Nastran+SimXpert热传递分析

CAE大拿

1. 概述
传热是日常生活和工程中一种非常普遍的现象。随着现代工业的发展，它几乎渗透到了工业中的各个领域，传热分析不仅在传统工业如机械、电机、土建和化工等领域起着重要的作用，而且已经日渐成为航空、原子能、宇航、汽车、电子、材料和生物工程中不可忽视的重要因素。

传热的基本方式有热传导、热对流和热辐射三种。在实际的应用中，大多是多种传热形式共存的情况。使用有限元分析软件可以在有好的前处理环境下定义各种不同的传热形式，并指定对应的求解序列进行快速、准确的求解，最终在后处理环境下获取大量的、有参考价值的数据、曲线和图片等仿真分析结果。

MSC 公司在热分析领域具有多个功能强大的产品分支，如MSC Sinda、MSC Thermica、MSC Patran Thermal这一类专用的热分析商用软件，以及MSC Marc、MSC Nastran这类通用的有限元分析软件，都能够提供先进的、功能强大的热分析功能。

本文主要介绍MSC Nastran的热分析功能及以SimXpert做为前后处理器的操作方法。

2. MSC Nastran热分析功能及求解序列介绍
在热分析方面，MSC Nstran可以计算出结构内的温度分布状况,并直观地看到结构内潜热、热点位置及分布。用户可通过改变发热元件的位置、提高散热手段、绝热处理或用其它方法优化产品的热性能。

MSC Nastran可以解决包括传导、对流、辐射、相变、热控系统在内的热交换现象,计算辐射视角系数，并真实地仿真各类边界条件, 建立各种复杂的材料和几何模型, 模拟热控系统, 并能进行热-结构耦合分析。

MSC Nastran提供了适于稳态和瞬态热分析的线性、非线性求解算法。除使用传统的热分析专用求解序列SOL153（稳态）、SOL159（瞬态），还可以使用高级通用非线性求解序列SOL400。SOL400逐步集成Marc、SINDA/G 和 P/Thermal 的高级热分析功能，还支持热-结构链式分析和完全的热-结构耦合分析。在热-结构链式分析中，热分析的网格可以和结构分析的网格不同，热分析的结果将自动插值到结构网格中。支持热接触功能，热可以通过接触传递，大大方便了建模。为航天航空结构、汽车发动机，刹车系统，动力总成等的热分析提供了有力的解决工具。

3. SimXpert实例操作
SimXpert热工作区（Thermal Workspace）只支持SOL153、SOL159，用户可以在热工作区完成稳态和瞬态热分析；SimXpert的结构工作区（Structures Workspace）支持SOL 400，用户不但可以完成单纯的稳态和瞬态热分析，还可以完成热-结构链式分析和完全的热-结构耦合分析。

由于在热分析方面，热工作区与结构工作区界面操作差别不大。本文以下所述操作，都是在结构工作区内进行。以下操作源自航天企业的热环境模拟演示算例。

3.1 创建分析模型
算例模型如下图所示：

模型试例

试验件为受热元件。石英灯为热源。反射面反射石英灯发出的热量。夹具只与试验件相连，接受热传导。

材料的热属性参数，如热传导系数、比热等，在材料定义页面设置。如下图所示：

材料热属性定义

热源的定义可以采用功率、温度、热流等方式定义，如下所示：

温度约束定义界面

功率定义界面

热流定义界面

由于试验件、石英灯、反射面之间存在闭腔辐射，所以分别为三者定义辐射面，再将它们定义到一个闭腔中。如下所示，

辐射面定义

闭腔定义

根据实际情况，还可以定义向空间辐射、对流等热边界条件。

向空间辐射定义

对流定义

试验件与夹具的连接，可以采用共节点、热接触等方式实现。热接触定义方式与普通的接触定义很类似，这里不再详述。

3.2 创建分析任务
在结构工作区，在模型浏览器的模型树上右击以弹出右键菜单，点击“Create new Nastran Job”，创建分析任务。


创建分析任务

需要注意的时，这里不要选中“Create Default Job Layout”。因为我们稍后要自行指定分析任务布局。

在“Load Cases”上右击以弹出右键菜单，点击“Create Loadcase”创建工况（即Patran里的Subcase）。注意，要选择Analysis Type为“Nonlinear Transient Heat Trans”（瞬态）或者“Nonlinear Steady Heat Trans”（稳态）。


创建工况

之后添加LBC和输出请求。

引入边界条件
至此，整个分析任务创建完成。

3.3 分析参数设置
分析参数的设置，请参考非线性等参数设置。由于涉及内容较多，本文篇幅有限，不再详述。仅介绍必须设置的参数并截取一些常用界面图片供读者比对参考。
1.“Solver Control”，注意必须设置初始温度：

初始温度设置

2.“Load Case Control”，工况参数，对于瞬态分析要设置总时间；

工况参数

3.4 结果后处理
通常热分析的计算结果主要考察温度分布、温度变化和热流。温度分布常使用云图查看，局部的温度变化常使用温度曲线察看；热流则常以矢量图的形式处理。 如下所示：

温度场分布云图

某些点的温度随时间变化曲线

4. 结论
本文通过航天实例向用户介绍如何使用SimXpert与MSC.Nastran SOL 400做热分析。使用SOL400做热分析的最大优势是可以与Nastran其它功能要结合从而完成更为复杂的多学科仿真分析。

hzkhzkh

非常不错，谢谢