热传导 Ansys workbench 热传导分析

作者:杨勇

(沈阳农业大学硕士，研究方向:机械设计与理论)

1导言

Ansys workbench的热传导分析是基于能量守恒原理的热平衡方程，通过有限元方法计算各节点的温度和相关物理参数。它主要包括三个物理过程:热传导、热辐射和热对流。

2理论基础

2.1热传导

热传导是指完全接触的两个物体之间或物体不同部位之间由于温度梯度而产生的内能交换。

其中:为热流密度(w/m2)；k是热导率(w/m.oC)。

2.2热对流

热对流是指固体表面和与之接触的流体之间的温差引起的能量交换。

其中:热流密度；h为换热系数；是固体表面温度；是环境中流体的温度。

2.3热辐射

热辐射是指一个物体发出的电磁波被其他物体吸收并转化为热能的交换过程。物体的温度越高，在没有任何介质的情况下，单位时间辐射的热量越多。

其中:n为辐射面数；是克罗内克符号；是辐射面I的有效发射率；是辐射视角系数；是辐射面I损失的热量；是辐射面I的面积；斯特凡-玻尔兹曼常数；是辐射面的绝对温度。

3模型建立

本次案例分析的模型是SolidWorks2014绘制的三维组件，如下图所示:

图1分析模型

4工作台热传导分析

4.1模型导入和模块构建

将绘制好的三维模型导入ansys workbench，创建稳态导热分析模块和瞬态导热分析模块，如下图所示。

图2热传导分析的模块创建

4.2定义材料属性

双击B2栏中的工程数据，进入材料编辑库进行选择。本次分析采用默认设置，材质为结构钢。

4.3网格划分

进入B4机械界面，在左侧项目管理栏中点击网格，在细节栏中设置网格。默认情况下设置网格大小。用鼠标右键点击网格，选择生成网格，即网格划分完毕。

图3网格参数设置

图4网格生成结果

4.4设置路径

单击“模型”，在工具栏中选择构造几何图形，单击路径对象，然后在细节栏中设置路径参数。

图5设置路径

4.5稳态热传导分析

单击机械界面左侧轮廓中的B5列，在环境工具栏中选择温度和对流，在细节列中设置温度幅值为5000oC，薄膜散热系数为10w/mm2.oC。

图6定义了边界条件

4.6解决方案和结果

右键单击B5选项，并选择解决以解决问题。解决过程如下:

图7求解过程的进展

点击B6选项，添加温度等值线云图和总热流云图，右键求解。

图8温度等值线云图

图9总热通量云图

图10温度变化曲线

4.7瞬态分析

设置边界条件和分析参数并求解。温度等值线云图和热通量云图可以自行添加。这里不再繁琐，方法和以前一样。这里只给出换热系数曲线和路径温度变化曲线。

图11分析参数设置

图12换热系数曲线

图13沿路径的温度变化规律

4.8总结

在这种情况下，利用ANSYS workbench对固体的热传导进行分析，可以清晰地看到温度场的变化规律，为其他类似分析提供指导。

边肖:三江

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