本书是以有限元分析方法为基础，结合作者多年的使用和开发经验，通过丰富的工程应用实例，将ANSYS 14.0在热分析工程领域中的应用详细介绍给读者。

　　全书包括基础内容与案例应用两部分（共14章），其中基础内容包括：ANSYS 14.0简介、ANSYS前处理、ANSYS加载和求解、ANSYS后处理、非线性热分析等；案例应用部分包括：稳态热分析、瞬态热分析、热辐射分析、相变分析、流体热分析、热-结构耦合分析和高级应用技术等内容。本书按照深入浅出的原则，通过详细的图形用户界面和命令流方式对不同的工程应用问题进行详细的讲解，并在讲解过程中穿插“提示”、“注意”和“技巧”等，为读者提供了大量的分析方法和使用技巧。本书光盘配有书中实例的有限元模型、APDL语言代码以及计算结果等，方便读者查阅和参考。

　　本书内容翔实，适合理工院校相关专业的硕士研究生、博士研究生及教师使用，也可以作为ANSYS学习教材供高等院校学生及科研院所研究人员使用，还可以作为从事热分析领域科学技术研究的工程技术人员的参考用书。

　　

随着计算机科学与应用技术的发展，有限元理论日益完善，随之涌现了一大批比较成熟的通用和专业的有限元计算商业软件。ANSYS作为最著名的和有效的商用有限元软件之一，集结构、传热、流体、电磁、碰撞爆破分析于一体，具有强大的前后处理及计算分析能力，能够进行多场耦合，以及结构-热、流体-结构、电-磁场等的耦合处理求解。

　　自1996年ANSYS落户我国以来，ANSYS以其强大功能、可靠质量、良好的市场开拓，得到了我国CAE界的广泛认可和青睐，用于土木工程、机械制造、汽车工业、水利工程、航空航天、石油化工、生物医学等多方面，为各行业的设计研究攻关做出了重要贡献。

　　本书以ANSYS 14.0为软件平台，对ANSYS热分析及与热分析相关的耦合场分析的理论基础、基本思路、操作步骤和应用技巧进行介绍，并结合工程应用实例讲述ANSYS具体工程应用方法。全书共14章，各章内容安排如下。

　　第1章：ANSYS 14.0简介，主要讲解ANSYS热分析的基本原理、ANSYS热分析的操作流程和主要界面介绍。

　　第2章：ANSYS前处理，主要讲解有限元模型建立的基础，其中包括定义单元类型和材料属性、工作平面与坐标系、创建几何模型、划分网格等。

　　第3章：ANSYS加载和求解，主要讲解热分析载荷的分类、施加和操作方法、求解设置以及求解过程处理等。

　　第4章：ANSYS后处理，主要讲解通用后处理器的操作，包括结果读取、图形显示、结果列表、结果查看器、基于单元表的结果处理、基于路径的结果处理，以及时间-历程后处理器的变量定义、变量运算、变量查看等相关操作。

　　第5章：非线性热分析，主要讲解非线性热分析的特点、求解原理，以及非线性热分析的主要操作步骤、相关设置。

　　第6章：稳态热分析及实例详解，主要讲解ANSYS稳态热分析的基本操作步骤，并介绍电线生热、飞机双层窗、肋片换热等操作步骤。

　　第7章：瞬态热分析及实例详解，主要讲解ANSYS瞬态热分析的边界条件、求解选项的设置，以及基本操作步骤，并介绍了钢锭加热、钢制零件冷却、铁块和铜块在水箱中冷却过程的ANSYS瞬态热分析等操作步骤。

　　第8章：热辐射分析及实例详解，主要讲解ANSYS热辐射分析的基本方法和操作步骤，并介绍了黑体辐射、圆台辐射传热、同心圆环间的辐射传热、非同心圆环间的辐射传热等ANSYS热辐射分析等操作步骤。

　　第9章：相变分析及实例详解，主要讲解ANSYS相变分析的基本步骤，并介绍冰融化、某零件铸造过程等操作步骤。

　　第10章：FLOTRAN CFD分析及实例详解，主要讲解FLOTRAN CFD分析的基础知识和基本步骤，并介绍正方体内不同温度引起的流动、正方体内考虑辐射流动等操作步骤。

　　第11章：自适应网格划分和单元生死技术分析及实例详解，主要讲解在热分析中应用到的自适应网格划分和单元生死技术的基础知识和基本操作步骤，并介绍二维对流传热的自适应分析、两焊缝在顺序焊接中应用单元生死技术等操作步骤。

　　第12章：热-结构耦合分析及实例详解，主要讲解ANSYS耦合场分析，特别是热-结构耦合分析的基本步骤，并介绍厚壁圆筒、不同热膨胀系数的两物体、两接触物体的热-应力耦合分析，以及圆柱形坯料镦粗过程分析等操作步骤。

　　第13章：摩擦生热分析及实例详解，主要讲解ANSYS摩擦生热分析的基本步骤，并介绍两物体相互滑动、两物体相互转动过程等操作步骤。

　　第14章：ANSYS高级应用实例详解，主要介绍流体流动过程、地下水的渗流过程、电线电-热耦合分析、微型控制器电-热-应力耦合分析、TABLE表加载载荷等操作步骤。

　　

　　本书适合于ANSYS热分析的初学者和期望提高热分析工程应用能力的读者阅读，所举实例具有典型性和新颖性。本书附赠的光盘中，包括所有实例的db文件、计算结果、APDL的程序文件，供读者在学习过程中直接导入使用，以减少建立几何模型的繁琐操作，使读者能够轻松、快捷地掌握ANSYS 14.0热分析的操作技巧和应用方法。

　　本书由凌桂龙编著，另外，何嘉扬、张杨、周文华、丁学英、吕广宪、孙万泉、黄利、王清、唐明明、张小勇、吴永福、郑明辉、刘力、陈磊、李秀峰等也参与了本书的编写工作，在此一并表示感谢。

　　ANSYS本身是一个庞大的资源库与知识库，本书虽然卷帙浩繁，作者在本书的编写过程中力求叙述准确、完善，但仍难窥其全貌，再加上编者水平有限，书中欠妥之处在所难免，希望读者和同仁能够及时指出，共同促进本书质量的提高。

　　读者在学习过程中若遇到与本书有关的问题，可以发邮件到编者邮箱comshu@126.com，编者会尽快给予解答。

　　

　　编  者

　　2013.03

目    录

第1章  ANSYS 14.0简介 1

　　1.1  ANSYS发展历程及功能简介 1

　　1.1.1  发展历程 1

　　1.1.2  主要功能 2

　　1.1.3  ANSYS 14.0新功能 3

　　1.2  ANSYS热分析简介 4

　　1.2.1  热分析的符号与单位 4

　　1.2.2  热传递的方式 6

　　1.2.3  热力学第一定律 7

　　1.2.4  热分析的控制方程 8

　　1.2.5  热分析的功能 8

　　1.3  ANSYS常见操作 9

　　1.3.1  ANSYS的启动设置 9

　　1.3.2  ANSYS的用户界面介绍 10

　　1.3.3  ANSYS操作流程 12

　　1.4  ANSYS热分析案例详解 14

　　1.4.1  案例介绍 14

　　1.4.2  GUI操作流程 15

　　1.4.3  APDL命令流程序 25

　　1.5  本章小结 26

第2章  ANSYS前处理 27

　　2.1  定义单元类型 27

　　2.1.1  平面单元 27

　　2.1.2  体单元 29

　　2.1.3  壳单元 31

　　2.1.4  热辐射单元LINK31 31

　　2.1.5  热传导单元LINK33 32

　　2.1.6  热对流单元LINK34 32

　　2.1.7  热耦合场单元 32

　　2.1.8  特殊单元 35

　　2.1.9  单元类型定义命令 37

　　2.2  定义材料属性 39

　　2.3  定义坐标系 42

　　2.3.1  总体和局部坐标系 42

　　2.3.2  显示坐标系 46

　　2.3.3  节点坐标系 46

　　2.3.4  单元坐标系 46

　　2.3.5  结果坐标系 47

　　2.4  使用工作平面 47

　　2.4.1  定义工作平面 47

　　2.4.2  列表工作平面 48

　　2.4.3  移动工作平面 48

　　2.4.4  旋转工作平面 48

　　2.5  创建几何模型 49

　　2.5.1  建立图元 50

　　2.5.2  建立模型 60

　　2.5.3  选取图元 61

　　2.5.4  布尔运算 65

　　2.5.5  其他操作 68

　　2.6  划分网格及建立有限元模型 70

　　2.6.1  网格划分的方法分类 70

　　2.6.2  网格划分的一般步骤 72

　　2.6.3  应用MeshTool进行网格划分 72

　　2.6.4  应用Meshing菜单进行网格划分 74

　　2.6.5  直接生成有限元模型 82

　　2.7  本章小结 83

第3章  ANSYS加载和求解 84

　　3.1  热分析载荷概述 84

　　3.1.1  热分析载荷施加对象 84

　　3.1.2  热分析载荷分类 84

　　3.1.3  热载荷和边界条件注意事项 86

　　3.1.4  载荷步、子步和平衡迭代 86

　　3.1.5  时间参数 86

　　3.2  施加载荷和操作 87

　　3.2.1  施加常数载荷 87

　　3.2.2  利用表格和函数施加载荷 90

　　3.2.3  多步载荷操作 92

　　3.2.4  删除载荷 93

　　3.2.5  其他操作 94

　　3.3  求解设置 94

　　3.3.1  新分析（New Analysis） 95

　　3.3.2  求解控制（Solution Controls） 95

　　3.3.3  输出设置（Output Ctrls） 98

　　3.4  求解过程处理 99

　　3.5  本章小结 101

第4章  ANSYS后处理 102

　　4.1  后处理概述 102

　　4.1.1  通用后处理器 102

　　4.1.2  时间-历程后处理器 103

　　4.2  通用后处理器 103

　　4.2.1  结果文件读入通用后处理器 103

　　4.2.2  设置结果输出方式 104

　　4.2.3  图形显示计算结果 105

　　4.2.4  列表显示计算结果 107

　　4.2.5  结果查看器 109

　　4.2.6  基于单元表的结果处理 110

　　4.2.7  基于路径的结果处理 112

　　4.3  时间-历程后处理器 114

　　4.3.1  时间-历程后处理器概述 114

　　4.3.2  进入时间-历程后处理器 114

　　4.3.3  定义时间-历程变量 114

　　4.3.4  处理时间-历程变量 115

　　4.3.5  显示时间-历程变量曲线 116

　　4.3.6  时间-历程变量观察器 117

　　4.4  本章小结 118

第5章  非线性热分析 120

　　5.1  非线性热分析的特点 120

　　5.2  非线性热分析的求解原理 121

　　5.3  非线性热分析的步骤 122

　　5.4  本章小结 127

第6章  稳态热分析及实例详解 128

　　6.1  稳态热分析概述 128

　　6.2  稳态热分析的基本步骤 128

　　6.3  实例1：电线温度分布分析 129

　　6.3.1  问题描述 129

　　6.3.2  问题分析 130

　　6.3.3  GUI操作步骤 130

　　6.3.4  APDL命令流程序 151

　　6.4  实例2：飞机双层窗的温度分布分析 154

　　6.4.1  问题描述 154

　　6.4.2  问题分析 155

　　6.4.3  GUI操作步骤 155

　　6.4.4  APDL命令流程序 165

　　6.5  实例3：肋片换热分析 167

　　6.5.1  问题描述 167

　　6.5.2  问题分析 167

　　6.5.3  GUI操作步骤 168

　　6.5.4  APDL命令流程序 176

　　6.6  本章小结 179

第7章  瞬态热分析及实例详解 180

　　7.1  瞬态热分析概述 180

　　7.1.1  瞬态热分析特性 180

　　7.1.2  控制方程 181

　　7.1.3  预测时间积分与时间步长 181

　　7.1.4  数值求解过程 182

　　7.1.5  施加初始条件 183

　　7.1.6  设置求解选项 184

　　7.1.7  评估瞬态分析准确程度 185

　　7.2  瞬态热分析的基本步骤 186

　　7.3  实例1：钢锭加热过程分析 186

　　7.3.1  问题描述 186

　　7.3.2  问题分析 187

　　7.3.3  GUI操作步骤 187

　　7.3.4  APDL命令流程序 198

　　7.4  实例2：钢制零件冷却过程分析 201

　　7.4.1  问题描述 201

　　7.4.2  问题分析 201

　　7.4.3  GUI操作步骤 201

　　7.4.4  APDL命令流程序 211

　　7.5  实例3：铁块和铜块在水箱中的冷却过程分析 214

　　7.5.1  问题描述 214

　　7.5.2  问题分析 214

　　7.5.3  GUI操作步骤 214

　　7.5.4  APDL命令流程序 226

　　7.6  本章小结 229

第8章  热辐射分析及实例详解 230

　　8.1  热辐射分析概述 230

　　8.1.1  热辐射的特性 230

　　8.1.2  热辐射的基本术语 230

　　8.1.3  热辐射的处理方法 233

　　8.1.4  热辐射中使用的概念 234

　　8.2  ANSYS辐射模型 235

　　8.2.1  使用辐射线单元建立辐射模型 235

　　8.2.2  使用表面效应单元建立辐射模型 236

　　8.2.3  使用辐射矩阵单元建立辐射模型 238

　　8.2.4  使用光能传递求解方法建立辐射模型 241

　　8.3  实例1：黑体辐射分析 245

　　8.3.1  问题描述 245

　　8.3.2  问题分析 246

　　8.3.3  GUI操作步骤 246

　　8.3.4  APDL命令流程序 250

　　8.4  实例2：圆台的辐射传热分析 251

　　8.4.1  问题描述 251

　　8.4.2  问题分析 251

　　8.4.3  GUI操作步骤 251

　　8.4.4  APDL命令流程序 259

　　8.5  实例3：同心圆环间的辐射传热分析 260

　　8.5.1  问题描述 260

　　8.5.2  问题分析 261

　　8.5.3  GUI操作步骤 261

　　8.5.4  APDL命令流程序 270

　　8.6  实例4：非同心圆环间的辐射传热分析 272

　　8.6.1  问题描述 272

　　8.6.2  问题分析 272

　　8.6.3  GUI操作步骤 272

　　8.6.4  APDL命令流程序 280

　　8.7  本章小结 281

第9章  相变分析及实例详解 282

　　9.1  相变概述 282

　　9.1.1  相和相变 282

　　9.1.2  潜在热量和焓 282

　　9.2  相变分析的基本思路及求解设置 283

　　9.2.1  相变分析的基本思路 283

　　9.2.2  相变分析的求解设置 285

　　9.3  实例1：冰融化过程分析 287

　　9.3.1  问题描述 287

　　9.3.2  问题分析 288

　　9.3.3  GUI操作步骤 288

　　9.3.4  APDL命令流程序 298

　　9.4  实例2：某零件铸造过程分析 301

　　9.4.1  问题描述 301

　　9.4.2  问题分析 302

　　9.4.3  GUI操作步骤 302

　　9.4.4  APDL命令流程序 315

　　9.5  本章小结 318

第10章  FLOTRAN CFD分析及实例详解 319

　　10.1  FLOTRAN CFD分析概述 319

　　10.1.1  FLOTRAN CFD分析的概念 319

　　10.1.2  FLOTRAN CFD分析的种类 319

　　10.2  FLOTRAN CFD分析基础 320

　　10.2.1  FLOTRAN CFD单元的特点 320

　　10.2.2  FLOTRAN CFD分析的主要步骤 321

　　10.2.3  FLOTRAN CFD分析产生的文件 322

　　10.2.4  FLOTRAN CFD分析的局限及注意事项 323

　　10.2.5  FLOTRAN CFD分析中提高收敛性和稳定性的工具 324

　　10.2.6  FLOTRAN分析过程中应处理的问题 325

　　10.3  实例1：正方体内不同温度引起的流动分析 328

　　10.3.1  问题描述 328

　　10.3.2  问题分析 328

　　10.3.3  GUI操作步骤 328

　　10.3.4  APDL命令流程序 336

　　10.4  实例2：考虑辐射的正方体内的流动分析 338

　　10.4.1  问题描述 338

　　10.4.2  问题分析 338

　　10.4.3  GUI操作步骤 338

　　10.4.4  APDL命令流程序 342

　　10.5  本章小结 344

第11章  自适应网格划分和单元生死技术分析及实例详解 345

　　11.1  自适应网格划分技术 345

　　11.1.1  自适应网格划分技术的定义 345

　　11.1.2  自适应网格划分技术的先决条件 345

　　11.1.3  自适应网格划分技术的应用方法 346

　　11.1.4  自适应网格划分技术的说明 349

　　11.2  实例1：二维对流传热的自适应分析 350

　　11.2.1  问题描述 350

　　11.2.2  问题分析 350

　　11.2.3  GUI操作步骤 350

　　11.2.4  APDL命令流程序 355

　　11.3  单元生死技术 356

　　11.3.1  单元生死的定义 356

　　11.3.2  单元生死的基本原理 357

　　11.3.3  单元生死技术的应用方法 357

　　11.3.4  使用ANSYS结果控制单元生死 360

　　11.3.5  单元生死技术的注意事项 361

　　11.4  实例2：两焊缝在顺序焊接过程中分析 362

　　11.4.1  问题描述 362

　　11.4.2  问题分析 362

　　11.4.3  GUI操作步骤 363

　　11.4.4  APDL命令流程序 378

　　11.5  本章小结 381

第12章  热-结构耦合分析及实例详解 382

　　12.1  耦合场分析概述 382

　　12.1.1  耦合场分析的定义 382

　　12.1.2  耦合场分析的类型 382

　　12.1.3  直接和间接耦合分析 385

　　12.2  间接热-应力耦合分析 387

　　12.2.1  间接耦合分析的特点 387

　　12.2.2  间接耦合分析的基本过程 387

　　12.2.3  间接耦合分析的基本操作步骤 390

　　12.2.4  使用物理环境方法运行间接耦合场分析 391

　　12.3  直接热-应力耦合分析 392

　　12.4  实例1：厚壁圆筒的热-应力耦合分析 393

　　12.4.1  问题描述 393

　　12.4.2  问题分析 393

　　12.4.3  GUI操作步骤 394

　　12.4.4  APDL命令流程序 408

　　12.5  实例2：两种不同膨胀系数的物体热-应力分析 410

　　12.5.1  问题描述 410

　　12.5.2  问题分析 410

　　12.5.3  GUI操作步骤 410

　　12.5.4  APDL命令流程序 420

　　12.6  实例3：两接触物体热-应力耦合分析 421

　　12.6.1  问题描述 421

　　12.6.2  问题分析 421

　　12.6.3  GUI操作步骤 422

　　12.6.4  APDL命令流程序 436

　　12.7  实例4：圆柱形坯料墩粗过程分析 438

　　12.7.1  问题描述 438

　　12.7.2  问题分析 439

　　12.7.3  GUI操作步骤 439

　　12.7.4  APDL命令流程序 453

　　12.8  本章小结 460

第13章  摩擦生热分析及实例详解 461

　　13.1  摩擦生热的计算方法 461

　　13.2  实例1：两物体相互滑动过程中的摩擦生热分析 461

　　13.2.1  问题描述 461

　　13.2.2  问题分析 462

　　13.2.3  GUI操作步骤 462

　　13.2.4  APDL命令流程序 471

　　13.3  实例2：两物体相对转动过程中的摩擦生热分析 473

　　13.3.1  问题描述 473

　　13.3.2  问题分析 474

　　13.3.3  GUI操作步骤 474

　　13.3.4  APDL命令流程序 482

　　13.4  本章小结 486

第14章  ANSYS高级应用实例详解 487

　　14.1  实例1：流体流动过程分析 487

　　14.1.1  问题描述 487

　　14.1.2  问题分析 487

　　14.1.3  GUI操作步骤 488

　　14.1.4  APDL命令流程序 492

　　14.2  实例2：地下水的渗流过程分析 494

　　14.2.1  问题描述 494

　　14.2.2  问题分析 495

　　14.2.3  GUI操作步骤 495

　　14.2.4  APDL命令流程序 499

　　14.3  实例3：电线电-热耦合分析 500

　　14.3.1  问题描述 500

　　14.3.2  问题分析 500

　　14.3.3  GUI操作步骤 500

　　14.3.4  APDL命令流程序 508

　　14.4  实例4：微型控制器电-热-应力耦合分析 510

　　14.4.1  问题描述 510

　　14.4.2  问题分析 511

　　14.4.3  GUI操作步骤 511

　　14.4.4  APDL命令流程序 522

　　14.5  实例5：使用TABLE表加载载荷分析 525

　　14.5.1  问题描述 525

　　14.5.2  问题分析 526

　　14.5.3  GUI操作步骤 526

　　14.5.4  APDL命令流程序 533

　　14.6  本章小结 535

参考文献 536