概述：

心血架是一種打開被斑塊堵塞的血管的醫療設備。支架的常用材料是鎳鈦合金鎳鈦。在制造過程中，支架被退火和淬火成特定形狀。退火法是一種使支架在高溫下保持一定時間的熱處理，而淬火過程是將支架浸入淬火劑中，以一定的速度冷卻。支架的冷卻速度應加以控制，因為冷卻速度太慢對制造過程效率不高，而冷卻速度太快會增加支架的脆性，導致熱誘發應力和裂紋。

在本次模擬中，我們模擬了退火支架從 400°C 到室溫（20°C）的淬火過程。冷卻方式有兩種比較：水淬火和強制風冷。這兩種冷卻方式的區別在于對流速度。

目標：

1、了解影響傳熱速率的因素

2、熟悉瞬態熱分析框架

3、理解循環對稱如何被利用來提高效率

步驟：

1、創建瞬態熱分析系統

2、定義材料屬性。使用Nitiinol作為支架材料。（材料參數的總結見表1）

3、導入幾何模型，支架幾何結構如圖1所示。由于支架幾何結構具有對稱性，為提高效率僅建模了四分之一的幾何部分(圖2)。

圖1 支架幾何結構

圖2 支架幾何形狀的四分之一

4、網格幾何圖形。指定網格尺寸為0.05mm，并用掃描網格方法來網格化幾何體。會調整多個設置以實現均勻且穩健的網格。在網格細節的“尺寸”下，關閉“使用自適應尺寸”，開啟“捕獲曲率”和“捕獲接近度”。在“捕獲近距離”選項中，將“曲率法線角”設置為30，“跨越間隙的單元格數”設為2。（更多細節請點擊底部案例視頻）

5、定義分析設置并指定邊界條件。應用400°C的初始溫度。將步進結束時間定義為1秒，并啟用自動時間步進。使用傅立葉數近似計算初始時間步長：

將Fo設為1，我們得到:

其中К是熱導率，ρ是密度，С是比熱，Δχ是元件尺寸，Δt是時間步長。經過快速計算，初始時間步長大約是1e-3秒。為了獲得足夠的輸出結果，將最大時間步長設為0.05秒。施加循環邊界條件。右鍵點擊“模型”樹以插入“對稱性”，然后右鍵點擊“對稱性”插入“循環區域”。要定義循環區域，需要一個局部圓柱系統(見圖3)、一個低邊界和一個高邊界。

圖3 循環對稱的局部園柱坐標系

6、對所有表面(除循環邊界外)施加對流邊界條件。將環境溫度設定為20℃，對流系數設為0.002W/(°C·mm2)。這用以表示水中的對流系數。

7、運行模擬并查看結果。在0.09秒時的溫度分布圖如圖4所示。由于對稱性定義，該圖是360°幾何圖形。

圖4  0.09秒時的溫度分布

最大溫度歷史曲線如圖5所示，其中我們可以看到支架溫度在約0.25秒內冷卻至20°C。

圖5 支架在水中的最高溫度歷史

使用強制空氣的傳導系數來運行模擬。將 W 傳導薄膜系數改為 0.0003W/(°C·mm2)，以表示強制空氣的冷卻效果。再次運行模擬。最大溫度歷史圖顯示，將支架冷卻至 20°C 大約需要 1 秒的時間。

圖6 強制空氣中支架的最高溫度歷史

總結：

此示例演示了進行瞬態熱分析的過程。其中涵蓋了使用對流和周期性對稱性的方法。通過這一示例，您將能夠了解對流系數如何影響溫度變化速率。

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