Workbench中提供了兩種熱傳導分析模塊：Steady-State Thermal （穩態熱力學）和Transient Thermal （瞬態熱力學）。這兩個模塊可以求解固體的熱傳導問題，可以計算得到固體的溫度分布。

對于流體的溫度場計算則使用Fluent 模塊。

兩種熱傳導計算模塊

本文主要介紹固體的熱傳導的分析方法（包括穩態熱傳導和瞬態熱傳導），邊界條件的解釋（包括熱載荷，接觸傳熱的參數解釋），以及熱應力的計算過程。

對于熱傳導分析的基本步驟與結構分析的基本步驟類似，主要有以下幾個步驟：

1.定義材料參數

2.建立幾何模型

3.前處理：包括劃分網格，設置接觸參數

4.施加邊界條件：包括熱載荷和約束調價

5.分析選項設置

6.結果后處理

下面根據這幾個步驟依次進行介紹：

1.定義材料參數

對于穩態熱傳導計算，需要定義的材料屬性只有一個，那就是導熱系數（Thermal Conductivity）。

通過Engineering Data可以定義一個固定值的導熱系數（單位：W/m/°C），此時為線性穩態分析；

也可以定義一條對溫度變化的導熱系數曲線，此時為非線性穩態分析。下圖中的導熱系數曲線只是輸入方式的一個示意，不是任何一種材料的導熱系數。

對于瞬態熱傳導分析，除了定義導熱系數之外還需要定義比熱（單位：J/kg/°C））和密度（單位：kg/m3）。也可以按照上面的方法引入非線性的材料屬性，不再贅述。

瞬態熱傳導材料屬性

若要計算熱應力，除了以上幾個材料屬性外還需要定義材料的熱膨脹系數（單位：1/°C）,彈性模量（單位：pa）,泊松比等。

熱應力計算材料屬性

2.建立幾何模型

幾何模型可以在3維建模軟件中畫好導入ANSYS中，也可以使用DM 或SCDM 來進行創建。這里需要注意的是，若使用SurfaceBody ，則忽略厚度方向上的溫度梯度，對于Line Body，忽略橫截面上的溫度梯度。

一般我們在進行工程計算時都是三維模型，在進行分析前可以先通過已有的經驗來考慮是否需要簡化成二維計算或一維計算。對于薄壁零件，若不考慮厚度方向上的溫度梯度時可以選擇抽殼簡化。對于軸類零件，若只關注軸向的溫度梯度變化時，也可以簡化為一維線幾何進行計算。這樣可以一些減少計算量。

3.前處理：包括劃分網格，設置接觸參數

其實嚴格意義上來講，材料定義和幾何建立都屬于前處理的部分。但是由于Workbench中將材料和幾何單列開，所以這里的前處理特指workbench 流程中的Mesh 這個部分，及劃分網格和接觸設置。

網格劃分的基本規則與結構仿真類似，在溫度梯度大的位置適當加密網格，接觸面上的網格適當加密網格。

4.施加邊界條件：包括熱載荷和約束條件

workbench熱傳導計算中提供3種熱載荷：熱流率（Heat Flow）、熱通量（Heat Flux）、熱生成（Internal Heat Generation），其單位分別為 W ,W/m2,W/m3，物理意義即為單位時間（單位面積/體積）施加的能量。

從這三種熱載荷的單位可以看出，熱流率載荷（W）可以施加在點、線、面上 ; 而熱通量載荷（W/m2）只能施加在面上；熱生成載荷只能施加在體上。

在Heat 的下拉菜單下還有一種邊界類型：Perfectly Insulated 其實它也是熱流率載荷的其中一種，只不過它施加的熱流量為0 ，即在某些面上強制施加0熱流，達到絕熱的效果。

這種邊界適用于大多數模型都暴露在一種環境下而只有個別面沒有這些負載時，為了選擇方便，可以先選中所有面并賦予一種邊界條件，然后在對個別的面施加Perfectly Insulated 邊界來覆蓋上一步施加的熱載荷。

例如，杯子置于桌面上，除了杯底與桌面接觸外，其余所有面與空氣產生對流效應。這時可以施加對流邊界在所有面上，然后對底面施加Perfectly Insulated 來去掉上一步中施加的對流邊界。

邊界條件類型主要有三種：恒溫邊界（Temperature）、對流邊界（Convection）、輻射邊界（Radiation）。

其中，恒溫邊界可用于點、線、面或體上；

對流邊界僅能施加于表面（或2D分析時施加在邊上），其中必須定義的參數有兩個：對流換熱系數和環境溫度

對流換熱系數（Film Coefficient）的默認單位為W/m2°C，對流換熱系數也可以通過表格形式添加；workbench中提供了隨溫度變化的空氣和水的自然對流系數表格，可以直接調用。

輻射邊界只能施加于面上（2D分析中可以施加在邊上），可以是表面環境的輻射，也可以是表面之間的輻射。

必須定義的參數有黑度Emissivity和環境溫度°C

對于瞬態分析，當環境溫度會隨時間變化時，可以通過表格來定義溫度，如下圖，這種方法也可以用于對流邊界中的環境溫度定義。

瞬態環境溫度定義

5.分析選項設置

和結構分析類似，熱分析的分析選項中主要也是設置載荷步、非線性設置和輸出設置。

在初始計算時，可以使用程序默認的設置。在進行非線性計算時，若發現收斂時間慢或收斂困難時，可嘗試分幾個載荷步進行加載，并定義子步數范圍。

在非線性設置中，可以設置熱流量和溫度的收斂準則。

在輸出設置中，可以設置是否計算熱通量和制定結果的輸出頻率。有時候計算文件較大時，可適當減小結果的輸出頻率以減小占用內存空間。

6.結果后處理

求解完成后可以在后處理中添加溫度和熱通量的結果，還可以得到對流或輻射邊界上的熱通量。

通常在計算結束后檢查所有面上的熱流率，若所有面上的熱流率之和為0 ，則說明系統處于熱平衡狀態，計算結果正確。

對于瞬態的熱傳導計算通常將穩態熱傳導的計算結果作為初始條件，分析流程如下圖：

以穩態分析作為瞬態分析的初始條件

對于熱應力計算，通常將穩態熱分析計算得到的溫度場結果作為結構的載荷條件，其分析流程如下圖：

熱應力分析基本流程

下面通過一個例子來完整展示熱應力分析過程：

1.建立分析流程：

啟動Workbench ，添加熱應力分析流程

添加熱應力分析流程

2.定義材料數據

雙擊Engineering Data打開材料定義界面。添加新材料New_MAT，添加材料的熱膨脹系數、參考溫度、線彈性參數、導熱系數等屬性，如下圖：

添加新材料屬性

3.建立幾何模型

在SCDM中建立一個直徑為1m，長為5m的圓柱體

幾何模型

4.指定材料

雙擊Setup打開Mechanical Application 。將幾何的材料有默認的結構鋼改為剛剛添加的New_MAT。

指定材料

5.劃分網格

選擇Mesh ，本案例中的幾何比較規則，可以使用Sweep方法劃分出六面體網格，網格尺寸為0.1mm，劃分得到的網格如下圖

網格劃分結果

6.穩態熱分析邊界

在Steady-State Thermal 中，添加如下幾個邊界條件：

1） 左端面施加溫度邊界：50°C

2）右端面施加熱流載荷：500W

3）圓柱側面施加對流邊界：5W/m2°C，環境溫度為25°C

4）初始溫度為25°C

在Solution中，添加溫度和熱流兩個輸出結果，并分別添加對流面和溫度邊界面上的探針，提取他們的熱流量計算結果。

穩態熱分析邊界條件

7.穩態熱分析計算結果

求解結束后可以看到溫度分布結果

溫度分布結果

熱通量分布

Reaction Prob 結果

三個面的熱流率分別為左端面618.32W ，圓柱側面-1183.3W ,加上邊界條件中給出的右端面500W，三個值相加為0 ，證明系統處于熱平衡狀態。

8.熱應力分析

在項目樹中的Static Structual 的添加兩側端面支撐Frictionless Support ，在Solution中添加Normal Stress結果，可以得到軸向的熱應力。

熱應力分析邊界條件

軸向熱應力

總結

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