SolidWorksSimulation边界条件设定方法

SolidWorks Simulation边界条件设定方法

---转载自期刊《CAD/CAM与制造业信息化》 P60，河南工程学院刘军

一、引言

有限元分析利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，分析结果误差的主要来源如图1所示，其中影响分析结果最大因素的是约束和载荷，即边界条件。不恰当的边界条件会使分析模型的结果严重偏离实际结果。本文重点讲解边界条件中分析模型边界的确定方法。

分析模型边界定义得越大，被关注对象的分析结果就越接近真实情况。但是，这也造成分析模型中包含的零部件数量过多，计算困难、成本过高、消耗的时间也越多;分析模型的边界定义得越小，边界条件的定义就越困难，与实际产品的偏差就越大，分析产生误差的概率越大。

本文主要讨论SolidWorks Simulation中三种确定分析模型边界的方法：包裹法、工程分析法和圣维南原理法。

图1有限元分析误差的主要因素

二、包裹法

包裹法，首先，单独取出被关注的零部件，确定其最

合理的边界条件，进行分析计算;然后扩大零部件的范围，即增加一层零部件，添加合理的边界条件后再次分析计算;对比两次计算的结果，如果结果偏差很大，说明第一次分析定义的边界太小，需要再次扩大边界重新计算，和第二次的结果对比。循环进行，直至两次分析的结果基本不再发生变化，就找到了最合适的边界。该方法适用于所有分析类型，具体分析流程如图2所示。

例如，我们关注某轨道车底板一个零件“C型槽”的力学性能，如图3所示的黄色零件。绿色部位是和其余零部件的接触面。利用包裹法确定其分析边界的步骤如下。

(1)孤立关注的零部件：分析模型仅选取C型槽零件自身。

(2)添加边界：将C型槽与其他零件的接触面分割出来，如图3所示的绿色面。对绿色面采用固定约束，如图4所示。

(3)添加其他相关参数，分析计算，结果如图5所示，固定约束的区域没有任何变形。

(4)扩大分析模型的边界至连接C型槽的槽钢，如图6所示。

(5)添加边界，固定槽钢的端面。

(6)再次分析计算，结果如图7所示，C型槽零件与槽钢接触部位有较大的变形。

(7)对比两次分析的结果，C型槽的变形和应力分布差别非常大，所以第一次定义的边界不正确，需要继续扩大边界，直至得到满意的结果。

包裹法确定边界的方法很简单，但是也笨拙，经常会导致重复计算和参与分析的零部件数量过多、计算量过大的情况。例如，对于C 型槽，当继续扩大边界条件时，我们是否需要将整个轨道车都添加进来尽量进行分析。这样做的时间和计算代价会太大，往往难以接受。实际应用过程中，通常我们采用第二种方法，工程分析法。

三、工程分析法

工程分析法，首先判断零部件之间的相互作用，然后再决定是否向被分析模型中添加与之接触的零部件，分析流程如图8所示。判断的标准如下。

(1)如果被关注零部件比与它相互作用的零部件的刚度大一个数量级，使用载荷代替零部件间的相互作用。

(2)如果被关注零部件比与它相互作用的零部件的刚度小一个数量级，使用约束代替零部件间的相互作用。

(3)如果被关注零部件比与它相互作用的零部件的刚度差别不大或相当，使用包裹法判断边界。

工程分析法确定边界比较依赖于分析者的经验，丰富的经验直接影响分析的结果是否正确。

图8工程法流程

在对板凳进行受力分析时，确定边界是否要把人体的模型添加进来。很显然，板凳的刚度远远大于人体的刚度，所以根据工程分析法，人体模型对板凳的相互作用，使用载荷进行替代，等效载荷施加在人与板凳的接触面上。

如图9所示，粘接在钢板上的塑料件，钢板材料为普通碳钢，塑料件的材料为尼龙。采用工程分析法是：尼龙的刚度远远低于钢板的

刚度，所以，钢板与塑料件的相互作用就可以用固定约束代替，固定约束定义在塑料件与水泥板的相互接触面处。图10为钢板与塑料件一起分析的结果，钢板底面为固定约束。图11是塑料件单独分析的结果，接触面为固定约束。两次分析的结果基本相同，说明钢板与塑料件的相互作用完全可以用固定约束等效替代。

如图12所示，液压支架顶梁柱窝的力学性能分析。该柱窝焊接在顶梁底板上，如图13所示，将柱窝与顶梁的接触面定义为边界，使用固定约束，分析的结果如下。

采用工程分析法进行分析，柱窝的刚度和顶梁的刚度相近，那么柱窝与顶梁的相互作用就不能简单地使用约束或载荷进行替代，需要采用包裹法进行分析。包裹法分析结果如图14、图15所示，显然柱窝、顶梁整体分析的结果是正确的。

四、圣维南原理法

根据圣维南原理，当作为边界的零部件距离被分析零部件的关注点或危险点足够远时，边界可以缩小或者用等效的方式加载，如果分析零件的关注点或危险点靠近边界，那么边界必须扩大。该方法是包裹法和工程法的补充，用于判断是否需要扩大或缩小边界。

例如健身器轮组受力分析，如图16所示，人蹬车的力作用在脚踏板上，由脚踏板传递到曲轴上，那么分析的时候，是否将脚踏板添加到分析模型中呢?

首先，不添加脚踏板，将载荷直接等效作用在曲轴上，进行有限元分析，分析结果如图17所示，应力最大点离脚踏板零部件足够远，所以根据圣维南原理，脚踏板可以不作为分析模型的边界。

假设如果应力的最大点在靠近脚踏板的紫色轴上一点，若关注这一点应力的话，边界必须扩大，需要将脚踏板模型添加到分析模型中。

五、结语

实际工程应用中，通过采用包裹法、工程分析法和圣维南原理法相互结合，可以帮助分析工程师快速、合理地确定分析模型的边界，在保证分析结果正确的前提下，减少分析模型中零部件的规模，减少分析时间和计算成本，及时为企业提供正确的分析结果。

第二章：边界条件 这一章主要介绍使用边界条件的基本知识。边界条件能够使你能够控制物体之间平面、表面或交界面处的特性。边界条件对理解麦克斯韦方程是非常重要的同时也是求解麦克斯韦方程的基础。 §2.1 为什么边界条件很重要 用Ansoft HFSS求解的波动方程是由微分形式的麦克斯韦方程推导出来的。在这些场矢量和它们的导数是都单值、有界而且沿空间连续分布的假设下，这些表达式才可以使用。在边界和场源处，场是不连续的，场的导数变得没有意义。因此，边界条件确定了跨越不连续边界处场的性质。 作为一个 Ansoft HSS 用户你必须时刻都意识到由边界条件确定场的假设。由于边界条件对场有制约作用的假设，我们可以确定对仿真哪些边界条件是合适的。对边界条件的不恰当使用将导致矛盾的结果。 当边界条件被正确使用时，边界条件能够成功地用于简化模型的复杂性。事实上，Ansoft HFSS 能够自动地使用边界条件来简化模型的复杂性。对于无源RF 器件来说，Ansoft HFSS 可以被认为是一个虚拟的原型世界。与边界为无限空间的真实世界不同，虚拟原型世界被做成有限的。为了获得这个有限空间，Ansoft HSS使用了背景或包围几何模型的外部边界条件。 模型的复杂性通常直接与求解问题所需的时间和计算机硬件资源直接联系。在任何可以提高计算机的硬件资源性能的时候，提高计算机资源的性能对计算都是有利的。 §2.2 一般边界条件 有三种类型的边界条件。第一种边界条件的头两个是多数使用者有责任确定的边界或确保它们被正确的定义。材料边界条件对用户是非常明确的。 1、激励源 波端口（外部） 集中端口（内部） 2、表面近似 对称面 理想电或磁表面 辐射表面 背景或外部表面 3、材料特性 两种介质之间的边界 具有有限电导的导体 §2.3 背景如何影响结构 背景边界:所谓背景是指几何模型周围没有被任何物体占据的空间。任何和背景有关联的物体表面将被自动地定义为理想的电边界（Perfect E）并且命名为外部（outer）边界条件。你可以把你的几何结构想象为外面有一层很薄而且是理想导体的材料。 有耗边界:如果有必要，你可以改变暴露于背景材料的表面性质，使其性质与

Workbench -Mechanical Introduction 第六章 热分析

概念 Training Manual ?本章练习稳态热分析的模拟，包括： A.几何模型 B B.组件-实体接触 C.热载荷 D.求解选项 E E.结果和后处理 F.作业6.1 本节描述的应用般都能在ANSYS DesignSpace Entra或更高版本中使用，除了?本节描述的应用一般都能在ANSYS DesignSpace Entra ANSYS Structural 提示：在S S热分析的培训中包含了包括热瞬态分析的高级分析 ?ANSYS

Training Manual 稳态热传导基础 ?对于一个稳态热分析的模拟，温度矩阵{T}通过下面的矩阵方程解得： ()[]{}(){} T Q T T K =?假设： –在稳态分析中不考虑瞬态影响[K]可以是个常量或是温度的函数–[K] 可以是一个常量或是温度的函数–{Q}可以是一个常量或是温度的函数

稳态热传导基础 Training Manual ?上述方程基于傅里叶定律： ?固体内部的热流（Fourier’s Law）是[K]的基础； ?热通量、热流率、以及对流在{Q}为边界条件； ?对流被处理成边界条件，虽然对流换热系数可能与温度相关 ?在模拟时，记住这些假设对热分析是很重要的。

A. 几何模型 Training Manual ?热分析里所有实体类都被约束： –体、面、线 ?线实体的截面和轴向在DesignModeler中定义 ?热分析里不可以使用点质量（Point Mass）的特性 ?壳体和线体假设： –壳体：没有厚度方向上的温度梯度 –线体：没有厚度变化，假设在截面上是一个常量温度 ?但在线实体的轴向仍有温度变化

a n s y s中的热分析

【转】热-结构耦合分析 知识掌握篇 2009-05-31 14:09:19 阅读131 评论0 字号：大中小订阅 热-结构耦合问题是结构分析中通常遇到的一类耦合分析问题.由于结构温度场的分 布不均会引起结构的热应力,或者结构部件在高温环境中工作,材料受到温度的影响会发 生性能的改变,这些都是进行结构分析时需要考虑的因素.为此需要先进行相应的热分析, 然后在进行结构分析.热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数,如 热量的获取或损失,热梯度,热流密度(热通量)等.本章主要介绍在ANSYS中进行稳 态,瞬态热分析的基本过程,并讲解如何完整的进行热-结构耦合分析. 21.1 热-结构耦合分析简介 热-结构耦合分析是指求解温度场对结构中应力,应变和位移等物理量影响的 分析类型.对于热-结构耦合分析,在ANSYS中通常采用顺序耦合分析方法,即 先进行热分析求得结构的温度场,然后再进行结构分析.且将前面得到的温度场作为体载荷加到结构中,求解结构的应力分布.为此,首先需要了解热分析的基本知识,然后再学习耦合分析方法. 21.1.1 热分析基本知识

ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程,用有限元法计算各节点的温度,并导出其它热物理参数.ANSYS热分析包括热传导,热对流及热辐射三种热传递方式.此外,还可以分析相变,有内热源,接触热阻等问题. 热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度 而引起的内能的交换.热对流是指固体的表面和与它周围接触的流体之间,由于温差的存 在引起的热量的交换.热辐射指物体发射电磁能,并被其它物体吸收转变为热的热量交换 过程. 如果系统的净热流率为0,即流入系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,则系统处于热稳态.在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变 化. 瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程.在这个过程中系统的温度,热流率, 热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化. ANSYS热分析的边界条件或初始条件可分为七种:温度,热流率,热流密度, 对流,辐射,绝热,生热. 热分析涉及到的单元有大约40种,其中纯粹用于热分析的有14种,它们如表21.1所示. 表21.1 热分析单元列表

1)麦克斯韦方程组可以应用于任何连续的介质内部。 2)在两种介质界面上，介质性质有突变，电磁场也会突变。 3)分界面两边按照某种规律突变，称这种突变关系为电磁场的边值关系或边界条件。 4)推导边界条件的依据是麦克斯韦方程组的积分形式。 一、边界条件的一般形式 1、B 的边界条件: 2、D 的边界条件 结论：电位移矢量 在不同媒质分界面两侧的法向分量不连续，其差值等于分界面上自由电荷面密度。 3. H 的边界条件 h ?→S ?n -n 2 μ 1μ 2 B 1B n 11220 B dS B dS ??+?=120 B n B n ??-?=210 lim S h D H l H l J sl slh t →???-?=?-??2t t S H H J ?-=12()S n H H J ??-=21,S H l H l J s l n s ??-?=?=?()C s D H dl J dS t ?=+??? 2 μ1μ2H n 1H h ?→l s 12()S n H H J ?-=12()D D n σ -?=? 2ε 1ε 2 D 1 D n 0 h ?→S ?n -n 12n n D D σ ?-=0S B dS ?=? 12()0 n B B ?-=21n n B B ?=S D dS q =?? ? ?

式中： S J 为介质分界面上的自由电流面密度。 结论：磁场强度 D 在不同媒质分界面两侧的切向分量不连续，其差值等于分界面上的电流面密度S J 4.E 的边界条件 结论：电场强度E 在不同每只分界面两侧的切向分量连续。 二、理想介质是指电导率为零的媒质，0=γ 2)在理想介质内部和表面上，不存在自由电荷和自由电流。 结论：在理想介质分界面上，E 、H 矢量切向连续； 在理想介质分界面上，B 、D 矢量法向连续。 三、理想导体表面上的边界条件 1)理想介质是指电导率为无穷大的导体， 12t t E E ?=12()0 n E E ??-= 2ε 1 ε 2 E n 1E 2 θ 1θ 0h ?→l s l S B E dl d S t ??=-??? ?12()0 n E E ?-=?12t t E E =0 s J =0 ρ=12t t H H =? 12n n D D =12()0 n D D ?-=?12()0 n B B ?-=12n n B B =?12()0n H H ?-=

热分析边界条件的施加 稳态热分析可以直接在实体模型或单元模型上施加5种载荷（边界条件）。 1)恒定温度（TEMP） 恒定温度作为自由度约束施加在温度已知的边界上。 命令：D。 GUI路径：Main menu→Solution→Define Loads→Apply→Thermal→Temperature。 2)热流率（HEAT） 热流率作为节点集中载荷，主要用于线单元模型中，（通常，在线单元模型上不能施加对流或热流密度载荷）；如果输入的值为正，代表热流流入节点，即单元获取热量。如果温度与热流率同时施加在一节点上则ANSYS将仅考虑温度。 命令：F。 GUI路径：Main menu→Solution→Define Loads→Apply→Thermal→Heat Flow。 3)对流（CONV） 对流边界条件作为面载荷施加于实体的外表面，它仅可施加于实体单元和壳单元模型上，对于线模型，可以通过对流线单元LINK34施加对流载荷。 命令：SF。 GUI路径：Main menu→Solution→Define Loads→Apply→Thermal→Convection。 4)热流密度（HFLUX） 热流密度也是一种面载荷。如果通过单位面积的热流率已知，或能通过计算得到时，可以在模型相应的外表面施加热流密度载荷。输入的值为正时，代表热流流入单元。热流密度也仅适用于实体单元和壳单元。热流密度与对流可以施加在同一外表面，但ANSYS仅读取最后施加的面载荷进行计算。 命令：SF。 GUI路径：Main menu→Solution→Define Loads→Apply→Thermal→Heat Flux。

问：用了很长时间的fluent，但一直没有把压力出入口边界条件弄明白。请大侠给予正确指导... 有的文档说亚声速流下initial是0或者不填，而有的出版物则把total和initial设置成几乎想等的值，或者差值为大气压，很困惑！ 比如说在一个喷射（亚声速流）流场中，实际条件为喷嘴入口压力40MPa，出口压力20MPa，即流场内围压20MPa，这时，在压力入口边界条件的总压、初始表压以及压力出口的表压分别应该设置多少？如果是超声速流，又有什么区别？ 还有，operating condition下的operating pressure是否设置成0或者大气压有什么说法吗？ A：有的出版物则把total和initial设置成几乎想等的值。 我在使用时一般也是采用这样的方法，严格来讲是有公式来计算的。但是这个值一般只是用于初始化，对结果影响不大，所以简单来讲就设置成和出口的一样。 这个值对流场的初始化有一定的影响，设置成0也不是不可以，但会增加迭代步数。 对于喷射而言，建议lz将operating condition下的operating pressure设置为0 ，即是绝对压力。 二 最近用Fluent做模拟的时候一直在使用压力出口边界，对其中出口温度、组分浓度等值的设置不是很明白，就仔细看了下Fluent User Guide，对压力出口边界描述如下： Pressure outlet boundary conditions require the specification of a static (gauge) pressure at the outlet boundary........All other flow quantities are extrapolated from the interior。因此，压力出口边界可以这样表述，即，给定出口压力，对流动中的其他物理量均有流场内部值差值得到。 那边界条件面板中设定的温度（等）值有什么用呢？ 是出现回流时的回流值。 三 Fluent内部计算采用的都是相对压强。在Define——Operating Conditions…中，所示的Operating Pressure是操作压强。默认的操作压强为一个大气压101325Pa. 下面叙述一下笔者对采用Operating Pressure原因的理解。

FLUENT边界条件（2）—湍流设置 （fluent教材—fluent入门与进阶教程于勇第九章） Fluent：湍流指定方法（Turbulence Specification Method） 2009-09-16 20:50 使用Fluent时，对于velocity inlet边界，涉及到湍流指定方法（Turbulence Specification Method），其中一项是Intensity and Hydraulic Diameter （强度和水利直径），本文对其进行论述。 其下参数共两项， （1）是Turbulence Intensity，确定方法如下： I=0.16/Re_DH^0.125 (1) 其中Re_DH是Hydraulic Diameter（水力直径）的意思，即式(1)中的雷诺数是以水力直径为特征长度求出的。 雷诺数 Re_DH=u×DH/υ(2) u为流速，DH为水利直径，υ为运动粘度。 水利直径见（2）。 （2）水利直径 水力直径是水力半径的二倍，水力半径是总流过流断面面积与湿周之比。 水力半径 R＝A/X (3) 其中，A为截面积（管子的截面积）＝流量/流速 X为湿周(字面理解水流过各种形状管子外圈湿一周的周长) 例如：方形管的水利半径 R=ab/2(a+b) 水利直径 DH=2×R (4) 举例如下： 如果水流速度u=10m/s，圆形管路直径2cm，水的运动粘度为1×10-6 m2/s。 则 DH=2×3.14*r^2/(2*3.14*r)=2*3.14*0.01^2/(3.14*0.02)=0.01 r为圆管半径 Re_DH=u×DH/υ=10*0.02/10e-6=20000 I=0.16/Re_DH^0.125=0.16/20000^0.125=0.0463971424017634≈5%

航空发动机主轴承热分析边界条件处理方法 苏 壮，李国权 （中航工业沈阳发动机设计研究所航空发动机动力传输航空科技重点实验室，沈阳110015） 航空发动机 Aeroengine 摘要：为了提高航空发动机主推力球轴承热分析的计算精度，对轴承的摩擦发热和对流换热边界条件进行了分类及研究。应用ANSYS 有限元分析软件，采用将摩擦热按体积生热率处理和将摩擦热按热流密度处理的2种不同方式，对边界条件进行了加载，分别对试验器状态的发动机主轴承进行了热分析计算，并与试验测量结果进行了对比。计算结果表明：采用表面效应单元加载热流密度的方式得到的轴承温度分布更理想，内部热点温度更集中，热点温度比按体积生热率加载的高。2种边界条件处理方法均已应用到航空发动机润滑系统热分析中，提高了航空发动机润滑系统热分析的准确性。 关键词：主轴承；热分析；边界条件；摩擦发热；对流换热；航空发动机中图分类号：V233.4 文献标识码：A doi ：10.13477/https://www.sodocs.net/doc/ef17804900.html,ki.aeroengine.2015.03.014 Boundary Condition Processing Method of Aeroengine Main Bearing Thermoanalysis SU Zhuang ,LI Guo-quan (Key Laboratory of Power Transmission Technology for Aeroengine ,AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute ,Shenyang 110015,China ) Abstract:In order to improve the thermoanalysis calculation accuracy of the aeroengine main thrust ball bearing,the friction heat and convection heat transfer boundary condition of the aeroengine main bearing were classified and researched.By using ANSYS,two different methods were applied in managing the frictional heat with volumetric heat generation rate and with the heat flux ,those two boundary conditions were loaded onto the main bearing.The results of calculation indicate that the bearing tem-perature distribution which obtained by loading heat flux on the surface effect element is better,the internal hot spots of temperature is more concentrate,and the temperature of internal hot spots is higher than that with loading heat generation on volume.Two methods were applied in the thermoanalysis of the aeroengine lubrication system,and the thermoanalysis accuracy of the aeroengine lubrication system was increased. Key words:main bearing ;thermoanalysis ;boundary condition ;frictional heat ;convection heat transfer ;aeroengine 收稿日期：2014-04-06基金项目：航空动力基础研究项目资助 作者简介：苏壮（1975），男，高级工程师，主要从事航空发动机润滑系统设计工作；E-mail ：happysm427@https://www.sodocs.net/doc/ef17804900.html, 。引用格式： 第41卷第3期Vol.41No.3Jun.2015 0引言 滑油系统是航空发动机的重要组成部分[1]，而热分析是航空发动机滑油系统设计的基础[2]。通过滑油系统热分析计算，可以初步确定发动机滑油系统在整个飞行包线内滑油的温度水平、主轴承的工作温度及轴承腔温度场，并最终确定系统循环量、系统冷却方案及轴承腔的冷却隔热措施[3]。 对航空发动机主轴承的热分析是滑油系统热分析中的重要环节，轴承腔内由轴承旋转产生的摩擦热以及密封装置的摩擦热是主要的生热热源[4]， 航空发动机主轴承是滑油系统进行冷却和润滑的关键部件，由于主轴承自身的发热量较高，其 换热边界条件的准确确定和加载决定了主轴承热分析的精度。准确计算主轴承的工作温度对提高滑油系统热分析精度具有重要的理论意义和工程价值。 本文对航空发动机主轴承的边界条件进行了分类及研究。 1航空发动机主轴承热分析概述 航空发动机主轴承热分析主要包括以下几个方面： （1）轴承内部生热的计算。轴承内部的生热主要由摩擦热引起，需要计算由摩擦力矩引起的摩擦热的大小。

网格化分： 机体网格划分采用四面体网格。上部采用6mm网格，下部采用8mm网格，与缸套接触部分采用2mm网格，共有382111个单元，网格模型如图3和图4所示。缸套网格划分主要采用六面体2mm网格，4个缸套共有309472个单元，网格模型如图5所示。缸盖螺栓网格划分采用六面体4mm网格，18个螺栓共有13896个单元，网格模型如图6所示。缸垫网格划分采用六面体4mm网格，共有4075个单元，网格模型如图7所示。等效缸盖网格划分采用四面体7mm网格，共有186582个单元，网格模型如图8所示。总体计算网格模型如图9所示，共有896136个单元。 边界条件： 1 位移边界条件 机体底部约束为零 2 力边界条件 气缸套受力主要有装配应力、燃气压力、热应力和活塞侧向力。 2.1螺栓预紧力 螺栓预紧力通过拧紧力矩获得。根据YN33柴油机的螺栓拧紧力矩和螺栓结构尺寸计算得到螺栓预紧力为62490N。 2.2活塞对缸套的侧向力 活塞对缸套侧向力采用曲轴转角81°时的工况。假定力边界条件为：载荷沿缸套轴线方向按二次抛物线规律分布；沿缸套圆周120°角范围内按余弦规律分布。 选择侧击力影响最大位置进行研究，经过分析，选定1缸曲轴转角24°（活塞位于最大爆发压力处）、81°（活塞位于行程中间位置）时的工况进行研究，此时活塞对缸套的侧向力和侧向压力幅值如表1所示。加载边界条件时取L=43.5，x=0的位置为活塞销的位置。 表1 气缸套壁面加载的活塞侧向力 注：正值表示活塞侧向力作用在主推力侧，负值表示活塞侧向力作用在次推力侧。 2.3 缸套壁面的气体作用力

表2 一缸气缸套壁面加载的气体压力 热应力由温度边界条件计算得到温度场后施加到机械应力分析中进行热力耦合计算。 3 接触边界条件 主要接触对有：气缸盖与气缸垫、气缸盖与气缸套、气缸垫与机体、气缸垫与缸套、气缸套与机体、气缸盖与预紧螺栓下端面、预紧螺栓螺纹与机体螺栓孔螺纹。 4 温度边界条件 常见的导热特征边界条件有：第1类边界条件——恒定温度；第2类边界条件——热流密度；第3类边界条件——对流。本文研究机型选用采用第三类边界条件。 4.1气缸套温度边界条件 表3 AB段加载的热边界条件 表4 其他段加载的热边界条件 缸盖温度边界条件 缸盖暴露于大气环境中，其表面与周围环境换热极为微弱，因此换热系数不大，本次计算取23 W/m2·℃，环境温度取25℃。 4.2机体温度边界条件

ANSYS热分析指南(第五章) 第五章表面效应单元 5.1简介 表面效应单元类似一层皮肤，覆盖在实体单元的表面。它利用实体表面的节点形成单元。因此，表面效应单元不增加节点数量（孤立节点除外），只增加单元数量。 ANSYS 5.7中热分析专用表面效应单元为SURF151(2-D)以及SRUF152(3-D)。有关单元的详细描述请参阅《ANSYS Element Reference》。 5.2表面效应单元在热分析中的应用 利用表面效应单元可更加灵活地定义表面热载荷： 当热流密度和热对流边界条件同时施加于同一表面时，必须将其中一个施加于实体单元表面，另一个施加在表面效应单元。建议将热对流边界施加于表面效应单元。 可将热对流边界条件中的流体温度施加于孤立节点上，将对流系数施加于表面单元，这样，可更灵活地控制对流载荷。 当对流系数随温度变化时，表面效应单元可提供设置计算对流系数的选项。 表面效应单元还可以用于模拟点与面的辐射传热。 5.3表面效应单元的有关热分析设置选项 SURF151是单元可用于多种载荷和表面效应的应用。可以覆盖在任何二维热实体单元的表面(除轴对称谐波单元PLANE75和PLANE78外)。该单元可用于二维热分析，多种载荷和表面效应可以同时存在。SURF151单元有2到4个节点，如考虑对流传热和辐射的影响需要定义一个外部节点。传热量和热对流量以表面载荷的形式施加在单元上。详细单元说明请参见《ANSYS Theory Reference》。 SURF152是三维热表面效应单元，可用于多种载荷和表面效应的应用。它可以覆盖在任何三维热单元的表面，该单元可用于三维热分析。该单元中多种载荷和表面效应可以同时存在。详细单元说明请参见《ANSYS Theory Reference》。 选定单元： 命令：ET

边界条件设置问题 1、速度入口边界条件（velocity-inlet）：给出进口速度及需要计算的所有标量值。该边界条件适用于不可压缩流动问题。 Momentum 动量 thermal 温度 radiation 辐射 species 种类 DPM DPM模型（可用于模拟颗粒轨迹） multipahse 多项流 UDS（User define scalar 是使用fluent求解额外变量的方法） Velocity specification method 速度规范方法： magnitude，normal to boundary 速度大小，速度垂直于边界；magnitude and direction 大小和方向；components 速度组成Reference frame 参考系：absolute绝对的；Relative to adjacent cell zone 相对于邻近的单元区 Velocity magnitude 速度的大小 Turbulence 湍流 Specification method 规范方法

k and epsilon K-E方程：1 Turbulent kinetic energy湍流动能；2 turbulent dissipation rate 湍流耗散率 Intensity and length scale 强度和尺寸： 1湍流强度 2 湍流尺度=（L为水力半径）intensity and viscosity rate强度和粘度率：1湍流强度2湍流年度率 intensity and hydraulic diameter强度与水力直径：1湍流强度；2水力直径 2、压力入口边界条件（pressure-inlet）：压力进口边界条件通常用于给出流体进口的压力和流动的其它标量参数，对计算可压和不可压问题都适合。压力进口边界条件通常用于不知道进口流率或流动速度时候的流动，这类流动在工程中常见，如浮力驱动的流动问题。压力进口条件还可以用于处理外部或者非受限流动的自由边界。 Gauge total pressure 总压supersonic/initial gauge pressure 超音速/初始表压constant常数 direction specification method 方向规范方法：1direction vector方向矢量；2 normal to boundary 垂直于边界

第一章简介 一、热分析的目的 热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量〕等。 热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。 二、ANSYS的热分析 ?在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五种产品中包含热分析功能,其中 ANSYS/FLOTRAN不含相变热分析。 ?ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。 ?ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。 三、ANSYS 热分析分类 ?稳态传热：系统的温度场不随时间变化 ?瞬态传热：系统的温度场随时间明显变化 四、耦合分析 ?热－结构耦合 ?热－流体耦合 ?热－电耦合 ?热－磁耦合 ?热－电－磁－结构耦合等

第二章 基础知识 一、符号与单位 W/m 2-℃ 3 二、传热学经典理论回顾 热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律: ● 对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出〕 PE KE U W Q ?+?+?=- 式中: Q —— 热量; W —— 作功; ?U ——系统内能; ?KE ——系统动能； ?PE ——系统势能； ● 对于大多数工程传热问题：0＝＝PE KE ??； ● 通常考虑没有做功：0=W , 则：U Q ?=； ● 对于稳态热分析：0=?=U Q ，即流入系统的热量等于流出的热量； ● 对于瞬态热分析：dt dU q = ，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。 三、热传递的方式 1、热传导 热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。热传导遵循付里叶定律：dx dT k q -=''，式中''q 为热流

在入口、出口或远场边界流入流域的流动，FLUENT 需要指定输运标量的值。本节描述了对于特定模型需要哪些量，并且该如何指定它们。也为确定流入边界值最为合适的方法提供了指导方针。 使用轮廓指定湍流参量 在入口处要准确的描述边界层和完全发展的湍流流动，你应该通过实验数据和经验公式创建边界轮廓文件来完美的设定湍流量。如果你有轮廓的分析描述而不是数据点，你也可以用这个分析描述来创建边界轮廓文件，或者创建用户自定义函数来提供入口边界的信息。一旦你创建了轮廓函数，你就可以使用如下的方法： ● Spalart-Allmaras 模型：在湍流指定方法下拉菜单中指定湍流粘性比，并在在湍流粘性 比之后的下拉菜单中选择适当的轮廓名。通过将m_t/m 和密度与分子粘性的适当结合， FLUENT 为修改后的湍流粘性计算边界值。 ● k-e 模型：在湍流指定方法下拉菜单中选择K 和Epsilon 并在湍动能（Turb. Kinetic Energy ）和湍流扩散速度（Turb. Dissipation Rate ）之后的下拉菜单中选择适当的轮廓名。 ● 雷诺应力模型：在湍流指定方法下拉菜单中选择K 和Epsilon 并在湍动能（Turb. Kinetic Energy ）和湍流扩散速度（Turb. Dissipation Rate ）之后的下拉菜单中选择适当的轮廓名。在湍流指定方法下拉菜单中选择雷诺应力部分，并在每一个单独的雷诺应力部分之后的下拉菜单中选择适当的轮廓名。 湍流量的统一说明 在某些情况下流动流入开始时，将边界处的所有湍流量指定为统一值是适当的。比如说，在进入管道的流体，远场边界，甚至完全发展的管流中，湍流量的精确轮廓是未知的。 在大多数湍流流动中，湍流的更高层次产生于边界层而不是流动边界进入流域的地方，因此这就导致了计算结果对流入边界值相对来说不敏感。然而必须注意的是要保证边界值不是非物理边界。非物理边界会导致你的解不准确或者不收敛。对于外部流来说这一特点尤其突出，如果自由流的有效粘性系数具有非物理性的大值，边界层就会找不到了。 你可以在使用轮廓指定湍流量一节中描述的湍流指定方法，来输入同一数值取代轮廓。你也可以选择用更为方便的量来指定湍流量，如湍流强度，湍流粘性比，水力直径以及湍流特征尺度，下面将会对这些内容作一详细叙述。 湍流强度I 定义为相对于平均速度u_avg 的脉动速度u^'的均方根。 小于或等于1%的湍流强度通常被认为低强度湍流，大于10%被认为是高强度湍流。从外界，测量数据的入口边界，你可以很好的估计湍流强度。例如：如果你模拟风洞试验，自由流的湍流强度通常可以从风洞指标中得到。在现代低湍流风洞中自由流湍流强度通常低到0.05%。. 对于内部流动，入口的湍流强度完全依赖于上游流动的历史，如果上游流动没有完全发展或者没有被扰动，你就可以使用低湍流强度。如果流动完全发展，湍流强度可能就达到了百分之几。完全发展的管流的核心的湍流强度可以用下面的经验公式计算： ()81Re 16.0-?'≡H D avg u u I

精品文档 ABAQU 模型中的6个自由度，其中的坐标中编号是 1.2.3而不是常用的X.Y.Z 。因为模 型的坐标 系也可以是主坐标系或球坐标系等。 边界条件的定义方法主要有两种， 这两种方法 可以混合使用： 自由度1 （ U1）:沿坐标轴1方向上的平移自由度。 自由度2（ U2）:沿坐标轴2方向上的平移自由度。 自由度3（ U3）:沿坐标轴3方向上的平移自由度。 自由度4（ UR1）:沿坐标轴1上的旋转自由度。 自由度5（ UR1）:沿坐标轴2上的旋转自由度。 自由度 6（UR1） 沿坐标轴 3上的旋转自由度。 2、约定的边界条件类型 反对称边界条件，对称面为与坐标轴 2垂直的平面，即 U1= U3= UR2=0; ZASYMM 反对 称边界条件，对称面为与坐标轴 3 垂直的平面，即 U1= U2= UR3=0; PINNED 约束所有 平移自由 度，即 U1=U2=U3=0; ENCASTRE 约束所有自由度（固支边界条件） ，即 5= U2=U3=UR 仁UR2=UR3=0. 精品文档 XSYMM 对称边界条件，对称面为与坐标轴 YSYMM 对称边界条件，对称面为与坐标轴 ZSYMM 对称边界条件，对称面为与坐标轴 1 垂直的平面，即 2 垂直的平面，即 3 垂直的平面，即 U1= UR2= UR3=0; U2= UR1= UR3=0; XASYMM 反对称边界条件，对称面为与坐标轴 1垂直的平面，即U2= U3= UR 仁0; YASYMM

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知识掌握篇 2009-05-31 14:09:19 阅读131 评论0 字号：大中小订阅 热-结构耦合问题是结构分析中通常遇到的一类耦合分析问题.由于结构温度场的分 布不均会引起结构的热应力,或者结构部件在高温环境中工作,材料受到温度的影响会发 生性能的改变,这些都是进行结构分析时需要考虑的因素.为此需要先进行相应的热分析, 然后在进行结构分析.热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数,如 热量的获取或损失,热梯度,热流密度(热通量)等.本章主要介绍在ANSYS中进行稳 态,瞬态热分析的基本过程,并讲解如何完整的进行热-结构耦合分析. 热-结构耦合分析简介 热-结构耦合分析是指求解温度场对结构中应力,应变和位移等物理量影响的 分析类型.对于热-结构耦合分析,在ANSYS中通常采用顺序耦合分析方法,即 先进行热分析求得结构的温度场,然后再进行结构分析.且将前面得到的温度场作 为体载荷加到结构中,求解结构的应力分布.为此,首先需要了解热分析的基本知 识,然后再学习耦合分析方法. 热分析基本知识 ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程,用有限元法计算各节点的温 度,并导出其它热物理参数.ANSYS热分析包括热传导,热对流及热辐射三种热传 递方式.此外,还可以分析相变,有内热源,接触热阻等问题. 热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度 而引起的内能的交换.热对流是指固体的表面和与它周围接触的流体之间,由于温差的存 在引起的热量的交换.热辐射指物体发射电磁能,并被其它物体吸收转变为热的热量交换 过程. 如果系统的净热流率为0,即流入系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,则系统处于热稳态.在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变 化. 瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程.在这个过程中系统的温度,热流率, 热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化. ANSYS热分析的边界条件或初始条件可分为七种:温度,热流率,热流密度, 对流,辐射,绝热,生热. 热分析涉及到的单元有大约40种,其中纯粹用于热分析的有14种,它们如表 所示. 表热分析单元列表 单元类型名称说明 线性 LINK32 LINK33 LINK34 LINK31 两维二节点热传导单元 三维二节点热传导单元 二节点热对流单元 二节点热辐射单元 二维实体

问：用了很长时间的fluent ，但一直没有把压力出入口边界条件弄明白。请大侠给予正确指导... 有的文档说亚声速流下initial 是0或者不填，而有的出版物则把total 和initial 设置成几乎想等的值，或者差值为大气压，很困惑！ 比如说在一个喷射（亚声速流）流场中，实际条件为喷嘴入口压力40MPa ，出口压力20MPa ，即流场内围压20MPa ，这时，在压力入口边界条件的总压、初始表压以及压力出口的表压分别应该设置多少？如果是超声速流，又有什么区别？ 还有，operating condition下的operating pressure是否设置成0或者大气压有什么说法吗？ A ：有的出版物则把total 和initial 设置成几乎想等的值。 我在使用时一般也是采用这样的方法，严格来讲是有公式来计算的。但是这个值一般只是用于初始化，对结果影响不大，所以简单来讲就设置成和出口的一样。 这个值对流场的初始化有一定的影响，设置成0也不是不可以，但会增加迭代步数。 对于喷射而言，建议lz 将operating condition下的operating pressure设置为 0 ，即是绝对压力。 二 最近用Fluent 做模拟的时候一直在使用压力出口边界，对其中出口温度、组分浓度等值的设置不是很明白，就仔细看了下Fluent User Guide，对压力出口边界描述如下： Pressure outlet boundary conditions require the specification of a static (gauge pressure at the outlet boundary........All other flow quantities are extrapolated from the interior。因此，压力出口边界可以这样表述，即，给定出口压力，对流动中的其他物理量均有流场内部值差值得到。 那边界条件面板中设定的温度（等）值有什么用呢？

3.5 电磁场的边界条件（一） 1.电场法向分量的边界条件 2.电场切向分量的边界条件 3.标量电位的边界条件

决定分界面两侧电磁场变化关系的方程称为边界条件。1. 电场法向分量的边界条件 如图所示，在柱形闭合面上应用电场的高斯定律 1122??d S S D S n D S n D S S ρ?=??+??=?? 故：1122??S n D n D ρ?+?=若规定 ?n 为从媒质Ⅱ指向媒质Ⅰ为正方向，则1??n n =2??n n =-12?()S n D D ρ?-=1n 2n S D D ρ-=因为：D E ε=11n 22n S E E εερ-=

2. 电场切向分量的边界条件 在两种媒质分界面上取一小的矩形闭合回路abcd ,在此回路上应用法拉第电磁 感应定律d d l S B E l S t ??=-??? ? 因为： 1t 2t d l E l E l E l ?=?-??d 0S B B S l h t t ??-?=-??=???故： 1t 2t E E =12?()0n E E ?-=该式表明，在分界面上电场强度的切向分量总是连续的。或1t 2t 1 2 D D εε= 因为：D E ε=若媒质Ⅱ为理想导体时：1t 0 E =理想导体表面没有切向电场。

3. 标量电位的边界条件 在两种媒质分界面上取两点，分别为A 和B ，如图，从标量电位的物理意义出发 1n 2n d 22 B A B A h h E l E E φφ??-=?=+?0 A B φφ-=A B φφ=12S S φφ=该式表明：在两种媒质分界面处， 标量电位是连续的。 E φ =-?21 21S S S n n φφεερ??-=??故： 因为：1n 2n S D D ρ-=在理想导体表面上： S C φ=（常数） h ?=因：

第五章表面效应单元 5.1 简介 表面效应单元类似一层皮肤，覆盖在实体单元的表面。它利用实体表面的节点形成单元。因此，表面效应单元不增加节点数量（孤立节点除外），只增加单元数量。 ANSYS 5.7中热分析专用表面效应单元为SURF151(2-D)以及SRUF152(3-D)。有关单元的详细描述请参阅《ANSYS Element Reference》。 5.2 表面效应单元在热分析中的应用 利用表面效应单元可更加灵活地定义表面热载荷： ?当热流密度和热对流边界条件同时施加于同一表面时，必须将其中一个施加于实体单元表面，另一个施加在表面效应单元。建议将热对流边界施加于表面效应单元。 ?可将热对流边界条件中的流体温度施加于孤立节点上，将对流系数施加于表面单元，这样，可更灵活地控制对流载荷。 ?当对流系数随温度变化时，表面效应单元可提供设置计算对流系数的选项。 ?表面效应单元还可以用于模拟点与面的辐射传热。 5.3 表面效应单元的有关热分析设置选项 SURF151是单元可用于多种载荷和表面效应的应用。可以覆盖在任何二维热实体单元的表面(除轴对称谐波单元PLANE75和PLANE78外)。该单元可用于二维热分析，多种载荷和表面效应可以同时存在。SURF151单元有2到4个节点，如考虑对流传热和辐射的影响需要定义一个外部节点。传热量和热对流量以表面载荷的形式施加在单元上。详细单元说明请参见《ANSYS Theory Reference》。 SURF152是三维热表面效应单元，可用于多种载荷和表面效应的应用。它可以覆盖在任何三维热单元的表面，该单元可用于三维热分析。该单元中多种载荷和表面效应可以同时存在。详细单元说明请参见《ANSYS Theory Reference》。 选定单元： 命令：ET GUI： Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete>Options 分析设置选项： ?中间节点： Include： keyopt(4)=0 Exclude： keyopt(4)=1 如果实体单元为带中间节点的单元，如Solid90，则设为Include，否则为Exclude。 ?是否有孤立节点： Exclude： Keyopt(5)=0 Include： Keyopt(5)=1 如果在表面效应单元上施加热流密度，则为Exclude；如果在表面效应单元上施加热对流，则可为Exclude，也可为Include。如果有孤立节点，则对流系数施加在表面效应单元上，流体温度施加在孤立节点上。如果无孤立节点，则对流系数和流体温度都施加在表面效应单元上。

第33例瞬态热分析实例——水箱 本例介绍了利用ANSYS进行瞬态热分析的方法和步骤、瞬态热分析时材料模型所包含的内容，以及模型边界条件和初始温度的施加方法。 概述 热分析是计算热应力的基础，热分析分为稳态热分析和瞬态热分析，稳态热分析将在后面两个例子中介绍，本例介绍瞬态热分析。 瞬态热分析的定义 瞬态热分析用于计算系统随时间变化的温度场和其他热参数。一般用瞬态热分析计算温度场，并找到温度梯度最大的时间点，将此时间点的温度场作为热载荷来进行应力计算。 嚼态热分析的步骤 瞬态热分析包括建模、施加载荷和求解、查看结果等几个步骤。 1．建模 瞬态热分析的建模过程与其他分析相似，包括定义单元类型、定义单元实常数、定义材料特性、建立几何模型和划分网格等。 注意：瞬态热分析必须定义材料的导热系数、密度和比热。 2.施加载荷和求解

(1)指定分析类型， Main Menu→Solution→Analysis Type→New Analysis,选择 Transient。 (2)获得瞬态热分析的初始条件。 定义均匀的初始温度场：Main Menu→Solution→Define Loads→Settings→Uniform Temp，初始温度仅对第一个子步有效，而用Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Thermal→Temperature命令施加的温度在整个瞬态热分析过程中均不变，应注意二者的区别。 定义非均匀的初始温度场：如果非均匀的初始温度场是已知的，可以用Main Menu →Solution→Define Loads→Apply→Initial Condit'n→Define即IC命令施加。非均匀的初始温度场一般是未知的，此时必须先进行行稳态分析确定该温度场。该稳态分析与一般的稳态分析相同。 注意：要设定载荷（如已知的温度、热对流等），将时间积分关闭，选择Main Menu →Solution→Load Step Opts→Time/Frequenc→Time Integration→Amplitude Decay;设定只有一个子步，时间很短（如的载荷步， Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequenc→Time→Time Step。 (3)设置载荷步选项。 普通选项包括每一载荷步结束的时间、每一载荷步的子步数、阶跃选项等，选择Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequenc→Time-Time Step. 非线性选项包括：迭代次数（默认25），选择Main Menu→Solution→Load Step