鬼父和听爸爸的话:ANSYS热分析指南 第四章 瞬态传热分析

来源:百度文库 编辑:九乡新闻网 时间:2024/03/28 22:33:55

第四章 瞬态传热分析

一、瞬态传热分析的定义

瞬态热分析用于计算一个系统的随时间变化的温度场及其它热参数。在工程上

一般用瞬态热分析计算温度场,并将之作为热载荷进行应力分析。

瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似。主要的区别是瞬态热分析中的载荷

是随时间变化的。为了表达随时间变化的载荷,首先必须将载荷~时间曲线分为载

荷步。载荷~时间曲线中的每一个拐点为一个载荷步,如下图所示。

对于每一个载荷步,必须定义载荷值及时间值,同时必须选择载荷步为渐变或

阶越。

二、瞬态热分析中的单元及命令

瞬态热分析中使用的单元与稳态热分析相同。要了解每个单元的详细说明,请

参阅《ANSYS Element Reference Guide》。要了解每个命令的详细功能,请参阅

《ANSYS Command Reference Guide》。

三、ANSYS 瞬态热分析的主要步骤

· 建模

· 加载求解

· 后处理

四、建模

· 确定jobname、title、units, 进入PREP7;

· 定义单元类型并设置选项;

· 如果需要,定义单元实常数;

· 定义材料热性能:一般瞬态热分析要定义导热系数、密度及比热;

· 建立几何模型;

· 对几何模型划分网格。

关于建模及划分网格,请参阅《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。

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五、加载求解

1、定义分析类型

· 如果第一次进行分析,或重新进行分析

GUI: Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis>Transient

Command: ANTYPE,TRANSIENT,NEW

· 如果接着上次的分析继续进行(例如增加其它载荷)

GUI: Main Menu>Solution>Analysis Type>Restart

Command: ANTYPE,TRANSIENT,REST

2、获得瞬态热分析的初始条件

①、定义均匀温度场

如果已知模型的起始温度是均匀的,可设定所有节点初始温度

Command: TUNIF

GUI: Main Menu> Solution>-Loads->Settings>Uniform Temp

如果不在对话框中输入数据,则默认为参考温度,参考温度的值默认为零,但

可通过如下方法设定参考温度:

Command: TREF

GUI: Main Menu> Solution>-Loads->Settings>Reference Temp

注意:设定均匀的初始温度,与如下的设定节点的温度(自由度)不同

Command: D

GUI: Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Temperature>On Nodes

初始均匀温度仅对分析的第一个子步有效;而设定节点温度将保持贯穿整个瞬

态分析过程,除非通过下列方法删除此约束:

Command: DDELE

GUI: Main Menu> Solution>-Loads->Delete>-Thermal-Temperature>On Nodes

②、设定非均匀的初始温度

在瞬态热分析中,节点温度可以设定为不同的值:

Command: IC

GUI: Main Menu> Solution>Loads>Apply>-Initial Condit'n>Define

如果初始温度场是不均匀的且又是未知的,就必须首先作稳态热分析确定初始

条件:

· 设定载荷(如已知的温度、热对流等)

· 将时间积分设置为OFF:

Command: TIMINT, OFF

GUI: Main Menu> Preprocessor>Loads>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time Integration

· 设定一个只有一个子步的,时间很小的载荷步(例如0.001):

Command: TIME

GUI: Main Menu> Preprocessor>Loads>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time and Substps

· 写入载荷步文件:

Command: LSWRITE

GUI: Main Menu> Preprocessor>Loads>Write LS File

或先求解:

Command: SOLVE

GUI: Main Menu> Solution>Solve>Current LS

注意:在第二载荷步中,要删去所有设定的温度,除非这些节点的温度在瞬态分析

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与稳态分析相同。

3、设定载荷步选项

①、普通选项

l 时间:本选项设定每一载荷步结束时的时间:

Command: TIME

GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time and Substps

l 每个载荷步的载荷子步数,或时间增量

对于非线性分析,每个载荷步需要多个载荷子步。时间步长的大小关系到计算

的精度。步长越小,计算精度越高,同时计算的时间越长。根据线性传导热传递,

可以按如下公式估计初始时间步长:

ITS =d a 2 4

其中d 为沿热流方向热梯度最大处的单元的长度,a 为导温系数,它等于导热系数

除以密度与比热的乘积(a r =k c)。

Command: NSUBST or DELTIM

GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time and Substps

如果载荷在这个载荷步是恒定的,需要设为阶越选项;如果载荷值随时间线性

变化,则要设定为渐变选项:

Command: KBC

GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time and Substps

②、非线性选项

l 迭代次数:每个子步默认的次数为25,这对大多数非线性热分析已经足够。

Command: NEQIT

GUI: Main Menu> Solution>-Load step opts>Nonlinear>Equilibrium Iter

l 自动时间步长:本选项为ON 时,在求解过程中将自动调整时间步长。

Command: AUTOTS

GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time and Substps

l 时间积分效果:如果将此选项设定为OFF,将进行稳态热分析。

Command: TIMINT

GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time Integration

③、输出选项

· 控制打印输出:本选项可将任何结果数据输出到*.out 文件中

Command: OUTPR

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts->Output Ctrls>Solu Printout

· 控制结果文件:控制*.rth 的内容

Command: OUTRES

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts->Output Ctrls>DB/Results File

、存盘求解

六、后处理

ANSYS 提供两种后处理方式:

· POST1,可以对整个模型在某一载荷步(时间点)的结果进行后处理;

Command: POST1

GUI: Main Menu>General Postproc.

· POST26,可以对模型中特定点在所有载荷步(整个瞬态过程)的结果进行后处

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理。

Command: POST26

GUI: Main Menu>TimeHist Postproc

1、用POST1 进行后处理

· 进入POST1 后,可以读出某一时间点的结果:

Command: SET

GUI: Main Menu>General Postproc>Read Results>By Time/Freq

如果设定的时间点不在任何一个子步的时间点上,ANSYS 会进行线性插值。

· 此外还可以读出某一载荷步的结果:

GUI: Main Menu>General Postproc>Read Results>By Load Step

然后就可以采用与稳态热分析类似的方法,对结果进行彩色云图显示、矢量图

显示、打印列表等后处理。

2、用POST26 进行后处理

· 首先要定义变量:

Command: NSOL or ESOL or RFORCE

GUI: Main Menu>TimeHist Postproc>Define Variables

· 然后就可以绘制这些变量随时间变化的曲线:

Command: PLVAR

GUI: Main Menu>TimeHist Postproc>Graph Variables

或列表输出:

Command: PRVAR

GUI: Main Menu>TimeHist Postproc>List Variables

此外,POST26 还提供许多其它功能,如对变量进行数学操作等,请参阅《ANSYS

Basic Analysis Procedures Guide》

七、相变问题

ANSYS 热分析最强大的功能之一就是可以分析相变问题,例如凝固或熔化等。

含有相变问题的热分析是一个非线性的瞬态的问题:

· 相变问题需要考虑熔融潜热,即在相变过程吸收或释放的热量。ANSYS 通过定

材料的焓随温度变化来考虑熔融潜热(如图所示)。

焓的单位是J/m3,是密度与比热的乘积对温度的积分:

H c T dT = ò r ( )

· 求解相变问题,应当设定足够小的时间步长,并将自动时间步长设置为ON;

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· 选用低阶的热单元,例如PLANE55 或SOLID70。如果必须选用高阶单元,请将

单元选项KEYOPT(1)设置为1:

Command: keyopt(1)=1

GUI: Main Menu>Prepocessor>Element Type>Add/Edit/Delete>Options>-Specific heat

matrix->Diagonalized

· 在设定瞬态积分参数时,请将THETA 值设置为1(默认为0.5):

Command: TINTP

GUI: Main Menu> Solution>-Load and Step Opts->Time/Frequence>Time

intergration>THETA

· 线性搜索将有助于加速相变问题的求解。

Command: LNSRCH

GUI: Main Menu>Solution>-Load and Step Opts->Nonlinear>Line Search

实例1:

一个30 公斤重、温度为70℃的铜块,以及一个20 公斤重、温度为80℃的铁块,突然放

入温度为20℃、盛满了300 升水的、完全绝热的水箱中,如图所示。过了一个小时,求铜块

与铁块的最高温度(假设忽略水的流动)。

材料物理性能如下:

热性能 单位制 铜 铁 水

导热系数 W/m℃ 383 70 .61

密度 Kg/m3 8889 7833 996

比热 J/kg℃ 390 448 4185

以下列出log 文件及菜单操作说明

/filename,transient1

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/title, Thermal Transient Exercise 1

!进入前处理

/prep7

et,1,plane77 ! 定义单元类型

mp,kxx,1,383 ! 定义材料热性能参数

mp,dens,1,8889 !1~铜,2~铁,3~水

mp,c,1,390

mp,kxx,2,70

mp,dens,2,7837

mp,c,2,448

mp,kxx,3,0.61

mp,dens,3,996

mp,c,3,4185

rectnag,0,0.6,0,0.5 !创建几何实体

rectang,0.15,0.225,0.225,0.27

rectang,0.6-0.2-0.058,0.6-0.2,0.225,0.225+0.044

aovlap,all !布尔操作

/pnum,area,1

aplot

aatt,1,1,1 !划分网格

eshape,2

esize,0.02

amesh,2

aatt,2,1,1

amesh,3

aatt,3,1,1

eshape,3

esize,0.05

amesh,4

/pnum,mat,1

eplot

finish

!加载求解

/solu

antype,trans

timint,off !先作稳态分析,确定初始条件

time,0.01 !设定只有一个子步的时间很小的载荷步

deltim,0.01

esel,s,mat,,3

nsle,s

d,all,temp,20

esel,s,mat,,2

nsle,s

d,all,temp,80

esel,s,mat,,1

nsle,s

d,all,temp,70

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allsel

solve !得到初始温度分布

time,3600 !进行瞬态分析

timint,on !打开时间积分

deltim,26,2,200 !设置时间步长,最大及最小时间步长

autots,on !打开自动时间步长

ddelet,all,temp !删除稳态分析中定义的节点温度

outres,all,1 !将每个子步的值写入数据库文件

solve

finish

save

!进入POST26 后处理

/post26

solu,2,dtime,,dtime !2~每一子步采用的时间步长

nsol,3,node(0.1875,0.2475,0),temp,,T_Copper !3~铜块的中心点

nsol,4,node(0.371,0.247,0),temp,,T_Iron !4~铁块的中心点

nsol,5,node(30,0,0),temp,,T_H2O_Bot !5~水箱的底部

nsol,6,node(30,50,0),temp,,T_H2O_Top !6~水箱的顶部

nsol,7,node(0,25,0),temp,,T_H2O_Left !7~水箱的左部

nsol,8,node(60,25,0),temp,,T_H2O_Right !8~水箱的右部

Plvar,2

plvar,3,4,5,6,7,8

finish

!进入POST1 后处理

/post1 !设置为最后一个载荷子步

set,last

esel,s,mat,,1

nsle,s

plnsol,temp

esel,s,mat,,2

nsle,s

plnsol,temp

finish

菜单操作:

1、Utility Menu: File>Change Jobname, 输入文件名Transient1;

2、Utility Menu: File>Change Title,输入Thermal Transient Exercise 1;

3、Main Menu>Preprocessor,进入前处理;

4、Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete, 选择单元plane77;

5、Main Menu>Preprocessor>Material Props>Isotropic, 定义材料1(铜)的KXX 等于 383、

DENS 等于8889、C 等于1390;

6、Main Menu>Preprocessor>Material Props>Isotropic, 定义材料2(铁)的KXX 等于 70、

DENS 等于7837、C 等于448;

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7、Main Menu>Preprocessor>Material Props>Isotropic, 定义材料3(水)的KXX 等于0.61、

DENS 等于996、C 等于4185;

8、Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Areas->Retangle>By Dimensions, 输入

X1=0, Y1=0, X2=0.6, Y2=0.5, 选择Apply, 输入X1=0.15, Y1=0.225, X2= 0.225, Y2=0.27,

选择Apply, 输入X1=0.6-0.2-0.058, Y1=0.225, X2=0.6-0.2, Y2=0.225+0.044, 选择OK;

9、Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Operate>Booleans>Overlap, 选择Pick All;

10、Utility Menu: Plotctrls>Numbering>Areas, on;

11、Utility Menu:Plot>Areas;

12、Main Menu>Preprocessor>-Attributes->Define->All Areas, 选择材料1;

13、Main Menu>Preprocessor>Meshing->Size Cntrls->-Manualsize->-Global->Size, 输入单元

大小0.02;

14、Main Menu>Preprocessor>Meshing->Mesh->-Areas->Mapped>3 or 4 sided, 选择铜块;

15、Main Menu>Preprocessor>-Attributes->Define->All Areas, 选择材料2;

16、Main Menu>Preprocessor>Meshing->Mesh->-Areas->Mapped>3 or 4 sided, 选择铁块;

17、Main Menu>Preprocessor>-Attributes->Define->All Areas, 选择材料3;

18、Main Menu>Preprocessor>Meshing->Size Cntrls->-Manualsize->-Global->Size, 输入单元

大小0.05;

19、Main Menu>Preprocessor>Meshing->Mesh->-Areas->Free, 选择水箱;

20、Utility Menu>Plot>Area;

21、Main Menu>Solution,进入加载求解;

22、Main Menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis, 选择Transient,定义为瞬态分析;

23、Main Menu>Solution>-Load Step Opts>Time/Frenquenc>Time Integration, TIMINT, off,首

先进行稳态分析;

24、Main Menu>Solution>-Load Step Opts>Time/Frenquenc>Time-Time Step,设定TIME为

0.01、DELTIM 也为0.01;

25、Utility Menu: Select>Element>mat, 输入3, 选择Apply, 选择Nodes>Attached to, 选择

Element;

26、Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Temperature>On Nodes, 选择Pick All,

输入20;

27、Utility Menu: Select>Element>mat, 输入2, 选择Apply, 选择Nodes>Attached to, 选择

Element;

28、Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Temperature>On Nodes, 选择Pick All,

输入80;

29、Utility Menu: Select>Element>mat, 输入1, 选择Apply, 选择Nodes>Attached to, 选择

Element;

30、Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Temperature>On Nodes, 选择Pick All,

输入70;

31、Utility Menu: Select Everything

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32、Main Menu>Solution>-Solve->Current LS

33、Main Menu>Solution>-Load Step Opts>Time/Frenquenc>Time-Time Step , 设定

TIME=3600, DELTIM=26, 最小、最大时间步长分别为2, 200, 将Autots 设置为ON;

34、Main Menu>Solution>-Load Step Opts>Time/Frenquenc>Time Integration, 将TIMINT 设

置为ON;

35、Main Menu>Solution>-Loads->Delete>-Thermal->Temperature>On Nodes, 选择Pick All,

删除稳态分析定义的节点温度;

36、Main Menu>Solution>-Load Step Opts>Output Ctrls->DB/Results, 选择Every Substeps;

37、Main Menu>Solution>-Solve->Current LS;

38、Main Menu>TimeHist PostPro,进入POST26;

39、Main Menu>TimeHist PostPro>Define Variables>Add>Solution summary,在User specified

label框中输入dtime,选择Solution Items>Step Time,选择OK,Add>Nodal result>,在

Node number 框中输入node(0.1875,0.2475,0),在User specified label框中输入T_Copper,

同样输入其它节点;

40、Main Menu>TimeHist PostPro>Graph Virables, 输入变量代号,显示各变量随时间变化的

曲线;

41、Main Menu>General Postproc,进入POST1;

42、Main Menu>General Postproc>-Read Results->Last set

43、Utility Menu>Select>Element>mat,输入1,选择Apply,Nodes>Attach to,选择Element,

OK;

44、Main Menu>General Postproc>Plot result>Nodal Solution,选择temperature;

45、Utility Menu>Select>Element>mat,输入2,选择Apply,Nodes>Attach to,选择Element,

OK;

46、Main Menu>General Postproc>Plot result>Nodal Solution,选择temperature;

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实例2:

一钢铸件及其砂模的横截面尺寸如图所示:

砂模的热物理性能如下表所示:

单位制

导热系数(KXX) Btu/hr.in.oF 0.025

密度(DENS) lbm/in3 0.254

比热(C) Btu/lbm.oF 0.28

铸钢的热物理性能如下表所示:

单位制 0oF 2643oF 2750oF 2875oF

导热系数 Btu/hr.in.oF 1.44 1.54 1.22 1.22

焓 Btu/in3 0 128.1 163.8 174.2

初始条件:铸钢的温度为2875oF,砂模的温度为80oF;

砂模外边界的对流边界条件:对流系数0.014Btu/hr.in2.oF,空气温度80oF;

求3 个小时后铸钢及砂模的温度分布。

/Title, Casting Solidification

!进入前处理

/prep7

et,1,plane55 !定义单元

mp,dens,1,0.054 !定义砂模热性能

mp,kxx,1,0.025

mp,c,1,0.28

mptemp,1,0,2643,2750,2875 !定义铸钢的热性能

mpdata,kxx,2,1.44,1.54,1.22,1.22

mpdata,enth,2,0,128.1,163.8,174.2

mpplot,kxx,2

mpplot,enth,2

save

!创建几何模型

k,1,0,0,0

k,2,22,0,0

k,3,10,12,0

k,4,0,12,0

/pnum,kp,1

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/pnum,line,1

/pnum,area,1

/Triad,ltop

kplot

a,1,2,3,4

save

rectng,4,22,4,8

aplot

aovlap,all

adele,3

aplot

save

!划分网格

esize,1

amesh,5

mat,2

aplot

amesh,4

eplot

/pnum,elem

/number,1

save

!进入加载求解

/SOLU

antype,trans !设定为瞬态分析

esel,s,mat,,2 !设定铸钢的初始温度

nsle,s

/replot

ic,all,temp,2875

esel,inve !设定砂模的初始温度

nsle,s

/replot

ic,all,temp,80

allsel

save

lplot

sfl,1,CONV,0.014,,80 !设定砂模外边界对流

sfl,3,CONV,0.014,,80

sfl,4,CONV,0.014,,80

/psf,conv,2

time,3 !设定瞬态分析时间

kbc,1 !设定为阶越的载荷

autots,on !打开自动时间步长

deltim,0.01,0.001,0.25 !设定时间步长

timint,on !打开时间积分

tintp,,,,1 !将THETA 设定为1

outres,all,all !输入每个子步的结果

solve

!进入后处理

/post26

/pnum,node,1

/number,0

eplot

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nsol,2,204,temp,center !设定铸钢中心点温度随时间的变量

plvar,2 !绘制温度~时间曲线

save

finish

菜单操作:

1.Utility Menu>File>Change Title, 输入Casting Solidification;

2.定义单元类型:Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete, Add, Quad 4node

55;

3.定义砂模热性能:Main Menu>Preprocessor>Material Props>Isotropic, 默认材料编号1, 在

Density(DENS)框中输入0.054, 在Thermal conductivity (KXX)框中输入0.025, 在Specific

heat(C)框中输入0.28;

4.定义铸钢热性能温度表:Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Temp Dependent->Temp

Table, 输入T1=0,T2=2643, T3=2750, T4=2875;

5.定义铸钢热性能:Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Temp Dependent ->Prop Table,

选择Th Conductivity,选择KXX, 输入材料编号2,输入C1=1.44, C2=1.54, C3=1.22, C4=1.22,

选择Apply, 选择Enthalpy,输入C1=0, C2=128.1, C3=163.8, C4=174.2;

6.创建关键点:Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>Keypoints>In Active CS,输入关

键点编号1,输入坐标0,0,0, 输入关键点编号2, 输入坐标22,0,0, 输入关键点编号3, 输入

坐标10,12,0, 输入关键点编号4, 输入坐标0,12,0;

7.创建几何模型:Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Areas->Arbitrary>Through

KPs,顺序选取关键点1,2,3,4;

8.Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Areas->Rectangle>By Dimension, 输入

X1=4,X2=22,Y1=4,Y2=8;

9.进行布尔操作:Main

Menu>Preprocessor>-Modeling->Operate>-Booleans->Overlap>Area,Pick all;

10.删除多余面:Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Delete>Area and Below,3

11.保存数据库:在Ansys Toolbar 中选取SAVE_DB;

12.定义单元大小:Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Size Cntrls>-Global->Size, 在Element

edge length框中输入1;

13.对砂模划分网格:Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Mesh>-Areas->Free,选择砂模;

14.对铸钢划分网格:Main Menu>Preprocessor>-Attributes->Define>Default Attribs, 在

Material number菜单中选择2;

15.Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Mesh>-Areas->Free,选择铸钢;

16.定义分析类型:Main Menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis, 选择Transient;

17.选择铸钢上的节点:Utility Menu>Select>Entities, 选择element,mat,输入2,选择Apply,选择

node, attached to element,选择OK;

18.定义铸钢的初始温度:Main Menu>Solution>-Loads->Apply>Initial Condit’n>Define, 选择

Pick all,选择temp, 输入2875, OK;

19.选择砂模上的节点:Utility Menu>Select>Entities,Nodes, inverse

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20.定义砂模的初始温度:Main Menu>Solution>-Loads->Apply>Initial Condit’n>Define, 选择

Pick all, 选择temp, 输入80, OK;

21.Utility Menu>Select>Everything;

22.Utility Menu>Plot>Lines;

23.定义对流边界条件: Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Converction>On

Lines,选择砂模的三个边界1,3,4, 在file coefficent框中输入80, 在Bulk temperature框中

输入, 80;

24.设定瞬态分析时间选项:

Main Menu>Solution>Load Step Opts>Time/Frequenc>Time-Time Step,

Time at end of load step 3

Time Step size 0.01

Stepped or ramped b.c. Stepped

Automatic time stepping on

Minimun time Step size 0.001

Maximum time step size 0.25

25.设置输出:Main Menu>Solution>Load Step Opts>Output Ctrls>DB/Results File, 在File

write frequency框中选择Every substep;

26.求解:Main Menu>Solution>-Solve->Current LS;

27.进入后处理: Main Menu>Timehist Postproc;

28.定义铸钢中心节点的温度变量: Main Menu>Timehist Postproc>Define Variables, Add,

Nodal DOF result,2,204;

29.绘制节点温度随时间变化曲线:Main Menu>Timehist Postproc>Graph Variable,2。

《ANSYS Verification Manual》中关于瞬态热分析的实例:

VM104 Liquid-solid phase change

VM109 Temperature gradient across a solid cylinder

VM110 Transient temperature distribution in a slab

VM111 Cooling of a spherical body

VM112 Cooling of a spherical body

VM113 Transient temperature distribution in an orthotropic metal bar

VM114 Temperature response to a linearly rising surface temperature

VM115 Thermal response of heat generating slab

VM116 Heat conducting plate with sudden cooling

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