第5章 ANSYS12.0熱分析
5.1 ANSYS12.0熱分析概述
傳熱即熱量傳遞，凡是有溫度差存在的地方，必然有熱的傳遞，傳熱是極為普遍的一種能量傳遞過(guò)程。如：物料的加熱、冷卻或者冷凝、蒸發(fā)過(guò)程；設(shè)備和管道的保溫，以減少熱損失；生產(chǎn)中熱能的合理利用，廢熱回收。
5.1.1 傳熱基本方式
熱的傳遞是由于物體內(nèi)部或物體之間的溫度不同而引起的。當(dāng)無(wú)外功輸入時(shí)，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱總是自動(dòng)地從溫度較高的部分傳給溫度較低的部分， 根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，傳熱的基本方式有熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種。
1. 熱傳導(dǎo)
1) 基本概念：當(dāng)物體的內(nèi)部或兩個(gè)直接接觸的物體之間存在著溫度差異時(shí)，物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞稱熱傳導(dǎo)。熱能就從物體的較高部分傳給溫度較低的部分或從一個(gè)溫度較高的物體傳遞給直接接觸的溫度較低的物體。
2) 特點(diǎn)：物體各個(gè)部分不發(fā)生宏觀的相對(duì)位移。導(dǎo)電固體中，導(dǎo)熱起主要作用的是自由電子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；非導(dǎo)電固體和大部分的液體中，導(dǎo)熱是通過(guò)振動(dòng)能從一個(gè)分子傳遞到另一個(gè)分子；在氣體中，導(dǎo)熱則是由于分子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)而引起的。
3) 熱傳導(dǎo)基本規(guī)律（傅立葉定律） Q=?λAdTdn (5-1)
式中：Q為熱流量，表示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一給定面積的熱量，單位w； dt/dn為溫度梯度，單位℃/m；A為導(dǎo)熱面積，單位m2；λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位 w/（m ℃）
導(dǎo)熱系數(shù)是物質(zhì)的一種物理性質(zhì)，表示物質(zhì)的導(dǎo)熱能力的大小，導(dǎo)熱系數(shù)值越大，物質(zhì)的導(dǎo)熱性能越好。導(dǎo)熱系數(shù)只能實(shí)際測(cè)定。一般，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大，非金屬的固體次之，液體的較小，而氣體的最小
傅立葉定律表示：在單位時(shí)間熱傳導(dǎo)的方式傳遞的熱量與垂直于熱流的截面積成正比，與溫度梯度成正比。負(fù)號(hào)表示導(dǎo)熱方向與溫度梯度方向相反。
2. 對(duì)流
1) 基本概念：是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，從而使流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過(guò)程。對(duì)流僅發(fā)生在流體中，對(duì)流的同時(shí)必伴隨有導(dǎo)熱現(xiàn)象。
2) 對(duì)流換熱：流體流過(guò)一個(gè)物體表面時(shí)的熱量傳遞過(guò)程，稱為對(duì)流換
3) 對(duì)流換熱的分類(lèi)：根據(jù)對(duì)流換熱時(shí)是否發(fā)生相變分：有相變的對(duì)流換熱和無(wú)相變的對(duì)流換熱。根據(jù)引起流動(dòng)的原因分：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。
自然對(duì)流：由于流體冷熱各部分的密度不同而引起流體的流動(dòng)。如：暖氣片表面附近受熱空氣的向上流動(dòng)。
強(qiáng)制對(duì)流：流體的流動(dòng)是由于水泵、風(fēng)機(jī)或其他壓差作用所造成的。
沸騰換熱及凝結(jié)換熱：液體在熱表面上沸騰及蒸汽在冷表面上凝結(jié)的對(duì)流換熱，稱為沸騰換熱及凝結(jié)換熱（相變對(duì)流換熱）。
4) 對(duì)流傳熱的分析
滯流內(nèi)層：流體呈滯流流動(dòng)，沿壁面法向沒(méi)有質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)和混合，即無(wú)對(duì)流傳熱，傳熱方式僅是熱傳導(dǎo)。因?yàn)橐后w導(dǎo)熱系數(shù)小，因此熱阻較大，溫度梯度大。
緩沖層：流動(dòng)介于滯流和湍流之間，熱傳導(dǎo)和對(duì)流傳熱同時(shí)起作用，熱阻較小。
湍流主體：質(zhì)點(diǎn)劇烈運(yùn)動(dòng)，完全混合，溫度基本均勻，無(wú)溫度梯度。
因此，對(duì)流傳熱的熱阻主要集中在滯流內(nèi)層，減薄其厚度是強(qiáng)化傳熱過(guò)程的關(guān)鍵。
4) 對(duì)流換熱的基本規(guī)律（牛頓冷卻公式）
其中ts及tf分別為表面溫度和流體溫度；h為對(duì)流換熱系數(shù)，表示單位溫差作用下通過(guò)單位面積的熱流量，對(duì)流換熱系數(shù)越大，傳熱越劇烈，單位w/m2?C。
對(duì)流換熱系數(shù)的大小與傳熱過(guò)程中的許多因素有關(guān)。它不僅取決于物體的物性、換熱表面的形狀、大小相對(duì)位置，而且與流體的流速有關(guān)。一般地，就介質(zhì)而言：水的對(duì)流換熱比空氣強(qiáng)烈；就換熱方式而言：有相變的強(qiáng)于無(wú)相變的；強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)于自然對(duì)流。對(duì)流換熱研究的基本任務(wù)是用理論分析或?qū)嶒?yàn)的方法推出各種場(chǎng)合下表面對(duì)流換熱系數(shù)的關(guān)系式。
3. 輻射
1) 輻射和熱輻射：物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的方式稱為輻射。因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射。
2) 輻射換熱：輻射與吸收過(guò)程的綜合作用造成了以輻射方式進(jìn)行的物體間的熱量傳遞稱輻射換熱。自然界中的物體都在不停的向空間發(fā)出熱輻射，同時(shí)又不斷的吸收其它物體發(fā)出的輻射熱。輻射換熱是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，當(dāng)物體與周?chē)h(huán)境溫度處于熱平衡時(shí)，輻射換熱量為零，但輻射與吸收過(guò)程仍在不停的進(jìn)行，只是輻射熱與吸收熱相等。
3）熱輻射的基本規(guī)律：所謂絕對(duì)黑體：把吸收率等于1的物體稱黑體，是一種假想的理想物體。黑體的吸收和輻射能力在同溫度的物體中是最大的，而且輻射熱量服從于斯忒藩—玻耳茲曼定律。
實(shí)際物體輻射熱流量根據(jù)斯忒潘——玻耳茲曼定律求得：=4 (5-3)
其中T為黑體的熱力學(xué)溫度K（開(kāi)爾文Kelvin，0°C=絕對(duì)溫度273.16 K）；為斯忒潘—玻耳茲曼常數(shù)（黑體輻射常數(shù)），5.67*10-8w/m2*k4；A為輻射表面積m 2。其中Q為物體自身向外輻射的熱流量，而不是輻射換熱量；為物體的發(fā)射率（黑度），其大小與物體的種類(lèi)及表面狀態(tài)有關(guān)。?1
物體溫度越高，單位時(shí)間輻射的熱量越多。熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流都需要有傳熱介質(zhì)，而熱輻射無(wú)須任何介質(zhì)。實(shí)質(zhì)上，在真空中的熱輻射效率最高。
在工程中通?？紤]兩個(gè)或兩個(gè)以上物體之間的輻射，系統(tǒng)中每個(gè)物體同時(shí)輻射并吸收熱量。它們之間的凈熱量傳遞可以用斯蒂芬—波爾茲曼方程來(lái)計(jì)算：
=11F12(T14?24) (5-4)
式中 Q 為熱流率，?1為該物體輻射率（黑度），?為斯蒂芬－波爾茲曼常數(shù)，A1為輻射面1的面積，F(xiàn)12 為由輻射面1到輻射面2的形狀系數(shù)，T1為輻射面1的絕對(duì)溫度，T2為輻射面2的絕對(duì)溫度。
由上式可以看出，包含熱輻射的熱分析是高度非線性的。
4. 導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射的評(píng)述
① 導(dǎo)熱、對(duì)流兩種熱量傳遞方式，只在有物質(zhì)存在的條件下，才能實(shí)現(xiàn)，而熱輻射不需中間介質(zhì)，可以在真空中傳遞，而且在真空中輻射能的傳遞最有效。
② 在輻射換熱過(guò)程中，不僅有能量的轉(zhuǎn)換，而且伴隨有能量形式的轉(zhuǎn)化。
在輻射時(shí)，輻射體內(nèi)熱能→輻射能；在吸收時(shí)，輻射能→受射體內(nèi)熱能，因此，輻射換熱過(guò)程是一種能量互變過(guò)程。
③ 輻射換熱是一種雙向熱流同時(shí)存在的換熱過(guò)程，即不僅高溫物體向低溫物體輻射熱能，而且低溫物體向高溫物體輻射熱能，
④ 輻射換熱不需要中間介質(zhì)，在真空中即可進(jìn)行，而且在真空中輻射能的傳遞最有效。因此，又稱其為非接觸性傳熱。
⑤ 熱輻射現(xiàn)象仍是微觀粒子性態(tài)的一種宏觀表象。
⑥ 物體的輻射能力與其溫度性質(zhì)有關(guān)。這是熱輻射區(qū)別于導(dǎo)熱，對(duì)流的基本特點(diǎn)。
5.1.2 傳熱過(guò)程
傳遞熱量的基本方式：導(dǎo)熱、對(duì)流、熱輻射，由這三個(gè)基本方式組成不同的傳熱過(guò)程。如：
暖氣：熱水管子內(nèi)壁管子外壁室內(nèi)環(huán)境
冷凝器：蒸汽管子外壁管子內(nèi)壁水
分析一個(gè)實(shí)際傳熱過(guò)程的目的，就是分析該過(guò)程由哪些串聯(lián)環(huán)節(jié)組成。以及每一環(huán)節(jié)中有哪些傳熱方式起主要作用，它是解決實(shí)際傳熱的核心基礎(chǔ)。
上述分析導(dǎo)熱、對(duì)流、熱輻射的基本定律，即傅里葉定律、牛頓冷卻公式、斯忒藩—玻耳茲曼定律，適用于穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)傳熱過(guò)程，若是瞬態(tài)時(shí)公式中的溫度是瞬時(shí)溫度，溫度T不僅僅是坐標(biāo)的函數(shù)，而且與時(shí)間有關(guān)。
5.1.3 穩(wěn)態(tài)傳熱和瞬態(tài)傳熱
1. 穩(wěn)態(tài)傳熱：
傳熱系統(tǒng)中各點(diǎn)的溫度僅隨位置的變化而變化，不隨時(shí)間變化而變化。特點(diǎn)：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)傳熱面額定熱量是一個(gè)常量。
如果系統(tǒng)的凈流為零，即流入體統(tǒng)的熱量加上系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱量等于流出系統(tǒng)的熱量：
Q流入+ Q生成- Q流出=0 (5-5)
則系統(tǒng)熱穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程以矩陣形式表示為：
[K]{T}={Q} (5-6)
[K]為熱傳導(dǎo)矩陣，包含熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)及輻射和形狀系數(shù) ；{T} 為節(jié)點(diǎn)溫度向量；{Q}為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包括熱生成；ANSYS利用模型幾何參數(shù)、材料熱性能參數(shù)以及所施加的邊界條件，生成[K]{T}及{Q}。
2. 瞬態(tài)傳熱：
瞬態(tài)傳熱過(guò)程是指一個(gè)系統(tǒng)的加熱或冷卻過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)的溫度、熱流率、熱邊界條件以及系統(tǒng)內(nèi)能不僅隨位置不同而不同，而且隨時(shí)間發(fā)生變化。
根據(jù)能量守恒原理，瞬態(tài)熱平衡可以表達(dá)為（以矩陣形式表示）：
(5-7)
式中：[K]為熱傳導(dǎo)矩陣，包含熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)及輻射和形狀系數(shù)；[C]為比熱矩陣，考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加；{T}]為節(jié)點(diǎn)溫度向量；*T+?為溫度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；{Q}為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包括熱生成。
連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中所進(jìn)行的傳熱多為穩(wěn)態(tài)傳熱。在間歇操作中的換熱設(shè)備中或連續(xù)操作的換熱設(shè)備處于開(kāi)、停車(chē)階段所進(jìn)行的傳熱，都屬于瞬態(tài)傳熱。
5.1.4 線性與非線性
如果滿足下列條件，則為非線性熱分析：
1. 材料熱性能隨溫度變化，如K(T)，C(T)等；
2. 邊界條件隨溫度變化，如h(T)等；
3. 含有非線性單元；
4. 考慮輻射傳熱；
非線性熱分析的熱平衡方程為：
(5-8)
5.1.5 符號(hào)與單位
ANSYS熱分析中常用的符號(hào)及單位表達(dá)見(jiàn)表5-1。
表5-1 熱分析符號(hào)及單位
名稱 國(guó)際單位 英制單位 ANSYS
長(zhǎng)度L m ft Length
時(shí)間t s s Time
質(zhì)量m Kg lbm Mass
溫度T ℃ oF Temperature
力F N lbf Force
能量（熱量）J J BTU Joule
功率（熱流率）Q W BTU/sec Heat Flow
熱流密度q W/m2 BTU/sec-ft2 Heat Flux
生熱速率qW/m3 BTU/sec-ft3 Internal Heat Generation
導(dǎo)熱系數(shù)W/m-℃ BTU/sec-ft-oF Thermal Conductivity
對(duì)流系數(shù)h W/m2-℃ BTU/sec-ft2-oF Film Coefficient
密度Kg/m3 lbm/ft3 Density
比熱c J/Kg-℃ BTU/lbm-oF Specific Heat
焓H J/m3 BTU/ft3 Enthalpy
5.1.6 材料屬性
穩(wěn)態(tài)熱分析中，必須定義熱傳導(dǎo)系數(shù)。熱傳導(dǎo)系數(shù)可以是各向同性或各向異性，是常量或與溫度相關(guān)
瞬態(tài)熱分析中，必須定義熱傳導(dǎo)系數(shù)、密度和比熱。熱傳導(dǎo)系數(shù)可以是各向同性或各向異性，所有屬性可以是常量或與溫度相關(guān)
5.1.7 幾何模型
在熱分析中，可以支持大多數(shù)體類(lèi)型。對(duì)于線體，僅能得到溫度結(jié)果，熱分析不支持點(diǎn)質(zhì)量，對(duì)于線體，不考慮截面厚度上的溫度變化。線用于類(lèi)似梁或桁架的結(jié)構(gòu)，此時(shí)可認(rèn)為其截面上的溫度是常量。沿著線方向的溫度變化仍然要考慮， 但不是沿著截面的。
對(duì)于殼，不考慮沿殼厚度方向的溫度梯度。殼體應(yīng)用于較薄的結(jié)構(gòu)，假設(shè)殼的上下表面溫度相等。表面的溫度變化仍然要考慮，但不是厚度方向的。
5.1.8 接觸
當(dāng)導(dǎo)入實(shí)體零件組成的裝配體時(shí)，實(shí)體間的接觸區(qū)將會(huì)被自動(dòng)創(chuàng)建。面與面或面與邊接觸允許實(shí)體零件間的邊界上不匹配的網(wǎng)格。
每個(gè)接觸區(qū)都用到接觸面和目標(biāo)面的概念。 接觸區(qū)的一側(cè)由接觸面組成，另一側(cè)由目
標(biāo)面組成。當(dāng)一側(cè)為接觸面而另一側(cè)為目標(biāo)面時(shí)，稱為反對(duì)稱接觸。另一方面，如果兩側(cè)都被指定成接觸面或目標(biāo)面，則稱為對(duì)稱接觸。 在熱分析中，指定哪一側(cè)是接觸面，哪一側(cè)是目標(biāo)面并不重要。在接觸的法向上允許有接觸面和目標(biāo)面間的熱流。接觸實(shí)現(xiàn)了裝配體中零件間的傳熱。
熱量在接觸區(qū)內(nèi)沿著接觸法向流動(dòng)，不管接觸區(qū)定義如何，只要接觸法向上有接觸單元，熱量就會(huì)流動(dòng)。 在接觸面與目標(biāo)界面中，不考慮熱量的擴(kuò)散。 在殼或?qū)嶓w單元內(nèi)的接觸面或目標(biāo)面上，由于傅立葉定律，需考慮熱量擴(kuò)散。
如果零件初始有接觸，零件間就會(huì)發(fā)生傳熱，如果零件初始不接觸，零件間將不會(huì)互相傳熱。 不同的接觸類(lèi)型，熱量是否會(huì)在接觸面和目標(biāo)面間傳遞可以參見(jiàn)表5-2。
表5-2 接觸區(qū)傳熱
接觸類(lèi)型 接觸區(qū)傳熱否
初始接觸 彈球區(qū)內(nèi) 彈球區(qū)外
綁定、不分離 是 是 否
粗糙、無(wú)摩擦、摩擦 是 否 否
接觸的彈球【Pinball】區(qū)域自動(dòng)設(shè)置為一個(gè)相對(duì)較小的值，以調(diào)和模型中可能出現(xiàn)的小間隙。對(duì)基于【MPC】的綁定接觸，如果存在間隙，在搜索方向可使用彈球區(qū)以檢測(cè)間隙外的接觸，見(jiàn)圖5-1?！綧PC】算法產(chǎn)生完全傳熱。對(duì)包含殼面或?qū)嶓w邊的接觸，只能設(shè)置為綁定或不分離類(lèi)型。包含殼面接觸，只允許使用【MPC】算法的綁定接觸行為。點(diǎn)焊為連接的殼裝配體在離散點(diǎn)處傳熱提供了一種方法，見(jiàn)圖5-2。
圖5-1 接觸彈球區(qū)域
圖5-2 點(diǎn)焊接觸
接觸溫差
缺省時(shí)，在裝配體的零件間會(huì)定義一個(gè)高的接觸導(dǎo)熱系數(shù)TCC，兩個(gè)零件間的熱流量由接觸熱通量q定義：
q=Tcc（Tt-Tc） (5-9)
這里，Tc是位于接觸法向上某接觸“節(jié)點(diǎn)”的溫度，Tt是相應(yīng)的目標(biāo)“節(jié)點(diǎn)”的溫度。
缺省時(shí)，TCC根據(jù)設(shè)定的接觸模型中的最大熱傳導(dǎo)系數(shù)?max值和裝配體總體外邊界的對(duì)角線Diag，被設(shè)為一個(gè)相對(duì)較“高”的值，即TCC=?max*10000/Diag，這最終提供了零件間完全的傳熱。
圖5-3 接觸溫差
理想的零件間的接觸傳熱系數(shù)假定在接觸界面上沒(méi)有溫度降。接觸熱阻使接觸的兩個(gè)表面在穿過(guò)界面上有溫度降，見(jiàn)圖5-3，這種溫差是由兩表面間的不良接觸產(chǎn)生，由此產(chǎn)生有限熱傳導(dǎo)， 受到影響因素包括： 表面的平面度、 表面磨光、氧化物、 殘存流體、 接觸壓力、 表面溫度、 導(dǎo)熱脂的使用等。
可以定義接觸傳熱系數(shù)TCC考慮接觸熱阻的影響，每個(gè)接觸區(qū)在詳細(xì)信息窗口中輸入單位面積的接觸傳熱系數(shù)，用接觸面積除以接觸熱阻，可得到TCC值，這樣，接觸區(qū)域的接觸面和目標(biāo)面間就會(huì)產(chǎn)生溫度降。
5.1.9 分析設(shè)置
對(duì)簡(jiǎn)單線性行為無(wú)需設(shè)置，對(duì)復(fù)雜分析則需要設(shè)置一些控制選項(xiàng)，設(shè)置命令見(jiàn)表5-3。
表5-3：分析設(shè)置命令說(shuō)明
分析設(shè)置命令說(shuō)明
步長(zhǎng)控制
時(shí)步數(shù);1（默認(rèn)）
當(dāng)前時(shí)步：1（默認(rèn)）
時(shí)步結(jié)束時(shí)間：1s（默認(rèn)）
自動(dòng)時(shí)間步設(shè)置：程序控制（默認(rèn)）
求解控制
求解類(lèi)型：程序控制（默認(rèn)）
非線性控制
熱收斂準(zhǔn)則; 程序控制（默認(rèn)）
溫度收斂準(zhǔn)則; 程序控制（默認(rèn)）
線性搜索：程序控制（默認(rèn)）
輸出控制：
是否計(jì)算熱通量：是（默認(rèn)）
計(jì)算結(jié)果輸出：在所有時(shí)間點(diǎn)（默認(rèn)）
分析數(shù)據(jù)管理
求解器工作路徑;
后續(xù)分析類(lèi)型：無(wú)（默認(rèn)）
獲取求解文件：
是否保存ANSYS DB文件：否（默認(rèn)）
是否刪除不需要的文件：是（默認(rèn)）
是否非線性求解：否（默認(rèn)）
求解器單位：當(dāng)前活動(dòng)系統(tǒng)（默認(rèn)）
求解器單位系統(tǒng)：nks（默認(rèn)）
可視化
對(duì)流（對(duì)流換熱系數(shù)）：顯示
溫度：顯示
1. 步長(zhǎng)控制【Step Controls】
非線性熱分析時(shí)，步長(zhǎng)控制用于控制時(shí)間步長(zhǎng)，步長(zhǎng)控制也用于創(chuàng)建多載荷步。
2. 求解器控制【Solver Controls】
求解器控制中直接法【Direct】和迭代法【Iterative】?jī)煞N求解器可以使用，求解器是自動(dòng)選取的?！維olver Type】下設(shè)置默認(rèn)選項(xiàng)，直接求解器【Direct】在包含薄面和細(xì)長(zhǎng)體的模型中是有用的。它是個(gè)很有力的求解器并且可以處理任何情況。迭代求解器【Iteritive】在處理體積大的模型是十分有效的。盡管它對(duì)梁和殼來(lái)說(shuō)不是很有效，但是可以很好的處理大的模型。
3. 非線性控制【Nonlinear Controls】
非線性控制可以修改收斂準(zhǔn)則和其他的一些求解控制選項(xiàng)。只要運(yùn)算滿足收斂判據(jù)，程序就認(rèn)為收斂，收斂判據(jù)可以基于溫度、也可以是熱流率，或二者都有。
在實(shí)際定義時(shí)，需要說(shuō)明一個(gè)典型值【Value】和收斂容差【Tolerance】，程序?qū)⒍叩某朔e值視為收斂判據(jù)。例如，如說(shuō)明溫度的典型值為500，容差為0.001，那么收斂判據(jù)則為0.5度。對(duì)于溫度，ANSYS將連續(xù)兩次平衡迭代之間節(jié)點(diǎn)上溫度的變化量與收斂準(zhǔn)則進(jìn)行比較來(lái)判斷是否收斂。如果在某兩次平衡迭代間，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度變化都小于0.5度，則收斂。
對(duì)于熱流率，ANSYS比較不平衡載荷矢量與收斂標(biāo)準(zhǔn)。不平衡載荷矢量表示所施加的熱流與內(nèi)部計(jì)算熱流率之間的差值。ANSYS【Value】值由缺省確定，收斂容差為0.5%。
線性搜索【Line Search】選項(xiàng)可使ANSYS用Newton-Raphson方法進(jìn)行線性搜索。
4. 輸出控制【Output Controls】
輸出控制允許在結(jié)果后處理中得到需要的時(shí)間點(diǎn)結(jié)果，尤其在非線性分析中，中間載荷的結(jié)果是很重要的。
5. 分析數(shù)據(jù)管理【Analysis Data Management】
分析數(shù)據(jù)管理保存穩(wěn)態(tài)熱分析結(jié)果文件用于其他的分析系統(tǒng)。如穩(wěn)態(tài)熱分析的結(jié)果作為瞬態(tài)分析的初始條件，因此可以將穩(wěn)態(tài)熱分析結(jié)果隨后的分析【Future Analysis】設(shè)置為瞬態(tài)熱分析【Transient Thermal】用于后面的瞬態(tài)熱分析。
5.1.10 載荷與邊界條件
Workbench 熱分析的載荷與邊界條件如下：
1) 溫度【Temperature】
2) 對(duì)流【Convection】
3) 輻射【Radiation】
4) 熱流率【Heat Flow】
5) 完全絕熱【Perfectly Insulated】
6) 熱流密度【Heat Flux】
7) 內(nèi)部熱生成【Internal Heat Generation】
8) CFD導(dǎo)入溫度【CFD Imported Temperature】
9) CFD 導(dǎo)入對(duì)流【CFD Imported Convection】
載荷與邊界條件可以直接在實(shí)體模型（點(diǎn)、線、面、體）施加，可以是單值的，也可以是用表格或函數(shù)的方式來(lái)定義復(fù)雜的熱載荷。
1. 恒定溫度【Temperature】
通常作為自由度約束施加于溫度已知的邊界上。用于3D分析和2D平面應(yīng)力及軸對(duì)稱分析，如圖5-4。
圖5-4 恒定溫度
2. 對(duì)流【Convection】
用于3D分析和2D平面應(yīng)力及軸對(duì)稱分析 ，對(duì)流通過(guò)與流體接觸面發(fā)生對(duì)流換熱，只能施加到表面上， 對(duì)流使“環(huán)境溫度”與表面溫度相關(guān)。
圖5-5 對(duì)流
q=QA=h(Ts?Tf) (5-10)
對(duì)流熱通量q 與對(duì)流換熱系數(shù)h、表面積A、表面溫度Ts及環(huán)境溫度Tf有關(guān)，如圖5-5。 對(duì)流換熱系數(shù)h 可以是常量或溫度的變量，與溫度相關(guān)的對(duì)流條件。
1) 首先確定h(T) 使用什么樣的溫度，溫度可以是：
(1) 平均膜溫度【Average Film Temperature】：T=(Ts+Tf)/2
(2) 表面溫度【Surface Temperature】：T= Ts
(3) 環(huán)境溫度【Bulk Temperature】：T= Tf
(4) 表面與環(huán)境溫度差【Difference of Surface and Bulk Temperature】：T=Ts-Tf
2) 對(duì)流詳細(xì)信息窗口中選擇【Film Coefficient】-【Tabular(Temperature)】
3) 在出現(xiàn)的表數(shù)據(jù)【Tabular Data】中輸入溫度和對(duì)于的對(duì)流換熱系數(shù)，見(jiàn)圖5-6。
圖5-6 輸入變量對(duì)流換熱系數(shù)
3. 輻射【Radiation】
施加到3D表面或2D模型的邊， 僅提供向周?chē)h(huán)境的輻射（不包括兩個(gè)面之間的相互輻射）。即 形狀系數(shù)假定為F12=1；
=11F12(T14?24) (5-11)
其中 斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)?為定值，并且自動(dòng)由采用的單位制決定；輻射屬性中設(shè)置熱輻射率（黑度）?1 ，環(huán)境溫度T2 。
4. 熱流率Q【Heat Flow】
指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)傳熱面的熱量。整個(gè)換熱器的傳熱速率表征換熱器的生產(chǎn)能力，單位為w 。熱流率作為節(jié)點(diǎn)集中載荷，可以施加點(diǎn)、邊、面上，這對(duì)線體模型通常不能直接施加對(duì)流和熱流密度載荷，則很方便。如果輸入的值為正，表示熱流流入節(jié)點(diǎn)，即獲取熱量。
圖5-7 熱流率
提示：如果在實(shí)體單元的某一節(jié)點(diǎn)上施加熱流率，則此節(jié)點(diǎn)周?chē)膯卧獞?yīng)該密一些；特別是與該節(jié)點(diǎn)相連的單元的導(dǎo)熱系數(shù)差別很大時(shí)，尤其要注意，不然可能會(huì)得到異常的溫度值。因此，只要有可能，都應(yīng)該使用熱生成或熱流密度邊界條件，這些熱荷載即使是在網(wǎng)格較為粗糙的時(shí)候都能得到較好的結(jié)果。
5. 完全絕熱【Perfectly Insulated】
用于3D分析和2D平面應(yīng)力及軸對(duì)稱分析，完全絕熱條件施加到表面上， 可認(rèn)為是零熱流率加載，在熱分析中，當(dāng)不施加任何載荷時(shí)，它實(shí)際上是自然產(chǎn)生的邊界條件。
通常，不需要給面上施加完全絕熱條件，因?yàn)檫@是一個(gè)規(guī)則表面的默認(rèn)狀態(tài)。 因此，這種加載通常用于刪除某個(gè)特定面上的載荷。例如，可以先在所有面上施加熱通量或?qū)α?，然后用完全絕熱條件選擇性地“刪除”某些面上的載荷（比如與其它零件相接觸的面等），此時(shí)要方便簡(jiǎn)單得多。
6. 熱通量q（熱流密度【Heat Flux】）
指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位傳熱面積所傳遞的熱量，q=Q/A。在一定的熱流量下，q越大，所需的傳熱面積越小。因此，熱通量是反映傳熱強(qiáng)度的指標(biāo)，又稱為熱流密度，單位為w/m2，見(jiàn)圖5-8。
圖5-8 熱通量
熱流密度也是一種面載荷。用于3D分析和2D平面應(yīng)力及軸對(duì)稱分析，當(dāng)通過(guò)單位面積的熱流率已知，可以在模型相應(yīng)的外表面施加一致熱流密度。如果輸入的值為正，表示熱流流入單元。熱流密度也僅適用于實(shí)體和殼單元。
7. 內(nèi)部熱生成【Internal Heat Generation】
用于3D分析和2D平面應(yīng)力及軸對(duì)稱分析，內(nèi)部熱生成作為體載只能施加到體上，可以模擬單元內(nèi)的熱生成，比如化學(xué)反應(yīng)生熱或電流生熱。它的單位是單位體積的熱流率（w/m3）。正的熱負(fù)荷值將會(huì)向系統(tǒng)中添加能量。而且，如果有多個(gè)載荷存在，其效果是累加的。
8. 小結(jié)
1) 熱載荷：一般往系統(tǒng)中輸入能量，熱負(fù)荷可以用已知的熱流率或單位面積/體積上的熱流率輸入。
2) 熱邊界條件：熱邊界條件呈現(xiàn)為一個(gè)已知的局部或“偏遠(yuǎn)”的溫度條件。作用如同已知溫度條件下的熱源或匯，可以是確定的溫度或已知環(huán)境溫度下的對(duì)流、輻射，完全絕熱為自然邊界條件 。
3) 至少應(yīng)存在一種熱邊界條件如溫度、對(duì)流或輻射，否則，如果熱量源源不斷地輸入到系統(tǒng)中，穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度將會(huì)達(dá)到無(wú)窮大。
4) 給定的溫度或?qū)α鞑荒苁┘拥揭呀?jīng)施加了某種熱載荷或熱邊界條件的表面上。 如果施加到已經(jīng)承受熱載荷的實(shí)體上，溫度邊界條件將忽略, 完全絕熱條件將忽略其它的熱邊界條件。
5) 提供一些結(jié)構(gòu)分析與熱分析的類(lèi)比見(jiàn)表5-4。
表5-4 結(jié)構(gòu)與熱分析載荷和約束類(lèi)比
名稱 作用方式 結(jié)構(gòu) 熱
自然條件 無(wú)外力 完全絕熱
邊界條件 直接 給定位移 給定溫度
間接 彈性支撐 對(duì)流/輻射
載荷 直接 力 熱流率
單位面積 壓力 熱通量
單位體積 溫度 內(nèi)部熱生成
慣性載荷 整體 加速度，旋轉(zhuǎn)速度
旋轉(zhuǎn)速度、加速度之類(lèi)的慣性載荷，沒(méi)有類(lèi)比，對(duì)流邊界條件的類(lèi)比是一個(gè)結(jié)構(gòu)分析中的“基礎(chǔ)剛度”支撐， 類(lèi)似于接地彈簧。
5.1.11 結(jié)果與后處理
熱分析中可得到各種結(jié)果用于后處理，如溫度、熱通量、 “反作用” 熱流率等。一般在求解之前定義需要的結(jié)果，也可以在求解之后增加需要結(jié)果，此時(shí)不需要進(jìn)行新的求解。
1. 溫度場(chǎng)的云圖顯示：
溫度是求解的自由度，且是最基本的輸出，溫度是標(biāo)量，因此沒(méi)有與之相關(guān)的方向。如圖5-9。
圖5-9 溫度的云圖顯示
2. 熱通量云圖或矢量顯示：
熱通量q 定義為：q=?λdTdn ，熱通量與溫度梯度有關(guān)，【Total Heat Flux】熱通量云圖顯示大小， 熱通量矢量顯示大小和方向，可以看到熱量是如何流動(dòng)的，見(jiàn)圖5-10。
圖5-10 熱通量云圖和矢量顯示
熱通量輸出有三個(gè)分量，熱通量的分量可以用【Directional Heat Flux】，并可映射到任意坐標(biāo)系下。
3. 反作用的熱流率
給定的溫度和對(duì)流都能直接或非直接地補(bǔ)充一個(gè)已知的溫度， 它就相當(dāng)于一個(gè)熱源/匯，流入（正）或流出（負(fù)）量就可以輸出。 對(duì)每個(gè)單獨(dú)的給定溫度或?qū)α鬏d荷，反作用熱流率 【Reaction Probe】 會(huì)在求解之后在“Details “ 明細(xì)窗口中輸出。見(jiàn)圖5-11。
圖5-11 反作用的熱流率
5.2 ANSYS12.0 Steady-State Thermal穩(wěn)態(tài)熱分析
5.2.1 ANSYS12.0 穩(wěn)態(tài)熱分析概述
對(duì)于一個(gè)穩(wěn)態(tài)熱分析， 溫度{T} 是由如下的矩陣求解：[K]{T}={Q}
[K]為熱傳導(dǎo)矩陣，{Q}為熱流量矩陣，包括如下假設(shè)：
1. 穩(wěn)態(tài)熱分析基于熱傳導(dǎo)方程，不考慮任何時(shí)間相關(guān)的瞬態(tài)效應(yīng)。
2. 可以分析線性行為（材料屬性為常量）或非線性行為（材料屬性與溫度相關(guān)），也就是說(shuō)，[K] 可以是常量或是溫度的函數(shù)；每種材料屬性中都可輸入溫度相關(guān)的熱傳導(dǎo)率；{Q} 也可是常量或是溫度的函數(shù)；在對(duì)流邊界條件中可以輸入溫度相關(guān)的對(duì)流傳熱系數(shù)。
3. 固體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)（傅立葉定律）是[K]的基礎(chǔ)。
4. 載荷和約束包括熱生成、熱通量、熱流率、對(duì)流及輻射；雖然對(duì)流換熱系數(shù)有可能與溫度相關(guān)，但對(duì)流被處理成簡(jiǎn)單的邊界條件，如果需要分析共軛傳熱/流動(dòng)問(wèn)題，則需要用流體分析ANSYS CFX 或 ANSYS FLUENT。
5. 穩(wěn)態(tài)熱分析通常用于建立瞬態(tài)熱分析的初始條件，也可以作為瞬態(tài)熱分析的最后一步，即模擬瞬態(tài)傳熱效應(yīng)完全消失后的狀態(tài)。
5.2.2 ANSYS12.0穩(wěn)態(tài)熱分析方法
1. 工具箱中將穩(wěn)態(tài)熱分析系統(tǒng)【Steady-State Thermal】拖入工程圖解。
2. 定義工程數(shù)據(jù)【Engineering Data】:必須定義熱傳導(dǎo)系數(shù)，熱傳導(dǎo)系數(shù)可以是各向同性或各向異性，是常量或與溫度相關(guān)。
3. 導(dǎo)入幾何模型。
4. 定義零件行為。
5. 定義聯(lián)接關(guān)系。熱分析中僅考慮接觸，任何關(guān)節(jié)和彈簧將被忽略。熱分析中初始接觸條件始終保持不變，默認(rèn)條件下，熱傳導(dǎo)完全通過(guò)無(wú)間隙接觸面，如果考慮接觸熱阻，可以手工輸入熱傳導(dǎo)值。
6. 應(yīng)用網(wǎng)格控制劃分網(wǎng)格：如果熱分析用于隨后的結(jié)構(gòu)分析，則需要足夠精細(xì)的網(wǎng)格密度。
7. 建立分析設(shè)置：
1) 步長(zhǎng)控制【Step Controls】用于非線性分析設(shè)置小的增量步，或用于多載荷步的分析設(shè)置。時(shí)間選項(xiàng)【Step End Time】定義載荷步的結(jié)束時(shí)間，雖然對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱分析來(lái)說(shuō)，時(shí)間選項(xiàng)并沒(méi)有實(shí)際的物理意義，但它提供了一個(gè)方便的設(shè)置載荷步和載荷子步的方法。缺省情況下，第一個(gè)荷載步結(jié)束的時(shí)間是1.0，此后的荷載步對(duì)應(yīng)的時(shí)間強(qiáng)逐次加1.0?！綝efine by】可以按照步數(shù)或按照時(shí)間定義載荷子步，對(duì)于非線性分析，每一載荷步需要多個(gè)子步。缺省情況下每個(gè)荷載步有一個(gè)子步。
2) 輸出控制【Output Controls】定義后處理所需要的輸出值，非線性分析中往往需要獲得中間結(jié)果。
3) 非線性控制【Nonlinear Controls】可以修改收斂準(zhǔn)則和求解控制。
4) 分析數(shù)據(jù)管理【Analysis Data Management】保存結(jié)果文件用于其它分析類(lèi)型。
8. 定義初始條件：可以定義各個(gè)節(jié)點(diǎn)相同的初始溫度，用于非線性求解中的第一次迭代，或作為常溫載荷的起始溫度。
9. 應(yīng)用熱載荷及邊界條件：包括溫度、對(duì)流、輻射、熱流率、完全絕熱、熱通量、內(nèi)部熱生成、CFD導(dǎo)入的溫度及對(duì)流。載荷及邊界可以表示為常量或輸入表格形式的變量或函數(shù)表達(dá)式。
10. 求解：求解信息【Solution Information】監(jiān)測(cè)求解過(guò)程，可以插入結(jié)果跟蹤工具【Result Tracker】監(jiān)測(cè)設(shè)定位置的溫度變化。
11. 顯示結(jié)果：包括云圖顯示、動(dòng)畫(huà)顯示、探測(cè)點(diǎn)顯示及圖表顯示所有的熱結(jié)果類(lèi)型。
5.2.3 ANSYS12.0穩(wěn)態(tài)熱分析案例—短圓柱體的熱傳導(dǎo)
5.2.3.1 問(wèn)題描述
短圓柱體，直徑和長(zhǎng)度均為1m, 上方施加100 ℃的溫度載荷，下端面和側(cè)面溫度為0 ℃ ，求圓柱體內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布。（假設(shè)圓柱體和外界無(wú)熱交換）。材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)為30w/m.℃。見(jiàn)圖5-12。
圖5-12 短圓柱體
5.2.3.2 問(wèn)題分析
屬于穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題，由于幾何結(jié)構(gòu)，載荷及邊界條件對(duì)稱，取圓柱體1/4分析。分析方法如下：
1) 選擇穩(wěn)態(tài)熱分析系統(tǒng)
2) 確定材料參數(shù)：穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題，僅輸入熱傳導(dǎo)系數(shù)
3) 【DesignMdoler】建立幾何模型：考慮對(duì)稱性，建立1/4圓柱體
4) 進(jìn)入【Mechanical】分析程序
5) 網(wǎng)格劃分：采用系統(tǒng)默認(rèn)網(wǎng)格
6) 施加邊界條件：圓柱體對(duì)稱面無(wú)熱量交換，為絕熱邊界，系統(tǒng)默認(rèn)無(wú)需輸入。圓柱體其它外表面輸入溫度。
7) 設(shè)置需要的結(jié)果：溫度分布
8) 求解及結(jié)果顯示
5.2.3.3 數(shù)值模擬過(guò)程
1、選擇穩(wěn)態(tài)熱分析系統(tǒng)（圖5-13）
1) 工程圖解中調(diào)入穩(wěn)態(tài)熱分析系統(tǒng)Steady-State Thermal（ANSYS）
2) 工程命名Cylinder Thermal conduction
3) 保存工程名為Steady-State Thermal（cylinder）見(jiàn)圖5-13。
圖5-13 調(diào)入穩(wěn)態(tài)熱分析
2、確定材料參數(shù)（圖5-14-圖5-15）
1) 編輯工程數(shù)據(jù)模型，添加材料的熱傳導(dǎo)率，右擊鼠標(biāo)選擇【Engineering Data】?【Edit】見(jiàn)圖5-14
圖5-14 編輯工程數(shù)據(jù)模型
2) 工程數(shù)據(jù)屬性中增加新材料：【Outline of Schematic A2：Engineering Data】?【Click here to add new material】輸入材料名稱steel.
3) 選擇【Thermal】?【Isotropic Thermal Conductivity】
4) 選擇鋼材料屬性【Properties of Outline Row 3: steel】?【Isotropic Thermal Conductivity】
5) 出現(xiàn)【Table of Properties Row 2: Thermal Conductivity】材料屬性表，雙擊鼠標(biāo)，點(diǎn)擊每個(gè)區(qū)域輸入材料屬性參數(shù)：溫度22?C，熱傳導(dǎo)率30w/m.℃。
6) 參數(shù)輸完后，工程數(shù)據(jù)表顯示熱傳導(dǎo)率-溫度圖表。見(jiàn)圖5-15
圖5-15 輸入材料參數(shù)
3、DM建立幾何模型（圖5-16）
1) 選擇【Geometry】-【New Geometry】，出現(xiàn)esignModeler】程序窗口，選擇尺寸單位【Meter】。
2) 【DesignModeler】中在工作平面XYPlane創(chuàng)建圓柱體截面草圖。
(1) 選擇【Sketching】
(2) 選擇【Draw】?【Rectangle】
(3) 在圖形區(qū)坐標(biāo)原點(diǎn)處點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵，拖放鼠標(biāo)畫(huà)矩形。
(4) 選擇尺寸標(biāo)注【Dimensions】
(5) 圖形區(qū)中選擇矩形邊線，拖放鼠標(biāo)顯示水平尺寸H1，垂直尺寸V2.
(6) 設(shè)置尺寸【Details View】?【Dimensions】?【H1】=120mm，V2=50mm。
圖5-16 創(chuàng)建草圖
3) 草圖選擇生成1/4圓柱體（圖5-17）
1) 選擇【Modeling】模式
2) 選擇矩形草圖【XYPlane】?【Sketch1】
3) 工具欄中選擇旋轉(zhuǎn)命令【Revolve】
4) 選擇旋轉(zhuǎn)軸：圖形區(qū)點(diǎn)擊Y軸
5) 確認(rèn)旋轉(zhuǎn)軸：【Details View】?【Details of Revolve1】?【Axis】=Apply
6) 設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度：【Details View】?【Details of Revolve1】?【FD1，Angle】=90
7) 生成實(shí)體：選擇【Generate】。
圖5-17 生成實(shí)體
4、 進(jìn)入【Mechanical】分析程序
切換回Workbench窗口，選擇【Setup】?【Edit】，進(jìn)入【Mechanical】分析環(huán)境。
5、網(wǎng)格劃分（圖5-18）
1) 選擇【Mesh】?【Generate Mesh】
2) 圖形區(qū)顯示程序自動(dòng)生成的網(wǎng)格模型。
圖5-18 網(wǎng)格劃分
6、施加邊界條件
施加上表面溫度100?C：（圖5-19）
1) 選擇【Steady-State Thermal（A5）】
2) 工具欄中選擇【Temperature】
3) 圖形區(qū)選取上表面
4) 確認(rèn)選擇：【Details of “Temperature”】?【Scope】?【Geometry】=Apply
5) 設(shè)置溫度：【Details of “Temperature”】?【Definiton】?【Magnitude】=100?C
圖5-19 上表面施加溫度
施加外表面及底部溫度0?C：（圖5-20）
6) 選擇【Steady-State Thermal（A5）】
7) 工具欄中選擇【Temperature】
8) 工具欄選取面選擇按鈕
9) 按住【Ctrl】鍵，圖形區(qū)選取外表面及底部面
10) 確認(rèn)選擇：【Details of “Temperature”】?【Scope】?【Geometry】=Apply
11) 設(shè)置溫度：【Details of “Temperature”】?【Definiton】?【Magnitude】=0?C
圖5-20 施加底部及邊表面溫度
7、設(shè)置需要的結(jié)果（圖5-21）
1) 選擇【Solution（A6）】
2) 工具欄中選擇【Thermal】?【Temperature】
圖5-21 設(shè)置溫度結(jié)果
8、求解及結(jié)果顯示（圖5-22）
運(yùn)行【Solve】求解，選【Solution Information】時(shí)，可以從輸出工作表看求解狀態(tài)，求解結(jié)束后可以顯示結(jié)果：
1) 設(shè)置顯示窗口為4個(gè)視窗。
2) 選擇左上窗口。
3) 導(dǎo)航樹(shù)選擇【Model】?【Mesh】，左上窗口顯示網(wǎng)格。
4) 選擇右上窗口。
5) 導(dǎo)航樹(shù)選擇【Steady-State Thermal（A5）】?【Temperature】，右上窗口顯示加載溫度100?C。
6) 選擇左下窗口。
7) 導(dǎo)航樹(shù)選擇【Steady-State Thermal（A5）】?【Temperature2】，左下窗口顯示加載溫度0?C。
8) 選擇右下窗口。
9) 導(dǎo)航樹(shù)選擇【Solutionl】?【Temperature】，右下窗口顯示穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)計(jì)算得到的溫度變化。
圖5-22 結(jié)果顯示
5.2.4 ANSYS12.0穩(wěn)態(tài)熱分析案例—保溫桶的對(duì)流傳熱
5.2.4.1問(wèn)題描述
4層保溫桶，最外層為鋼，次外層為鋁，中間為隔熱的樹(shù)脂基復(fù)合材料，里層為鋁，筒內(nèi)為熱水，筒外為空氣，需確定筒壁的溫度場(chǎng)分布。
圖5-23 保溫桶模型
已知：筒內(nèi)半徑0.1m、筒長(zhǎng)度0.2m、4層厚度為0.01m、0.02m、0.01m、0.005m，鋼、復(fù)合材料及鋁導(dǎo)熱系數(shù)70、0.055、236w/m.℃， 水溫度80 ℃，空氣溫度為20 ℃ ，空氣對(duì)流系數(shù)12.5 w/m2.℃。
5.2.4.2 問(wèn)題分析
屬于穩(wěn)態(tài)傳熱問(wèn)題，由于幾何結(jié)構(gòu)，載荷及邊界條件的軸對(duì)稱，可取圓柱體任意圓周角的一部分，這里取45度。
1. 選擇穩(wěn)態(tài)熱分析系統(tǒng)。
2. 確定材料參數(shù)：穩(wěn)態(tài)傳熱問(wèn)題，僅輸入熱傳導(dǎo)系數(shù)。
3. 【DesignMdoler】建立幾何模型：考慮對(duì)稱性，建立1/8圓柱體。
4. 進(jìn)入【Mechanical】分析程序。
5. 網(wǎng)格劃分：采用系統(tǒng)默認(rèn)網(wǎng)格。
6. 施加邊界條件：圓柱體對(duì)稱面無(wú)熱量交換，為絕熱邊界，系統(tǒng)默認(rèn)無(wú)需輸入，圓柱體其它外表面輸入溫度。
7. 設(shè)置需要的結(jié)果：溫度分布。
8. 求解及結(jié)果顯示。
5.2.4.3數(shù)值模擬過(guò)程
1、選擇穩(wěn)態(tài)熱分析系統(tǒng)（圖5-24）
1) 工程圖解中調(diào)入穩(wěn)態(tài)熱分析系統(tǒng)Steady-State Thermal（ANSYS）
2) 工程命名Attemperator Thermal analysis
3) 保存工程名為Steady-State Thermal（attemperator）
圖5-24 建立保溫桶分析文件
2、確定材料參數(shù)（圖5-25-圖5-26）
1) 編輯工程數(shù)據(jù)模型，添加材料的熱傳導(dǎo)率，右擊鼠標(biāo)選擇【Engineering Data】?【Edit】見(jiàn)圖5-25
圖5-25 編輯工程數(shù)據(jù)
圖5-26 設(shè)置材料屬性
2) 工程數(shù)據(jù)屬性中增加新材料：【Outline of Schematic A2：Engineering Data】?【Click here to add new material】輸入材料名稱Aluminium.
3) 選擇【Thermal】?【Isotropic Thermal Conductivity】
4) 選擇鋼材料屬性【Properties of Outline Row 3: Aluminium.】?【Isotropic Thermal Conductivity】
5) 出現(xiàn)【Table of Properties Row 2: Thermal Conductivity】材料屬性表，雙擊鼠標(biāo)，點(diǎn)擊每個(gè)區(qū)域輸入材料屬性參數(shù)：溫度20?C，熱傳導(dǎo)率236w/m.℃。
6) 參數(shù)輸完后，工程數(shù)據(jù)表顯示熱傳導(dǎo)率-溫度圖表。
7) 同樣輸入樹(shù)脂基復(fù)合材料熱傳導(dǎo)率0.055w/m.℃。
8) 同樣輸入鋼材料熱傳導(dǎo)率70w/m.℃。
3、DM建立幾何模型
1) 選擇【Geometry】-【New Geometry】，出現(xiàn)【DesignModeler】程序窗口，選擇尺寸單位【Meter】。
2) 【DesignModeler】中在工作平面XYPlane創(chuàng)建圓柱體截面草圖。
(1) 選擇【Sketching】
(2) 選擇【Draw】?【Rectangle】
(3) 在圖形區(qū)坐標(biāo)原點(diǎn)處點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵，拖放鼠標(biāo)畫(huà)矩形。
(4) 選擇尺寸標(biāo)注【Dimensions】
(5) 圖形區(qū)中選擇矩形邊線，拖放鼠標(biāo)顯示鋁層厚度尺寸H1，高度尺寸V2，內(nèi)半徑尺寸L3。
(6) 設(shè)置尺寸【Details View】?【Dimensions】?【H1】=0.01m，【V2】=0.2m，【L3】=0.1m。見(jiàn)圖5-27
圖5-27 創(chuàng)建內(nèi)層草圖
(7) 選擇標(biāo)簽【Modeling】
(8) 選擇工作平面【XYPlane】
(9) 工作平面內(nèi)創(chuàng)建第2個(gè)草圖：選擇新草圖按鈕。
(10) 選擇新草圖【Sketch2】
(11) 新草圖中繪制第2個(gè)矩形：選擇標(biāo)簽【Sketching】，選擇【Draw】?【Rectangle】，點(diǎn)擊圖形區(qū)第1個(gè)矩形外邊線的一點(diǎn)，拖放鼠標(biāo)畫(huà)第2個(gè)矩形，選擇尺寸標(biāo)注【Dimensions】，圖形區(qū)中選擇第2個(gè)矩形邊線，拖放鼠標(biāo)顯示復(fù)合材料層厚度
尺寸H4，設(shè)置尺寸【Details View】?【Dimensions】?【H4】=0.02m，見(jiàn)圖5-28
(12) 和創(chuàng)建第2個(gè)草圖一樣，創(chuàng)建草圖【Sketch3】和【Sketch4】
(13) 分別在草圖【Sketch3】上繪制次外層矩形，厚度為0.01m，在草圖【Sketch4】上繪制外層矩形，厚度為0.005m，如圖5-29。
圖5-28 創(chuàng)建中層草圖
圖5-29 創(chuàng)建外層草圖
3) 草圖旋轉(zhuǎn)生成1/8圓柱體
(1) 選擇【Modeling】模式，選擇矩形草圖【XYPlane】?【Sketch1】
(2) 工具欄中選擇旋轉(zhuǎn)命令【Revolve】
(3) 選擇旋轉(zhuǎn)軸：圖形區(qū)點(diǎn)擊Y軸
(4) 確認(rèn)旋轉(zhuǎn)軸：【Details View】?【Details of Revolve1】?【Axis】=Apply
(5) 設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度：【Details View】?【Details of Revolve1】?【FD1，Angle】=45
(6) 生成實(shí)體：選擇【Generate】。
(7) 得到旋轉(zhuǎn)體，見(jiàn)圖5-30
圖5-30 創(chuàng)建內(nèi)層實(shí)體
(8) 選擇矩形草圖【XYPlane】?【Sketch1】
(9) 工具欄中選擇旋轉(zhuǎn)命令【Revolve】
(10) 選擇旋轉(zhuǎn)軸：圖形區(qū)點(diǎn)擊Y軸
(11) 確認(rèn)旋轉(zhuǎn)軸：【Details View】?【Details of Revolve2】?【Axis】=Apply
(12) 設(shè)置冰凍體：【Details View】?【Details of Revolve2】?【Operation】=Add Frozen
(13) 旋轉(zhuǎn)角度：【Details View】?【Details of Revolve2】?【FD1，Angle】=45
(14) 生成實(shí)體：選擇【Generate】，得到旋轉(zhuǎn)體，見(jiàn)圖5-31。
圖5-31 創(chuàng)建中層實(shí)體
(15) 同樣創(chuàng)建冰凍體【Revolve3】Revolve4】
(16) 為方便，對(duì)創(chuàng)建的4個(gè)體按材料重新命名，內(nèi)層aluminium1，中間層resin，次外層aluminium1，最外層steel
(17) 點(diǎn)擊體選擇按鈕
(18) 圖形區(qū)，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇所有實(shí)體【Select All】
(19) 4個(gè)體合成一個(gè)零件：【Tools】?【Form New Part】，見(jiàn)圖5-32
圖5-32 創(chuàng)建外層實(shí)體
4、進(jìn)入【Mechanical】分析程序
切換回Workbench窗口，選擇【Setup】?【Edit】，進(jìn)入【Mechanical】分析環(huán)境。
5、給幾何體分配材料屬性（圖5-33）
1) 選擇體【Model】?【Geometry】?【Part】?【Resin】
2) 分配樹(shù)脂復(fù)合材料：【Details of “resin”】 ?【Material】?【Assignment】=resin composite。
3) 同樣，選擇體【Model】?【Geometry】?【Part】?【aluminium2】。
4) 分配鋁材料：【Details of “aluminium2”】 ?【Material】?【Assignment】= aluminium
5) 同樣，選擇體【Model】?【Geometry】?【Part】?【steel】。
6) 分配鋁材料：【Details of “steel”】 ?【Material】?【Assignment】= steel。
7) 同樣，選擇體【Model】?【Geometry】?【Part】?【aluminium1】分配鋁材料：【Details of “aluminium1”】 ?【Material】?【Assignment】= aluminium。
圖5-33 分配材料屬性
6、網(wǎng)格劃分（圖5-34）
1) 選擇【Mesh】?【Generate Mesh】
2) 圖形區(qū)顯示程序自動(dòng)生成的六面體網(wǎng)格模型。
圖5-34 網(wǎng)格劃分
7、施加邊界條件
施加內(nèi)層表面溫度80?C：（圖5-35）
1) 選擇【Steady-State Thermal（A5）】
2) 工具欄中選擇【Temperature】
3) 圖形區(qū)選取內(nèi)層表面
4) 確認(rèn)選擇：【Details of “Temperature”】?【Scope】?【Geometry】=Apply選中1 Face
5) 設(shè)置溫度：【Details of “Temperature”】?【Definiton】?【Magnitude】=80?C
圖5-35施加內(nèi)層表面溫度
施加外表面對(duì)流換熱系數(shù)及環(huán)境溫度20?C：（圖5-36）
6) 工具欄中選擇【Convection】
7) 圖形區(qū)選取外表面
8) 確認(rèn)選擇：【Details of “Convection”】?【Scope】?【Geometry】=Apply選中1 Face
9) 設(shè)置對(duì)流換熱系數(shù)：【Details of “Convection”】?【Definiton】?【Film Coefficient】=12.5W/m2.?C
10) 設(shè)置環(huán)境溫度：【Details of “Temperature”】?【Definiton】?【Ambient Temperature】=0?C
圖5-36 施加對(duì)流載荷
8、設(shè)置需要的結(jié)果（圖5-37）
1) 選擇【Solution（A6）】
2) 工具欄中選擇【Thermal】?【Temperature】
圖5-37 設(shè)置溫度結(jié)果
9、求解及結(jié)果顯示（圖5-38）
運(yùn)行【Solve】求解，選【Solution Information】時(shí)，可以從輸出工作表看求解狀態(tài)，求解結(jié)束后可以顯示結(jié)果：
1) 導(dǎo)航樹(shù)選擇【Solutionl】?【Temperature】，
2) 圖形區(qū)顯示穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)計(jì)算得到的溫度變化，溫度從內(nèi)向外逐步減少。
3) 動(dòng)畫(huà)演示：圖形區(qū)下方選擇【play】播放按鈕，可以動(dòng)畫(huà)演示溫度的變化。
4) 溫度詳細(xì)信息窗口顯示最小溫度值29.22?C和最大溫度值80?C。
圖5-38 溫度結(jié)果
5.3 ANSYS12.0 Transient Thermal瞬態(tài)熱分析
5.3.1 瞬態(tài)熱分析概述
瞬態(tài)熱分析用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)的隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)及其它熱參數(shù)。在工程上一般用瞬態(tài)熱分析計(jì)算溫度場(chǎng)，并將之作為熱載荷進(jìn)行應(yīng)力分析。
工程傳熱應(yīng)用中，如熱處理問(wèn)題、電子封裝、管口或噴嘴、發(fā)動(dòng)機(jī)組、壓力容器、流固耦合等，都包含瞬態(tài)熱分析。
瞬態(tài)熱分析可以是線性或非線性。與溫度相關(guān)的材料屬性如熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱及密度，或者與溫度相關(guān)的對(duì)流系數(shù)、輻射系數(shù)都需要進(jìn)行迭代求解的非線性分析。多數(shù)材料的熱屬性和溫度相關(guān)，因此該分析通常是非線性的。
瞬態(tài)熱分析的基本步驟與穩(wěn)態(tài)熱分析類(lèi)似。主要的區(qū)別是瞬態(tài)熱分析中的載荷是隨時(shí)間變化的。 為了表達(dá)隨時(shí)間變化的載荷，可使用函數(shù)工具或描述載荷～時(shí)間曲線作為載荷施加。 或?qū)⑤d荷～時(shí)間曲線分為載荷步。載荷～時(shí)間曲線中的每一個(gè)拐點(diǎn)為一個(gè)載荷步，如圖5-39所示，對(duì)于每一個(gè)載荷步，必須定義載荷值及時(shí)間值，同時(shí)還需定義其它載荷步選項(xiàng)，如：
載荷步為漸變或階躍、自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)等。如果定義階躍載荷，則載荷值在這個(gè)載荷步內(nèi)保持不變；如果為漸變加載，則載荷值在當(dāng)前載荷步的每一子步內(nèi)線性變化。
圖5-39 時(shí)變熱載荷
5.3.2 瞬態(tài)熱分析方法
1. 工具箱中將瞬態(tài)熱分析系統(tǒng)【Transient Thermal】拖入工程圖解【Project Schematic】。
2. 定義工程數(shù)據(jù)【Engineering Data】:
(1) 必須定義熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱和密度。
(2) 熱傳導(dǎo)系數(shù)可以是各向同性或各向異性，所有材料參數(shù)可以是常量或溫度相關(guān)。
3. 導(dǎo)入幾何模型。
4. 定義零件行為。
5. 定義聯(lián)接關(guān)系。
(1) 瞬態(tài)熱分析中僅考慮接觸，任何關(guān)節(jié)和彈簧將被忽略。
(2) 熱分析中初始接觸條件始終保持不變，默認(rèn)條件下，熱傳導(dǎo)完全通過(guò)無(wú)間隙接觸面，如果考慮接觸熱阻，可以手工輸入熱傳導(dǎo)值。
6. 應(yīng)用網(wǎng)格控制劃分網(wǎng)格：如果瞬態(tài)熱分析用于隨后的結(jié)構(gòu)分析，則需要足夠精細(xì)的網(wǎng)格密度。
7. 建立分析設(shè)置：
(1) 步長(zhǎng)控制【Step Controls】：定義瞬態(tài)分析的結(jié)束時(shí)間【Step End Time】，控制時(shí)間步長(zhǎng)【Time Step】，或生成多載荷步【Number of Steps】。對(duì)非線性分析必須定義小的載荷步以獲得收斂解。
(2) 時(shí)間步長(zhǎng)【Time Step】：對(duì)于瞬態(tài)分析，在熱梯度大的區(qū)域（如淬火體的表面），熱流方向的最大單元尺寸和能夠得到好結(jié)果的最小時(shí)間步長(zhǎng)有一個(gè)關(guān)系。在時(shí)間步保持不變的時(shí)候，更多的單元通常會(huì)得到更好的結(jié)果；但是，在網(wǎng)格尺寸不變的時(shí)候，子步越多，結(jié)果反而會(huì)變得更差。當(dāng)采用自動(dòng)時(shí)間步和中間節(jié)點(diǎn)的二次單元時(shí)，可以根據(jù)輸入的荷載來(lái)控制最大的時(shí)間步長(zhǎng)，定義最小的時(shí)間步長(zhǎng):
?t=l2?c/4
其中：l 為在熱梯度最大處沿?zé)崃鞣较虻膯卧L(zhǎng)度，?為密度，c為比熱，?為熱傳導(dǎo)系數(shù)。
當(dāng)采用有中間節(jié)點(diǎn)的單元時(shí)，如果違反上述關(guān)系式，計(jì)算會(huì)出現(xiàn)不希望的振蕩，計(jì)算出的溫度會(huì)在物理上超出可能的范圍。如果不采用帶中間節(jié)點(diǎn)的單元，則一般不會(huì)計(jì)算出振蕩的溫度分布，那么上述建議的最小時(shí)間步長(zhǎng)就有些保守。
(3) 注意：不要采用特別小的時(shí)間步長(zhǎng)，特別是當(dāng)建立初始條件時(shí)。很小的數(shù)可能導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤，比如：當(dāng)一個(gè)問(wèn)題的時(shí)間量級(jí)很小的時(shí)候，時(shí)間步長(zhǎng)為1×10－10時(shí)就可能產(chǎn)生數(shù)值錯(cuò)誤.
(4) 自動(dòng)時(shí)間步【Auto Time Stepping】在瞬態(tài)分析中也稱為時(shí)間步優(yōu)化，它使程序自動(dòng)確定子步間的載荷增量。同時(shí)，它根據(jù)分析模型的響應(yīng)情況，自動(dòng)增、減時(shí)間步大小。在瞬態(tài)分析中，響應(yīng)檢測(cè)基于熱特征值。對(duì)于大多數(shù)問(wèn)題，都應(yīng)該打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)功能并設(shè)置積分時(shí)間步長(zhǎng)的上下限。這種設(shè)置有助于控制時(shí)間步長(zhǎng)的變化量。
(5) 時(shí)間積分【Time Integration】：該選項(xiàng)決定了是否包括結(jié)構(gòu)慣性力，熱容之類(lèi)的瞬態(tài)效應(yīng)，在瞬態(tài)分析時(shí)，時(shí)間積分效應(yīng)缺省是打開(kāi)的，如果將其設(shè)為OFF，ANSYS將進(jìn)行一個(gè)穩(wěn)態(tài)分析。
(6) 輸出控制【Output Controls】：定義后處理所需要時(shí)間點(diǎn)的輸出值，因?yàn)樗矐B(tài)分析涉及到載荷歷程中不同的時(shí)間點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果，而并非所有結(jié)果都是我們感興趣的，或者結(jié)果數(shù)據(jù)非常大，因此利用該選項(xiàng)可以嚴(yán)格控制得到在確定點(diǎn)的輸出結(jié)果。
(7) 非線性控制【Nonlinear Controls】：可以修改收斂準(zhǔn)則和求解控制，通常不需要改變默認(rèn)設(shè)置。
(8) 分析數(shù)據(jù)管理【Analysis Data Management】:從瞬態(tài)熱分析中保存特定的結(jié)果文件用于其它的分析類(lèi)型。
8. 定義初始條件：
(1) 瞬態(tài)熱分析中載荷是時(shí)間的函數(shù)，應(yīng)用瞬態(tài)熱載荷的第一步是建立零時(shí)刻的初始溫度。
(2) 瞬態(tài)分析默認(rèn)的初始條件是統(tǒng)一溫度為22?C或71.6?F，該溫度可以根據(jù)實(shí)際的分析情況改變到適當(dāng)?shù)闹?。比如熱處理中，把金屬工件加熱到一定溫?然后突然浸在水或油中使其冷卻,以增加硬度的淬火分析。
(3) 可以使用同樣模型穩(wěn)態(tài)熱分析的溫度結(jié)果作為瞬態(tài)分析的初始溫度分布，如鑄造零件的固化分析中模具和金屬具有不同的初始溫度，模具內(nèi)融化金屬的穩(wěn)態(tài)熱分析將作為固化分析的起點(diǎn)。
(4) 瞬態(tài)分析的第一次迭代中，除了定義的溫度自由度外，開(kāi)始計(jì)算的溫度值就是初始溫度，此外，溫度也用于評(píng)估溫度相關(guān)的材料屬性值。
(5) 如果初始溫度不一致，則可以定義溫度來(lái)自于穩(wěn)態(tài)熱分析中不同時(shí)間點(diǎn)的溫度值，設(shè)置的時(shí)間點(diǎn)不能超出穩(wěn)態(tài)分析的結(jié)束時(shí)間。零值默認(rèn)瞬態(tài)分析的初始條件來(lái)自于穩(wěn)態(tài)分析的結(jié)束時(shí)間點(diǎn)的溫度結(jié)果。
9. 應(yīng)用熱載荷及邊界條件：
(1) 包括溫度、對(duì)流、輻射、熱流率、完全絕熱、熱通量、內(nèi)部熱生成、CFD導(dǎo)入的溫度及對(duì)流。
(2) 載荷值可以表示為常量或和時(shí)間相關(guān)的變量，載荷變量可以輸入表格形式或函
數(shù)表達(dá)式。
10. 求解：
(1) 求解信息【Solution Information】提供一些用于監(jiān)測(cè)求解過(guò)程的工具。求解輸出【Solution Output】根據(jù)求解器的計(jì)算不斷以列表形式更新輸出求解信息，收斂數(shù)據(jù)的輸出是以圖形方式表示的。
(2) 可以插入結(jié)果跟蹤工具【Result Tracker】，顯示關(guān)心點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化圖，以監(jiān)測(cè)求解過(guò)程中關(guān)心點(diǎn)的溫度。
11. 顯示結(jié)果：
(1) 包括所有熱分析類(lèi)型結(jié)果的云圖顯示、動(dòng)畫(huà)顯示。
(2) 探測(cè)點(diǎn)【Probes】可以顯示結(jié)果隨載荷歷程的變化。
(3) 圖表【Chart】可以表示一個(gè)結(jié)果對(duì)另一個(gè)結(jié)果的變化，如表面溫度隨熱生成率的變化，圖表也用于同模型不同分析直接的結(jié)果比較。
5.3.3 ANSYS12.0瞬態(tài)熱分析案例—鋼球淬火
5.3.3.1問(wèn)題描述
直徑0.12m, 溫度900°C的鋼球突然放入水箱，水箱完全絕熱，直徑及高度為0.6m的圓柱體，水溫20 °C，計(jì)算1分鐘后鋼球與水的溫度場(chǎng)分布。材料屬性見(jiàn)表5-5.
表5-5：材料屬性
水 鋼 單位
密度 1000 7800 Kg/m3
導(dǎo)熱系數(shù) 0.61 70 w/m. ℃
比熱 4185 448 J/kg. ℃
5.3.3.2問(wèn)題分析
圖5-40 鋼球模型
1. 忽略水的流動(dòng)，鋼球置于水箱中央。
2. 屬于瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題，幾何模型軸對(duì)稱，取對(duì)稱截面模型的一半進(jìn)行軸對(duì)稱分析。
3. 分析過(guò)程，先做穩(wěn)態(tài)熱分析（1個(gè)時(shí)間步)，以獲得瞬態(tài)分析的初始條件。再分析瞬態(tài)過(guò)程，瞬態(tài)分析設(shè)置多個(gè)子載荷步，采用自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)功能。求解完畢后，溫度云圖和熱流密度向量圖詳細(xì)顯示了計(jì)算結(jié)果。
5.3.3.3數(shù)值模擬過(guò)程
1. 調(diào)入工程數(shù)據(jù)【Engineering Data】
2. 添加材料
3. 調(diào)入穩(wěn)態(tài)熱分析
4. 材料數(shù)據(jù)傳入穩(wěn)態(tài)分析環(huán)境
5. 導(dǎo)入幾何模型ThermalBall.agdb
6. 進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析
7. 穩(wěn)態(tài)熱分析結(jié)果傳入瞬態(tài)熱分析
8. 進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，整個(gè)分析流程如圖5-41
圖5-41 鋼球冷卻分析流程
其中穩(wěn)態(tài)熱分析及結(jié)果見(jiàn)圖5-42，施加球體溫度900?C，施加水20?C，網(wǎng)格密度1mm，計(jì)算結(jié)果作為瞬態(tài)分析初值。
圖5-42 穩(wěn)態(tài)熱分析及結(jié)果
瞬態(tài)分析中，初始條件來(lái)自于穩(wěn)態(tài)熱分析：
1) 選擇分析設(shè)置
2) 設(shè)置屬性為【Step End Time】=60s，【Auto Time Stepping】=on，【Define By】=Time，【Initial Time Step】=0.01s，【Minimum Time Step】=0.001s，【Maximum Time Step】=0.1s，【Time Integration】=on，
3) 加入溫度在圓柱體外邊為20?C。
4) 如圖5-43中的外邊。
5) 瞬態(tài)熱分析結(jié)果顯示如圖5-44，圖中左側(cè)為1分鐘后溫度分布結(jié)果，顯示此時(shí)鋼球降溫為262?C，下方曲線顯示溫度隨時(shí)間的變化。圖中右側(cè)為熱通量結(jié)果，中間交界面處最大。
注意：時(shí)間步長(zhǎng)及網(wǎng)格劃分對(duì)結(jié)果的影響，建模中，交界面處公共邊應(yīng)重合，否則會(huì)導(dǎo)致熱量無(wú)法從鋼球傳導(dǎo)到水中，此外最好建模單位為mm。
圖5-43 瞬態(tài)熱分析過(guò)程
圖5-44 瞬態(tài)熱分析結(jié)果
5.3.4 ANSYS12.0瞬態(tài)熱分析案例—電路板熱分析
5.3.4.1 問(wèn)題描述
分析電路板中芯片在不同時(shí)間段發(fā)熱的電路板的傳熱問(wèn)題，先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，得到初始電路板中一個(gè)芯片發(fā)熱的溫度分布，然后計(jì)算隨后不同芯片發(fā)熱的瞬態(tài)傳熱過(guò)程，電路板
為3D模型，幾何模型為文件 BoardWithChips.x_t或chipset.x_t。瞬態(tài)傳熱的載荷為熱生成率隨時(shí)間變化以表格形式輸入。
圖5-45 電路板模型
5.3.4.2 數(shù)值模擬過(guò)程
1. 調(diào)入穩(wěn)態(tài)熱分析
2. 材料數(shù)據(jù)為默認(rèn)
3. 導(dǎo)入幾何模型BoardWithChips. x_t
4. 進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析
5. 穩(wěn)態(tài)熱分析結(jié)果傳入瞬態(tài)熱分析
6. 進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，整個(gè)分析流程如圖5-46
圖5-46 電路板瞬態(tài)熱分析流程
其中，穩(wěn)態(tài)熱分析及結(jié)果見(jiàn)圖5-49，應(yīng)用熱生成載荷 5e7 W/m3，應(yīng)用簡(jiǎn)單對(duì)流邊界條件，計(jì)算結(jié)果作為瞬態(tài)分析初值。
1) 選擇單位：【Units】?【Metric (m, kg, N, s, V, A)】.
2) 應(yīng)用熱生成載荷 5e7 W/m3，見(jiàn)圖5-47
(1) 選擇應(yīng)用芯片，插入載荷
(2) 【Insert】?【 Internal Heat Generation】
(3) 輸入載荷值：【Definition】?【Magnitude】=5e7 W/m3
圖5-47 應(yīng)用熱生成載荷
3) 應(yīng)用簡(jiǎn)單對(duì)流邊界條件（圖5-48）
(1) 選擇所有外表面：面選擇，圖形區(qū)鼠標(biāo)右鍵選擇【Select All】
(2) 加入對(duì)流邊界：【Insert】?【Convection】
(3) 詳細(xì)信息窗口設(shè)置：對(duì)流換熱系數(shù)【Film Coefficient】=Stagnant Air - Simplified Case
圖5-48 施加簡(jiǎn)單對(duì)流邊界
4) 加入溫度結(jié)果：
(1) Solution
(2) 【Insert】?【Thermal】?【Temperature】
5) 求解：【Solve】
6) 顯示結(jié)果：【Temperature】
圖5-49 穩(wěn)態(tài)熱分析結(jié)果
穩(wěn)態(tài)熱分析的結(jié)果傳入瞬態(tài)熱分析：工程圖解中選擇【Solution】?【Transfer Data To New】?【Transient Thermal】，如圖5-50
圖5-50 穩(wěn)態(tài)熱分析結(jié)果做瞬態(tài)熱分析初始條件
進(jìn)入瞬態(tài)熱分析中，初始條件自動(dòng)為穩(wěn)態(tài)熱分析的結(jié)果。其它設(shè)置如下：
1) 分析設(shè)置如圖5-51
(1) 選擇【Analysis Settings】
(2) 詳細(xì)信息窗口定義結(jié)束時(shí)間：【Step End Time】=200s
(3) 時(shí)間子步為程序默認(rèn)
圖5-51 時(shí)間步設(shè)置
2) 定義內(nèi)部熱生成5e7 W/m3在另一芯片上，作用時(shí)間20s-40s，模擬開(kāi)關(guān)狀態(tài)（圖5-52）
(1) 圖中選芯片
(2) 加入熱生成率：【Insert】?【 Internal Heat Generation】
(3) 編輯數(shù)據(jù)表【Tabular Data】，設(shè)置Time = 0，20，20.1，40，40.1，200，【Internal Heat Generation】 = 0，0，5e7，5e7，0，0
(4) 載荷歷程圖表
圖5-52 應(yīng)用熱生成歷程
3) 同樣應(yīng)用熱生成 1e8 W/m3 在另一芯片，模擬開(kāi)關(guān)時(shí)間 60- 70 s，見(jiàn)圖5-53
圖5-53 應(yīng)用熱生成 1e8 W/m3 在另一芯片
4) 加入簡(jiǎn)單對(duì)流邊界
5) 定義溫度：【Insert】?【Thermal】?【Temperature】
6) 求解結(jié)果【Solve】
7) 看溫度歷程結(jié)果圖5-54，圖形區(qū)顯示最后時(shí)間200s時(shí)，最大溫度144度，而溫度-時(shí)間歷程曲線及數(shù)據(jù)列表顯示75s時(shí)，最大溫度近260度。
圖5-54 瞬態(tài)分析溫度結(jié)果
8) 查看關(guān)心時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度: 選擇溫度曲線的最大值點(diǎn)，鼠標(biāo)右鍵選【Retrieve This Result】，圖中顯示當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的溫度分布。 圖5-55
圖5-55 查看某一時(shí)間點(diǎn)溫度分布
9) 查看關(guān)心處的溫度數(shù)據(jù)曲線.
(1) 選擇芯片
(2) 選【Solution】，鼠標(biāo)右鍵【Insert】?【 Probe】?【 Temperature】
(3) 選【Temperature Probe】?【Evaluate All Results】得到該芯片的溫度隨時(shí)間變化結(jié)果。
圖5-56 查看關(guān)心處的溫度變化
10) 畫(huà)關(guān)心芯片的溫度曲線表，圖5-57
(1) 選擇溫度 【Temperature Probe】
(2) 選擇圖表按鈕加入【Chart】
(3) 選圖表，顯示芯片的溫度隨時(shí)間變化曲線。
圖5-57 芯片溫度變化曲線
詳細(xì)原文，詳見(jiàn)附件：ANSYS_12.0_Workbench-熱分析教程.pdf
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