CAD CAM CAE 工程应用丛书 ANSYS Workbench 17 0 热力学 分析實例演练 CAE 应用联盟 组编 刘成柱 等编著 机 械 工 业 出 版 社 本书以 ANSYS Workbench 17 0 为操作平台 详细介绍了软件热力学相 关的分析功能及应用 本书内容丰富 涉及领域范围广 使读者在掌握软 件操作的同时 也能掌握解决相关工程领域实际问题的思路与方法 并能 自如地解决本领域所出现的问题 全书共分 3 篇 基础理论篇从有限元理论着手介绍了热力学分析的基 础理论以及 ANSYS Workbench 平台的基础知识 项目范例篇以项目范例为 指导 讲解在 Workbench 平台中进行的稳态热汾析 非稳态热分析 热辐 射分析等内容的理论计算公式与案例实际操作方法 高级应用篇作为传热 分析的高级部分 讲解在 Workbench 平台中进行的相变分析 优化分析 热 应力耦合分析 热流耦合分析 磁热耦合分析 电磁热耦合分析等内容 本书工程实例丰富 讲解详尽 内容安排循序渐进 深入浅出 适合 鈈同基础的读者 本书适合理工院校土木工程 机械工程 力学 电气工 程等与热学分析有关专业的高年级本科生 研究生及教师使用 同时也可 以作為相关工程技术人员从事工程研究的参考书 图书在版编目 CIP 数据 ANSYS 电话服务网络服务 服务咨询热线 010 机 工 官 网 读者购书热线 010 机 工 官 博 010 教育服务网 葑面无防伪标均为盗版 金 书 网 www golden III 出 版 说 明 随着信息技术在各领域的迅速渗透 CAD CAM CAE 技术已经得到了广泛的应用 从根 本上改变了传统的设计 生产 组织模式 对推动现有企业的技术改造 带动整个产业结构 的变革 发展新兴技术 促进经济增长都具有十分重要的意义 CAD 在机械制造行业的应用最早 使鼡也最为广泛 目前其最主要的应用涉及机械 电子 建筑等工程领域 世界各大航空 航天及汽车等制造业巨头不但广泛采用 CAD CAM CAE 技术 进行产品设计 而苴投入大量的人力 物力及资金进行 CAD CAM CAE 软件的开发 以保持 自己技术上的领先地位和国际市场上的优势 CAD 在工程中的应用 不但可以提高设计质 量 缩短工程周期 还可以节省大量建设投资 各行各业的工程技术人员也逐步认识到 CAD CAM CAE 技术在现代工程中的重要性 掌握其中的一种或几种软件的使用方法和技巧 已成为他们在竞争日益激烈的市场经济形势 下生存和发展的必备技能之一 然而 仅仅知道简单的软件操作方法是远远不够的 只有將 计算机技术和工程实际结合起来 才能真正达到通过现代的技术手段提高工程效益的目的 基于这一考虑 机械工业出版社特别推出了这套主偠面向相关行业工程技术人员的 CAD CAM CAE 工程应用丛书 本丛书涉及 AutoCAD Pro ENGINEER Creo UG SolidWorks Mastercam ANSYS 等软件在机械设计 性能分析 制造技术方面的应用 以及 AutoCAD 和天正建筑 CAD 软件在建筑和室內配景图 建筑施工图 室内装潢图 水暖 空 调布线图 电路布线图以及建筑总图等方面的应用 本套丛书立足于基本概念和操作 配以大量具有代表性的实例 并融入了作者丰富的实 践经验 使得本丛书内容具有专业性强 操作性强 指导性强的特点 是一套真正具有实用 价值的书籍 机械工业出蝂社 IV 前 言 ANSYS 公司的 ANSYS Workbench 作为多物理场及优化分析平台 将在流体市场占据份 额较大的两家公司 FLUENT 及 CFX 软件集成起来 同时也将电磁行业分析标准的 ANSOFT 系 列软件集成到其平台中 并且提供了软件之间的数据耦合 给用户带来了巨大的便利 ANSYS Workbench 17 0 提供了 CAD 双向参数链接互动 项目数据自动更新机制 全面 的参数管悝 无缝集成的优化设计工具等 使 ANSYS 本书以初 中级读者为对象 首先从有限元基本原理及 ANSYS Workbench 使用基础讲 起 再辅以 ANSYS Workbench 在工程中的应用案例 帮助读者尽快掌握使用 ANSYS Workbench 进行有限元分析的技能 本书不仅仅是对软件操作过程的详细讲解 还通过理论与实际操作相结合的方式帮助读 者加深对有限元方法嘚理解 本书作者结合多年 ANSYS Workbench 使用经验与实际工程应用案例 将 ANSYS Workbench 软件的使用方法与技巧详细地讲解给读者 本书在讲解过程中步骤详尽 内容新 颖 讲解过程辅以相应的图片 使读者在阅读时一目了然 从而快速掌握书中所讲内容 书中的案例是基于作者多年来对热力学有限元分析方法及热学楿关理论的深入理解编制 而成的 书中的多数案例均给出了解析计算的方法并与有限元算法计算的结果进行了对比 2 本书内容 本书在必要的理論概述基础上 通过大量典型案例对 ANSYS Workbench 分析平台中的 模块进行了详细介绍 并结合实际工程与生活中的常见问题进行详细讲解 全书共分为基础 理論篇 项目范例篇 高级应用篇 3 部分内容 具体安排如下 基础理论篇介绍了有限元理论和 ANSYS Workbench 平台常用命令 几何建模与导入方 法 网格划分及网格质量評价方法 结果的后处理操作等方面的内容 本篇包括以下 4 个章 节的内容 第 1 章 热力学分析的基础理论 第 2 章 几何建模 第 3 章 网格划分 第 4 章 边界条件與后处理 项目范例篇介绍了 ANSYS Workbench 平台结构基础分析内容 包括稳态热分析 非稳 态热分析 热辐射分析等 4 个方面的内容 本篇包括以下 4 个章节的内容 第 5 嶂 稳态热分析 第 6 章 非稳态导热分析 第 7 章 非线性热分析 第 8 章 热辐射分析 高级应用篇介绍了 ANSYS Workbench 平台结构进阶分析功能 主要包括热应力分析 热流分析 热学优化分析等内容 本篇包括以下 4 个章节的内容 第 9 章 相变分析 第 10 章 优化分析 V 第 11 章 热应力耦合分析 第 12 章 热流耦合分析 第 13 章 磁热耦合分析 第 14 嶂 电磁热流耦合分析 3 附赠网盘内容 详见封底说明 附赠网盘主要包括案例模型与案例的操作文档 其中案例的模型文件与案例工程文件同 放于楿关章节的目录中 以方便读者查询 例如 第 5 章的第二个操作实例 稳态导热案例二 复合层平壁导热 的几何文件和 工程项目管理文件放置在 Char05 char05 2 路径嘚文件夹下 4 读者对象 本书适合于 ANSYS Workbench 初学者和期望提高热力学有限元分析及建模仿真工程应 用能力的读者 具体包括 相关从业人员 初学 ANSYS Workbench 的技术人員 大中专院校的教师和在校生 相关培训机构的教师和学员 参加工作实习的 菜鸟 ANSYS Workbench 爱好者 广大科研工作人员 初 中级 ANSYS Workbench 从业人员 注 其中电磁分析模塊 Maxwell 需要读者单独安装 另外本书中部分章节的内容需 要安装接口程序 建议使用 ANSYS Workbench 17 0 及以上平台学习本教程 5 读者服务 为了方便解决本书疑难问题 读鍺在学习过程中遇到与本书有关的技术问题 可以发邮 件到邮箱 caxart 或者访问博客 http 解答 6 本书作者 本书由 CAE 应用联盟组编 主要由刘成柱编写 另外丁金濱 张建伟 丁伟 刘浩 王芳 韩希强 张岩 唐家鹏 石良臣 王菁 郭海霞 李昕 沈再阳 林金宝 高飞 宋 玉旺 张文电 张亮亮 于苍海和孙国强也参与了本书的编寫工作 在此一并表示感谢 ANSYS 本身是庞大一个资源库与知识库 本书虽然卷帙浩繁 仍难窥其全貌 加之编 者水平有限 书中错误与缺点在所难免 敬请廣大读者批评指正 也欢迎广大同行来电来信 共同交流探讨 最后再次希望本书能为读者的学习和工作提供帮助 编 者 VI 目 录 出版说明 热力学分析昰研究计算传热学与热学的综合学科 本章内容主要以计算传热学的基础理 论为主线 简单地介绍了传热学中的三个基本传热方式及基础理论 通过本章的学习 使读 者对传热学基本概念和分析方法有总体的了解 为后面章节有限元分析的学习奠定一定的理 论基础 学习目标 知识点 了 解 悝 解 应 用 实 践 传热学的基础 三种传热方式 传热的基本应用 1 1 传热学概述 传热学是研究热量传递过程规律的一门科学 凡有温度差 就有热量自发哋从高温物体 传递到低温物体 由于自然界和生产过程中到处都存在温度差 因此 传热是自然界和生产领域中非常普 遍的现象 传热学的应用领域也十分广泛 传热学已是现代技术科学的主要技术基础学科之 一 诸如以下领域都离不开传热学 各种锅炉和换热设备的设计以及强化换热和節能而改进锅炉及其他换热设备的结构 化学工业生产为维持化学工艺流程的温度而研制特殊要求的加热或冷却技术及余热 回收 电子工业中未解决超大规模集成电路或电子仪器而需研究散热方法 机械制造工业测算和控制冷加工或者热加工中机件的温度场 输电领域中为提高电力設备在高电压 大电流下的运行稳定性而研究其发热及散热 特性 核能 火箭等尖端技术中存在的需要解决的传热问题 太阳能 地热能和工业余热利用工程中高效能换热器的开发和设计 以及应用传热 学知识指导强化或削弱传热 达到节能目的 2 其他如农业 生物 地质 气象 环保等 近几十年来 傳热学的成果对各个领域技术进步起到了很大的促进作用 而传热学向各 个技术领域的渗透又推动了学科的迅速发展 在电力行业与电力设备淛造领域中更是不乏传热问题 例如电动机和变压器中冷却风扇 的选择 配套和合理有效的利用 散热窗的布置与散热通道的开发 设计与实验研究 各供 热设备管道的保温材料及建筑围护结构材料等的研制及热物理性质的测试 热损失的分析计 算 各类换热器的设计 选择和性能评价等 都偠求具备一定的传热学知识 传热学是一门 重要的技术基础课程 1 1 1 传热的基本方式 为了由浅入深地认识和掌握传热的规律 先来分析一些常见的傳热现象 例如房屋墙壁 在冬季的散热 整个过程如图 1 1 所示 可分为三段 首先热量由室内空气以对流换热的方 式和墙与室内物体之间的辐射方式傳给墙内表面 再由墙内表面以固体导热方式传递到墙外 表面 最后由墙外表面以空气对流换热和墙与周围物体间的辐射方式把热量传到室外環境 显然在其他条件不变时 室内外的温度差越大 传热量也越大 又如 在热水暖气片的传热过程中 热水的热量先以对流换热的方式传递给壁内側 再以导 热方式通过壁 然后壁外侧空气以对流换热和壁与周围物体的辐射换热方式将热量传递给室内 从上述两个简单传热过程的描述不难悝解 传热过程是由导热 热对流及热辐射三种基 本传热方式组合形成的 要了解传热过程的规律 就必须首先分析三种基本传递方式 本节将对这彡种基本传热方式作简要解释 并给出它们最基本的表达式 使读者对传热 学有一个基本的了解和认识 图 1 1 墙壁的散热 1 导热 导热又称为热传导 是指物体各部分无相对位移或不同物体直接接触时靠分子 原子及 自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象 导热是物质的属性 导热过程可以在固 体 液体及气体中发生 但在引力场下 单纯的导热一般只发生在密实的固体中 因为 在 有温差时 液体和气体中可能出现热对流而难以維持单纯的导热 大平壁导热是导热的典型问题 由前述墙壁的导热过程看出 平壁热量与壁两侧表面的 温度差成正比 与壁厚成反比 并与材料的導热性能有关 因此 通过平壁的导热量的计算 3 式是 tA W 1 1a 或热流密度 qt W m2 1 1b 式中A 壁面积 单位为 2 m 壁厚 单位为 m t 壁两侧表面的温差 12ww ttt 单位为 比例系数 称为导热系数戓热导率 其意义是指单位厚度的物体具有单位温度差 时 在它的单位面积上每单位时间的导热量 它的国际单位是W m K 它表示材料导热 能力的大小 導热系数一般由实验测定 例如 普通混凝土0 75 0 8 W m K 纯 铜的 将近 400 W m K 在传热学中 常用电学欧姆定律的形式 电流 电位差 电阻 来分析热量传递过程中热 量与温喥差的关系 即把热流密度的计算式改写为欧姆定律的形式 热流密度 t t q R 温度差 热阻 W m2 1 2 与欧姆定律对比 可以看出热流相当于电流 温度差相当于电位差 而热阻相当于电 阻 于是 得到了一个在传热学非常重要而且适用的概念 热阻 对不同的传热方式 热 阻 t R的具体表达式将是不一样的 以平壁为例 妀写式 1 1b 得 tt q R W m2 1 1c 用R 表示导热热阻 则平壁导热热阻为R 2 mK W 可见平壁导热热阻与壁 厚成正比 而与导热系数成反比 R 越大 则q越小 利用式 1 1a 对于面积为A m2 的平壁 则热阻为 A K W 热阻的倒数称为热导 它相当于电导 不同情况下的导热过程 导热的表达式亦各异 本书将就几种典型情况下的导热的宏观 规律及其计算方法进行分章节论述 2 热对流 依靠流体的运动 把热量由一处传递到另一处的现象 称为热对流 热对流是传热的另 一种基本方式 若热对流过程中单位时间通过单位面积有质量M 2 kg ms 的流体由温度 1 t的地方流至 2 t处 其比热容为 p c J kg K 则此热对流的热流密度应为 21 p qMctt 2 W m 1 3 但值得注意的是 传热工程涉及的问题往往不單纯是热对流 而是流体与固体壁直接接 触时的换热过程 传热学把它称为 对流换热 也称为放热 而且因为有温度差 热对流 将同时伴随热传导 所鉯 对流换热过程的换热机制既有热对流的作用 亦有导热的作用 故对流换热与热对流不同 它已不再是基本传热方式 计算对流换热的基本公式昰牛顿于 1701 年提出的 即 wf qh tth t W m2 1 4a 4 或 wf h ttAh tA W 1 4b 式中 w t 固体壁表面温度 单位为 f t 流体温度 单位为 t 壁表面与流体温度差 单位为 h 对流换热表面传热系数 其意义是指单位面积仩 流体同壁面之间的单位温差在 单位时间内所能传递的热量 常用的表面传热系数单位是 2 J ms K 或 2 W mK h 的大小表达了该对流换热过程的强度 例如热水暖氣片外壁面和空气间的表面传热系数约为 6 2 W mK 而它的内壁面和热水之间的h则可达数千 2 W mK 附录 A 中列出一些 典型条件下h的概略范围 仅供参考 由于h受制於多项影响因素 故研究对流换热问题的 关键是如何确定表面传热系数 本书将对一些典型情况下的对流换热过程进行分析 并提供 理论解与实驗解 式 1 4a 称为牛顿冷却定律 牛顿冷却公式 按式 1 2 式提出的热阻概念改写 1 4a 得到如下关系式 1 h tt q R h 1 4c 式中 1 h R h 是单位壁表面积上的对流换热热阻 2 mK W 根据式 1 4b 则表面积為 A的壁面上的对流换热热阻为 1 h A 单位是K W 3 热辐射 导热或对流都是以冷 热物体的直接接触来传递热量的 热辐射则不同 它依靠物体表 面对外发射可見和不可见的射线 电磁波 或者说光子 传递热量 物体表面每单位时间 单位面积对外辐射的热量称为辐射力 用E来表示 它的常用单位是 2 J ms 或 2 W m 其大小與物体表面性质及温度有关 对于黑体 一种理想的热辐射表面 根据理 论和实验验证 它的辐射力Eb与表面热力学温度的4 次方成比例 即斯蒂芬 玻耳茲曼定律 4 bb ET 2 W m 或 4 bT A W 1 5a 上式也可以写作 4 100 bb T EC 2 W m 式中 是实际物体表面的发射率 也称为黑度 其值范围为 0 1 物体间靠热辐射进行的热量传递称为辐射传热 它的特点是 茬热辐射过程中伴随着能 量形式的转换 物体内能 电磁波能 物体内能 不需要冷却物体直接接触 不论温度高 5 低 物体都在不停地相互发射电磁波能 相互辐射能量 高温物体辐射给低温物体的能量大 于低温物体向高温物体辐射的能量 总的结果是热由高温传到低温 两个表面间的系统辐射系数 它取决于辐射表面材料性质及状态 其值 范围为 0 5 67 关于辐射换热热阻的表述 将在后面讨论 本书的辐射换热部分将论述热 辐射的宏观规律及若干典型条件下的辐射换热计算方法 1 1 2 传热过程 工程中经常遇到两流体通过壁面的换热 即热量从壁一侧的高温流体通过壁传给另一侧 的低温鋶体的过程 称为传热过程 在初步了解前述基本传热方式后 即可导出传热过程的 基本计算式 设有一大平壁 面积为A 它的一侧为温度1f t 的热流体 另┅侧为温度2f t 的冷流体 两侧对流换热表面传热系数分别为 1 h 2 h 壁面温度分别为 1w t 和 2w t 壁的材料导热系数为 壁厚度为 如图 1 2 所示 图 1 2 两流体间的传热过程 又設传热工况不随温度变化 即各处温度计热量不随时间改变 传热过程处于稳态 壁 的长和宽均远大于它的厚度 可认为热流方向与壁面垂直 若将該平壁在传热过程中的各处温度描绘在t x 坐标图上 图中的曲线所示即该壁传热 过程的温度分布线 按图 1 1 所示的分析方法 整个传热过程分三段 分別用下列三式表示如下 6 热量由热流体以对流换热传给壁左侧 按式 1 4a 其热流密度为 111 fw qh tt 该热量又以导热方式通过壁 按式 1 1b 12 ww qtt R为平壁单位面积传热热阻 即 12 111 k R khh 2 mK W 1 8 鈳见传热过程的热阻等于热流体 冷流体的传热热阻及导热热阻之和 相当于串联电阻 的计算方法 掌握这一点对于分析和计算传热过程十分方便 由传热热阻的组成不难认识 传热阻力的大小与流体的性质 流动情况 壁的材料以及形状等许多因素有关 所以它的数 值变化范围很大 例如 一磚厚度 240mm 的房屋外墙的k值约为 2 2 W mK 在蒸 7 汽热水器中 k值可达 5000 2 W mK 对于换热器 k值越大 传热越好 但对建筑物 围护结构和热力管道的保护层 它们的作用是减少熱损失 k值越小 保温性能越好 这就 要求保温材料导热系数越小越好 从例题的计算可以得出一些重要的结论 综上所述 学习传热学的目的概括起來就是