microbik.ru
1

Глава 3. Общие процедуры теплового анализа


3.1. Краткий обзор главы


  1. Различают три основных этапа теплового анализа, выполняемого в программе ANSYS. Перечислим их:

1. построение модели;

2. приложение нагрузок и получение решения;

3. просмотр и анализ результатов.

  1. В первой половине главы содержится описание общей процедуры теплового анализа с тем, чтобы дать полное представление о том, как начать анализ.

  2. Во второй половине главы приведен простой пример, чтобы показать основные шаги, используемые в стационарном тепловом анализе.


Три стадии анализа с помощью программы ANSYS являются общими для всех типов анализа (прочностного, теплового, магнитного и т.д.).


Построение модели

Укажите имя-идентификатор (jobname), которое будет присваиваться всем файлам, используемым при анализе. Затем используйте препроцессор PREP7, чтобы задать свойства материалов, типы конечных элементов и геометрию модели.


Приложение нагрузок и получение решения

Используйте процессор решения (SOLUTION) для того, чтобы указать вид анализа и условия приложения тепловых нагрузок, а затем инициализировать получение конечно-элементного решения.


Значительная часть информации, которая задается на стадии решения (тип и опции нагрузок), может быть также указана с помощью процессора PREP7. Однако для задания таких данных предпочтительнее использовать процессор решения SOLUTION.


Просмотр результатов

Для просмотра результатов используйте постпроцессор общего назначения (POST1) или постпроцессор истории нагружения (POST26). Оценивайте результаты с помощью их графического отображения на экране, табличных распечаток, графиков в координатах X-Y и т.д.


Постпроцессор общего назначения POST1 используется для просмотра результатов для всей модели, относящихся к одному шагу по времени. Постпроцессор истории нагружения POST26 используется для обзора результатов во всем временном интервале.


3.2. Поток данных в типичном тепловом анализе


Все фазы ANSYS анализа обращаются к одной общей базе данных. Поток данных в типичном тепловом анализе показан на схеме ниже.


^ Файл данных


Программа ANSYS работает с одной большой базой данных, которая сохраняет все входные данные и полученные результаты. Преимущество общей базы данных состоит в том, что данные, определенные в одном процессоре, являются доступными для других процессоров. Это означает, что можно выбирать, вносить в список и отображать большинство данных модели из любого места программы.


Команда SAVE может использоваться в любое время в течение анализа, чтобы сохранить базу данных. (Команда сохранения должна использоваться для того, чтобы позже дать возможность использовать команду восстановления данных.) База данных записана в файл с именем Jobname.DB. Команда восстановления RESUME используется для считывания содержимого файла базы обратно в базу данных.


Результаты, полученные на стадии решения записываются в файл для теплового анализа, называемый Jobname.RTH. В этот файл записываются результаты для всех промежуточных шагов решения, тогда как в базе данных сохраняются результаты только для последнего расчетного шага. Это дает возможность обратиться к окончательным результаты анализа сразу же после завершения процесса решения.


  1. Ниже приводится план действий пользователя при выполнении теплового анализа, который состоит из трех частей, соответствующих трем стадиям анализа.

  2. Пользователям программы ANSYS большинство приведенных в этом плане действий должно быть знакомо.

  3. Шаги, которые являются типичными для простого стационарного теплового анализа, помечены в плане. Они будут рассмотрены на примере расчета.

  4. В следующих главах будут подробно рассмотрены те шаги, которые требуют больше времени и внимания.



3.3. План типичного теплового анализа

  1. Ввод программы ANSYS системной командой.

Построение модели

  1. Задание имени (jobname) задачи командой /FILNAME*.

  2. Задание заголовка анализа командой /TITLE*.

  3. Задание системы единиц командой /UNITS*.

  4. Ввод препроцессора PREP7 командой /PREP.

  5. Задание типа элементов и опций командой ET или с помощью панели управления.

  6. Задание реальных констант командой R или с помощью панели управления**.

  7. Задание свойств материалов командой MP.

  8. Создание геометрии модели с помощью твердотельного моделирования или прямой генерацией узлов и элементов:

  9. построение модели;

  10. задание параметров сетки командами ESIZE, ESHARE и т.д.;

  11. сохранение базы данных командой SAVE*;

  12. построение сетки командой xMESH;

  13. выход из препроцессора PREP7 командой FINISH.

Приложение нагрузок и получение решения

  1. Ввод процессора решения SOLUTION командой /SOLU.

  2. Задание вида и опций анализа командой ANTYPE или с помощью панели управления **.

  3. Приложение нагрузок

ограничение степеней свободы - задание температур командами ^ D, DK;

задание “тепловой нагрузки“ (теплового потока) командами F, FK;

задание поверхностных нагрузок (конвекции и плотности теплового потока) командами SF, SFL;

задание объемных нагрузок (генерации тепла) командой BF;

  1. Определение опций шага нагрузки**.

  2. Сохранение базы банных командой SAVE*

  3. Запуск задачи на счет командой SOLVE.

  4. Выход из процессора SOLUTION командой FINISH.

Просмотр результатов

  1. Ввод постпроцессора POST1 командой /POST1.

  2. Восстановление базы данных командой RESUME**.

  3. Считывание результатов из файла результатов командой SET**.

  4. Считывание результатов для ряда элементов командой ETABLE**.

  5. Показ результатов с помощью команд PLNSOL, PLESOL, PLETAB и т.д.

  6. Получение листинга результатов командами PRNSOL, PRESOL, PRETAB.

  7. Выход из постпроцессора POST1 с помощью команды FINISH.

Выход из программы ANSYS (/EXIT)

____________________________________________________

*Этот шаг необязателен, но рекомендуется его выполнять.

**Этот шаг может и не потребоваться.


ПРИМЕР

  1. Через толстостенный цилиндр протекает горячая жидкость. Каково будет распределение температуры в стенке цилиндра?




Теплопроводность материала цилиндра равна k.

Все размеры приведены в сантиметрах (масштаб отсутствует).

Значения исходных данных для этого примера:

k

=

2.15

Вт/см.С

hfi

=

2.75

Вт/см2.С



TВo

=

24

С


3.3.1. Построение модели


Для конечно-элементной модели цилиндра используется двумерный осесимметричный тепловой элемент PLANE55.


  1. Укажите имя-идентификатор расчета (jobname) командой /FILNAME. (Здесь же можно задать заголовок анализа и единицы измерения.)




  1. В препроцессоре PREP7 необходимо задать все размерные величины (геометрические размеры, свойства материала и значения нагрузок).


^ При входе в программу ANSYS для выполнения анализа следует перед вызовом препроцессора выполнить несколько действий.


Первым важным шагом является задание с помощью команды /FILNAM имени-идентификатора, которое будет использоваться для рабочих файлов. Всем файлам, открытым после команды /FILNAM, будет присвоено заданное имя с различными расширениями: имя.DB, имя.RST, имя.EMAT и т.д.). Если такое имя не указано, то по умолчанию будет использоваться имя “FILE”.


Команда /TITLE используется, чтобы задать заголовок, который сопровождает выводимые графики и распечатки результатов. Командой /STITLE можно ввести до четырех подзаголовков.


Командой /UNITS можно обозначить используемую систему единиц измерения в виде метки для напоминания. К этой метке можно обратиться с помощью команды STATUS. Команда /UNITS используется только для удобства пользователя и не влияет на результаты, т.е. не выполняет преобразование единиц измерения.


! Семинар по теплопередаче (версия 5.0)

! Глава 3, Пример-”Толстостенный цилиндр”



!

/FILNAM,CYLINDER ! Собственное имя задачи

/TITLE,Толстостенный цилиндр

/UNITS,SI

/PREP7

k=2.15 ! Заданные параметры

hfi=2.75

Tbi=650

hfo=1.90

Tbo=24

X1=10

X2=X1 + 1

Y1=0

Y2=0.1


Очень удобно создавать модель в параметрическом виде. Задавая все размеры через параметры, можно легко изменить первоначальный вариант, просто переопределяя значения параметров.


  1. Используйте управляющую панель элемента, чтобы установить тип элемента и задать опцию осесимметричности. (Подробнее об этом см. в Главе 4.)


ET,1,55 ! Справочный тип элемента 1 = PLANE55

KEYOPT,1,3,1 !Опция 3 определяет осесимметричность элемента 1


  1. Задайте теплопроводность k командой MP (метка KXX). (Для этой расчетной модели свойства материала линейны. Нелинейные свойства материалов рассмотрены в Главе 4.)


MP, KXX, 1, k !Теплопроводность KXX для материала 1


  1. Используйте геометрический примитив прямоугольника (команда RECTNG), чтобы задать геометрию твердой модели.


RECTNG,X1,X2,Y1,Y2 ! Примитив прямоугольника

APLOT



  1. Установите размеры элемента .0375”/2, т.е. 0.5 мм, командой ESIZE* и разбейте твердотельную модель на элементы.


ESIZE,Y2/2 ! Задаем размеры сетки:размер элемента = Y2/2

SAVE

AMESH,1 ! Разбить на элементы площадь 1


FINISH ! Выход из PREP7


* Параметр команды ESIZE задает 2 элемента в направлении оси y. Так как в этом направлении теплопроводность не меняется, то было бы достаточно одного элемента.


^ Полезно периодически сохранять параметры модели командой SAVE или используя соответствующие кнопки меню. В команде SAVE можно указать имя файла, в который записываются данные. Если имя файла не введено, то данные сохраняются в файле с именем Jobname.DB. Сохранение модели особенно полезно делать перед построением сетки на твердотельной модели: если сетка оказывается не такой, как нужно, можно восстановить сохраненную модель и построить сетку заново.


^ 3.3.2. Задание нагрузок и получение решения


На стадии решения:


  1. Используйте манипулятор “мышь”, чтобы с помощью курсора задать условия конвективного теплообмена как поверхностную нагрузку. Команда SFL используется, чтобы приложить поверхностную нагрузку к линии.




  1. ^ Границы без тепловых нагрузок - адиабатические.

SFL, LINE, Lab, VALI, VALJ, VAL2I. VAL2J

LINE - номер линии (может принимать значения PICK, ALL) ;

Lab - метка поверхностной нагрузки;

конвекция - CONV или плотность теплового

потока - HFLUX;

задается конвекция ;


VALI,VALJ -значения нагрузок для крайних ключевых точек (коэффициент теплоотдачи, если Lab=CONV. Задается только ^ VAL1, для одинаковой по поверхности           нагрузке, оба при разной).

VAL2I,VAL2J - температуры для конвективных

нагрузок.


Границы, для которых не заданы температуры, значения теплового потока, условия конвекции или плотности тепловых потоков, предполагаются адиабатическими поверхностями (совершенно теплоизолированными). Таким образом, по умолчанию все границы являются адиабатическими. Следует обратить внимание на то, что если на поверхности симметрии отсутствуют какие-либо нагрузки, то граничные условия симметрии оказываются заданными автоматически!


^ Приложение нагрузок к твердотельной модели (с помощью команды SFL или других команд задания нагрузок) удобно потому, что нагрузки не связаны с сеткой конечных элементов. Это значит, что можно менять разбиение модели на конечные элементы без необходимости переопределять нагрузки.



/SOLU

SFL,4,CONV,hfi,,TBi


SFL,2,CONV,hfo,,TBo


SFLLIST

/PSF,CONV,HCOE,1

LPLOT


! Задать условия конвекции на линии 4

! (внутренняя поверхность)

! Задать условия конвекции на линии 2

! (внешняя поверхность)


! Показать конвективные нагрузки

! Построить линии




  1. Инициализируйте конечно-элементное решение командой ^ SOLVE. После выполнения решения завершите эту стадию команой FINISH.




SOLVE

FINISH

! Инициализация решения

! Завершение стадии решения



Команда SFL задает поверхностные нагрузки на твердотельной модели. Однако для получения конечно-элементного решения нагрузки должны быть приложены к конечным элементам модели. Перед началом решения программа автоматически прикладывает твердотельные нагрузки к узлам и элементам. (Для этой цели можно также использовать команды SFTRAN и SBCTRAN).


^ 3.3.3. Просмотр результатов в постпроцессоре


В постпроцессоре POST1:


  1. С помощью команды PLNSOL постройте распределение узловых температур.


/POST1

PLNSOL,TEMP

TEMP

TERC=0.082078

SMN=257.017

SMX=472.907

CONV


472.907

448.919

424.932

400.944

376.956

352.968

328.98

281.005

257.017


POST1 - постпроцессор, используемый для просмотра результатов стационарного анализа для всей модели. Результаты решения находятся в базе данных и доступны для постпроцесора, если после завершения решения не было выхода из программы ANSYS.


Удобным способом анализа узловых температур является построение линий равных значений - в виде цветовой диаграммы, представляющей распределение температур в стенке цилиндра. Это достигается использованием команды PLNSOL.


  1. Постройте график распределения температур по толщине стенки, указав “маршрут” для профиля результатов между узлами в нижних углах модели. (Подробнее об отображении результатов см. в Главе 6.)


/PNUM, NODE, 1 !Показать номера узлов

NPLOT

LPATH,1,2 !Определить маршрут между узлами 1 и 2

(это можно сделать в интерактивном режиме

курсором мыши)

PDEF,T,TEMP !Интерполяция температур вдоль профиля

и задание метки переменной T

PLPATH,T !График переменной Т от расстояния


Расстояние


Толстостенный цилиндр


Профили результатов позволяют видеть изменение какой-либо величины вдоль некоторого “маршрута”, указанного для модели. Для задания маршрута может использоваться до десяти узлов. После указания маршрута соответствующие данные интерполируются, а затем происходит обращение к ним. Профиль результатов отображается в графическом виде или в табличной форме.

^ Имеются и другие прикладные программы для отображения результатов на участках модели, они будут рассмотрены в следующих главах.

  1. Завершите работу с процессором POST1. Затем выйдите из программы ANSYS.


FINISH !Выход из PREP7

/EXIT !Выход из ANSYS и сохранение данных модели


Команда /EXIT, которая используется для выхода из программы ANSYS, имеет несколько опций для сохранения базы данных. Если задать команду /EXIT без параметров, все данные модели сохраняются. Другие опции позволяют сохранить результаты решения и данные после их обработки в постпроцессоре либо вообще не сохранять никаких данных.

Информация, относящаяся к базе данных, сохраняется в файле Jobname.DB.


3.4. Резюме


  1. Основные действия при выполнении типичного теплового анализа разбиваются на три этапа: формирование модели, приложение нагрузок и решение, просмотр результатов.

  2. Как руководство при решении собственных задач можно использовать рассмотренный в этой главе план теплового анализа.

  3. Большинство необходимых действий является общим для всех типов анализа и должно быть знакомо пользователю.