ANSYS有限元分析軟件在熱分析中的應(yīng)用

周浩 張北記（北京華福工程有限公司天津分公司，天津300222）

ANSYS有限元分析軟件在熱分析中的應(yīng)用

周浩 張北記（北京華福工程有限公司天津分公司，天津300222）

熱分析（TA）既是一種方法也是一種工具，在具體的應(yīng)用中是針對(duì)熱力學(xué)參數(shù)或物理參數(shù)隨著溫度的變化關(guān)系而執(zhí)行的策略，基于ANSYS有限元分析軟件的熱分析功能，現(xiàn)有的應(yīng)用中將其視為工具的性質(zhì)更加普遍。本文以下采取這一理念展開對(duì)ANSYS有限元軟件的研究，闡述其基本原理、方法在熱分析中的應(yīng)用以及未來發(fā)展趨勢(shì)。

ANSYS；有限元分析軟件；熱分析；應(yīng)用策略；發(fā)展趨勢(shì)

1977年國(guó)際熱分析協(xié)會(huì)（ICTA）給出了熱分析的基本定義，即“熱分析是測(cè)量程序控制溫度下物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度依賴關(guān)系的一種技術(shù)”，通俗地說，熱分析就是溫度控制下針對(duì)物體的一種溫度與物性關(guān)系的研究方式，例如溫度上升或溫度下降中物性的變化；此外，在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中常見的熱分布、熱傳遞也屬于研究范疇，例如當(dāng)計(jì)算某個(gè)系統(tǒng)或設(shè)備部件的溫度分布、溫度損失、熱流密度、熱應(yīng)力等內(nèi)容。因此熱分析的應(yīng)用是十分廣泛的，包括能源、化工、冶金、電子以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等，

1　熱分析應(yīng)用概述

基于本文的研究?jī)?nèi)容，筆者將熱分析傾向于作為一種工具來對(duì)待，其應(yīng)用的廣泛性十分明顯。例如，再機(jī)械加工的過程中，成品往往都是由零部件構(gòu)成的，而不同的零部件部分在鑄造生產(chǎn)中對(duì)材料的要求不同，或硬度較高，或柔韌性較好，需要對(duì)不同的共建溫度進(jìn)行有效估算和控制；生產(chǎn)者必須明確，隨著溫度的變化，模具、材料的結(jié)合形狀變化特征、速率、界限，防止過度加工或熱工性不足導(dǎo)致的零部件損壞和缺陷。

鑒于熱分析的重要作用，從十八世紀(jì)開始人們就不斷研究其應(yīng)用方式，最終總結(jié)出變量表達(dá)的形式，如早期的熱曲線法，用來分析陶瓷材料，具體應(yīng)用中利用電流計(jì)、相機(jī)底片和切光計(jì)。二十世紀(jì)初出現(xiàn)了熱重分析，用來研究電絕緣性材料的功能周期以及使用壽命；第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束以后，熱分析技術(shù)逐漸在世界范圍內(nèi)引起了重視，各國(guó)科學(xué)家也都開始了相應(yīng)的研究。

上世紀(jì)五十年代出現(xiàn)了自動(dòng)化技術(shù)和記錄技術(shù)，為熱分析的動(dòng)態(tài)性關(guān)系研究提供了便利條件，日本出現(xiàn)了世界上第一胎基于熱分析的全自動(dòng)DTA儀器設(shè)備，隨后這一產(chǎn)品開始進(jìn)入工業(yè)體系；真正將熱分析技術(shù)推向市場(chǎng)化的產(chǎn)品出現(xiàn)在上世紀(jì)90年代，溫度調(diào)節(jié)設(shè)備與分布式體系相結(jié)合，打破了長(zhǎng)期以來熱分析依賴于線性結(jié)構(gòu)的形式，同時(shí)也很好的解決了熱容引發(fā)的相漂移障礙。

計(jì)算機(jī)技術(shù)成熟以后，以軟件形式展開的熱分析工具廣泛應(yīng)用，可以更好的解決工業(yè)領(lǐng)域的大型文體，ANSYS作為一種有限元分析軟件，再解決復(fù)雜的力學(xué)問題方面、溫度變化問題方面等發(fā)揮了很好的效果。

2　ANSYS有限元分析軟件在熱分析中的應(yīng)用

2.1ANSYS熱分析概述

ANSYS分析軟件起源于上世紀(jì)70年代，是一種典型的基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的分析方法，該程序早期只作為一個(gè)批處理程序，由于早期的電腦性能較差，ANSYS和一般的軟件一樣只能在大型計(jì)算機(jī)上進(jìn)行使用，而這也正是它逐漸被應(yīng)用于工業(yè)方向的一個(gè)契機(jī)。然而，隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，ANSYS程序發(fā)生了很大的變化，特別是在被支持的環(huán)境方面開始完善，并融入了子系統(tǒng)、非線性結(jié)構(gòu)等多種類型，程序的獨(dú)立性開始出現(xiàn)，尤其是在加入了交互性以后，為后期建模提供了有利的支持。

ANSYS分析軟件在展開工作中設(shè)計(jì)交互式圖形的驗(yàn)證模式，例如集合圖形、邊界條件等，通過軟件分析完成之后，可以隨機(jī)產(chǎn)生分析結(jié)果，這種創(chuàng)新性的有限元軟件分析方法也正是ANSYS的重要優(yōu)勢(shì)；應(yīng)用者可以隨心所欲的針對(duì)圖形用戶或命令流方式展開更改。

“有限元”屬于一個(gè)數(shù)學(xué)領(lǐng)域的概念，指的是一種為求解偏微積分方程邊界值問題近似解的數(shù)值技術(shù)，本質(zhì)上說，再計(jì)算溫度場(chǎng)中并沒有太大的優(yōu)勢(shì)，但基于穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)以及彈性力學(xué)的振動(dòng)問題分析，能夠發(fā)揮很好的變化記錄；其中的場(chǎng)變量是彈性力學(xué)中的位移概念，可視為是向量場(chǎng)，而在熱分析問題中，場(chǎng)變量則是溫度，是標(biāo)量場(chǎng)。從場(chǎng)論角度分析來說，兩者都是矢量范疇。

2.2ANSYS再熱分析中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的快速發(fā)展，極大地推動(dòng)了軟件市場(chǎng)的繁榮，并促進(jìn)了軟件和硬件的相對(duì)分離，產(chǎn)生專業(yè)性的研究。ANSYS有限元程序在此基礎(chǔ)上不斷的改進(jìn)、發(fā)展，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了8.0版本的發(fā)布，再發(fā)揮熱分析功能方面優(yōu)勢(shì)更加突出。例如，可以展開輻射問題的計(jì)算，應(yīng)用的領(lǐng)域更寬、對(duì)象更復(fù)雜；結(jié)合我國(guó)目前ANSYS應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)狀來說，主要包括鋼鐵工業(yè)、石油化工、輕工業(yè)等。

例如，ANSYS鋼鐵冶金領(lǐng)域的應(yīng)用，可以滿足復(fù)雜工藝、對(duì)象的有限元模擬分析。再模擬的過程中，ANSYS針對(duì)四輥軋機(jī)進(jìn)行溫度場(chǎng)的模擬，充分考慮了軋輥和軋件之間的瞬態(tài)熱接觸要素，以及流邊界內(nèi)容，并滿足了溫度分布于熱凸度的近似計(jì)算要求。

3　結(jié)語(yǔ)

總體來說，ANSYS有限元軟件程序再進(jìn)行熱分析數(shù)值模擬中具有重要的作用，并且隨著邊緣技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其應(yīng)用范圍還會(huì)進(jìn)一步提高，例如在輻射、對(duì)流、等離子、反射等因素對(duì)溫度場(chǎng)的影響下展開的相關(guān)研究。

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