ANSYS有限元分析軟件在熱分析中的應用

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，在具體的應用中是針對熱力學參數或物理參數隨著溫度的變化關系而執行的策略，基于ANSYS有限元分析軟件的熱分析功能，現有的應用中將其視為工具的性質更加普遍。本文以下采取這一理念展開對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用以及未來發展趨勢。

ANSYS；有限元分析軟件；熱分析；應用策略；發展趨勢

1977年國際熱分析協會（ICTA）給出了熱分析的基本定義，即“熱分析是測量程序控制溫度下物質的物理性質與溫度依賴關系的一種技術”，通俗地說，熱分析就是溫度控制下針對物體的一種溫度與物性關系的研究方式，例如溫度上升或溫度下降中物性的變化；此外，在現實當中常見的熱分布、熱傳遞也屬于研究范疇，例如當計算某個系統或設備部件的溫度分布、溫度損失、熱流密度、熱應力等內容。因此熱分析的應用是十分廣泛的，包括能源、化工、冶金、電子以及農業生產等，

1　熱分析應用概述

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

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

上世紀五十年代出現了自動化技術和記錄技術，為熱分析的動態性關系研究提供了便利條件，日本出現了世界上第一胎基于熱分析的全自動DTA儀器設備，隨后這一產品開始進入工業體系；真正將熱分析技術推向市場化的產品出現在上世紀90年代，溫度調節設備與分布式體系相結合，打破了長期以來熱分析依賴于線性結構的形式，同時也很好的解決了熱容引發的相漂移障礙。

計算機技術成熟以后，以軟件形式展開的熱分析工具廣泛應用，可以更好的解決工業領域的大型文體，ANSYS作為一種有限元分析軟件，再解決復雜的力學問題方面、溫度變化問題方面等發揮了很好的效果。

2　ANSYS有限元分析軟件在熱分析中的應用

2.1ANSYS熱分析概述

ANSYS分析軟件起源于上世紀70年代，是一種典型的基于計算機系統產生的分析方法，該程序早期只作為一個批處理程序，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算機上進行使用，而這也正是它逐漸被應用于工業方向的一個契機。然而，隨著計算機硬件和軟件技術的不斷發展，ANSYS程序發生了很大的變化，特別是在被支持的環境方面開始完善，并融入了子系統、非線性結構等多種類型，程序的獨立性開始出現，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計交互式圖形的驗證模式，例如集合圖形、邊界條件等，通過軟件分析完成之后，可以隨機產生分析結果，這種創新性的有限元軟件分析方法也正是ANSYS的重要優勢；應用者可以隨心所欲的針對圖形用戶或命令流方式展開更改。

“有限元”屬于一個數學領域的概念，指的是一種為求解偏微積分方程邊界值問題近似解的數值技術，本質上說，再計算溫度場中并沒有太大的優勢，但基于穩態溫度場以及彈性力學的振動問題分析，能夠發揮很好的變化記錄；其中的場變量是彈性力學中的位移概念，可視為是向量場，而在熱分析問題中，場變量則是溫度，是標量場。從場論角度分析來說，兩者都是矢量范疇。

2.2ANSYS再熱分析中的應用

計算機網絡信息技術的快速發展，極大地推動了軟件市場的繁榮，并促進了軟件和硬件的相對分離，產生專業性的研究。ANSYS有限元程序在此基礎上不斷的改進、發展，目前已經實現了8.0版本的發布，再發揮熱分析功能方面優勢更加突出。例如，可以展開輻射問題的計算，應用的領域更寬、對象更復雜；結合我國目前ANSYS應用領域現狀來說，主要包括鋼鐵工業、石油化工、輕工業等。

例如，ANSYS鋼鐵冶金領域的應用，可以滿足復雜工藝、對象的有限元模擬分析。再模擬的過程中，ANSYS針對四輥軋機進行溫度場的模擬，充分考慮了軋輥和軋件之間的瞬態熱接觸要素，以及流邊界內容，并滿足了溫度分布于熱凸度的近似計算要求。

3　結語

總體來說，ANSYS有限元軟件程序再進行熱分析數值模擬中具有重要的作用，并且隨著邊緣技術的進一步發展，其應用范圍還會進一步提高，例如在輻射、對流、等離子、反射等因素對溫度場的影響下展開的相關研究。

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