前言：HyperWorks具有強大的傳熱分析能力，其操作過程也并不復雜，只需要搞懂一些卡片的設置含義，按照既定的步驟進行操作，就可以實現熱傳遞分析了。本次仿真選擇彎管模型，通過對彎管的一端施加熱源，得到彎管的溫度場隨時間的變化云圖，又由于彎管內積攢的熱能無法在短時間內散出，故會產生熱應力及位移變化，通過仿真后處理可以得到彎管的熱應力分布情況以及隨著時間的變化，彎管內的熱傳遞情況。

一、傳熱分析基本概念

1、熱傳遞方式

熱傳遞共有三種傳遞方式，分別是熱傳導、熱對流和熱輻射。本次仿真中主要用到前兩種熱傳遞方法。

熱傳導是熱量從系統的一部分傳導到另一部分或由一個系統傳導到另一個系統的現象，通常發生在固體中；熱對流是液體或氣體中較熱部分和較冷部分之間通過循環流動使溫度趨于均勻的過程。

2、熱—固耦合分析

熱固耦合的基本思路是先進行熱傳導分析以獲取結構的溫度場，這個溫度場將作為結構分析的載荷的一部分，耦合分析將按照嚴格的順序進行，通常會先進行熱分析，熱分析影響后續的結構分析，而結構分析對熱分析則沒有影響。

3、常用的熱學材料參數

Thermal expansion coeffcient：熱膨脹系數[A]

Thermal conductivity：熱導率[K]

Heat transfer coefficient：熱傳遞系數[H]

Heat capacity at constant pressure：恒定壓力下的熱容量[CP]

二、有限元建模

本次仿真主要關注1、通過熱源加載進行瞬態熱傳遞過程2、自由對流散熱分析3、熱—固耦合時結構內應力及位移情況。通過本次仿真，你可以學到物體隨著時間的推移，由于外部熱輸入和自然冷卻作用下的溫度變化過程，以及結構受熱應力作用下自身的應力及位移變形情況。

載荷：彎管的一端施加100 KW/m2的熱載荷，環境溫度是25℃，材料屬性默認不會隨時溫度和時間而變化。熱對流默認覆蓋結構的側表面。

約束：結構分析時，選擇彎管的兩側分別約束其在Y向的位移。

三、建模步驟

1、打開Hypermesh，選擇OptiStruct模塊，導入模型。

2、創建材料的熱學特性

1）創建材料name=steel；Card Image=MAT1；E=2.1e5；Nu=0.3；RHO=7.9e-6；A=1e-5，點開MAT4選項，K=7.3e-2；H=4e-5；CP=508

2）創建屬性name=solid；Card Image=Psolid，并選擇材料steel。

3）將創建好的材料屬性賦予給模型

3、創建瞬態分析節點

Create > Load Collector，name=Time steps；Card Image=TSTEP；TSTEP_NUM=1；N=50,DT=10。每10個節點輸出一次，一共計算50次，即時間是500s。

4、創建初始條件

Create > Load Collector，name=Initial Conditions；Card Image=TEMPD；T1=25。結構初始溫度設置為25℃。

5、創建環境與結構的熱對流

1）Create > Load Collector，name=Ambient SPCD TLOAD1；Card Image=TLOAD1

2）Create > Load Collector，name=Ambient SPCD；Card Image=NONE

3）Create > Constraints，node選擇模型周圍的一點當做環境溫度點，dof1~dof6均不勾選且設置0， load types=SPCD。

4）Create > Load Collector，name=Ambient SPCD Table；Card Image=TABLED1；TABLED1_NUM=2；x(1) = 0.0, y(1) = 1.0, x(2) = 500.0, y(2) = 1.0。

5）點擊Ambient SPCD TLOAD1，EXCITEID=Ambient SPCD；TYPE=DISP；TID=Ambient SPCD Table。

6）Create > Load Collector，name=Ambient SPC ；Card Image=None；

7）Create > Constraints，node選擇第三步的環境溫度點，dof1~dof6均不勾選且設置0， load types=SPC。

6、創建彎管端面熱源

1）Create > Load Collector，name=Heat Flux TLOAD1；Card Image=TLOAD1

2）Create > Load Collector，name=Heat Flux QBDY1；Card Image=NONE

3）Create > Interfaces，name=conduction_interface；Card Image=CONDUCTION；添加單元表面，選擇彎管的一端。

4）Create > Flux，elems=by group=conduction_interface；value=0.1；load types =QBDY1

5）Create > Load Collector，name=Heat Flux Table；Card Image=TABLED1；TABLED1_NUM=2；x(1) = 0.0, y(1) = 0.0, x(2) = 500.0 and y(2) = 1.0。

6）點擊Heat Flux TLOAD1，Card Image=TLOAD1；EXCITEID=Heat Flux QBDY1 ；TYPE=LOAD；TID =Heat Flux Table。

 6、創建表面單元的自由對流

1）Create > Interfaces，name=convection_interface；Card Image=CONVECTION；添加所有的散熱表面。

2） Card Edit>elems= by group=convection_interface ；config=slave4；type=CHBDYE4；

7、整合結構導熱和熱對流

Create > Load Collector，name=Combined Flux and Convection；Card Image=DLOAD；S=1；DLOAD_NUM=2；S(1) = 1.0 ，S(2) = 1.0，L(1)=Ambient SPCD TLOAD1，L(2)=Heat Flux TLOAD1

8、創建瞬態熱傳遞分析步

 Create > Load Step，name=transient heat transfer，Analysis type=Heat transfer (transient) ，SPC=Ambient SPC，TSTEP=Time Steps，DLOAD=Combined Flux and Convection。

9、創建結構分析分析步

Create > Load Step，name=structure_temp，Analysis type=Linear Static，SPC=structure SPC

10、求解計算

四、結果展示

1、計算完成后在Hyperview中查看結果，如圖所示，分別為100s，200s，400s，500s時刻下，彎管的溫度，從圖中可以看到，隨著時間的推移，彎管內的溫度逐漸升高并蔓延。同時選擇彎管內的一點，觀察溫度的數值變化曲線。

2、打開第二個載荷步，觀察在熱源的作用下，彎管內的位移、應力應變隨時間的變化云圖。

五、文章小結

本次仿真主要介紹了瞬態熱—固耦合的仿真方法，選取簡單的彎管模型進行端面施加熱源，分析了①結構導熱②結構空氣對流③受熱力影響下的結構變形，這三個部分基本上包括了HyperWorks的所有熱力學分析方法，讀者可以進行任意的組合摘取來分析自己的模型。相信掌握了以上分析方法，用HyperWorks進行熱力學分析將手到擒來。