新能源汽車有限元分析 課件 第11-17章 新能源汽車振動問題的有限元分析-新能源汽車優化問題的有限元分析

第11章新能源汽車振動問題的有限元分析第11章新能源汽車振動問題的有限元分析振動是物體在平衡位置附件的往復運動，其本質是系統外界受到刺激，內部具有質量和彈性，受到外界激勵對系統做功，轉化為質量塊的動能和彈性體的勢能。振動包含四要素，分別是激勵、質量、彈性和阻尼。圖中的“振動系統”是指所研究的振動對象，從振動理論來分析，“振動系統”是表示研究對象的振動特性。“輸入”或“激勵”是表示初始干擾和激振力等外界因素對系統的作用，包括力、位移、速度、加速度等物理量。“輸出”或“響應”是表示系統在輸入或外激勵作用下所產生的動態響應，包括振動對象的力、位移（速度、加速度）等物理量的變化規律。第11章新能源汽車振動問題的有限元分析按對系統的激勵類型分為：（1）自由振動：系統受初始激勵后不再受外界激勵的振動。（沖擊振動…）（2）受迫振動：系統在外界控制的激勵作用下的振動。（大多數的振動）（3）自激振動：系統在自身控制的激勵作用下的振動。（發電機等的振動）（4）參數振動：系統自身參數變化激發的振動。（溜溜球等的振動）第11章新能源汽車振動問題的有限元分析按系統的響應類型分為：1.確定性振動：響應是時間的確定性函數。根據響應存在時間分為暫態振動和穩態振動：前者只在較短的時間中發生，后者可在充分長時間中進行。根據響應是否有周期性還可分為：（1）簡諧振動：響應為時間的正弦或余弦函數；（2）周期振動：響應為時間的周期函數，可用頻譜分析方法展開為一系列周期可通約的簡諧振動的疊加。（3）準周期振動：若干個周期不可通約的簡諧振動組合而成的振動；（4）混沌振動：響應為時間的始終有限的非周期性函數。2.隨機振動：響應為時間的隨機函數，只能用概率統計的方法描述。在現實的環境中基本沒有完全滿足確定性的振動，但根據不同的需要或者工作的側重，隨機振動可以簡化為確定性振動的某一種。汽車振動性能，又稱為NVH（Noise、Vibration&Harshness）性能。NVH性能指乘員感受到的噪聲、振動及相關的動態不舒適性，主要的振動問題如圖11-2所示.圖11-2汽車的振動問題分類第11章新能源汽車振動問題的有限元分析汽車行駛在路面上會產生上下振動，如果把汽車作為一個整體系統來研究，對汽車的上下振動進行動力學建模。第11章新能源汽車振動問題的有限元分析

汽車振動模型簡化第11章新能源汽車振動問題的有限元分析11.1.1汽車振動問題的有限元基本方程按照振動理論，建立多自由度汽車系統的微分方程表示質量矩陣表示剛度矩陣表示加速度向量表示速度向量表示阻尼矩陣表示位移向量第11章新能源汽車振動問題的有限元分析11.1.2汽車振動問題的主要類型振動分析是已知激勵和系統特性，求系統響應。屬于振動的正問題，用有限元方法模擬振動試驗，屬于動力學分析范疇。動力學分析前一般要求進行結構的模態分析。振動分析一般分為：諧響應分析：諧響應分析是用于確定線性結構在承受隨時間按正弦（簡諧）規律變化的載荷時穩態響應的一種技術。譜分析：響應譜分析（ResponseSpectrum）是一種頻域分析，從頻域的角度計算結構的最大響應，其輸入載荷為不穩定振動載荷的位移頻譜、速度頻譜、加速度頻譜（最常用），如地震、飛行噪音、飛行過程、導彈發射等。隨機振動分析：它是確定隨時間變化載荷（例如爆炸）作用下結構響應的技術。ANSYSWorkbenchWorkbench界面左側是工具箱，工具箱窗口包含了工程數值模擬所需的各類模塊，其中相關振動分析的主要有Model、HarmonicResponse、ResponseSpectum和RandomVibration等模塊。11.2基于ANSYSWorkbench的振動分析11.2.1基于ANSYSWorkbench的模態分析模態分析是用來確定結構的振動特性(固有頻率和振型)的技術，是其他動力學分析的基礎。通過模態分析，可以認識到結構對不同動力載荷的響應特性，使結構避免共振，或以特定的頻率進行振動。基于ANSYSWorkbench的模態分析利用【Modal】模塊11.2基于ANSYSWorkbench的振動分析圖11-5ANSYSWorkbench模態分析模塊11.2.1基于ANSYSWorkbench的模態分析在模態分析中，很多是存在預應力的，由于不能在modal中添加結構載荷進行計算，這時就需要在靜力學分析結果中建立模態分析。先建立靜力學分析，進行結構載荷求解后，將靜力學模塊的solution拖到【Modal】上共享，對靜力學分析的結果進行傳輸。11.2基于ANSYSWorkbench的振動分析圖11-6ANSYSWorkbench有預應力模態分析模塊11.2.2基于ANSYSWorkbench的諧響應分析利用ANSYSWorkbench分析結構的諧響應時，需要首先進行模態分析計算結構的固有頻率和振型。將諧響應分析模塊拖入模態分析Modal單元格上，共用模態分析數據，雙擊Setup進入諧響應分析環境。11.2基于ANSYSWorkbench的振動分析圖11-7ANSYSWorkbench諧響應分析模塊與數據傳遞諧響應分析的輸入通常為已知大小和頻率的諧波載荷（力、壓力和強迫位移）或者同一頻率的多種載荷，以矢量或者分量形式，可以是同相或不同相的。11.2.3基于ANSYSWorkbench的響應譜分析響應譜分析計算結構各階振型在給定的載荷頻譜下的最大響應，需要首先進行模態分析計算結構的固有頻率和振型。Workbench中的響應譜分析模塊為【ResponseSpectrum】如下圖所示。11.2基于ANSYSWorkbench的振動分析圖11-8ANSYSWorkbench響應譜分析模塊11.2.4基于ANSYSWorkbench的隨機振動分析隨機振動分析是一種頻域分析，需要首先進行模態分析。Workbench中的隨機振動分析模塊【RandomVibration】如下圖11-9所示。11.2基于ANSYSWorkbench的振動分析圖11-8ANSYSWorkbench響應譜分析模塊隨機振動分析是以加速度譜密度（PSD）來表示的，PSD表示在給定頻率上的加速度均方根的平方除以分析帶寬。隨機振動適合模擬寬帶振動環境，頻率范圍通常在設備的最低共振頻率到最高共振頻率之間?。車身結構模態是控制汽車常規振動的關鍵指標，通過對車身模態分析得到各階模態頻率和模態特性，與廠家提供的實驗模態結果進行對比，如圖11-10所示，可以驗證模型建立的可靠性，從而對該白車身的動態特性做出評價。圖11-10有限元模態分析與試驗模態分析對比示意11.3新能源汽車車身的模態分析汽車本身就是一個具有質量、彈簧和阻尼的振動系統。模型的選擇既要考慮到模型盡量簡化，以減少計算的復雜程度，又要考慮使模型與實際情況相符。利用ANSYSWorkbench中【Modal】完成車身的模態分析。圖11-11四輪汽車簡化的立體模型11.3新能源汽車車身的模態分析將【model】模塊拖入Workbench工作區域，右鍵Geoemtry>ImportGeometry>Browse，將模型M11-3.x_t導入，設置Units為mm，車身模型如圖11-12所示。11.3新能源汽車車身的模態分析11.3.2幾何模型建立圖11-12車身模型（1）定義材料：車身材料選擇默認的結構鋼。（2）網格劃分：點擊Mesh，鼠標右鍵選擇Insert>Sizing，選擇所有面，并設置Elementsize為50mm。（1）建立地面與車身的彈簧支撐，在四個輪胎位置的建立4個彈簧支撐。右鍵點擊Connection>Insert>Spring，添加4個彈簧支撐，如下圖11-14所示，或者從命令條中的Connection，下拉Connect，找到Spring選項。圖11-14設置彈簧接觸11.3新能源汽車車身的模態分析11.3.3邊界條件的設置以左前輪的彈簧支撐為例，說明彈簧參數的設定，選擇車架左前輪胎位置的表面作為彈簧支撐面，設置彈簧長度為100mm。圖11-14設置彈簧接觸11.3新能源汽車車身的模態分析11.3.3邊界條件的設置設置彈簧剛度（LongitudinalStiffness）為20000N/mm，阻尼選擇默認為0。求解車身的前25階模態：點擊AnalysisSettings，將MaxModestoFind設置成25，如圖11-17，忽略阻尼，設置完成，右鍵點擊Solve，完成求解。圖11-17模態求解設置11.3新能源汽車車身的模態分析11.3.4求解設置（1）結果查看：點擊Solution，右鍵Insert>TotalDeformation，查看結果。前25階固有頻率值如圖11-18。圖11-18固有頻率值11.3新能源汽車車身的模態分析11.3.5結果查看與分析點擊Deformation，在細節框Definition>Mode中可以選擇查看哪一階固有頻率對應的振型，前6階固有頻率對應的振型圖11-19汽車車身1-6階固有頻率對應的振型圖11.3新能源汽車車身的模態分析11.3.5結果查看與分析11.4.2幾何模型的建立(同11.3.2)11.4.3模態分析模態分析完成，將模態分析結果導入諧響應分析模塊。11.4.4約束以及載荷的施加點擊HarmonicResponse，右鍵Insert>Acceleration，設置X方向和Y方向的加速度值均為9800mm/s2。11.4新能源汽車車身的諧響應分析11.4.5求解設置點擊AnalysisSettings，將RangeMinimum設置為10Hz，將RangeMaximum設置為60Hz，SolutionIntervals設置為50，SolutionMethod選擇模態疊加法（ModeSuperposition）。忽略阻尼，其余均選擇默認，右鍵點擊solve，進行求解。如果要精確判斷在共振頻率的響應情況，可以將UserDefindedFrequency設置為Yes，輸入兩個可能的共振頻率例如：22.06和32.558，如圖11-21所示，此時需要設置阻尼系數。11.4新能源汽車車身的諧響應分析圖11-21諧響應分析的求解設置11.4.6結果查看與分析（1）結果查看：點擊Solution，右鍵Insert>Deformation，查看變形云圖，見圖11-22所示。點擊Solution，右鍵Insert>Stress，插入應力，選擇所有體，查看整個車身應力云圖，如圖11-23。11.4新能源汽車車身的諧響應分析圖11-22車身整體變形云圖(mm)圖11-23車身整體應力云圖（MPa）11.4.6結果查看與分析點擊Solution，右鍵Insert>FrequencyResponse>Deformation，插入變形，選擇車身底板位置平面以及后部輪胎上方平面，查看所選位置面變形和頻率之間的關系情況，11.4新能源汽車車身的諧響應分析圖11-24變形與頻率關系曲線點擊Solution，右鍵Insert>FrequencyResponse>Stress，插入應變，選擇車身底板面，查看底板處應力和頻率之間的關系情況。圖11-25應力與頻率關系曲線11.5新能源汽車電池箱的響應譜分析11.5.2幾何模型的建立與導入該電池包主要包括箱體、內支撐架、電池組、電池箱蓋。將【Modal】模塊和【ResponseSpectum】模塊拖入Workbench工作區域，并將幾何模型，材料數據和分析結果共享，首先完成模態分析。（1）模型導入：右鍵【Modal】模塊的Geometry>ImportGeometry>Browse，導入M11-5.x_t文件。電池箱整體模型及下箱體如圖11-27所示。僅下箱體及下箱體支架用于后續諧響應分析。圖11-27電池箱模型及其下箱體11.5新能源汽車電池箱的響應譜分析11.5.3模態分析（1）定義材料：電池箱下箱體和支撐架的材料為Q235，使用默認的StructuralSteel。（2）網格劃分：整體采用尺寸大小為15mm的殼單元，以四邊形單元為主，三角形單元作為四邊形高質量網格的過渡的方式，對繪制好的三維模型進行劃分。（3）定義接觸關系：下箱體及支架由程序默認為綁定bonded接觸。11.5新能源汽車電池箱的響應譜分析11.5.3模態分析（4）設置邊界條件：點擊Modal，右鍵Insert>FixSupport，設置底部連接板位置以及電池箱側邊鉸接位置為固定支撐，如下圖所示。（5）求解設置：點擊AnalysisSettings，將MaxModestoFind設置為20，右鍵點擊solve，進行求解。11.5新能源汽車電池箱的響應譜分析11.5.3模態分析（6）結果查看：點擊Solution，右鍵Insert>TotalDeformation，查看前20階固有頻率值及其對應的振型。第一階模態頻率為175.94，模態振型為電池箱中間部位的上下振動，第二階模態頻率為185.02，模態振型為電池箱左右部位的上下振動，第三階模態頻率為196.04，模態振型為電池箱中間及左右部位的上下振動。11.5新能源汽車電池箱的響應譜分析11.5.3模態分析（6）結果查看：點擊Solution，右鍵Insert>TotalDeformation，查看前20階固有頻率值及其對應的振型。第一階模態頻率為175.94，模態振型為電池箱中間部位的上下振動，第二階模態頻率為185.02，模態振型為電池箱左右部位的上下振動，第三階模態頻率為196.04，模態振型為電池箱中間及左右部位的上下振動。11.5新能源汽車電池箱的響應譜分析11.5.4響應譜分析模塊設置將模態分析的幾何、材料、模型以及求解結果與響應譜分析共享，雙擊【ResponseSpectrum】模塊的Setup，打開響應譜分析模塊。（1）添加沖擊響應譜，在本算例中使用持續時間為11ms、幅值為50g的半正弦脈沖作為加速度，系統阻尼恒為5%時的絕對加速度響應譜。11.5新能源汽車電池箱的響應譜分析11.5.5響應譜求解設置點擊ResponseSpectrum，右鍵Insert>RSAcceleration，設置Y方向的加速度響應譜，狀態欄中，Scope>BoundaryCondition選擇AllSupport，Definition>LoadData選擇TabularData，在右側的表格中輸入圖中的數據，方向Direction選擇YAxis，其余默認即可圖11-33Y方向的加速度響應譜11.5新能源汽車電池箱的響應譜分析11.5.4響應譜分析模塊設置將響應用SRSS（平方根法）振型組合法進行組合，合并最大模態響應，輸出控制中選擇計算速度和加速度，其余默認，最終計算出結構響應隨時間的變化曲線和結構的最大總響應。11.5.6結果分析點擊Solution，右鍵Insert>deformation，插入變形，右鍵Insert>Stress，插入應力，查看電池箱的整體變形和應力分布情況，見圖11-35和11-36。圖11-35電池箱變形云圖（mm）圖11-36電池箱應力云圖（MPa）1.6新能源汽車電池箱的隨機振動分析電池箱分別受到垂直于電池組平面的激勵作用，建立零件和零件之間相應的連接關系。基于加速度功率譜密度曲線（ASD）對該電池箱進行隨機振動的結構有限元分析。利用ANSYSWorkbench中【Modal】模塊和【RandomVirbration】模塊完成電池箱的隨機振動分析。幾何模型的建立以及模態分析都與11.5節相同。1.6新能源汽車電池箱的隨機振動分析11.6.2載荷設置（1）施加功率譜密度：點擊RandomVibration，右鍵Insert>PSDAcceleration，設置X、Y方向和Z方向的加速度功率譜密度，在Scope>BoundaryCondition中選擇AllSupport，在Definition>LoadData中選擇TabularData，然后在右側的表格中輸入圖中的數據，在Direction中分別選擇XAxis、YAxis和ZAxis，其余默認即可，分別如圖11-38，11-39，11-40所示：圖11-38X方向(橫向)功率譜密度1.6新能源汽車電池箱的隨機振動分析11.6.2載荷設置當輸入的PSD曲線存在紅色曲線時，單擊LoadData，選擇ImprovedFit，則程序會自動計算較為合適的PSD插值點，改善PSD的求解精度。圖11-40Z方向（縱向）功率譜密度圖11-39Y方向(垂向)功率譜密度1.6新能源汽車電池箱的隨機振動分析11.6.3求解設置點擊AnalysisSettings，將NumberModalToUse設置為All，將DampingControls>DampingRatio設置為0.02，OutputControls中CalculateVelocity和CalculateAcceleration選擇Yes，其余選擇默認。右鍵點擊solve，進行求解，參數設置如圖11-41所示。圖11-40Z方向（縱向）功率譜密度1.6新能源汽車電池箱的隨機振動分析11.6.4結果查看與結果分析（1）結果查看：點擊Solution，右鍵Insert>Deformation，選擇底部面板，并設置方向為Y方向，垂直電池箱的方向，ScaleFactor選擇3Signa，查看底部面板變形情況，見圖11-42；右鍵insert>Stress，插入equivalentstress，同樣選擇Y方向，和3Signa，查看99.7%的概率的應力情況，如圖11-43。圖11-40Z方向（縱向）功率譜密度感謝關注與支持第12章新能源汽車流場問題的有限元分析第12章新能源汽車流場問題的有限元分析流場是指流體（如空氣或液體）在空間中運動時形成的速度、壓力、密度等物理量的分布狀態。流場的本質是流體在外界條件（如車速、風場、幾何形狀等）的激勵下，因慣性、黏性及壓力梯度等作用而產生的動態響應。第12章新能源汽車流場問題的有限元分析12.1.1流體的基本概念（1）流速（Velocity）流速v是流體質點在單位時間內的移動距離。（2）壓強（Pressure）:壓強p是單位面積上的壓力。對于靜止的流體，只有靜壓強。對于流動的流體，有靜壓強（StaticPressure）、動壓強（DynamicPressure）、和總壓強（TotalPressure）。（3）粘性（Viscocity）:粘性是流體內部發生相對運動而引起的內部相互作用。（4）密度（Density）:流體的密度為單位體積所含物質的多少.（5）定常（Steady）與非定常（Unsteady）:按照運動要素是否隨時間變化，流體運動可分為定常流動與非定常流動。運動要素不隨時間變化的流動稱為定常流動，反之，運動要素隨時間變化的流動稱為非定常流動。（6）層流（Laminar）與湍流（Turbulence）:流體流動狀態可分為層流流動和湍流流動，湍流也可被稱為紊流。在層流流動中，流體層與層之間相互沒有任何干擾；而在湍流流動中，層與層之間相互干擾，既有質量的傳遞，又有動量的傳遞。第12章新能源汽車流場問題的有限元分析12.1.2計算流體動力學（CFD）的控制方程流體流動的基礎守恒定律為：質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。控制方程（GoverningEquations）是這些守恒定律的數學描述。第12章新能源汽車流場問題的有限元分析12.1.3計算流體動力學（CFD）的求解過程（1）前處理:建立模型和網格劃分是前處理階段最耗時的工作。在前處理階段生成網格的關鍵是在計算精度和計算成本之間取得平衡。（2）求解器求解:常用的數值求解方案包括有限差分法、有限元法、有限體積法。這些方法的求解過程大致相同，步驟為：借助簡單函數近似待求的流動變量；將近似關系代入控制方程，形成離散方程組；求解離散方程組。（3）后處理:后處理的目的是有效的觀察和分析計算結果，并協助完成分析報告。12.2ANSYSWorkbench流場仿真平臺在ANSYSWorkbench的流場仿真分析中，Fluent模塊新能源汽車領域的流場仿真分析中具有獨特的優勢。ANSYSFluent的核心是基于有限體積法（FVM）的數值求解器，能夠處理從低速不可壓流到高超音速流動的各種流動類型，適用于模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內的復雜流動。同時，ANSYSFluent還支持多物理場耦合分析，如流-熱耦合、流-固耦合等，能夠更全面地模擬新能源汽車在實際運行中的各種復雜物理現象，為新能源汽車的研發提供強有力的支持。12.2ANSYSWorkbench流場仿真平臺12.2.1Workbench流場仿真環境按照軟件的打開方式區分，ANSYSFluent的運行方式可分為兩種：在ANSYSWorkbench的框架內打開使用、單獨打開使用。在Workbench中打開的Fluent啟動面板如下圖。Dimension可轉換二維和三維模型；DoublePrecision對應雙精度數據類型，其精度更高，但計算時間更長；SolverProcesses設定本次Fluent計算所用的CPU核數，核數越多，計算越快；在Workbench中打開時WorkingDirectory工作路徑不可自定義。圖12-4Workbench中打開的Fluent啟動面板12.2ANSYSWorkbench流場仿真平臺12.2.2Workbench流場仿真流程本節以在ANSYSWorkbench中運行Fluent為例，建立Fluent分析流程。具體流程為：（1）建立幾何模型（2）劃分網格：設置物理場為流場CFD-Fluent；定義整體網格設置；插入局部網格設置；插入邊界層；生成并檢查網格。（3）命名邊界條件:為了讓Fluent快速識別邊界，需提前命名對應面。（4）Fluent主界面：Fluent的主界面由標題欄、菜單欄、工具欄、導航欄、控制面板、圖形窗口與文本窗口組成。仿真時可按照左側樹形導航欄由上至下順序設置。（5）設置材料屬性：Materials>Fluid>Air，打開Fluent材料庫，添加除默認空氣外的流體材料。（6）設置物理模型：Models選項，在Models面板中選擇基本物理模型12.2ANSYSWorkbench流場仿真平臺12.2.2Workbench流場仿真流程（7）設置計算區域：CellZoneConditions選項，設置計算區域材料、計算區域運動情況等。（8）設置邊界條件：BoundaryConditions選項，設定邊界條件類型。（9）設置算法及求解格式：SolutionMethods選項，可以設置SIMPLE、SIMPLEC、PISO等求解算法。（10）設置監測窗口：Monitors選項，可以設置監測曲線，也可以輸出監測參數的數據。（11）初始化流場：SolutionInitialization選項，初始化流場，提供一個初始解。（12）設置計算面板：RunCalculation選項，定常計算時設置迭代步數、迭代步長等計算參數，非定常計算時設置時間步長、計算時間等計算參數。（13）保存結果：File>Write>Case&Data選項，保存Case和Data文件。（14）結果后處理：可以選擇Fluent自帶的后處理功能，也可以采用CFDPost等后處理軟件。12.3汽車空氣流場二維仿真分析某電動汽車的前進速度為20m/s，計算電動汽車行駛過程中周圍的空氣流場分布。新能源汽車空氣流場的二維仿真分析方法，包括仿真模型的建立、邊界條件的設定、求解算法的選擇以及結果的后處理等內容。仿真分析流程的每個模塊如圖12-6所示。12.3汽車空氣流場二維仿真分析12.3.2建立幾何模型在汽車周圍流場的仿真計算中，仿真對象為汽車周圍的空氣，因而建立的二維計算模型為排除汽車固體區域的流體區域。采用從車頭至車尾的縱向垂直剖面為二維流場仿真模型，如12-7所示。圖12-7簡化后的電動汽車二維流場模型12.3汽車空氣流場二維仿真分析12.3.2建立幾何模型在汽車周圍流場的仿真計算中，仿真對象為汽車周圍的空氣，因而建立的二維計算模型為排除汽車固體區域的流體區域。采用從車頭至車尾的縱向垂直剖面為二維流場仿真模型。圖12-8二維汽車流場模型12.3汽車空氣流場二維仿真分析12.3.2建立幾何模型（1）定義邊界面：利用NamedSelection命名流場的進口、出口、汽車輪廓線。（2）劃分網格：雙擊Mesh進入AnsysMesh軟件，設置求解器為CFD-Fluent。設置全局網格尺寸為0.1m，在汽車輪廓線處設置邊界層網格，邊界層數為3，增長率為1.2，最大厚度為0.03m。網格劃分完成返回Workbench界面，右鍵Mesh>Update。圖12-9邊界層網格“Inflation”參數設置圖12-10汽車外圍流場網格劃分12.3汽車空氣流場二維仿真分析12.3.3Fluent前處理設置雙擊Setup進入Fluent的啟動界面如圖12-11所示。圖12-11AnsysFluent的啟動界面12.3汽車空氣流場二維仿真分析12.3.3Fluent前處理設置（1）設置材料與計算域材料：Fluent的設置順序可按照左側樹形圖由上至下的順序，在Materials中，右鍵Fluid>New添加新材料入備選庫。可在計算域CellZoneConditions中改變流場材料，本例默認為Air。圖12-12CellZoneConditions選項面板12.3汽車空氣流場二維仿真分析12.3.3Fluent前處理設置（2）設置邊界條件：設置進口端為速度進口邊界條件，速度值為20m/s；設置出口端為壓力出口邊界條件，壓力值為0Pa，壓力出口邊界值為靜壓基準值。邊界條件設置如圖12-13所示。圖12-13邊界條件的設置面板12.3汽車空氣流場二維仿真分析12.3.3Fluent前處理設置（3）設置監測曲線：監測曲線Monitors用來監測計算過程，也可用來輔助判斷計算結果的收斂性。通常需要設置殘差曲線ResidualMonitors和參數變化曲線。在設置殘差曲線時可將參數的目標值降低2-3個數量級至10-6，以免在設定的迭代步數前結束計算。本例參數變化曲線可監測出口端速度值，計算結束后出口端速度值應趨于定值。12.3汽車空氣流場二維仿真分析12.3.4Fluent求解設置（1）初始化流場并計算：初始化流場Initialization可為流體計算提供迭代前初始值，本例選用默認的HybridInitialization即可，點擊Initialize進行初始化。RunCalculation計算面板如圖12-16所示，在本例中需要改變迭代步數NumberofIterations，可設置為1500，點擊Calculate進行計算。圖12-16RunCalculation計算面板12.3汽車空氣流場二維仿真分析12.3.5Fluent后處理查看結果（1）保存結果：在計算結束后點擊File>Export>Case&Data保存文件。（2）啟動CFDPost：在Workbench界面雙擊Results啟動CFD-Post軟件，軟件會自動讀取Fluent的計算結果。（3）查看速度云圖：點擊Location建立監測面，本例中建立z=0平面，如圖12-17所示。圖12-17建立監測平面板12.3汽車空氣流場二維仿真分析12.3.5Fluent后處理查看結果點擊Contour按鈕建立云圖，在Locations處選擇上述監測平面，Variable處選擇速度，獲得速度云圖，如圖12-18所示。可見速度最大值主要分布在車頂處，為33.8m/s，低速區則集中在車尾處。（4）查看壓強云圖：同樣點擊Contour按鈕建立云圖，Variable處選擇壓力，獲得流場壓強云圖如圖12-19所示。高壓區域位于車頭前方區域，但高壓值較小。圖12-18流場速度云圖圖12-19流場壓強云圖12.4三維壓力管道流場仿真分析三維壓力管道仿真分析流程的模塊如圖12-21所示。由直徑不同兩段管道組成的壓力管道，水流由小管流入大管，小管流速1m/s，小管直徑0.2m，大管直徑0.5m，大小管長度均為1m，管道幾何形狀如圖12-22所示，求管道內水頭損失。圖12-22管道幾何模型圖12-21AnsysFluent流場模塊12.4三維壓力管道流場仿真分析12.4.2Fluent流場分析前處理（1）建立幾何模型：雙擊Geometry打開建模軟件DM，在DM中通過建立兩個直徑不同的圓柱體組合成三維管道模型。命名小直徑管道圓面為進口Inlet，大直徑管道圓面為出口Outlet，其余側面為壁面Wall。（2）劃分網格：雙擊Mesh進入AnsysMesh軟件，設置求解器為CFD-Fluent。設置全局網格尺寸為0.02m，在Mesh>Inflation中設置邊界層網格。返回Workbench界面后，右鍵Mesh>Update。圖12-24邊界層網格參數設置圖12-25管道模型整體網格劃分12.4三維壓力管道流場仿真分析12.4.2Fluent流場分析前處理（3）啟動Fluent：雙擊Setup進入Fluent的啟動界面，選擇CPU核心數，如4個核心。進入Fluent軟件頁面后，選擇Domain>MakePolyhedra將四面體網格轉變為多面體網格。當采用AnsysMesh劃分網格時，需在Fluent軟件中點擊MakePolyhedra。圖12-26管道模型多面體網格劃分12.4三維壓力管道流場仿真分析12.4.2Fluent流場分析前處理（4）材料與邊界條件設置：在Materials中，右鍵Fluid>New>FluentDatabase添加water-liquid(h2o<l>)材料。在CellZoneConditions中將流場材料設為水。設置進口端為速度進口邊界條件，速度值為1m/s，設置出口端為壓力出口邊界條件，壓力值為0Pa，（5）設置監測曲線：設置殘差曲線Monitors>ResidualMonitors殘差值為10-6。設置ReportPlots>New>SurfaceReport>Area-WeightedAverage監測出口面流速，如圖12-27所示。圖12-27監測面設置12.4三維壓力管道流場仿真分析12.4.2Fluent流場分析前處理（4）材料與邊界條件設置：在Materials中，右鍵Fluid>New>FluentDatabase添加water-liquid(h2o<l>)材料。在CellZoneConditions中將流場材料設為水。設置進口端為速度進口邊界條件，速度值為1m/s，設置出口端為壓力出口邊界條件，壓力值為0Pa，（5）設置監測曲線：設置殘差曲線Monitors>ResidualMonitors殘差值為10-6。設置ReportPlots>New>SurfaceReport>Area-WeightedAverage監測出口面流速，如圖12-27所示。圖12-27監測面設置12.4三維壓力管道流場仿真分析12.4.2Fluent流場分析前處理（6）初始化流場并計算：選用默認的HybridInitialization，點擊Initialize進行初始化。設置迭代步數NumberofIterations為1500，點擊Calculate計算，殘差逐漸減小，出口速度趨于穩定。（a）殘差監測曲線

（b）出口速度檢測曲線圖12-28監測曲線變化12.4三維壓力管道流場仿真分析12.4.2Fluent流場分析前處理（7）計算進出口壓力差：Fluent軟件本身具有部分后處理能力，進出口壓力差數值的讀取可在Fluent中進行。點擊Report>SurfaceIntegrals輸出進出口總壓值，如圖12-29所示，計算進出口壓力差為467.3Pa。圖12-29進出口壓力差12.4三維壓力管道流場仿真分析12.4.3結果查看與分析啟動CFDPost建立監測面:在Workbench界面雙擊Results啟動CFD-Post軟件，建立監測平面y=0。（3）查看速度與壓強云圖：點擊Contour按鈕建立云圖，在Locations處選擇y=0監測平面，Variable處選擇速度或壓強。速度云圖12-31顯示管道壁面處速度為0，在管道出口處速度為非均勻分布狀態。圖12-31管道速度云圖圖12-32管道壓強云圖12.5三維壓力管道單向流固耦合分析由直徑不同兩段管道組成的壓力管道，水流由小管流入大管，（流場部分與第4節相同）。出口靜水壓強為98100Pa（10m水頭），管道壁厚為0.02m，管道進出口斷面固定支撐，材料為鋼，求管道的應力分布。CustomSystems里的【FSI:FluidFlow(FLUENT)】和模塊【StaticStructural】模塊共同實現單向流固耦合，由Fluent計算流體部分，Mechanical計算固體部分，計算數據由流體向固體單向傳遞。圖12-33單向流固耦合分析模塊與數據傳遞12.5三維壓力管道單向流固耦合分析12.5.2幾何模型的建立與處理幾何建模與流體計算的部分操作與第12.4節類似，相同部分不再贅述。（1）建立幾何模型：在壓力管道流場模型的基礎上，應用Thin命令創建0.02m厚管壁模型。（a）流體模型（b）固體模型（2）定義邊界面：流體與固體區域需建立成兩個獨立的體，除了命名流場的進出口面外，流體與固體交界面需要分別命名。12.5三維壓力管道單向流固耦合分析12.5.3求解設置（1）流體區域計算設置：雙擊流體模塊【FluidFlow(FLUENT)】的Mesh進入AnsysMesh，將Geometry里的Solid抑制，其他操作與第12.4節相同。雙擊Setup進入Fluent軟件設置，將邊界出口處壓力設置為98100Pa，其他操作與第12.4節相同。（2）固體區域計算設置：雙擊【StaticStructural】模塊Model進入固體分析軟件Mechanical。將Geometry里的Fluid抑制。劃分網格時，設置全局網格尺寸0.02m，設置Multizone多區域網格劃分方法，網格劃分效果如圖12-36所示。圖12-36管壁區域網格劃分效果12.5三維壓力管道單向流固耦合分析12.5.3求解設置（3）約束設置：在管壁左右圓環斷面施加FixedSupport固定約束，在管壁與流體交界面（屬于管壁的面）導入流體的壓強載荷如圖12-37所示，右鍵ImportedLoad>Insert>Pressure。ImportedPressure明細下設置TransferDefinition>CFDSurface為屬于流體的交界面。圖12-37流體壓強載荷的引入（4）應力計算：在Solution中插入EquivalentStress和TotalDeformation點擊Solve計算。12.5三維壓力管道單向流固耦合分析12.5.4結果查看（1）結果查看：位移輸出結果如圖12-38所示，最大位移位于細管和粗管的相接處，最大位移為3.1×10-6m。等效應力結果如圖12-39所示，最大應力位于管道中間的直徑變化斷面上，為1.64×106Pa。圖12-38位移分布圖圖12-39等效應力分布圖感謝關注與支持第13章新能源汽車熱問題的有限元分析第13章新能源汽車熱問題的有限元分析熱分析在許多工程應用中扮演重要角色，如內燃機、渦輪機、換熱器、管路系統、電子元件等。有限元分析可以通過建立電池組和電機等關鍵部件的模型，模擬其在不同工況下的溫度變化和熱量傳遞過程。也可以用于優化熱管理系統的設計，提高系統的效率和安全性。13.1.1熱傳遞的基本類型熱傳遞有三種基本類型，分別是傳導、對流和輻射，如圖13-1所示。傳導是兩個良好接觸的物體之間的能量交換或一個物體內由于溫度梯度引起的內部能量交換。對流指在物體和周圍介質之間發生的熱交換。輻射表示一個物體或兩個物體之間通過電磁波進行的能量交換。在絕大多數情況下，熱傳導問題都帶有對流和/或輻射邊界條件。第13章新能源汽車熱問題的有限元分析圖13-1熱傳遞的三種基本類型在國際標準單位制中，熱分析的主要術語和單位如下表13-1所示：第13章新能源汽車熱問題的有限元分析傳熱過程的基本變量就是溫度，它是物體中的幾何位置以及時間的函數。根據Fourier傳熱定律和能量守恒定律，可以建立熱傳導問題的控制方程，對于微元，生成的熱量為。微元如圖13-2所示：第13章新能源汽車熱問題的有限元分析由能量守恒定律，微元體內的凈流出熱流量等于內能增加，即二維物體的瞬態溫度場滿足:13.1.2熱傳遞的基本方程第13章新能源汽車熱問題的有限元分析各向同性時:

λx

=λy

=λzqi=0

穩態:平面區域:無內部熱源:可以表述為：對應不同的熱邊界條件，微分方程的解是不同的，對于平面結構有不同的溫度分布13.1.2熱傳遞的基本方程第13章新能源汽車熱問題的有限元分析

由于方程不封閉，需補充條件。各向同性均勻材料的Fourier定律

于是，有第一類邊界條件：邊界上已知溫度T，即第二類邊界條件：邊界上已知熱流密度，即第三類邊界條件：已知與物體相接觸的流體介質的溫度和換熱系數為已知，即簡單三角形單元，單元內溫度假定為線性分布：第13章新能源汽車熱問題的有限元分析設單元3個頂點的溫度分別為：形狀函數矩陣單元內各點溫度為：13.1.3熱傳導的有限元分析方程瞬態熱傳導問題變分泛函為：第13章新能源汽車熱問題的有限元分析穩態問題，溫度不隨時間變化，，得：泛函的變分取駐值，可得控制方程和第二類和第三類邊界條件，第一類邊界條件應強制滿足，稱為本質邊界條件；第二、第三類邊界條件是自然邊界條件。13.1.3熱傳導的有限元分析方程第13章新能源汽車熱問題的有限元分析

有限元法將物體離散為n個單元體，即，將單元內的溫度場用節點上的溫度插值，有代入泛函，泛函稱為：

13.1.3熱傳導的有限元分析方程第13章新能源汽車熱問題的有限元分析

將單元矩陣組合后，得到物體的總體矩陣，對泛函變分取極值，即

得有限元方程組[KT]稱為熱傳導矩陣，[C]為熱容矩陣，{RT}為等效節點溫度載荷列陣。對穩態問題，上述方程是線性的，熱傳導方程是對稱正定的，求解類方法似于結構分析。對瞬態問題，需采用有限差分法，將離散，或采用顯式時間積分，如中心差分，或采用隱式時間積分，如Newmark差分。

13.1.3熱傳導的有限元分析方程運用ANSYS軟件可進行熱傳導、熱對流、熱輻射、相變、熱應力以及接觸熱阻等問題的分析求解。此外，ANSYS不僅能解決純粹的熱分析問題，還能解決與熱相關的其它問題，如熱—應力分析、熱—電分析、熱—磁分析等。一般稱這類涉及兩個或多個物理場相互作用的問題為耦合場分析。13.2基于ANSYSWorkbench的熱分析13.2.1ANSYSWorkbench熱分析類型13.2基于ANSYSWorkbench的熱分析（1）穩態熱分析:流入系統的熱量加上系統自身產生的熱量等于流出系統的熱量，則系統處于熱穩態。在穩態熱分析中任一節點的溫度都不隨時間變化。（2）瞬態熱分析:瞬態傳熱過程指一個系統的加熱或冷卻過程。在這個過程中，系統的溫度、熱流率、熱邊界條件以及系統內能隨時間都有明顯變化。計算隨時間變化的條件下，溫度的分布和熱特性。（3）耦合場熱分析：ANSYS提供了兩種分析耦合場的方法：直接耦合法與間接耦合法。（4）線性與非線性熱分析:ANSYS在熱分析過程中，如果有下列情況中的一種或幾種出現，則該分析為非線性熱分析：材料熱性能隨溫度變化、邊界條件隨溫度變化、含有非線性單元、考慮輻射傳熱。13.2.2ANSYSWorkbench熱問題的分析設置13.2基于ANSYSWorkbench的熱分析ANSYSWorkbench熱分析模塊主要包括：熱分析時主要注意以下幾項內容：材料屬性的添加、邊界條件的設定、熱載荷和結果的輸出等。1.材料特性ThermalConductivity

在EngineeringData中輸入溫度相關的導熱性以表格形式輸入若存在任何的溫度相關的材料特性，就將導致非線性求解。

唯一需要的材料特性是導熱性（ThermalConductivity）13.2基于ANSYSWorkbench的熱分析2.組件與實體接觸13.2基于ANSYSWorkbench的熱分析對于結構分析，接觸域是自動生成的，用于激活各部件間的熱傳導2.組件-接觸區域13.2基于ANSYSWorkbench的熱分析如果部件間初始就已經接觸，那么就會出現熱傳導。如果部件間初始就沒有接觸，那么就不會發生熱傳導（見下面對pinball的解釋）。總結：Pinball區域決定了什么時候發生接觸，并且是自動定義的，同時還給了一個相對較小的值來適應模型里的小間距。2.組件-接觸區域13.2基于ANSYSWorkbench的熱分析如果接觸是Bonded（綁定的）或noseparation（無分離的），那么當面出現在pinballradius內時就會發生熱傳導（綠色實線表示）。右圖中，兩部件間的間距大于pinball區域，因此在這兩個部件間會發生熱傳導。2.組件-導熱率13.2基于ANSYSWorkbench的熱分析在ANSYSProfessional或更高版本，用戶可以為純罰函數和增廣拉格朗日方程定義一個有限熱接觸傳導（TCC）。在細節窗口，為每個接觸域指定TCC輸入值；如果已知接觸熱阻，那么它的相反數除以接觸面積就可得到TCC值在接觸界面上，可以像接觸熱阻一樣輸入接觸熱傳導3.熱載荷13.2基于ANSYSWorkbench的熱分析熱流量：熱流速可以施加在點、邊或面上。它分布在多個選擇域上，它的單位是能量比上時間（energy/time）；完全絕熱（熱流量為0）：可以刪除原來面上施加的邊界條件熱通量：熱通量只能施加在面上（二維情況時只能施加在邊上）它的單位是能量比上時間在除以面積（energy/time/area）熱生成：內部熱生成只能施加在實體上它的單位是能量比上時間在除以體積（energy/time/volume）正的熱載荷會增加系統的能量。4.熱邊界條件13.2基于ANSYSWorkbench的熱分析溫度、對流、輻射：至少應存在一種類型的熱邊界條件，否則，如果熱量將源源不斷地輸入到系統中，穩態時的溫度將會達到無窮大。另外，給定的溫度或對流載荷不能施加到已施加了某種熱載荷或熱邊界條件的表面上。完全絕熱條件將忽略其它的熱邊界條件給定溫度：給點、邊、面或體上指定一個溫度溫度是需要求解的自由度4.熱邊界條件13.2基于ANSYSWorkbench的熱分析對流：只能施加在面上（二維分析時只能施加在邊上）對流q由導熱膜系數h，面積A，以及表面溫度Tsurface與環境溫度Tambient的差值來定義。“h”和“Tambient”是用戶指定的值，導熱膜系數h可以是常量或是溫度的函數與溫度相關的對流：為系數類型選擇Tabular(Temperature)輸入對流換熱系數-溫度表格數據在細節窗口中，為h(T)指定溫度的處理方式4.熱邊界條件13.2基于ANSYSWorkbench的熱分析輻射:施加在面上（二維分析施加在邊上）式中：σ=斯蒂芬一玻爾茲曼常數ε=放射率A=輻射面面積F=形狀系數

（默認是1）只針對環境輻射，不存在于面面之間（形狀系數假設為1）斯蒂芬一玻爾茲曼常數自動以工作單位制系統確定4.熱邊界條件13.2基于ANSYSWorkbench的熱分析5.求解選項13.2基于ANSYSWorkbench的熱分析從Workbenchtoolbox插入Steady-StateThermal將在projectschematic里建立一個SSThermalsystem（SS熱分析）在Mechanical里，可以使用AnalysisSettings為熱分析設置求解選項5.求解選項13.2基于ANSYSWorkbench的熱分析為了實現熱應力求解，需要在求解時把結構分析關聯到熱模型上。在StaticStructural中插入一個importedload分支，并同時導入了施加的結構載荷和約束求解結構6.結果和后處理13.2基于ANSYSWorkbench的熱分析后處理可以處理各種結果：溫度熱通量反作用的熱流速用戶自定義結果模擬時，結果通常是在求解前指定，但也可以在求解結束后指定。搜索模型求解結果不需要在進行一次模型的求解。模擬翅片式散熱器熱量在物體內部以及物體與環境之間的傳遞過程，可以幫助工程師在設計階段預測散熱器的性能，避免在實際應用中出現過熱問題，提高產品的可靠性和使用壽命，可以優化散熱器的結構設計和材料選擇，確保其在正常工作條件下能夠高效散熱。散熱器的穩態熱分析和瞬態熱分析以及散熱性能評估。利用ANSYSWorkbench中【Steady-Statethermal】模塊完成穩態熱分析。利用【TransientThermal】模塊完成瞬態熱分析。13.3翅片式散熱器的穩態熱和瞬態熱分析13.3.2幾何模型的建立采用Workbench軟件對散熱器建模，或導入其他CAD軟件建立好的散熱器模型，將【Steady-Statethermal】模塊拖入Workbench工作區域，右擊geometry>Importgeometry，導入M13-3.x_t模型，確定單位mm，模型如下圖13-6所示：13.3翅片式散熱器的穩態熱和瞬態熱分析圖13-6散熱器幾何模型13.3.2幾何模型的建立（1）定義材料：返回到UnsavedProject-workbench界面，雙擊EngineeringData，點擊GeneralMaterials，添加材料銅合金（CopperAlloy），如下圖13-7所示。雙擊Model進入穩態熱分析，將散熱器的材料設置Assignment為CopperAlloy。13.3翅片式散熱器的穩態熱和瞬態熱分析已添加的材料多了兩種材料屬性Density（密度）和SpecificHeat（比熱容）13.3.2幾何模型的建立（2）網格劃分：鼠標右鍵點擊Mesh>Insert>Sizing，選擇所有面，并設置Elementsize為5.0mm。產生如圖13-8所示四面體網格，展開明細欄中的Statistics項目，檢查網格質量。13.3翅片式散熱器的穩態熱和瞬態熱分析13.3.3穩態熱邊界條件的設置（1）添加熱載荷：設置散熱器的熱通量，右鍵Steady-StateThermal>Insert>HeatFlow，選擇散熱器底部平面，設置大小為40W，如圖13-9所示。13.3翅片式散熱器的穩態熱和瞬態熱分析圖13-9添加散熱器的熱通量13.3.3穩態熱邊界條件的設置（1）添加熱對流Convention，設置散熱器翅片的熱對流系數，右鍵Steady-StateThermal>Insert>Convention，選擇散熱器翅片所有表面，輸入值FilmCoefficient的大小為3*10-5W/mm2.℃，如圖13-10所示。13.3翅片式散熱器的穩態熱和瞬態熱分析圖13-10熱對流系數設置13.3.4穩態熱求解設置參數選擇默認即可，右鍵點擊Solve，完成求解。13.3.5穩態熱結果查看與分析（1）結果查看：點擊Solution，右鍵Insert>Thermal>Tempeture，查看穩態溫度，如圖13-11所示。右鍵Insert>Thermal>TotalheatFlux，查看熱通量，如圖13-12。13.3翅片式散熱器的穩態熱和瞬態熱分析圖13-11穩態溫度云圖（℃）

圖13-12熱通量云圖（W/mm2）13.3.6瞬態熱分析利用ANSYSWorkbench中【Transient-Thermal】模塊完成瞬態熱分析。將【TransientThermal】拖入【Steady-StateThermal】的Model，瞬態熱分析將和穩態熱分析共享材料、模型和有限元模型，分析模塊及數據傳遞如圖13-13所示。13.3翅片式散熱器的穩態熱和瞬態熱分析圖13-13瞬態熱分析模塊及數據傳輸示意13.3.7瞬態熱求解設置（1）求解設置：右鍵點擊AnalysisSettings>StepEndTime，設置分析結束時間為50s。AutoTimeStepping選擇程序自動控制（ProgramControlled），如圖13-14所示。13.3翅片式散熱器的穩態熱和瞬態熱分析圖13-14瞬態熱求解設置13.3.8瞬態熱載荷設置（1）添加熱載荷：散熱器周圍的熱源會傳到熱量給散熱器，右鍵TransientThermal>Insert>Convection，選擇散熱器翅片，輸入初始值為0，1s之后到50s的換熱系數FilmCoefficient為3*10-5W/mm2.℃，AmbientTemperature（環境溫度）為20℃。13.3翅片式散熱器的穩態熱和瞬態熱分析圖13-15添加熱通量13.3.9瞬態熱求解默認參數即可，點擊Solution>Solve，完成求解。13.3.10結果查看與分析（1）結果查看：查看溫度分布云圖，右鍵Insert>Thermal>Tempeture，可以獲取不同時刻的溫度分布，以及系統達到熱平衡狀態所需要的時間如圖13-16所示13.3翅片式散熱器的穩態熱和瞬態熱分析圖13-16溫度云圖以及隨時間變化的溫度數值熱應力分析是通過計算結構有溫度場作用下的應力變化，這種分析方法考慮了溫度的影響，因此能夠更準確地反映結構在實際工作條件下的應力狀態。本例為一泵殼熱應力的求解，泵殼承受的溫度為60℃。假設泵的裝配面也處于60℃，泵的內表面承受90℃的流體，泵的外表面環境用一個對流關系模擬停滯的空氣，溫度為20度。泵殼外表面與環境之間自然對流，對流換熱系數為50W/m2℃，環境溫度為22℃，泵殼材料為聚乙烯。螺栓孔為固定約束。利用ANSYSWorkbench中【Steady-State-thermal】模塊和【StaticStructural】模塊完成熱應力分析。13.4泵殼的穩態熱應力分析13.4.2幾何模型的建立創建【SteadyStateThermal】模塊，選擇Geomery>ImportGeometry，導入M13-4.x_t模型，從Units菜單上確定單位為：Metric(kg,mm,s,C,mA,mV)，模型如下圖13-17所示。13.4泵殼的穩態熱應力分析圖13-17泵殼的幾何模型13.4.2幾何模型的建立（1）定義材料：ANSYSWorkbench材料庫中有聚乙烯（Polyethylene），因此直接從材料庫添加即可，雙擊EngineeringData得到MaterialProperties（材料特性），選中GeneralMaterials的同時，點擊Polyethylene旁邊的‘+’符號，把它們添加到項目中，返回到主頁面項目ReturntoProject。雙擊Model進入穩態熱分析，將散熱器的材料設置Assignment為Polyethylene。（2）網格劃分：點擊Mesh，鼠標右鍵選擇Insert>Refinement，選擇需要重點關注的面，如圖13-18所示，細化網格，點擊GenerateMesh，檢查網格質量。13.4泵殼的穩態熱應力分析13.4.3穩態熱邊界條件設置（1）添加熱載荷：泵殼承受的溫度為60℃，泵的裝配面也處于60℃下。右鍵Steady-StateThermal>Insert>Tempeture，選擇泵殼的裝配面，設置溫度Magnitude為60℃。泵的內表面承受90℃的流體，右鍵Steady-StateThermal>Insert>Tempeture，選擇泵殼的內表面，設置溫度Magnitude為90℃。如圖13-19所示。13.4泵殼的穩態熱應力分析圖13-19設置泵殼裝配面和內表面溫度13.4.3穩態熱邊界條件設置（1）泵的外表面環境用一個對流關系模擬停滯空氣，溫度為20℃，右鍵Steady-StateThermal>Insert>Convention，選擇泵殼所有外表面，輸入filmCoefficient為1*10-5W/mm2.℃，如圖13-20所示。13.4泵殼的穩態熱應力分析圖13-20設置熱對流系數13.4.4穩態熱求解設置參數選擇默認即可，右鍵點擊Solve，完成求解。13.4.5穩態熱結果查看與分析（1）結果查看：點擊Solution，右鍵Insert>Thermal>Tempeture，查看穩態溫度13.4泵殼的穩態熱應力分析圖13-21穩態溫度云圖（℃）13.4.6熱應力分析利用ANSYSWorkbench中【StaticStructural】模塊完成熱應力分析。將【StaticStructural】拖入【Steady-StateThermal】的Model，穩態熱分析和靜力學分析共享材料、模型和穩態熱分析的結果，如圖13-23所示。13.4泵殼的穩態熱應力分析圖13-23熱應力分析的數據傳輸13.4.6熱應力分析（1）邊界條件設置：泵殼螺栓處的無摩擦支撐，點擊StaticStructural>Insert>FrictionlessSupport，選中所有螺栓孔表面。如圖13-24;（2）溫度載荷添加：將穩態熱分析之后得到的溫度作為載荷施加在泵殼上，點擊StaticStructural>Insert>BodyTempeture，然后點擊ImportedBodyTemperature，選中整個泵殼體，右鍵ImportedBodyTemperature>ImportLoad。導入溫度，如圖13-25所示。13.4泵殼的穩態熱應力分析圖13-24設置無摩擦支撐

圖13-25加載溫度13.4.6熱應力分析（3）求解設置：AutoTimeStepping選擇Off，其余為默認值，右鍵Solution>Solve，進行熱應力求解計算。13.4.7熱應力結果查看與分析（1）結果查看：右鍵Insert>displacement，查看變形分布云圖，可以獲取泵殼的變形情況，如圖13-26所示。右鍵Insert>Stress>?EquivalentStress，查看應力分布云圖，獲取泵殼的應力情況，如圖13-27所示。13.4泵殼的穩態熱應力分析圖13-26泵殼變形云圖圖13-27泵殼應力分布云圖電機的散熱方式主要可以分兩種，一種是自然散熱，另一種則是利用冷卻介質進行強迫冷卻。自然散熱是電機最傳統的散熱方式，具有成本低等優勢。根據散熱路徑假設：定子槽內倍繞組與絕緣材料填滿，繞組經絕緣材料與定子鐵心緊貼；定子鐵心與機殼間有極小的裝配間隙。利用ANSYSWorkbench中【Steady-StateThermal】模塊模塊完成自然散熱條件下電機溫度場的計算。13.5高速電機自然散熱下的溫度場分析13.5.2幾何模型的建立創建【Steady-StateThermal】模塊，導入模型：右鍵單擊Geometry，選擇ImportGeometry，導入模型M13-5.x_t，確定單位mm，如圖13-28所示。13.5高速電機自然散熱下的溫度場分析圖13-28電機模型13.5.2幾何模型的建立（1）定義材料：返回到Unsavedproject-workbench界面，雙擊EngineeringData，雙擊GeneralMaterials，添加材料銅（Copper）、鋁（Aluminum）和永磁材料（Ndfeb），如圖13-29所示；雙擊【Steay-StateThermal】的model，進入穩態熱分析界面，將機殼Assignment設置為Aluminum，將繞組線圈設置為Copper，用磁鐵設置為材料Ndfeb，其他材料均為StructuralSteel。13.5高速電機自然散熱下的溫度場分析圖13-29選擇材料庫中的材料完成添加13.5.2幾何模型的建立（2）網格劃分：點擊