ANSYS10.0-Ed上机指南

工程中的有限元方法--有限元分析软件ANSYS上机指南

Exercise 4 受热载荷作用的正方形截面的烟囱的建模与温度场求解

1、正方形截面的烟囱如图4-1所示，烟囱由混凝土建造，边长为60cm，通道的边长为20cm，混凝土的导热系数为k=1.4W/(mK)。假定烟囱内表面的温度为100℃，烟囱外表面暴露在空气中，空气的温度为30℃，换2

热系数为h=20W/(mK)。计算烟囱截面内的稳态温度场。

2、由于稳态温度场分布与物体的初始状态无关，那么是否与材料的 导热系数相关？进一步把烟囱的模型做修改，假定烟囱壁由两层材 料构成。内层材料为混凝土，外表面的截面尺寸为30cm х 30cm， 烟囱通道的尺寸不变，仍为20cm х 20cm 。外层材料的导热系数 为k=0.1W/(mK) ，外部表面的截面尺寸不变，内部表面的截面尺 寸为30cm х 30cm 。换热边界条件不变。计算烟囱截面内的稳态 温度场。文件名: t-chimney。

提示：问题简化为平面问题，利用对称性，可以取研究对象1/4进行网格离散。对称边界可以施加热对称约束。长度单位用m。

第一个工况

图4-1双层烟囱的热分析模型 4.1 ANSYSED 10.0 →change the working directory into yours →input Initial jobname: t-chimney →OK 4.2设置计算类型

Main Menu: Preferences… →select Thermal → OK 4.3选择单元类型

Main Menu: Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete →Add →select Thermal Solid Quad 4node 55 →OK

(back to Element Types window) → Options… →select K3: Plane →OK→Close (the Element Type window) 4.4定义材料参数

Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models →Thermal →Conductivity →Isotropic →input KXX:1.4 → OK → Thermal →Convection or film Coefficient for Material Number 1 → T1:20 → OK 4.5生成几何模型 生成特征点

Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Keypoints →In Active CS →依次输入6个点的坐标：input:1(0.1, 0, 0), 2(0.3, 0, 0), 3(0.3, 0.3, 0), 4(0, 0.3, 0), 5(0, 0.1, 0), 6(0.1, 0.1, 0)→OK 生成截面

Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Areas →Arbitrary →Through KPS →依次连接6个特征点: 1(0.1, 0, 0), 2(0.3, 0, 0), 3(0.3, 0.3, 0), 4(0, 0.3, 0), 5(0, 0.1, 0), 6(0.1, 0.1, 0)→OK 4.6 网格划分

Main Menu: Preprocessor →Meshing →Mesh Tool→(Size Controls) lines: Set →分别拾取左边2竖直边:OK→input NDIV: 10 和5 →Apply→拾取右条竖直边NDIV: 15 →； Set →拾取上直边:OK→input NDIV: 15 →Apply→分别拾取下边的两条横直边:OK →input NDIV: 10 和5 →OK →(back to the mesh tool window)Mesh: Areas, Shape: Quad, Free → Mesh → Close( the Mesh Tool window) 4.7 模型施加热约束

分别给两条对称边施加热流量0 (对称边界)的约束

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Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Thermal → Heat Flux → On Lines → 拾取(对称边)左边, Heat Flux: 0 → Apply → 拾取(对称边)下边，Heat Flux: 0 →OK 给内部边界加已知烟囱内表面的温度为100℃

Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Thermal →Temperature →On Lines → 分别拾取内部两边, 选TEMP → TEMP Value:100 →OK

给外部热对流边界加换热系数和外界温度30℃(heat film coefficients with associated ambient temperatures) Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Thermal →Convection → On Lines → 分别拾取外部两边, 输入：Film Coeffecient:20, Bulk Temperature:30 →OK 4.8 分析计算

Main Menu: Solution →Solve →Current LS →OK(to close the solve Current Load Step window) →OK 4.9 结果显示

Main Menu: General Postproc →Plot Results → Contour Plot → Nodal Solu… →select: DOF solution, Temperature →OK 4.10 退出系统

第二个工况 20cm

30cm

15 10 5

60cm 30

4.1 ANSYSED 10.0 →change the working directory into yours →input Initial jobname: t-chimney →OK 4.2设置计算类型

Main Menu: Preferences… →select Thermal → OK 4.3选择单元类型

Main Menu: Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete →Add →select Thermal Solid Quad 4node 55 →OK (back to Element Types window) → Options… →select K3: Plane →OK 4.4定义材料参数

Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models(定义内层材料)→Thermal →Conductivity →Isotropic →input KXX:1.4 → OK → Thermal →Convection or film Coefficient for Material Number 1 → T1:20 → OK → (back to Material Models window) → New Model →(定义外层材料) 2 →Thermal →Conductivity → Isotropic →input KXX:0.1 → OK 4.5、生成几何模型 特征点：①(0.1,0,0)，②(0.15,0,0)，③(0.15,0.15,0)，④(0,0.15,0)，⑤(0,0.1,0)，⑥(0.1,0.1,0)，⑦(0.3,0,0)，⑧(0.3,0.3,0)，

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⑨(0,0.3,0) OK 生成截面

Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Areas →Arbitrary →Through KPS →依次连接6个特征点: 1(0.1, 0, 0), 2(0.15, 0, 0), 3(0.15, 0.15, 0), 4(0, 0.15, 0), 5(0, 0.1, 0), 6(0.1, 0.1, 0)→Applay 再依次连接4个特征点: 7, 8, 9, 4, 3, 2→OK 通过布尔Glue运算，使两层烟囱合成整体体

Main Menu: Preprocessor →Modeling → Operate → Booleans → Glue → Areas → 依次拾取两层烟囱 → OK 4.6网格划分

Main Menu: Preprocessor →Meshing →Mesh Tool→(Size Controls)Element Attributes:选择Areas→Set→拾取内层模型→OK→MAT Material number选择1→OK→Areas Set→拾取外层模型→OK→MAT Material number选择2→OK

lines: Set →分别拾取左外边2竖直边:OK→input NDIV: 15 和5 →Apply→拾取烟囱壁内外层2竖直边：OK→input NDIV: 10和15→Apply；拾取右外竖直边OK→input NDIV: 30 →Apply；Set →分别拾取下边2横直边:OK→input NDIV: 5和15 →Apply ；Set →拾取烟囱壁内外层2横直边:OK→input NDIV: 10和15 →Apply；拾取上边的横直边:OK →input NDIV: 30→OK →(back to the mesh tool window)Mesh: Areas, Shape: Quad, Free → Mesh → Close( the Mesh Tool window) 4.7 模型施加热约束

分别给两条对称边施加热流量0 (对称边界)的约束

Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Thermal → Heat Flux → On Lines → 拾取(对称边)左边, Value: 0 → Apply → 拾取(对称边)下边，Value：0 →OK 给内部边界加已知烟囱内表面的温度为100℃

Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Thermal →Temperature →On Lines → 分别拾取内部两边, Value:100 →OK

给外部热对流边界加换热系数和外界温度30℃(heat film coefficients with associated ambient temperatures) Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Thermal →Convection → On Lines → 分别拾取外部两边, 输入：Heat Convection Coeffecient:20, Bulk Temp Value:30 →OK 4.8 分析计算

Main Menu: Solution →Solve →Current LS →OK(to close the solve Current Load Step window) →OK 4.9 结果显示

Main Menu: General Postproc →Plot Results → Contour Plot → Nodal Solu… →select: DOF solution, Temperature TEMP →OK 4.10 退出系统

（注：按照如上操作步骤得出的结果为图1所示，我们注意到在4.4定义材料参数时，设置了换热系数为20，在4.7又设置了换热系数（Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Thermal →Convection → On Lines → 分别拾取外部两边, 输入：Heat Convection Coeffecient:20, Bulk Temp Value:30 →OK），为验证是否重复设置，我们做如下2种尝试，第一种尝试为：在4.4不定义换热系数，而仅在4.7中给定，计算后结果如图2所示，通过与图1比较，未发现差异。第二种尝试，在4.4定义换热系数，而4.7中不予定义，计算结果如图3所示，明显属于不正常结果。）

由此得出结论：某些工作参数（不是材料本身参数）可不在最开始定义，只需在施加约束条件时定义；即使在最开始定义材料参数时给定过，若不在施加约束条件时再次给定，将会出现错误。

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图1 图2

图3

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