 1) 查 看 输 入 流 率, 鼠 标 右 键 选 择 Insert Probe Heat Reaction 2) 反 热 流 率 明 细 窗 口 选 择 热 端 边 界 Boundary Condition =Temperature2, 导 航 树 显 示 Reaction Probe 3) 鼠 标 右 键 选 择 Insert Probe Heat Reaction 4) 反 热 流 率 明 细 窗 口 选 择 冷 端 边 界 Boundary Condition =Temperature, 导 航 树 显 示 Reaction Probe2, 重 新 求 解 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 148

5) 选 择 Reaction Probe, 图 形 区 上 部 显 示 输 入 热 流 的 位 置, 明 细 窗 口 输 入 热 量 为 15.779W 6) 选 择 Reaction Probe2, 图 形 区 下 部 显 示 输 出 热 流 的 位 置, 明 细 窗 口 输 入 热 量 为 -14.05W 因 此 根 据 数 值 模 拟 结 果, 可 以 得 到 热 功 P O =15.779-14.05=1.73W, 则 热 效 率 = P O /Q h =1.73/15.779=11%,P O 也 可 以 根 据 VI 得 出 PO=0.072267*23.993=1.734 W, 电 流 取 零 电 势 处 的 反 电 流 图 6-24 输 入 热 量 及 输 出 热 量 上 海 大 学 机 电 学 院 安 全 断 裂 分 析 研 究 室 ANSYS 软 件 华 东 区 培 训 中 心 延 长 路 149 号 13817609887 149