取工应系动公串 ANSYS 通过实例译细介绍了如何 用 ANSYS解决工程中常见 与电关分析问 工程应用教程 热与电磁学篇 以的形式似了 技能技巧 兴范群波张朝图李之暑 ★直双的图形界面,使初学者轻松而 金书深入浅出地不把手地讲 深刻的学会ANSY热和电错场 解如何就具体的热学和电磁学 的基本方法和技巧 问题进行分析模和求解。 热分析和电磁场分析采用不同 的编写风格,避免了叙述上 重复,增加了阅读的题味性。 出铁出社
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H口TM口LD.G口M 前言 白上个世纪后半叶以来,人类科技便以六可阻挡之势迅猛向前发展。而其中最具代表性 的当数计算机科学的进步。对于工程界的”大人而言,这不可不谓是一种福音。在工程实 际应用的诸多领域里,为寻求可靠的、最优的工艺和技术方案,以往所凭借和依赖的直觉、 经验、实验和“尝试法”随着匚艺要求的凵益严格,追求质埽所引发争的山臻激烈,已开 始显得力不从心。倘若利用计算机这宄进三段,并辅以相应轶件,进行虚拟加工,则叮提 高产品加工质量,省时省力,降低成本 ANSYS正是在这样一种大前提下,应运生:它是目前世界范围内增长最快的CAE软 件,也是迄今为世界范|内唯一通过1s901质最认证的分析设计类软件,是美国机械工 程师协会(ASME)、圉核安全局(NQA)及近:|种专业技术协会认证的标准分析软件。在 中国它是第个通过中国压力容器标准化技术委员会认证,并在17个部委推广使用的分析软 件,拥有数自家之广大的中国用户群。 随着 ANAYS版本的不更新, ANSYS的应用领域也日益广泛。作为融结构、热、流体、 电磁、声学于体的大型通用有限元分析软件,可广泛用于核工业、铁道、亻油化工、航空 航大、机械制造、能源、汽乍交通、国防军1、电子、上木‘程、造船、生物佐学、轻⊥ 地矿、水利、日用家电、等一般匚业及科学研究领域 木书尽量避开烦琰的理论描述,而主要通过丰富的实例详细讲述了如何利用 ANSYS有 限元软件求解目前工程中遍而临的各类热与电磁场分析问题。热分析中包括稳态热分析、 瞬态热分析、热辐射、相变、热应丿等,电磁场分析中包括_维静态、谐性、瞬态磁场分析, 三维静态、谐性、瞬态磁场分析、高顽电磁场分析和电玚分析等。木书尤其适用于刚刚接触 ANSYS并渴望快速入门的1稈技术人员,也叮满足高年级本科生和研究生学习热及电磁场 分析计算的需要。仝书本着深入浅出的原则,按图形用户界面以及命令流两种方式手把手地 向您详细讲解了如何就其体的热学和电磁场问题进行分析、建模以及采取何种策略进行求解。 本书的大特色是:以“提示”的形式提供大量的技能技巧,相信会让紆一位对此领域感兴 趣的人爱不释手! 在编写过稈中,热分析和电磁场分析分别采用了不同的编写风格。这方面基于它们各自相 对独立自成体系:另一方面也为了避免一些叙述上的重复和增加阅读的趣味性。总之,对于初涉 ANSYS的读者而言,会让你轻松而深刻地学会 ANSYS热和电磁场分析的基木方法和技巧 木书主要由北京理人学的唐兴伦、范群波、张朝晖博士和大庆石油学院的李春阳硕士 共同执笔编写,此外,冯浩然、周密觅、陈括、刈晓亮、十扬卫、孙明、周珊珊、肖伟华、 刘远宏、土少红、科向前以及杜世强等同志也参加了某些苧节的编撰和资料整理作,陈贤 淑、陈晓娟、麽康良等同志参与了本书的编排I作,在此编者向他们表示衷心的感谢。 们时间仓促,加之编者水平有限,书缺点和错误在所难免,恳请专家和”大读者不 吝赐教,批评指。 编者 2002年10月
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H口TM口LDc口M 目录 第1篇 ANSYS热分析 第1章概述 1.1 ANSYS热分析简介… 12 ANSYS如何进行热分析 4 13耦合场分析 1.3.1直接耦合法 ].3.2问接耦合法 1.4图形用户界面与命令流 第2章热分析基础知识…. 21三种基本传热方式 21.l传导 2.1.2对流 2.13辐射 22热分析基本材料属性… 221比热容( Specific Heat) 222焓( Enthalpy) 22.3生热率( Heat Generation Rate) 23三类边界条件…… 231第一类边界条件 23,2第二类边界条件 233第三类边界条件 24初始条件 2.5热载荷 2.5.1溘度 2.52热流率 2.53对流… 13 254热流密度 2.55生热率 26稳态与瞬态热分析 14 第3章稳态热分析………
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H口TM口LD.G口M 2 ANSYS多程感用度租 热写电砣学 3稳态热分析的应用 3.2稳态热分析单元 33稳态热分析公式 34稳态热分析基本步骤. 55677 34.1构建模刑 3.4.2施加载荷计算 34.3求解 344后处理 3.5一个稳态热分析实例 35.1问题的提出 3.52问题的求解步骤… 3..3命令流文件 39 第4章瞬态热分析…. 4.瞬态热分析的应用 .4l 4.2瞬态热分析公式 41 4.3瞬态热分析苹本步骤 43.1构建模型 43.2施加载荷计算 43 4.3.3求解 4.3.4后处理 44一个瞬态热分析实例 44.1问题的提出 44.2问题的求解 ·+“ 48 443命令流文件 第5章辐射 5.辐射热分析的应用 52辐射热分析常用单元 5.3热辐射常规概念 53.1黑体 532灰体… 533角系数 54热辐射公式 54.1角系数的计算 54.2辐射计算方程 5.5求解方法 5.5.1非隐藏法’隐藏法 55.2点一…点问题 5.3点一面问题
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5江钱Mold.com 1咋曾 目录 554面一宙问题及AUX12矩阵生成器 64 56罕间节点的使用 57一个热辐射分析实例 571问题的提出 572问题的求解…… 573命令流文件 第6章 ANSYS热分析高级进阶…… 7 6.1相变 77 62热应力分析 179 第7章 ANSYS热分析例题集 例题1:稳态热分析(1) 例题2:稳态热分析(2) .87 例题3:瞬态热分析 例题4:相变 例题5:辐射… 例题6:热应力 l13 例题7:综合 第2篇 ANSYS电磁场分析 第8章电磁场有限元分析简介 .141 8.1电磁场基本理论 14l 8.11麦克斯韦方程 14l 8.12-般形式的电磁场微分方程 143 813电磁场屮常地边界条件… 8.2电磁场求解的有限元法 8.2.1-维有限元法 144 822电磁场解后处理…… 8.3 ANSYS电磁场分析简介 8.3.1 ANSYS电磁场分析分类 8.3.2 ANSYS怎样进行电磁场分析 151 833 ANSYS电磁场分析的图形用户界面方式和命令流方式 52 8.3.4 ANSYS电磁场分析的应用领域 第9章二维静态磁场分析 53 9二维静态磁场分析中的单元 153 9.:维实体单元 912维远场单元 154
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H口TM口LD.G口M 家时N的8包应用度圈 热与电学 92一个维静态磁场分析实例 921问题的描述 922 ANSYS求解 923查看结果(后处理 93分析中的注意事项 163 9.3.1建模 93.2定义材料性能 933网格显示 94 ANSYS分析的命令流… 第10章二维谐性磁场分析 10.t2D谐性磁场分析中的单元 167 10.11维实体单元 167 10.1.2二维远场单元 167 10.1.3通用电路单元( General Circuit Elements) 10.2线性谐性分析实例 168 10.2.l问题描述 168 10.22 ANSYS求解(GUI) .169 102.3命令流形式求解 03非线性诸性分析 1031问题描述 t03.2 ANSYS求解 1033命令流形式求解 l87 104谐性分析注意事项 1041网格划分 189 1042加载设置 l043后处理 第11章二维瞬态磁场分析 193 111瞬态分析特征… ll11边界条件与加载… 11.1.2求解 194 113查看结果 195 112瞬态分析实例 195 112.1问题描述 195 112.2 ANSYS求解(GUl) 112.3后处理 20l l12.4命令流形式求解 132D瞬态分析注意事项 113.1宏命令的使用 205
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:4k MOEPH :、 身·8 自录 1.3.2读取某时刻的求解结果… 208 1.33定义组件 术来 209 第12章三维静态磁场分析 12l3D静态磁场分析中的单元 2!l 12113D实体单元 212 12.L.2三维界面单元 12.13三维联结单元… 213 1214三维远场联结单元… 12.1.5单元边法用单元 214 12.23D静态磁场分析(标量势法)∴ 12.21问题描述… 214 1222 ANSYS求解(GUI)… 215 12.2.3标量势法的命令流求解 1233D静态磁场分析〔单元边法) 123.1问题描述 12.3.2 ANSYS求解(GUI) 12.3.3单元边法的命令流求解 第13章3D谐性与瞬态分析 233 13.13D请性分析 13 问题描述 233 13.1.2 ANSYS求解(GUI) 13.1.3命令流求解… 13.23D瞬态磁场分析 13.2.1问题描述 240 1322 ANSYS求解(GU)…… 240 13.23瞬态分析命令流求解 13.3基于节点的3D磁场分析 244 第14章高频电磁场分析 245 141高频电磁场分析中的单元… 245 14.2导行电磁波分析. 246 14.2.1问题描述 14.22 ANSYS求解(GiUI)… 247 14.23命令流求解 14.3电磁谐振腔分析 54 143.问题描述 254 143.2 ANSYS求解(GU 255 14.33命令流求解 257
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Hotmold.Com 热与电学阁 144电磁辐射分析… 144l问题描述 259 14.42命令流求解 第15章电场分析…… 15.1电场分析中的单元… 265 15.1.1竿单元 265 15.1.2维实体单元 13三维实体单元 266 1.4壳单元 !5.1.5远场单元… 152电场分析实例(GUI) 152.1问题描述. 15.22 ANSYS求解(GUI) 15.2.3命令流求解 270
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H口TM口LD.G口M 第 随着现代[业的发展,传热学几乎渗透到」业中的各个领 域,同时也对农、林、医、生物、气象和信息等的发展起着日 益重要的作用,研究的是日常生活和工程中一种非常普遍的现 象。本篇遵循基木理论与实际问题相结合的原则和由简单到复 杂的写作顺序,介绍了有关热分析的基础知识、稳态传热、瞬 态传热以及辅射的相关理论和 ANSYS的求解方法及步骤,并 对相变和热应力分析这两类较复杂的问题进行了剖析。最后, 利用大量实例针对前述章节的个别问题和综合问题向读者展示 了使用 ANSYS解决各类热分析问题的方法。 本篇的内容安排如下 第1章概述 第2章热分析基础知识 第3章稳态热分析 第4章瞬态热分析 第5章辐射 第6章 ANSYS热分析高级进阶 第7章 ANSYS热分析例题集
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H口TM口LD.G口M 第1章 概述 11 ANSYS热分析简介 在实际生产过程中,常常会遇到各种各样的热量传递问题:如计算某个系统或部件的温 度分布、热量的获取或损失、热梯度、热流密度、热应力、相变等。所涉及的部门包括:能 源、化工、冶金、建筑、电了、航空航天、农业、制冷、船舶等。以机械加工为例,往往需 要佔算和控制工件的温度场,分析不同工作条件下,不同材料及几何形状对温度场变化的影 响,以及防止加工过程L件中缺陷的产生。由此可见,传热学问题对我们实际牛产和生活的 影响有多么巨大。 ANSYS作为新颖的有限元分析软件在处理热分析问题方面具有强大的功 能,而且界面友好,易于掌握。您可以随心所欲地选择图形用户界面方式(GUI)或命令流 为式进行计算。其快速的网格划分功能以及强大的结果后处理功能,都会让您倍感亲切。 在 ANSYS公司推出的众多产品中,有五种产品能够进行热分析,如图11所示,包括 ANSY S/Multiphysics、 ANSYS/ Mechanica!、 ANSYS/Thermal、 ANSYS/ FLOTRAN、 ANSYS/ED Multiphysics ( ANSYS热 Thermal 分析产 FLOTRAN 图 如图1-2所示,进入 Main menu> Preferences后,选择与热分析相关的关键字可以过滤图 形用广界面
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