一 : 有限元分析软件ANSYS命令流中文说明 - Ansys讨论区 - 振动论
二 : ansys热分析
ANSYS热分析指南(第一章)
第一章简介
1.1热分析的目的
热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，我们一般关心的参数有：
温度的分布
热量的增加或损失
热梯度
热流密度
热分析在许多工程应用中扮演着重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等等。(www.61k.com)通常在完成热分析后将进行结构应力分析，计算由于热膨胀或收缩而引起的热应力。
1.2ANSYS中的热分析
ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Professional、ANSYS/FLOTRAN四种产品中支持热分析功能。ANSYS热分析基于由能量守恒原理导出的热平衡方程，有关细节，请参阅《ANSYS Theory Reference》。ANSYS使用有限元法计算各节点的温度，并由其导出其它热物理参数。
ANSYS可以处理所有的三种主要热传递方式：热传导、热对流及热辐射。
1.2.1对流
热对流在ANSYS中作为一种面载荷，施加于实体或壳单元的表面。首先需要输入对流换热系数和环境流体温度，ANSYS将计算出通过表面的热流量。如果对流换热系数依赖于温度，可以定义温度表，以及在每一个温度点处的对流换热系数。
1.2.2辐射
ANSYS提供了四种方法来解决非线性的辐射问题：
辐射杆单元(LINK31)
使用含热辐射选项的表面效应单元(SURF151-2D,或SURF152-3D)
在AUX12中，生成辐射矩阵，作为超单元参与热分析
使用Radiosity求解器方法
有关辐射的详细描述请阅读本指南第四章。
1.2.3特殊的问题
除了前面提到的三种热传递方式外，ANSYS热分析还可以解决一些诸如：相变(熔融与凝固)、内部热生成(如焦耳热)等的特殊问题。例如，可使用热质点单元MASS71模拟随温度变化的内部热生成。
1.3热分析的类型
ANSYS支持两种类型的热分析：
1.稳态热分析确定在稳态的条件下的温度分布及其他热特性，稳态条件指热量随时间的变化可以忽略。
2.瞬态热分析则计算在随时间变化的条件下，温度的分布和热特性。
1.4耦合场分析
ANSYS中可与热分析进行耦合的方式有热—结构、热-电磁等。耦合场分析可以使用ANSYS中的矩阵耦合单元，或者在独立的物理环境中使用序惯荷载耦合。有关耦合场分析的详细描述，请参阅《ANSYS Coupled-Field Analysis Guide》。
1.5关于菜单路径和命令语法
在本指南中，您将会看到相关的ANSYS命令及其等效的菜单路径。这些参考的命令仅仅包括命令名，因为并不总是需要指定所有的参数，而且不同的参数组合会有不同的作用。有关ANSYS命令的更多的叙述，请参考《ANSYS Commands Reference》。
菜单路径将近可能完整得列出。对于多数情况，选择菜单就能够完成所需要的功能;但还有一些情况，选择文中所示菜单后会弹出一个菜单或是对话框，由此定义其他的选项来执行一些特定的任务。
1
热分析 ansys热分析
第二章 基础知识
2.1
2.2传热学经典理论回顾
热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律。（www.61k.com] 对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出）：
式中：
—热量
—作功 —系统内能 — 系统动能 — 系统势能 对大多数工程传热问题：通常不考虑做功：对于稳态热分析：
，则
；
，即流入的热量等于流出的热量；
；
2
热分析 ansys热分析
对于瞬态热分析：，即流入流出的热传递速率等于系统内能的变化。（www.61k.com］
2.3热传递的方式
2.3.1热传导
热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。热传导
遵循傅立叶定律：，式中为热流密度（W/m2），为导热系数(W/m-℃)，负号表示热量流向温度降低的方向。
2.3.2热对流
热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量的交换。热对流可以分为两类：自然
对流和强制对流。热对流用61阅读格
《ANSYS Modeling and Meshing Guide》中对本部分有详细说明。（www.61k.com］
4.5施加荷载和求解
在瞬态分析中，施加荷载的第一步是定义分析类型，然后为分析建立初始条件。
4.5.1指定分析类型
在这一步中，可以如下指定分析类型：
GUI: Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis>Transient
如果是一个新的分析，执行命令：ANTYPE,TRANSIENT,NEW
如果是重新启动以前的分析，比如，附加一个荷载。执行命令：ANTYPE,TRANSIENT,REST。（条件是先前分析的jobname.ESAV、jobname.DB等文件是可以利用的）
4.5.2为分析建立初始条件
瞬态热分析的初始条件来自于对应的一个稳态计算结果，或者直接为所有节点设定初始温度。
4.5.2.1设置均匀的初始温度
如果已知模型起始时的环境温度，可用下面的方法来设定所有节点的初始温度：
命令：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，可以如下设定参考温度：
命令：TREF
GUI:Main Menu>Solution>-Loads->Settings>Reference Temp
注意：设定均匀的初始温度，与下面的设定节点温度（自由度）不同。
命令：D
GUI:Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->On Nodes
初始均匀温度仅对分析的第一个子步有效；而设定节点温度将使节点温度在整个瞬态分析过程等于指定值，除非通过下列方法删除此约束：
命令：DDELE
GUI: Main Menu> Solution>-Loads->Delete>-Thermal-Temperature>On Nodes
4.5.2.1设置非均匀的初始温度
在瞬态热分析（不是稳态热分析）中，可以指定一个和一组初始温度不均匀的节点，方法如下：
命令：IC
GUI: Main Menu> Solution>Loads>Apply>-Initial Condit"n>Define
还可以对某些节点设定非均匀的初始温度，同时再设定其它节点的初始温度为均匀初始温度。要做到这点，只需要在为选择的节点定义不均匀温度之前，先定义均匀的温度就行了。
用以下命令可显示具有非均匀初始温度的节点：
命令：ICLIST
GUI: Main Menu> Preprocessor>Loads>Apply>Initial Condit"n>List Picked
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，步骤如下：指定相应的稳态分析荷载，如：温度约束，对流换热等。
关闭瞬态效应
命令：TIMINT,OFF,THERRM
GUI： Main Menu>Preprocessor>Load>Time/Frequenc>Time-Time Integration
定义通常较小的一个时间值（如：1E-6秒）
命令：TIME
GUI： Main Menu>Preprocessor>Load>Time/Frequenc>Time-Time Step
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热分析 ansys热分析
定义斜坡或阶越荷载，如果使用斜坡荷载，则就必须考虑相应的时间内产生的温度梯度效应。（www.61k.com］
命令：KBC
GUI： Main Menu>Preprocessor>Load>Time/Frequenc>Time-Time Step
写荷载步文件
命令：LSWRITE
GUI： Main Menu>Preprocessor>Load>Write LS File
对于第二个载荷步，要记住删除所有固定温度边界条件，除非能够判断那些节点上的温度确实在整个瞬态分析过程中都保持不变。同时，记住执行TIMINT,ON, THERM命令以打开瞬态效应。更多的细节，请见《ANSYS Commands Reference》中对D、DDELE、LSWRITE、SF、TIME和TIMINT等命令的详细描述。
4.5.3设置荷载步选项
对热分析可以设置通用选项，非线性选项和输入控制。
4.5.3.1设置时间步的策略
对于瞬态热分析，既可以用多个载荷步完成（对于阶跃或渐变边界条件），也可以只用一个载荷步、采用表格边界条件（对于随时间任意变化在边界条件）并由一个数组参数定义时间点。表格边界条件方式仅适用于仅传热单元、热电单元、热表面效应单元、热流体单元以及这些类型单元的部分组合。
如果采用载荷步的方法，则按下述步骤进行：
1．设定每一载荷步结束时的时间：
命令：TIME
GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time and Time Step
2. 设定载荷变化方式。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：
命令：KBC
GUI： Main Menu>Preprocessor>Load>Time/Frequenc>Time-Time Step
3．定义在本载荷步结束时的载荷数值（相关的命令及菜单路径参见表3-9）。
4．将载荷步信息写入载荷步文件：
命令：LSWRITE
GUI： Main Menu>Preprocessor>Load>Write LS File
5．对于其它载荷步，重复步骤1～4即可，直到所有的载荷都已经写入到荷载步文件中。如要删除部分载荷（非温度约束），最好将其设置为在一个微小的时间段中值变为零，而不是直接删除。
如果采用表格参数定义载荷，按如下步骤进行：
1. 如《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》中的―采用表格数组参数施加载荷‖所述，用TABLE类型的数组参数定义载荷特性（例如，载荷与时间的关系）。
2. 打开自动时间步长功能（AUTOTS,ON），定义时间步长（DELTIM）或子步数。
3. 定义时间步重置选项。可以选择在求解中不重置时间步,或基于一个已定义好的时间（关键时间）数组重置时间步,或基于一个新的关键时间数组重置时间步。
命令：TSRES
GUI： Main Menu>Preprocessor>Load>Time/Frequenc>Time-Time Step
GUI： Main Menu>Preprocessor>Load>Time/Frequenc>Time and Substeps
如果选择用新数组并交互时运行，此时程序要求填写一个n×1的关键时间数组。如果以批处理方式运行，则必须在执行TSRES命令之前定义一个数组，其将时间步重置为由DELTIM或NSUBST命令定义的初始值。如果在应用时间步重置数组（TSRES命令）的同时又采用了另外的时间值数组（OUTRES命令的FREQ = %array%），则需确认：如果FREQ数组的时间值比在TSRES数组中所对应的最接近的时间值大，则所大的数值至少应为由DELTIM或NSUBST命令定义的初始时间步增量。例如，如果FREQ数组的时间值为1.5, 2, 10, 14.1,和15，TSRES数组的时间值为1, 2, 10, 14,和16（在这些值处时间步将重新开始），初始时间步增量DTIME =0.2，则程序将停止运算，因为在这种设置下， 27
热分析 ansys热分析
在时间为14时时间步将重置，那么下一个时间步至少为14.2，所要求的FREQ数组时间值14.1并不存在。［www.61k.com］
注意：TSRES命令只有在设置了AUTOTS,ON的情况下才有效，如果采用固定时间步长（AUTOTS,OFF）,则TRES被忽略。
定义关键时间数组的方式如下：
命令：*DIM
GUI： Utility Menu>Parameters>Array Parameters>Define/Edit
在关键时间数组中，时间值必须是升序排列的，并且不能超过由TIME命令定义的载荷步结束时间。在求解过程中,时间步可能会在数组定义的关键时刻点被重置.重置的大小基于命令DELTIM,DTIME或NSUBST,NSBSTP设置的初始时间步尺寸或子步数。
4．用一个与关键时间数组类似的n×1数组参数来指定将哪些时刻的计算结果写入结果文件。可以就利用关键时间数组，或用一个不同的数组。如果是交互式运行程序，可在此时创建一个数组或采用已有数组，如果是批处理方式运行程序，则必须在OUTRES命令之前定义该数组。
命令：OUTRES
GUI：Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Ouput Ctrls>DB/Results File
注意：只有在采用下列仅传热单元、热电单元、热表面效应单元、流体单元（FLUID166）或这些单元的组合的情况下，才能使用TSRES命令和相应的时间步策略：
LINK31、LINK32、LINK33、PLANE35、MATEIX50、PLANE55、SHELL57、PLANE67（只有热自由度）、LINK68（只有热自由度）、SOLID69（只有热自由度）、SOLID70、MASS71、PLANE75、PLANE77、SOLID87、SOLID90、FLUID116、SURF151、SURF152、SHELL157（只有热自由度）、TARGE169、TARGE170、CONTA171、CONTA172、CONTA173、CONTA174。
4.5.3.2通用选项
求解控制选项
该选项打开或关闭ANSYS内部的求解控制功能，如果打开，则用户通常只需定义子步数（NSUBST）或时间步长（DELTIM），以及载荷步结束时间（TIME），其它的求解控制命令将由程序自动设置为其最佳值，详见《ANSYS命令手册》中对SOLCONTROL命令的描述。按下述方式打开或关闭求解控制：
命令：SOLCONTROL
GUI：Main Menu>Solution>Solution Ctrl
时间选项
该选项定义载荷步的结束时间，缺省情况下，第一个荷载步结束的时间是1.0，此后的荷载步对应的时间强逐次加1.0。
命令：TIME
GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time and Substps
每载荷步中子步的数量或时间步大小
对于非线性分析，每一载荷步需要多个子步。缺省情况下每个荷载步有一个子步。
对于瞬态分析，在热梯度较大的区域（如淬火体的表面），热流方向的最大单元尺寸和能够得到好结果的最小时间步长有一个关系。在时间步保持不变的时候，更多的单元通常会得到更好的结果；但是，在网格尺寸不变的时候，子步越多，结果反而会变得更差。当采用自动时间步和代中间节点的二次单元时，ANSYS建议使用者根据输入的荷载来控制最大的时间步长，根据下面的关系来定义最小的时间步长：
其中（为在热梯度最大处沿热流方向的单元长度，为扩散率，它等于导热系数除以密度与比热的乘积）。当采用有中间节点的单元时，如果违反上述关系式，ANSYS的计算会出现不希望的振荡，计算 28
热分析 ansys热分析
出的温度会在物理上超出可能的范围。(www.61k.com)如果不采用带中间节点的单元，则一般不会计算出振荡的温度分布，那么上述建议的最小时间步长就有些保守。
注意：不要采用特别小的时间步长，特别是当建立初始条件时。在ANSYS中，很小的数可能导致计算错误，比如：
－当一个问题的时间量级为的时候，时间步长为1×1010时就可能产生数值错误。
命令：NSUBST或DELTIM
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time and Substps
4.5.4非线性选项
对于单场非线性热分析，ANSYS允许三种求解选项：FULL选项对应于缺省的全N-R算法；Quasi选项对应于在非线性热问题求解过程中有选择性地重构热矩阵－只有当非线性材料的性质改变量较大（用户控制）时，才重构热矩阵，该选项在时间步间不执行平衡迭代，材料性质根据载荷步开始时的温度来确定；Linear选项只在每个载荷步的第一个时间步构建一个热矩阵，它只适用于进行快速求解以得到一个近似的结果。
在ANSYS中，这些选项可通过THOPT命令来选择，Quasi和Linear选项直接组集热矩阵，只有ICCG和JCG求解器支持这种求解，可用EQSLV命令选择这些求解器。
对于Quasi求解选项，必须定义用于矩阵重构的材料参数改变容差，缺省的容差为0.05，对应于材料参数变化5％。Quasi选项设置一个单一的固定材料表以及在最高和最低温度之间等分的温度指针，用以计算随温度变化的材料性质。因此，采用该选项时，必须为固定材料表定义温度指针数（缺省为64）以及最高和最低温度（缺省为MPTEMP命令定义的最高和最低温度）。还可用THOPT命令定义其它非线性载荷选项。
命令：THOPT
GUI:Main Menu>Solution>Analysis Options
只有存在非线性时，才需要定义非线性荷载步选项，包括：
平衡迭代次数
本选项设置每一子步允许的最大迭代次数，默认值为25，对大多数非线性热分析问题已经足够。如果打开求解控制（SOLCONTROL,ON），则缺省的迭代数介于15到26之间，根据具体的物理问题而变化。
命令：NEQIT
GUI: Main Menu> Solution>-Load step opts>Nonlinear>Equilibrium Iter
自动时间步长
在瞬态分析中也称为的时间步优化，它使程序自动确定子步间的载荷增量。同时，它根据分析模型的响应情况，自动增、减时间步大小。在瞬态分析中，响应检测基于热特征值。对于THOPT,Quasi选项，时间步的修正也基于求解过程中的材料参数变化情况。如果特征值小，就采用大的时间步，反之亦然。在确定下一时间步长时，上一时间步中所进行的平衡迭代数量也是要考虑的依据之一，同时也要考虑非线性单元的状态变化。对于大多数问题，都应该打开自动时间步长功能并设置积分时间步长的上下限，上下限的设置可用NSUBST或DELTIM命令或下面相应的菜单路径，这种设置有助于控制时间步长的变化量。
GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time and Substps
设置自动时间步选项：
命令：AUTOTS
GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time and Substps
调整自动时间步长中的默认参数值
命令：TINTP
GUI: Main Menu> Preprocessor> Loads >-Load Step Opts-Time/Frequenc> Time Integration
时间积分效应
该选项决定了是否包括结构惯性力，热容之类的瞬态效应。
注意：在瞬态分析时，时间积分效应缺省是打开的，如果将其设为OFF，ANSYS将进行一个稳态分析。指定时间积分效应，使用：
命令：TIMINT
29
热分析 ansys热分析
GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time Integration
瞬态积分参数
瞬态积分参数：此参数控制时间积分方案的性质并设定自动时间步长控制标准，详情请参考《ANSYS Theory Reference》。（www.61k.com)为尽量减少计算结果中的误差，可将此参数（THETA值）设为1。
命令：TIMINT
GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time Integration
对收敛容差，求解结束，线性搜索，预测－矫正等选项的设置参见本书第三章。
4.5.5输出控制
本节内容可参见本书第三章。
4.5.6求解
本节内容可参见本书第三章。
4.6后处理
ANSYS提供两种后处理方式。
4.6.1通用后处理（POST1）
本节内容可参见本书第三章。
4.6.2时间历程后处理（POST26）
时间历程后处理器POST26对随时间变化的变量进行操作，ANSYS为每一个变量安排一个编号，第一号固定为时间。在时间历程后处理中首先要定义变量。
命令：NSOL,ESOL或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：
命令：PLVAR
GUI: Main Menu>TimeHist Postproc>Graph Variables
或列表输出：
命令：PRVAR
GUI: Main Menu>TimeHist Postproc>List Variables
或仅列出极值：
命令：EXTREM
GUI: Main Menu>TimeHist Postproc>List Extremes
通过在时间历程后处理器中观察模型的一些临界时刻点，就能够进一步在通用后处理器中这些时刻的结果进行后处理。此外，POST26还提供许多其它功能，更多的细节请参阅《ANSYS 基本过程指南》。
4.7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问题，典型的相变应用有：
金属浇铸：确定相变过程中不同点处的温度分布、相变发生的时间长度、浇铸的热效率等；
合金生产：由化学差异而不是物理差异导致相变；
热处理问题；
相变问题是一个非线性的瞬态热分析，线性的瞬态热分析与非线性的瞬态热分析之间唯一的不同是：需要考虑潜热，即在相变过程吸收或释放的热量。ANSYS通过定义材料的焓随温度变化来考虑潜热（如下图所示）。
图4-2材料焓随温度的变化
30
热分析 ansys热分析
焓的单位是J/m3，是密度与比热的乘积对温度的积分：
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，以使程序在相变前、相变中、相变后自动调整时间步长； 选用低阶的热单元，例如PLANE55或SOLID70。［www.61k.com］如果必须选用高阶单元，请利用相应的单元选项设置―Diagonalized Specific heat matrix‖（对于低阶单元，这是缺省值）；
在设定瞬态积分参数时，请将THETA值设置为1(默认为0.5)，以便瞬态时间积分采用欧拉向后差分算法； 命令：TINTP
GUI: Main Menu> Solution>-Load and Step Opts->Time/Frequence>Time Intergation>THETA 线性搜索将有助于加速相变问题的求解。 命令：LNSRCH
GUI: Main Menu>Solution>-Load and Step Opts->Nonlinear>Line Search 4.8瞬态热分析的实例1 4.8.1问题描述
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)。材料热物理性能如下：
31
热分析 ansys热分析
4.8.2 菜单操作过程
4.8.2.1设置分析标题
1、选择―Utility Menu>File>Change Jobname‖，输入文件名Transient1。［www.61k.com）
2、选择―Utility Menu>File>Change Title‖ 输入Thermal Transient Exercise 1。
4.8.2.2定义单元类型
1、选择―Main Menu>Preprocessor‖，进入前处理。
2、选择―Main Menu>Preprocesor>Element Type>Add/Edit/Delete‖。选择热平面单元plane77。
4.8.2.3定义材料属性
1、选择―Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models‖，在弹出的材料定义窗口中顺序双击Thermal选项。
2、点击Conductivity，Isotropic，在KXX框中输入383；点击Density，在DENS框中输入8898；点击Specific Heat，在C框中输入390。
3、在材料定义窗口中选择Material>New Model，定义第二种材料。
4、点击Conductivity，Isotropic，在KXX框中输入70；点击Density，在DENS框中输入7833；点击Specific Heat，在C框中输入448。
5、在材料定义窗口中选择Material>New Model，定义第三种材料。
6、点击Conductivity，Isotropic，在KXX框中输入.61；点击Density，在DENS框中输入996；点击Specific Heat，在C框中输入4185。
4.8.2.4创建几何模型
1、选择―Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Areas->Retangle>By Dimensions‖，输入X1=0, Y1=0, X2=0.6, Y2=0.5, 点击Apply；输入X1=0.15, Y1=0.225, X2= 0.225,Y2=0.27, 点击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。
2、选择―Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Operate>Booleans>Overlap‖，选择Pick All。
3、选择―Utility Menu>Plotctrls>Numbering>Areas, on‖。
4、选择―Utility Menu>Plot>Areas‖。
4.8.2.5划分网格
1、选择―Main Menu>Preprocessor>-Attributes->Define->All Areas‖，选择材料1。
2、选择―Main Menu>Preprocessor>Meshing->Size Cntrls->-Manualsize->-Global->Size‖，输入单元大小0.02。
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热分析 ansys热分析
3、选择―Main Menu>Preprocessor>Meshing->Mesh->-Areas->Mapped>3 or 4 sided‖，选择铜块。［www.61k.com］
4、选择―Main Menu>Preprocessor>-Attributes->Define->All Areas‖，选择材料2。
5、选择―Main Menu>Preprocessor>Meshing->Mesh->-Areas->Mapped>3 or 4 sided‖，选择铁块。
6、选择―Main Menu>Preprocessor>-Attributes->Define->All Areas‖，选择材料3。
7、选择―Main Menu>Preprocessor>Meshing->Size Cntrls->-Manualsize->-Global->Size‖，输入单元大小0.05。
8、选择―Main Menu>Preprocessor>Meshing->Mesh->-Areas->Free‖，选择水箱。
9、选择―Utility Menu>Plot>Area‖。
4.8.2.6进行稳态分析设置初始条件
1、选择―Main Menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis‖，选择Transient，定义为瞬态分析。
2、选择―Main Menu>Solution>-Load Step Opts>Time/Frenquenc>Time Integration‖，将TIMINT设定为 off，首先进行稳态分析。
3、选择―Main Menu>Solution>-Load Step Opts>Time/Frenquenc>Time-Time Step‖，设定TIME为0.01、DELTIM也为0.01
4、选择―Utility Menu: Select>Entities‖，在对话框中自上而下依次选择：Elements，By Attributes，Material num，在―Min， Max‖框中输入3，选择From Full，点击APPLY；选择选择Nodes，Attached to, Element，点击OK。
5、选择―Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Temperature>On Nodes‖，选择Pick All, 输入20。
6、选择―Utility Menu: Select>Entities‖，在对话框中自上而下依次选择：Elements，By Attributes，Material num，在―Min， Max‖框中输入2，选择From Full，点击APPLY；选择选择Nodes，Attached to, Element，点击OK。
7、选择―Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Temperature>On Nodes‖，选择Pick All, 输入80。
8、选择―Utility Menu>Select>Entities‖，在对话框中自上而下依次选择：Elements，By Attributes，Material num，在―Min， Max‖框中输入1，选择From Full，点击APPLY；选择选择Nodes，Attached to, Element，点击OK。
9、选择―Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Temperature>On Nodes‖，选择Pick All, 输入70。
10、选择―Utility Menu>Select Everything‖。
11、Main Menu>Solution>-Solve->Current LS‖。
4.8.2.7进行瞬态分析
1、选择―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。
2、选择―Main Menu>Solution>-Load Step Opts>Time/Frenquenc>Time Integration‖，将TIMINT设置为ON。
3、选择―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。
4、选择―Main Menu>Solution>-Load Step Opts>Output Ctrls->DB/Results‖，选择Every Substeps。
5、选择―Main Menu>Solution>-Solve->Current LS‖。
4.8.2.8后处理
1、选择―Main Menu>TimeHist PostPro‖，进入POST26。
2、选择―Main Menu>TimeHist PostPro>Define Variables‖，点击Add，选择Solution summary，点击OK，在User specified label框中输入dtime，选择Solution Items和Step Time，点击OK定义子步时间为2号变量。
3、选择―Main Menu>TimeHist PostPro>Define Variables‖，点击Add，选择Nodal result，点击OK，在User specified label框中输入T_Copper，在Node number框中输入node(0.1875,0.2475,0)，点击OK定义3号变量。同理可以定义其他节点解。
4、选择―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。
5、选择―Main Menu>General Postproc‖，进入POST1。
6、选择―Main Menu>General Postproc>-Read Results->Last set‖。
7、选择―Main Menu>General Postproc>Plot result>Nodal Solution‖，选择temperature。
4.8.3 等效的命令流方法
33
热分析 ansys热分析
/filename,transient1
/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
!创建几何实体
rectnag,0,0.6,0,0.5
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
!划分网格
aatt,1,1,1
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
34
热分析 ansys热分析
esel,s,mat,,2
nsle,s
d,all,temp,80
esel,s,mat,,1
nsle,s
d,all,temp,70
allsel
solve!得到初始温度分布
!进行瞬态分析
time,3600
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
4.9瞬态热分析的实例2
4.9.1问题描述
矩形的一个边温度恒定100℃。［www.61k.com］对边施加对流边界载荷，对流换热系数随固体表面温度而变化，如下表。初始温度为100℃,求解此矩形60秒温度分布的变化。
35
热分析 ansys热分析
4.9.2 命令流方法
finish
/clear
*dim,cnvtab,table,3,,,TEMP ! 定义表格矩阵参数cnvtab，变量为TEMP cnvtab(1,0) = 20.0,50.0,100.0
cnvtab(1,1) = 10.0,20.0,30.0
/prep7
esize,0.5
et,1,55
rect,0,2,0,1
amesh,1
MP,KXX,,1.0
MP,DENS,,10.0
MP,C,,100.0
lsel,s,loc,x,0
dl,all,,temp,100
lsel,s,loc,x,2
sfl,all,conv,%cnvtab%,,20
alls
/psf,conv,hcoef,2! 显示对流边界
/pnum,tabn,on! show table names
lplot
fini
/solu
antyp,trans
kbc,1
DELTIM,.1,.05,10
time,60
tunif,100
outres,all,all
solve
finish
/post1
set,last
sflist,all!对流系数值
/pnum,tabn,off
/psf,conv,hcoef,2! 显示对流边界.
/pnum,sval,1! 显示表格参数的数值.
eplot
/pnum,sval,0
plns,temp
fini
36
热分析 ansys热分析
/post26
nsol,2,2,temp
prva,2
plva,2
finish
4.10《
第五章 表面效应单元
5.1简介
表面效应单元类似一层皮肤，覆盖在实体单元的表面。［www.61k.com]它利用实体表面的节点形成单元。因此，表面效应单元不增加节点数量（孤立节点除外），只增加单元数量。
ANSYS 5.7中热分析专用表面效应单元为SURF151(2-D)以及SRUF152(3-D)。有关单元的详细描述请参阅《ANSYS Element Reference》。
5.2表面效应单元在热分析中的应用
利用表面效应单元可更加灵活地定义表面热载荷：
当热流密度和热对流边界条件同时施加于同一表面时，必须将其中一个施加于实体单元表面，另一个施加在表面效应单元。建议将热对流边界施加于表面效应单元。
可将热对流边界条件中的流体温度施加于孤立节点上，将对流系数施加于表面单元，这样，可更灵活地控制对流载荷。
当对流系数随温度变化时，表面效应单元可提供设置计算对流系数的选项。
表面效应单元还可以用于模拟点与面的辐射传热。
5.3表面效应单元的有关热分析设置选项
SURF151是单元可用于多种载荷和表面效应的应用。可以覆盖在任何二维热实体单元的表面(除轴对称谐波单元PLANE75和PLANE78外)。该单元可用于二维热分析，多种载荷和表面效应可以同时存在。SURF151单元有2到4个节点，如考虑对流传热和辐射的影响需要定义一个外部节点。传热量和热对流量以表面载荷的形式施加在单元上。详细单元说明请参见《ANSYS Theory Reference》。
SURF152是三维热表面效应单元，可用于多种载荷和表面效应的应用。它可以覆盖在任何三维热单元的表面，该 37
热分析 ansys热分析
单元可用于三维热分析。[www.61k.com)该单元中多种载荷和表面效应可以同时存在。详细单元说明请参见《ANSYS Theory Reference》。
选定单元：
命令：ET
GUI： Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete>Options
分析设置选项：
中间节点：
Include： keyopt(4)=0
Exclude：keyopt(4)=1
如果实体单元为带中间节点的单元，如Solid90，则设为Include，否则为Exclude。
是否有孤立节点：
Exclude： Keyopt(5)=0
Include：Keyopt(5)=1
如果在表面效应单元上施加热流密度，则为Exclude；如果在表面效应单元上施加热对流，则可为Exclude，也可为Include。如果有孤立节点，则对流系数施加在表面效应单元上，流体温度施加在孤立节点上。如果无孤立节点，则对流系数和流体温度都施加在表面效应单元上。
热流密度或对流边界条件：
忽略热流密度和对流边界条件：Keyopt(8)=0
施加热流密度，忽略对流：Keyopt(8)=1
根据平均温度（壁面与流体）(TS＋TB)/2，计算对流系数：Keyopt(8)=2
根据固体表面温度TS，计算对流系数：Keyopt(8)=3
根据流体温度TB，计算对流系数：Keyopt(8)=4
根据固体表面与流体温差｜TB-TS｜，计算对流系数：Keyopt(8)=5
是否考虑辐射，选择Exclude radiation：
Keyopt(9)=
设置单元行为：
Plane：Keyopt(8)=4
Axisymmetric：Keyopt(8)=4
Plane with thickness：Keyopt(8)=4
图5-1面效应单元的选项设置
38
热分析 ansys热分析
5.4表面效应单元的实常数
使用表面效应单元施加对流或热流密度边界条件，一般不需要定义实常数。(www.61k.com）面内厚度在表面效应单元的每个角节点默认为1。只有当生热载荷施加于表面效应单元时，厚度才有作用，因为生热基于单元体积。其它实常数，在辐射热分析或结构分析时设置。
5.5表面效应单元的材料属性
使用表面效应单元施加对流或热流密度边界条件，一般不需要定义材料属性，但有一例外：对流系数随温度变化时，最好单独设定一材料编号，定义材料的对流系数随温度变化的表。在表面单元上施加对流边界时输入负号及材料编号。例如―-3‖。其它材料属性在辐射或结构分析时设置。
5.6创建无孤立节点的表面效应单元
划分实体网格
设定表面效应单元的属性
GUI：Main>Menu>Preprocessor>Meshing Attributes>Default Attribs
一般无需设定表面效应单元的材料编号，但为了选择、加载及后处理方便，最好为每组表面单元设置一个唯一的材料编号。
生成表面单元
第一种方法：直接在相应的线或面上生成网格：
GUI：Main>Menu>Preprocessor> Meshing>Mesh Lines/Area
第二种方法：
选择要生成表面效应单元的边（2D）或面（3D）及所属节点；
设定表面效应单元的属性（TYPE，MAT等）；
创建表面效应单元；
GUI：Main>Menu>Preprocessor> Modeling>Create>Element> Surf Effect
5.7创建带孤立节点的表面效应单元
如果在表面效应单元选项设置时，带孤立节点，Keyopt(5)=1，则：
创建孤立节点
GUI：Main>Menu>Preprocessor>modeling>create>nodes
39
热分析 ansys热分析
选择要创建表面效应单元的面或线，以及所属节点；
设定单元属性；
创建表面效应单元：
GUI：Main>Menu>Preprocessor>modeling>create> Element>on free SURF，输入关键点编号，OK
5.8管流单元热分析
在ANSYS中有三个用于管流热分析的单元：
FLUID116热管流单元
SURF1512-D热表面单元
SURF1523-D热表面单元
其中FLUID116单元求解一维带泵送效应的泊努利方程和一维带质量传递的热传递，可与SURF151或SURF152连接模拟对流效应。［www.61k.com）它的压力、流率、温度、角速度、滑移系数可以表格化参数方式输入。主要的单元属性有流体导热系数、流体密度、流体比热、流体粘度、流体流率等。
而表面效应单元的额外节点在FLUID116单元上，这样用管流单元FLUID116上的节点温度作为对流中的流体温度，将对流系数赋予表面效应单元上，模拟流体与管壁的耦合传热。
LFSUR, Sline, Tline
对组元Sline中包含的线划分表面效应单元，并连接表面效应单元和距离最近的管流单元。这些管流单元已经划分网格，并定义为组元Tline。
AFSUR, Sarea, Tline
对组元Sarea中包含的面划分表面效应单元，并连接表面效应单元和距离最近的管流单元。这些管流单元同样已经划分网格，并定义为组元Tline。
可用如下命令控制显示表面效应单元的额外节点：
命令：/PSYMB,XNODE,1
GUI：Utility Menu>PlotCtrls>Symbols
5.9表面效应单元的实例1－冷却栅的热分析
5.9.1 问题描述
分析冷却栅的温度分布及与空气的热传递速率。冷却栅的横截面如下图所示，单位为英寸。材料为铝，导热系数为8.5 BTU/hr.in°F。冷却栅底部流入的热流密度为17BTU/hr.sq.in。空气的温度为90 °F，自然对流。
5.9.2 菜单操作过程
5.9.2.1设置分析标题
1、选择―Utility Menu>File>Change Title‖，输入HEATSINK1。
2、选择―Utility Menu>File>Change title‖，输入Heat convection using SURF151 ignoring radiation。
5.9.2.2定义参数变量
1、选择―Utility Menu>Parameters>scalar paramaters‖，输入：
base=.15
hgt=1.0
ttop=0.05
40
热分析 ansys热分析
tbot=0.15
fspc=0.4
dt=301.5-90!假设表面平均温度与空气的温差
dt=dt*5/9!转换为摄氏度
len=(hgt-base)/39.37
hvert1=(1.42*(dt/len)**0.25)*0.1761/144!竖直边对流系数（经验公式）
len=base/39.37
hvert2=(1.42*(dt/len)**0.25)*0.1761/144
len=(fspc-tbot)/39.37
hhorz1=(1.32*(dt/len)**0.25)*0.1761/144!水平边对流系数（经验公式）
len=ttop/39.37
hhorz2=(1.32*(dt/len)**0.25)*0.1761/144
5.9.2.3定义热单元及表面效应单元
1、选择―Main Menu：>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete‖，定义单元类型1为PLANE55；单元类型2为SURF151。［www.61k.com]
2、点击SURF151，Options，将―Midside nodes‖设置为Exclude；―Extra node‖设置为Include；―Heat flux and convect loads‖设置为Hf at average T。
5.9.2.4定义定义材料属性
1、选择―Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models‖ 在弹出的材料定义窗口中顺序选择Thermal，Conductivity，Isotropic选项，KXX框中输入8.5。
2、任意定义2～5号材料。
5.9.2.5创建几何模型
1、选择
2、选择―Main Menu>Preprocessor>Create>Area>Arbitrary>Through KPs‖，输入1，4，5，2，点击APPLY；输入2，5，6，3，点击APPLY；输入4，7，8，5，点击OK，由关键点组成了3个面。
3、选择―Utility Menu>WorkPlane> Local Coordinate system>Create Local CS>At Specified Loc‖，输入fspc/2,0,0创建局部坐标。
4、选择―MainMenu>Preprocessor>Reflect>Area，Pick all，on Y-Z plane‖，映射面。
5、选择―MainMenu>Preprocessor>Numbering Contrls>Merge Items‖，选择Keypoints。
6、选择―MainMenu>Preprocessor>Copy>Area‖，点击Pick all，在number of copied中输入5， x offset中输入fspc。
7、选择―Utility Menu>WorkPlane> Local Coordinate system>Create Local CS>At Specified Loc‖，输入5*fspc,0,0创建局部坐标。
8、选择―MainMenu>Preprocessor>Reflect>Area‖，输入28,29,30，on Y-Z plane映射面。
9、选择―MainMenu>Preprocessor>Numbering Contrls>Merge Items‖，选择Keypoints。
10、选择―Utility Menu>WorkPlane>Change Active CS>To Global Cartesian‖，返回总体直角坐标系。
5.9.2.6赋予各边属性
1、选择所有的长斜边：
选择―Utility Menu>Select>Entities>Line>Exterior，From Full, Apply‖；
选择―Utility Menu>Select>Entities>Line>By location，Y coordinate‖，输入base+0.1，hgt-0.1，选择reselect，Apply； 选择―Utility Menu：> Select>Entities>Line> By location，X coordinate‖，输入0，选择Unselect；
选择―Main Menu>Define>All Lines>‖，选择材料为2，单元类型为2；
41
热分析 ansys热分析
2、选择最右边的线：
选择―Utility Menu>Select>Entities>Line> By location，X coordinate‖，输入5.5*fspc，From Full；
选择―Main Menu>Define>All Lines‖，选择材料为3，单元类型为2；
3、选择冷却栅根部的线：
选择―Utility Menu>Select>Entities>Line>Exterior， From Full， Apply‖；
选择―Utility Menu> Select>Entities>Line> By location， Y coordinate‖，输入base， Reselect， OK；
选择―Main Menu>Define>All Lines>‖，选择材料为4，单元类型为2；
4、选择顶部的线：
选择―Utility Menu>Select>Entities>Line>By location， Y coordinate‖，输入hgt， From Full，OK；
选择―Main Menu>Define>All Lines‖，选择材料为5，单元类型为2；
5、选择―Utility Menu>Select>Select Everything‖，选择所有项目。［www.61k.com)
5.9.2.7划分热单元网格
选择―Main Menu>Meshtool‖，设定global size为ttop*0.9，选择mapped，点击mesh all。
5.9.2.8创建孤立节点
1、选择―Utility Menu>Parameter>Get Scalar Data>Model Data>For Selected Set‖，点击OK，选择Current Node Set，Highest node num，输入NN得到最大节点编号。
2、选择―Main Menu>Preprocessor>Create>Node>On Active CS‖，输入节点编号为NN+1，X坐标为5.5*fspc/2，Y坐标为hgt+0.2，创建面效应单元的附加节点。
5.9.2.9生成表面效应单元
1、生成材料编号为2的表面单元：
选择材料编号为2的线,选择―Utility Menu>Select>Entities>Line>By attribute>
Material‖，输入2，From full，Apply。
选择线上的节点，选择―Utility Menu>Select>Entities>Node>Attached to>Line all，From Full‖，点击Apply；选择，By Num/Pick，Also Select，点击OK。
定义单元属性，选择―Main Menu：>Preprocessor>Create>Element>Elem Attribute‖，选择单元类型为2，材料编号为2。
生成表面单元，选择―Utility Menu>Main Menu>Preprocessor>Create>Element>Surf Effect>Extra Node‖，选择除附加节点外的所有节点，点击OK，输入NN+1，点击OK。
2、生成材料编号为3的表面单元：
选择材料编号为3的线,选择―Utility Menu>Select>Entities>Line>By attribute>
Material‖，输入2，From full，Apply。
选择线上的节点，选择―Utility Menu>Select>Entities>Node>Attached to>Line all，From Full‖，点击Apply；选择，By Num/Pick，Also Select，点击OK。
定义单元属性，选择―Main Menu：>Preprocessor>Create>Element>Elem Attribute‖，选择单元类型为2，材料编号为3。
生成表面单元，选择―Utility Menu>Main Menu>Preprocessor>Create>Element>Surf Effect>Extra Node‖，选择除附加节点外的所有节点，点击OK，输入NN+1，点击OK。
3、生成材料编号为4的表面单元：
选择材料编号为4的线,选择―Utility Menu>Select>Entities>Line>By attribute>
Material‖，输入4，From full，Apply。
选择线上的节点，选择―Utility Menu>Select>Entities>Node>Attached to>Line all，From Full‖，点击Apply；选择，By Num/Pick，Also Select，点击OK。
定义单元属性，选择―Main Menu：>Preprocessor>Create>Element>Elem Attribute‖，选择单元类型为2，材料编号为4。
42
热分析 ansys热分析
生成表面单元，选择―Utility Menu>Main Menu>Preprocessor>Create>Element>Surf Effect>Extra Node‖，选择除附加节点外的所有节点，点击OK，输入NN+1，点击OK。（www.61k.com）
4、生成材料编号为5的表面单元：
选择材料编号为5的线,选择―Utility Menu>Select>Entities>Line>By attribute>
Material‖，输入5，From full，Apply。
选择线上的节点，选择―Utility Menu>Select>Entities>Node>Attached to>Line all，From Full‖，点击Apply；选择，By Num/Pick，Also Select，点击OK。
定义单元属性，选择―Main Menu：>Preprocessor>Create>Element>Elem Attribute‖，选择单元类型为2，材料编号为5。
生成表面单元，选择―Utility Menu>Main Menu>Preprocessor>Create>Element>Surf Effect>Extra Node‖，选择除附加节点外的所有节点，点击OK，输入NN+1，点击OK。
5.9.2.10施加热流密度载荷
1、选择―Utility Menu>Select>Entities>Node>By Location，y coordinate‖，输入0， From Full，点击OK，。
2、选择―Main Menu>Solution>Apply>Heat flux>On nodes‖，点击pick all，输入17。
5.9.2.11在表面单元施加对流载荷
1、选择材料编号为2的单元：选择―Utility Menu>Select>Entities>Element>By Attribute>
Material‖，输入2， From Full， OK。
2、定义对流系数：选择―Main Menu>Solution>Apply>Convection>On Elements Uniform‖，输入hvert1。
3、选择材料编号为3的单元：选择―Utility Menu>Select>Entities>Element>By Attribute>
Material‖，输入3， From Full， OK。
4、定义对流系数：选择―Main Menu>Solution>Apply>Convection>On Elements Uniform‖，输入hvert2。
5、选择材料编号为4的单元：选择―Utility Menu>Select>Entities>Element>By Attribute>
Material‖，输入4， From Full， OK。
6、定义对流系数：选择―Main Menu>Solution>Apply>Convection>On Elements Uniform‖，输入hhorz1。
7、选择材料编号为5的单元：选择―Utility Menu>Select>Entities>Element>By Attribute>
Material‖，输入5， From Full， OK。
8、定义对流系数：选择―Main Menu>Solution>Apply>Convection>On Elements Uniform‖，输入hhorz2。
9、选择―Utility Menu>Select>Select Everything‖。
10、定义附加节点的温度（bulk temperature）：选择―Utility Menu>Select>Select Everything‖。
5.9.2.12求解
选择―Main Menu>Solution>Current LS‖。
5.9.2.13列出冷却栅与空气间的热流
选择―Main Menu>General Post>List Result>Reaction Solu‖。
5.9.2.14显示冷却栅的温度分布
1、选择―Utility Menu>Select>Entities>Node>By Num/Pick，Unselect‖，输入NN+1，点取工具条POWRGRPH，选择OFF。
2、选择―Main Menu>General Post>Plot Result>Nodal Result>Temperature‖。
5.9.2.15求解冷却栅表面的平均温度，与假设作对比
1、选择所有的表面单元：选择―Utility Menu>Select>Entities>Element>By Attributes>
Element Type‖，输入2，From Full。
2、定义单元表，得到各单元平均温度：选择―Main Menu：>General Post> Element Table>Define Table>Add‖，输入tavg，选择By senquence num，nmisc，输入6。
3、求和：选择―Main Menu：>General Post>Element Table>sum of each item‖。
4、附于变量TAVG：选择―Utility Menu>Parameter>Get Scalar Data>Result data >Elem Table Sum‖，输入变量名 43
热分析 ansys热分析
TAVG。（www.61k.com）
5、得到单元总数：选择―Utility Menu：>Parameter>Get Scalar Data>Model data>For Selected set>Current Element set>Number of Elem’s‖，输入NE。
6、输入tavg=tavg/ne。
7、显示冷却栅表面平均温度：输入*Stat， tavg。
5.9.3 等效的命令流方法
/filename,heatsink1
/title,Heatsink convection using SURF151 ignoring radiation
base=.15
hgt=1.0
ttop=0.05
tbot=0.15
fspc=0.4
dt=301.5-90!假设表面与空气的温差
dt=dt*5/9!转换为摄氏度
len=(hgt-base)/39.37
hvert1=(1.42*(dt/len)**0.25)*0.1761/144 !竖直边的对流系数（根据经验公式）
len=base/39.37
hvert2=(1.42*(dt/len)**0.25)*0.1761/144
len=(fspc-tbot)/39.37
hhorz1=(1.32*(dt/len)**0.25)*0.1761/144 !水平边的对流系数（根据经验公式）
len=ttop/39.37
hhorz2=(1.32*(dt/len)**0.25)*0.1761/144
/prep7
et,1,plane55
mp,kxx,1,8.5
mp,kxx,2,8.5
mp,kxx,3,8.5
mp,kxx,4,8.5
mp,kxx,5,8.5
et,2,SURF151!定义带孤立节点的表面单元
keyopt,2,4,1
keyopt,2,5,1
keyopt,2,8,2
k,1
k,2,,base
k,3,,hgt
k,4,tbot/2
k,5,tbot/2,base
k,6,ttop/2,hgt
k,7,fspc/2
k,8,fspc/2,base
a,1,4,5,2
a,2,5,6,3
44
热分析 ansys热分析
a,4,7,8,5
/pnum,area,1
aplot
local,11,0,fspc/2!创建局部直角坐标 arsym,x,all!映射所有的面
nummrg,kp!重合所有关键点
agen,5,1,6,1,fspc!将这6个面拷贝4次 nummrg,kp
local,11,0,5*fspc
arsym,x,28,30!完成整个几何模型
nummrg,kp
aplot
/pnum,area,0
csys,0!使用全局直角坐标
lsel,s,ext!选择所有外边界线
lsel,r,loc,y,base+.1,hgt-.1
lsel,u,loc,x,0!选择集中除去底边
latt,2,2,2!赋予材料2,实常数2,单元类型2 lsel,s,loc,x,5.5*fspc!选择最右边的线
latt,3,3,2!赋予材料3,实常数2,单元类型2 allsel
lsel,s,ext!选择所有外边界线
lsel,r,loc,y,base!选择冷却栅根部所有的线 latt,4,4,2!赋予材料4,实常数2,单元类型2 lsel,s,loc,y,hgt!选择冷却栅顶部所有的线 latt,5,5,2!赋予材料5,实常数2,单元类型2 lsel,s,mat,,2,5!选择材料编号为2到5的线 /pnum,mat,1
lplot
allsel
eshape,2!单元形状为四边型
esize,ttop*0.9!设定单元大小
amesh,all!用PLANE55划分网格
*get,nn,node,,num,max!得到节点的最大编号nn n,nn+1,5.5*fspc/2,hgt+0.2!创建孤立节点 lsel,s,mat,,2!选择材料为2的线
nsll,s,1!选择线上的节点
type,2!单元单元单元类型为2
mat,2!材料编号为2
eSURF,nn+1!生产带孤立节点的表面单元 lsel,s,mat,,3
nsll,s,1
type,2
mat,3
45
热分析 ansys热分析
eSURF,nn+1
lsel,s,mat,,4
nsll,s,1
type,2
mat,4
eSURF,nn+1
lsel,s,mat,,5
nsll,s,1
type,2
mat,5
eSURF,nn+1
allsel
eplot
/pnum,mat,0
finish
/solu
antype,static!稳态分析
nsel,s,loc,y,0!底边施加热流密度载荷
sf,all,hflux,17.0
esel,s,mat,,2
sfe,all,1,conv,1,hvert1!定义各边的对流系数
esel,s,mat,,3
sfe,all,1,conv,1,hvert2
esel,s,mat,,4
sfe,all,1,conv,1,hhorz1
esel,s,mat,,5
sfe,all,1,conv,1,hhorz2
allsel
d,nn+1,temp,90!定义孤立节点的温度（bulk temperature） /pbc,temp,1
/psf,hflux,2
eplot
/psf,conv,,2
nplot
/pbc,default
/psf,defautl
solve!求解
finish
save
/post1
prrsol
nsel,u,,,nn+1!不选择孤立节点
/graphics,full
plnsol,temp!显示温度分布
46
热分析 ansys热分析
esel,s,type,,2!计算表面平均温度与假设值对比
etable,tavg,nmisc,6
ssum
*get,tavg,ssum,0,item,tavg
*get,ne,ELEM,0,COUN
tavg=tavg/ne
*stat,tavg
finish
5.10表面效应单元的实例2－圆管热分析
5.10.1 问题描述
求解圆管中流体及管壁的温度分布。(www.61k.com］考虑流体与管内壁的对流，管外壁与周围环境对流。已知条件如下： 管内水的物理性质及入口条件
导热系数0.6W/(m-℃)
密度1000Kg/m3
比热4183J/(Kg-℃)
入口温度：20℃
入口流速3m/s
管壁物理性质及几何尺寸
导热系数100W/(m-℃)
管外径5/16inch
壁厚0.083inch
长度12inch
管外对流条件：
环境温度100℃
对流系数10000W/(m2-℃)
管内对流条件：
对流系数：15000W/(m2-℃)
5.10.2 命令流方法
! ANSYS 5.5 Heat Transfer Seminar Notes
! STEADY-STATE ANALYSIS OF SIMPLE HEAT EXCHANGER
PI=ACOS(-1)
RI=((5/16)-0.083)*0.0254! 管内半径(m)
RO=(5/16)*0.0254! 管外半经(m)
L=12*0.0254! 管长度(m)
NTHICK=1! 径向单元个数
SIZE=(RO-RI)/NTHICK! 径向单元长度
NLENGTH=NINT(L/SIZE)! 长度方向单元个数
!材料属性
KTUBE=100! 管导热系数 W/(m-℃)
KWATER=0.6! 水导热系数 W/(m-℃)
DENSWATR= 1000! 水密度 Kg/(m**3)
CWATER=4183! 水比热 J/(Kg-℃)
! 入口
VINPUT=3! 入口流速 m/sec
47
热分析 ansys热分析
CAREA=PI*(RI**2)! 流通面积 m2
MASSFLOW=VINPUT*CAREA*DENSWATR! 质量流率 m3/sec ! 热传递边界条件
TINLET=20! 入口水温度 ℃
TBULK=100! 管外环境温度 ℃
HI=15000! 管内壁与水的对流系数 W/(m2-℃)
HO=10000! 管外壁对流系数 W/(m2-℃)
/PREP7
! 定义单元类型及选项
ET,1,116,1,1 ! KEYOPT(1)=1, 自由度为温度
! KEYOPT(2)=1, 使用SURF151模拟管内对流
ET,2,151,,,1,1,1! 热表面效应单元
KEYOPT,2,8,2
! KEYOPT(3)=1, 轴对称
! KEYOPT(4)=1, 无中间节点
! KEYOPT(5)=1, 有额外节点，在FLUID116上
！KEYOPT(8)=2, 考虑对流
ET,3,55,,,1! KEYOPT(3)=1, 轴对称
R,1,2*RI,CAREA,1! FLUID116 实常数
! 定义材料属性
MP,KXX,1,KWATER
MP,C,1,CWATER
MP,DENS,1,DENSWATR
MP,KXX,3,KTUBE
! 创建几何模型划分单元
K,1,0,0,0
K,2,0,-L,0
K,3,0,-(L+SIZE),0
L,1,2
L,2,3! 线1和线2模拟管内流体流动
CM,WATERLIN,LINES! 创建组元
RECTNG,RI,RO,0,-L! 管壁
TYPE,1
REAL,1
MAT,1
ESIZE,,NLENGTH
LMESH,1
ESIZE,,1
LMESH,2
LSEL,S,LOC,X,(RI+RO)/2 ! 选择管两端
LESIZE,ALL,,,NTHICK! 厚度方向单元个数
ESIZE,,NLENGTH!单元大小
TYPE,3
MAT,3
48
热分析 ansys热分析
ALLSEL,ALL
AMESH,1
! 创建表面效应单元
LSEL,S,LOC,X,RI! 选择管内壁
CM,TUBELIN,LINES
TYPE,2
LFSURF,"TUBELIN","WATERLIN"! 使用宏LFSURF创建表面效应单元
SAVE
/SOLU
DK,1,TEMP,TINLET! 入口水温度
LSEL,S,LOC,X,RO
SFL,ALL,CONV,HO,,TBULK! 管外壁对流边界
ESEL,S,ENAME,,SURF151
SFE,ALL,,CONV,0,HI ! 管内壁对流系数
ESEL,S,ENAME,,FLUID116
SFE,ALL,,HFLUX,,MASSFLOW ! 管内水质量流率，以热流密度方式施加
ALLSEL,ALL
SOLVE
FINISH
/POST1
NSEL,S,LOC,X,0! 选择FLUID116
PRNSOL,TEMP! 列出流体温度分布
NSEL,S,LOC,X,RO! 选择管外壁节点
PRNSOL,TEMP! 列出管外壁节点温度
NSEL,ALL! 选择所有节点
FINISH
第六章 热辐射分析
6.1热辐射的定义
热辐射是一种通过电磁波传递热能的方式。（www.61k.com］电磁波以光的速度进行传递，而能量传递与辐射物体之间的介质无关。热辐射只在电磁波的频谱中占小部分的带宽。由于辐射产生的热流与物体表面的绝对温度的四次方成正比，因此热辐射有限元分析是高度非线性的。物体表面的辐射遵循Stefan-Boltzmann定律：
式中：—物体表面的绝对温度；
—Stefan-Boltzmann常数，英制为0.119×10-10 BTU/hr-in-R，公制为5.67×10-8
6.2基本概念
下面是对辐射分析中用到的一些术语的定义：
黑体
黑体被定义为在任意温度下，吸收并发射最大的辐射能的物体；
通常的物体为―灰体‖，即ε< 1；
在某些情况下，辐射率（黑度）随温度变化；
49
热分析 ansys热分析
辐射率（黑度）
物体表面的辐射率（黑度）定义为物体表面辐射的热量与黑体在同一表面辐射热量之比。［www.61k.com]
式中：－辐射率（黑度）
－物体表面辐射热量
－黑体在同一表面辐射热量
形状系数
形状系数用于计算两个面之间的辐射热交换，在ANSYS中，可以用隐藏/非隐藏的方法计算2维和三维问题，或者用半立方的方法来计算3维问题。
表面I与表面J之间的形状系数为：
形状系数是关于表面面积、面的取向及面间距离的函数；
由于能量守恒，所以：
根据相互原理：
由辐射矩阵计算的形状系数为：
式中：－单元法向与单元I,J连线的角度
－单元I,J重心的距离
有限单元模型的表面被处理为单元面积dAI及dAJ，然后进行数字积分。
辐射对
在辐射问题中，辐射对由一些相互之间存在辐射的面组成，可以是开放的或是闭合的。在ANSYS中，可以定义多个辐射对，它们相互之间也可以存在辐射ANSYS使用辐射对来计算一个辐射对中各面间的形状系数；每一个开放的辐射对都可以定义自己的环境温度，或是向周围环境辐射的空间节点。
Radiosity 求解器
当所有面上的温度已知时，Radiosity 求解器方法通过计算每一个面上的辐射热流来得到辐射体之间的热交换。而面上的热流为接下来的热传导分析提供了有限元模型的边界条件。重复上面的过程，就会由于新的时间步或者新的迭代循环会得到新的热流边界条件，从而计算出新的温度分布。在计算中使用的每个表面的温度必须是均匀的，这样才能满足辐射模型的条件。
6.3分析热辐射问题
针对不同的情况ANSYS为热辐射分析提供了四种方法。
热辐射线单元（LINK31），模拟两节点间（或多对节点）间辐射；
表面效应单元（SURF151及SURF152），模拟点对面（线）的辐射；
利用AUX12生成辐射矩阵，模拟更一般的面与面（或线与线）的辐射(只有ANSYS/Multiphysics
ANSYS/Mechanical和ANSYS/Professional这些产品提供辐射矩阵生成器)；
Radiosity求解器方法，求解二维、三维面与面之间的热辐射，该方法对所有含温度自由度的
二维和三维单元都适用。(只有ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical和ANSYS/Professio-
50
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三 : 基于ANSYS有限元多载荷步结构的分析
摘 要 多载荷步结构分析是ANSYS有限元分析的关键部分，本文以二维悬臂梁杆为例，分析了其在不同时刻的载荷下的应力分布，总结了多载荷步问题的求解方法。
关键字 ANSYS ；有限元分析； 多载荷步
中图分类号[O242.21] 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）119-0180-02
0 引言
ANSYS是当前使用最广泛，功能最强大的有限元软件，对工程结构在各种外荷载作用下可进行全面分析 ，并能对结构的变形、位移及应力分布结果通过图像和图表表示，为系统的优化提供可靠依据。而在整个有限元分析中，如何正确施加载荷以及选择合适的求解方式至关重要，直接影响到分析结果的正确性。
1 ANSYS载荷分析
ANSYS中将载荷分为六大类：自由度约束、集中力载荷、面载荷、体载荷、惯性载荷以及耦合场载荷。
为获得模型分析的正确计算结果就要对施加的载荷做相关的配置，在单载荷步系统中，载荷通过一个载荷步施加即可满足求解。而对于实际大多数的有限元模型分析中，载荷的加载为多载荷步，需要多次施加不同的载荷步才能满足要求。
2 多载荷步求解
对于多载荷步的问题，有两种可行的方法：
1）顺序求解法。先加载第一个载荷步，然后求解。接着加载第二个载荷步，再求解。以此类推；
2）多载荷步文件法。为每一个载荷步设置一个载荷文件，然后让ANSYS自动依次读取每个载荷步文件并求解。
显然第二种方法自动化程度较高，本文采取第二种方法以一端固定的悬臂梁杆为例进行分析。从零时刻起，给悬臂梁杆右部自由端施加随时间变化的应力，在ANSYS中施加多载荷步，确定不同时刻的应力分布。力的载荷历程如图1.
本例为实体静态分析，多载荷步之间的联系是时间，因此在每个载荷步结束点赋予时间值。根据图1，在0s～5s时间内，集中力从0开始线性增加到5000N，接着该力不变持续的时间段为5s～10s，在最后的10-15S的时间段跳跃到50000N。根据时间的不同，将载荷分为3步。0s～5s为第一步加载过程，5s～10s为第二步加载过程，10s～15s为第三步加载过程。这其中的每一步为一个载荷步。
① 在ANSYS建立有限元模型，划分有限元网格，如图2，并施加左端固定的边界条件。本例中的载荷为自由度约束和集中力载荷。自由度载荷施加于悬臂梁杆左端，集中力载荷施加在右端。
②施加第一个集中力载荷，在Ansys中单击Solution（求解）→Define（定义载荷）→Apply（加载）→Structural（结构）→Force/Moment（力/力矩）→On Keypoints（在关键点上），在弹出的对象拾取对话框中拾取悬臂梁右上端的节点，在Apply F/M on kpts对话框中设置力的方向为Y方向，大小为-5e3。时间增量为5S。
③定义第一个载荷步结束时刻为5S。Solution（求解）→Load Step Opts（载荷步设置）→Time/Frequenc（时间/频率）→Time and Substep Options（时间-时间步长），设置终止时间为5S。由于0-5S的力是线性加载的，所以第一个载荷步的加载为斜坡式加载。
④创建第一个载荷步文件。Solution（求解）→Load Step Opts（载荷步设置）→Write LS File（写载荷步文件），定义第一个载荷步文件编号为1。
⑤施加第二个载荷步的集中力载荷5000N，定义载荷步结束时间为10S。由于在5-10S时间段内，力的加载恒定不变，载荷步的加载方式为阶跃式加载，时间增量为5S。创建第二个载荷步文件，编号为2。
⑥施加第三个载荷步的集中力载荷50000N，定义载荷步结束时间为15S。由于在10-15S时间段内，力跳跃到50000N，所以载荷步的加载方式为阶跃式加载，时间增量为5S。创建第三个载荷步文件，编号为3。
⑦在创建了载荷文件后指定输出控制。单击Solution（求解）→Load Step Opts（载荷步设置）→Output Ctrls（输出控制）→Solu Printout（求解答应），设置输出所有计算结果及指定每个子步结束后输出的求解结果。
⑧ ANSYS读取载荷步文件并进行求解。单击Solution（求解）→Solve（求解）→From LS File（根据载荷步文件求解），设置起始和结束载荷步文件1和3，设置载荷步文件编号增量为1。
⑨ 求解结束后，进入后处理器，查看求解结果。单击General Postproc（通用后处理）→Read Results（读入结果文件）→By Time/Freq（根据时间/频率），在弹出Read Results by Frequency（通过时间/频率来选择结果文件）对话框中输入读取求解结果的时间点为5，输出结果如图3，将输入读取求解结果的时间点为15，输出结果如图4。
可以看到，悬臂梁杆在5秒时刻在Y轴方向上的应变分布如图3，可看出此时的最大应变值为1.20009，10秒时的外力不变，因此应变分布和图3一致。15秒时的应变分布如图4，最大应变值为12.0009，可见是5秒时的10倍。、
3 结论
多载荷步加载问题ANSYS有限元分析的核心内容，一般为顺序求解法和载荷步文件法。第一种方法优点是直接，只需通过菜单方式实现所有设置，在每个载荷步定义好之后执行SOLVE命令即可。但它的缺点是在交互使用时必须等到每一步求解结束后才能定义下一载荷步；而载荷步文件法在用户远离PC机或者其他终端设备时，依然可以很方便的进行批处理求解。
参考文献
[1]杨桂通.弹塑性力学引论.北［www.61k.com)京：清华大学出版社，2004.
[2]邓凡平.ANSYS12有限元分析自学手册.北京：人民邮电出版社，2010.
图3
图4
四 : 对ANSYS有限元分析方法的模态分析的研究
【摘 要】有限元分析方法是工程和产品结构分析中必不可少的数值计算工具，ANSYS是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析软件，在有限元分析软件排名中一直名列[www.61k.com］前茅。简单介绍ANSYS有限元分析方法和其中动力学分析的概念。重点讲述了模态分析的有限元模型，施加载荷，查看分析结果的过程，最后通过实例来总结研究结果。
【关键词】 ANSYS；有限元分析方法；模态分析；建模；模态结果
一、有限元分析方法的概念
有限元法（FEM，Finite Element Method）就是把物理结构分割成有限个区域，这些区域成为单元。每个单元通过节点相连接。对每个单元建立作用力方程，所有单元的方程组成整个结构的系统方程，求解该系统方程，得到结构的近似解。有限元的基本构成为：节点（node）、单元（element）、自由度（DPF）。
二、ANSYS的功能
ANSYS是一个通用的有限元分析软件，它具有多种多样的分析能力，从简单的线性静态分析道复杂的非线性动态分析。而且ANSYS还具有产品优化设计、估计分析等附加功能。ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。ANSYS提供了对各种物理场量的分析功能，主要包括：结构分析、热分析、磁场分析、声学分析、压电分析等。
三、ANSYS的结构分析
结构分析包括结构静力、动力、稳定性及线性分析。结构静力分析用来分析求解外载荷引起的位移、应变和反力。结构动力分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。
四、模态分析
（1）模态分析简介。模态分析可以确定一个结构或机构的固有频率和振型。同时也可以作为其他更详细的动态分析的起点，例如瞬时动态分析、谐波响应分析和谱分析等。模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术，这些振动包括：固有频率、振型，振型参与系数等。振动现象是机械及建筑结构系统经常遇到的问题之一，振动会造成结构的共振或结构疲劳而破坏。了解结构的振动频率及振型，避免外力频率和结构的固有频率相同或接近，可以防止共振现象。模态分析术语线性分析，即在模态分析中只有线性行为是有效的。如果再分析中制定了非线性单元，在计算终将被忽略并视为线性处理。可以对预应力的结构进行模态分析。（2）ANSYS七种模态提取方法。在ANSYS中模态提取方法有七种：Block Lanczos（分块Lanczos法）、Subspace（子空间迭代法）、Powerdynamics（快速动力法）、Reduced（缩减法）、Unsymmetric（非对称法）、Damped（阻尼法）、QR Damped（QR阻尼法）。
五、实例：模型飞机机翼的模态分析
对一个飞机机翼进行模态分析。机翼沿长度方向的轮廓是一致的，横截面由直线和样条曲线定义。机翼的一端固定在机体上，另一端悬空。建模及加载过程略去，由图1显示计算结果，得出机翼在载荷作用下在五个模态下的变形图，截取其中两个模态的变形图示意如下。
通过实例分析总结，模态分析的主要步骤为：建模、选择分析类型和分析选项、施加边界条件并求解、评价结果。并且典型的模态分析中唯一有效的载荷就是零位移约束，通过实例理解掌握模态分析的原理，对于以后机械和建筑结构系统的设计分析是很有益处的。
参考文献
[1]李黎明.ANSYS有限元分析实用教程[M].清华大学出版社，2004
[2]龚曙光.ANSYS工程应用实例解析[M].机械工业出版社，2003
[3]王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M].西北工业大学出版社，1999
五 : Ansys与solidworks 有限元分析软件的比较
COSMOS与其他有限元分析软件的比较
COSMOS与其他有限元分析软件的比较
http://www.3dportal.cn/discuz/viewthread.php?tid=144534&pid=813571&page=1&extra=page%3D1#pid813571
cosmos是sw环境下优秀的有限元分析软件
下面转贴一篇比较文章:
现在，企业面临的最大挑战是怎样快速地推出可以信赖的高品质产品。［www.61k.com)达到这一目标的途径只有缩短产品的设计周期、降低产品的制造成本。这样的问题对稍有一些头脑的人都是可以提出来的，问题是如何去缩短？怎样来降低呢？
在一个现代化的企业中，CAD/CAM已经减少了不少设计者的负担，原来被视为CAD/CAM中配角的CAE（计算机辅助工程）已经不再是以前的可有可无了，现在已经是高品质设计中不可缺少的重要一环，CAE不仅可以减少CAM中制造实体模型的次数，还可以帮助设计者在CAD中合理去建构几何实体模型。因此合理运用CAE可以缩短产品的开发时间，减少产品制造的成本。这也从一个侧面说明，在整体效益上看，CAD/CAE/CAM已经是不可分割的了，并且向集成化的方向发展是一个必然趋势。说的具体一点，CAE可以使企业达到现代化的水准，即可以：
1、缩短设计所需的时间和降低设计成本。
2、在精确的分析结果下制造出品质优秀的产品。
3、对设计变更能快速作出反应。
4、能充分地与CAD集成并对不同类型的问题进行分析。
5、能准确地预测产品的性能。
怎样选择CAE软件
CAE在企业中属高深层技术的范畴，因此，选择CAE软件产品应从技术的角度入手，但软件的计算速度、分析问题所需的硬盘空间、软件的使用方便性、软件的分析功能、与其它CAD/CAE软件的集成性，是评价CAE软件的基本准则。
目前在全球范围内的CAE软件产品是非常多的，如COSMOS、ANSYS、NASTRAN、PATRAN、ADINA、SAP、MARC、ASKA、RASNA、JIFEX（国产）等。
下面将美国加洲理工学院Paul M. McEcroy博士对一些CAE软件的测试结果公布于此 ，供一些企业参考。值得一提的是Paul M. McElroy博士是完全站在公正的、中立的立场上进行这项工作的，并且这些结果已经得了其它有关专家的进一步证实，目前已经成为国际公认的结论。测试这些结果的前提是：各种分析题目相对于每一种软件都具有相同数目的结点数、元素数和DOF，限于篇幅，这些相同的设置结果不累述于此，分析结果见表1
表1：COSMOS、NASTRAN、ANSYS测试结果比较
COSMOS
NASTRAN
ANSYS
电话手柄
静力
有限元分析软件 Ansys与solidworks 有限元分析软件的比较
最高精确度
0.00318 0.00318 0.00320
解题时间
46秒 244秒 460秒
占用磁盘空间
11MB 73MB 240MB
墙挂 静力
最高精确度
0.00159 0.00159 0.00165
解题时间
70秒 4920秒 360秒
占用磁盘空间
17MB 585MB 70MB
板手 静力
最高精确度
有限元分析软件 Ansys与solidworks 有限元分析软件的比较
0.075527 0.075526 0.075666
解题时间
50秒 435秒 200秒
占用磁盘空间
6MB 112MB 50MB
磁盘驱动器 振动
模型1
2015.3HZ 2015.3 HZ 2032.3 HZ
模型2
2098.7 HZ 2098.7 HZ 2120.2 HZ
模型3
3839.7 HZ 3839.6 HZ 3887.7 HZ
模型4
4154.5 HZ 4154.5 HZ 4203.7 HZ
有限元分析软件 Ansys与solidworks 有限元分析软件的比较
模型5
4596.1 HZ 4596.2 HZ 4643.2 HZ
解题时间
41秒 180秒 710秒
占用磁盘空间
7.3MB 55MB 205MB
鞍型托架 振动
模型1
2465.4 HZ 2465.4 HZ 2469.5 HZ
模型2
4969.4 HZ 4969.4 HZ 4977.7 HZ
模型3
7340.0 HZ 7339.9 HZ 7352.3 HZ
模型4
7722.4 HZ 7722.4 HZ 7750.9 HZ
有限元分析软件 Ansys与solidworks 有限元分析软件的比较
模型5
9432.5 HZ 9432.5 HZ 9470.9 HZ
解题时间
160秒 430秒 1500秒
占用磁盘空间
10.3MB 93.3MB 355MB
火花塞 振动
模型1
4980.4 HZ 4981.0 HZ 4964.0 HZ
模型2
5005.0 HZ 5004.8 HZ 4987.5 HZ
模型3
13,142.0 HZ 13,145.7 HZ 13,110.6 HZ
模型4
13,517.0 HZ 13,517.4 HZ
有限元分析软件 Ansys与solidworks 有限元分析软件的比较
13,437.2 HZ
模型5
14,647.0 HZ
14,656.9 HZ
14,684.0 HZ
解题时间
350秒
1110秒
2340秒
占用磁盘空间
17MB
148MB
544MB
从目前三种流行的分析软件的测试表中可以看出，COSMOS和NASTRAN的分析结果是很接近的，而ANSYS的误差要大一些，NASTRAN是通过牺牲速度来达到精度的，而ANSYS是通过放弃精确度和加大解题占用的磁盘时间来提高速度的。(www.61k.com]分析一下表1技术指标的平均值（当然某个领域的分析可能与这个平均值比会有一些出入），COSMOS、NASTRAN、ANSYS解题速度比为1：16：9，解题占用的磁盘空间比为1：14：22。也就是说COSMOS解题的平均速度分别要比NASTRAN和ANSYS快16倍和平倍，而解题占用的磁盘空间分别减少14倍和22倍。从这些数字也可以看出COSMOS软件在有限元分析软件中是技高一筹的。
有限元分析软件──Cosmos
Cosmos软件是美国SRAC（Structure Research and Analysis Corporation ）公司的产品，它具有计算速度快、解题时占用磁盘空间少、使用方便、分析功能全面、与其他CAD/CAE软件集成性好等优点，下面简要介绍一下这些特点。
COSMOS为什么速度快？
要解释清楚这个问题应该考查一下有限元分析软件的算法。有限元分析软件现在基于的算法有两种：一种是所谓的直接解法，一种是所谓的迭代解法。因为有限元软件处理的对象大部分是高元方程组，因此直接解法总能求得解，但速度就不能保证很快，虽然迭代法解题的速度很快，但不能保证所有的算法都是收敛的，因此传统的有限元分析软件大都采用直接解法。1982年，前苏联的三位数学物理博士致力于研究有限元分析的迭代算法的收敛性问题，因为，如果能保证迭代法总是收敛的，就可以大幅度提高解题速度。他们采用穷举法，分析迭代法中所有发散的算法，最后总结出500多种导致迭代法发散的原因并加以有效的对症下药，终于在11年后的1993年发明了举世瞩目的FFE（快速有限元法，Fast Finite
扩展：有限元分析软件ansys / ansys有限元分析实例 / ansys有限元分析作业
有限元分析软件 Ansys与solidworks 有限元分析软件的比较
Element ）算法。(www.61k.com）FFE方法其实就是针对不同的迭代算法总能保证其收敛的改进的迭代法，现在的Cosmos就是采用的这种FFE方法。这是Cosmos解题速度快的一个重要的原因。
Cosmos解题时为什么占用的磁盘空间那么少？
Cosmos采用的算法是FFE技术，而FFE技术是1993年才发明的，要想把这种快速有限元技术应用到Cosmos软件中，必须重新编写Cosmos的源代码，1993年世界上比较先进的C++语言技术已经成熟，面向对象技术、内存优化管理技术、磁盘管理技术也已上了一个新台阶。正是因为在Cosmos的新的源代码中利用了这些新技术，所以Cosmos才具有用少的磁盘空间解决复杂的分析问题的能力。虽然SRAC在重新编写Cosmos源码上付出了代价，但却换回了其他CAE软件不能比拟的功能。
使用方便
Cosmos是基于PC+WINDOWS上的软件，这在使用上很显然要比基于工作站+Unix上的软件好用的多。这对熟悉WINDOWS和UNIX使用的人就更清楚，因为有很多文章作这方面的说明，所以，就WINDOWS和UNIX的使用方面在此也不再累述。但值得说明的一点是很多有限元分析软件都是很早以前用FORTRAN编写的，所以界面并不都是很友好的，但Cosmos基于的操作系统就是PC机上的WINDOWS，所以就其界面来说必将越来越好。另外，COSMOS为各种分析类型建立了分析步骤示意图，如果对分析步骤不很明了，可以打开分析步骤示意图，它会提示应该做的每个步骤，就象马路的交通指挥灯一样；COSMOS还建立了智慧导向型菜单系统，如果分析问题的准备工作未做好，COSMOS就使相应的功能项变暗，使分析无法进行下去，这节省了误操作所浪费的时间。
Cosmos的功能
Cosmos软件是按模组进行封装的，也就是说你可以有选择地购买需要的模组，不需要的模组不必购买。CosWorks是Cosmos的一个小产品，它是专门为Solidworks软件做无缝集成的。它可以做的分析有：线性静力分析（位移与应力应变计算）、挫曲分析（关键挫曲力与相对变形计算）、频率分析（共振频率与相对变形量计算）、热传分析（稳态与暂态热流问题及温度变化速率与热流量计算）。
Cosmos/M是一个全面的CAE软件，它除了包含Cosworks具有的全部功能外，还具有可以选择的其它模组：
动力分析模组，包括：参数式材料性质与挫曲负截输入、可平移之频率输入、刚体模式、整体质量模式、检查Missed模态、可与Cosmos/M进阶动力模组集成在一起分析。
进阶动力分析模组，包括：二维与三维稳态与暂态线性动态分析。含模态时域分析、频域分析、随机振动、地震力风力以及反应频谱分析等。
非线性分析模组，包括：二维与三维非线性静力与动力分析。含大变形分析、塑性变形分析、贴弹分析、裂缝分析、非线性热传与后挫曲分析等。
有限元分析软件 Ansys与solidworks 有限元分析软件的比较
热传分析模组，包括：二维与三维稳态与暂态热传导、热对流与热幅射分析、计算温度，等温线与热流量等。（www.61k.com]
电磁分析模组，包括：二维与三维，高频与低频电磁问题分析。
疲劳分析模组，包括：二维与三维结构分析，并且计算疲劳寿命、此外尚可计算裂缝在疲劳应力下的发展趋势。
计算流力分析模组，包括：二维与三维稳态或暂态可压缩或不可压缩流的分析。并且可以和热传分析集成做C0upling效应分析。
设计最佳分析模组，包括：二维与三维形状与大小最佳化分析与设计、结与热传灵敏度分析等。
FFE-Statics/FFE-Dynamics/Ffe-Thermal，包括：使用FFE技术去做静力、动力与热传分析。
值得一提的是Cosmos的功能虽然很强大，但它的硬件需求只是PC机，这也为企业引进分析软件节约大量的投资。
Cosmos的集成性
Cosmos在CAD/DAE软件的集成上做得是比较出色的，Cosmos的基本模组产品Cosworks与风靡全球的三维CAD软件SolidWorks已经做到了无缝集成的境界。另外Cosmos可以直接利用Solidworks、Pro/E、IDEAS、CADKEY、AMD等三维CAD软件的几何模型，与CAE软件ANSYS、NASTRAN、PATRAN等也可以进行数据沟通。因此COSMOS在企业以后的集成方面应是高枕无忧的。
结论
CAE软件是现代化企业比较高层技术的操作，它与CAD/CAM是密不可分的，如果只抓CAD，不抓CAE，企业的产品就摆脱不了傻大黑粗的阴影。CAD也发挥不出它的真正作用。所以，CAE必将越来越受到企业的重视，必将成为企业竞争的有力帮手。（注：CAE其实不只限于有限元分析，其它如动力学、运动学仿真问题也属此范畴，但本文不就这些方面进行探讨，以后将在其它专文中论述。）
本文摘自《计算机辅助设计与制造》
扩展：有限元分析软件ansys / ansys有限元分析实例 / ansys有限元分析作业
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