瞬態(tài)熱分析的案例
Workbench瞬態(tài)熱分析（原創(chuàng)，若轉載，請注明出處）
分析類型：瞬態(tài)熱分析
分析平臺：ANSYS Workbench 17.0
分析人：技術鄰 一無所有就是打拼的理由
研究模型：自定義
一、引言
結構熱分析主要包括熱傳導、熱對流、熱輻射，熱分析遵循熱力學第一定律，即能量守恒。傳熱即是熱量傳遞，凡是有溫差存在的地方，必然有熱量的傳遞。傳熱現(xiàn)象在現(xiàn)實生活中普遍存在，比如食物的加熱，冷卻，有相變存在的蒸發(fā)冷凝換熱等。熱分析類型主要有穩(wěn)態(tài)熱分析和瞬態(tài)熱分析。穩(wěn)態(tài)熱分析中，我們只關心物體達到熱平衡狀態(tài)時的熱力條件，而不關心達到這種狀態(tài)所用的時間。在穩(wěn)態(tài)熱分析中，任意節(jié)點的溫度不隨時間的變化而變化。一般來說，在穩(wěn)態(tài)熱分析中所需要的唯一材料屬性是熱導率。在瞬態(tài)熱分析中，我們只關心模型的熱力狀態(tài)與時間的函數(shù)關系，比如對水的加熱過程。在瞬態(tài)熱分析中，需要對材料賦予熱導率，密度，比熱容等材料屬性及初始溫度，求解時間和時間增量這些邊界條件。在裝配體的熱分析中，我們還要考慮到接觸區(qū)域傳熱，由于接觸面可能存在表面粗糙度，接觸壓力等情況存在，導致存在接觸熱阻。接觸面存在兩種傳熱方式，一種是附體間的熱傳遞，另一種是通過空隙層的熱傳導，但因為氣體的熱導率比較低，所以接觸熱阻不利于傳熱。由于鋼球散熱與時間有關，我們選擇瞬態(tài)熱分析進行鋼球的散熱分析。
二、分析思路及流程
在分析中，我們忽略空氣的流動。先進行穩(wěn)態(tài)熱分析，獲得瞬態(tài)熱分析的初始條件，然后將其傳遞到瞬態(tài)熱分析中；在瞬態(tài)熱分析中添加空氣對流換熱，來求解隨時間變化的溫度場。
展開 一分鐘了解穩(wěn)態(tài)熱分析&瞬態(tài)熱分析
穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程為（以矩陣的形式表示）
式中，[K]為熱傳導矩陣，包含導熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；{T}為節(jié)點溫度向量；{Q}為節(jié)點熱流率向量，包含熱生成。
穩(wěn)態(tài)傳熱用于分析穩(wěn)定的熱載荷對系統(tǒng)或部件的影響。通常在進行瞬態(tài)熱分析之前，進行穩(wěn)態(tài)熱分析用于確定初始溫度分布。穩(wěn)態(tài)熱分析可以通過有限元計算確定由于穩(wěn)定的熱載荷引起的溫度、熱梯度、熱流率、熱流密度等參數(shù)。
1.2.瞬態(tài)熱分析
瞬態(tài)傳熱過程是指一個系統(tǒng)的加熱或冷卻過程。在這個過程中，系統(tǒng)的溫度、熱流率、熱邊界條件以及系統(tǒng)內能隨時間都有明顯的變化。根據(jù)能量守恒定律，瞬態(tài)熱平衡方程可以表達為（以矩陣的形式表示）
式中，[K]為熱傳導矩陣，包含導熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；{T}為節(jié)點溫度向量；{C}為比熱矩陣，考慮系統(tǒng)內能的增加；{dT/dt}為節(jié)點溫度向量對時間的導數(shù)；{Q}為節(jié)點熱流率向量，包含熱生成。
瞬態(tài)傳熱用于計算一個系統(tǒng)隨時間變化的溫度場及其他熱參數(shù)。在工程上一般用瞬態(tài)熱分析計算溫度場，并將之作為熱載荷進行應力分析。其基本步驟與穩(wěn)態(tài)熱分析類似。主要的區(qū)別在于瞬態(tài)熱分析中的載荷是隨時間變化的。為了表達隨時間變化的載荷，首先必須將載荷~時間曲線分為載荷步。載荷~時間曲線中的每一個拐點為一個載荷步。對于每一個載荷步，必須定義載荷值及時間值，同時必須選擇載荷步為漸變或階躍。
2.單軸直桿穩(wěn)態(tài)熱分析
2.1.問題描述
如圖所示的單軸直桿傳熱模型（不考慮輻射和對流換熱），熱流率Q=1W從溫度T(0)端流入，流過長度L=400mm，橫截面積A=10×10mm2的直桿，從溫度T(L)=20°C端流出，假設材料為鋁合金，導熱系數(shù)k=100W/(m°C)，計算直桿的軸向溫度分布。
展開 ANSYS workbench 芯片瞬態(tài)熱分析 ￥10
本案例適合哪些人學習：
1、學習型仿真工程師
2、理工科院校學生
你會得到什么：
1、學習芯片的三維模型處理
2、學習芯片瞬態(tài)熱分析步的建立
3、學習芯片瞬態(tài)熱分析的載荷施加
4、學習芯片瞬態(tài)熱的施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020R2.
案例介紹了ANSYS workbench 芯片瞬態(tài)熱分析。
本案例完整得提供了分析相關所有分析文件。
ANSYS workbench水瓶降溫瞬態(tài)熱分析 ￥10
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所使用軟件為ANSYS workbench2020R2.
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無網(wǎng)格劃分新技術midas MeshFree - 瞬態(tài)熱分析案例
MeshFree是MIDAS公司最新發(fā)布的一款免網(wǎng)格劃分的軟件，在MeshFree的分析過程中，工程師不需要進行模型簡化和網(wǎng)格劃分的操作，其操作流程為：導入CAD模型、輸入載荷和邊界條件、查看分析結果，三步驟的分析流程為工程師節(jié)省了大量時間。
從現(xiàn)在開始我們帶您走進midas MeshFree的世界，讓您感受midas MeshFree分析的簡便、高效和可靠。
簡便 高效
今天為大家?guī)淼氖?em>瞬態(tài)熱分析模塊，針對下面的PCB板模型，用MeshFree進行分析。
分析模型
對該模型施加的載荷為隨時間變化的熱載荷，包括溫度載荷、熱流量、對流和熱源。
MeshFree的分析流程
①新建項目，并選擇分析類型
選擇瞬態(tài)熱分析。
②導入CAD
MeshFree提供了非常豐富的數(shù)據(jù)接口，可滿足絕大多數(shù)工程師的需求。
③選擇材料模型
這里創(chuàng)建兩個材料，分別賦予給板和其上的各個部件。
展開 知識：瞬態(tài)傳熱分析
一、瞬態(tài)傳熱分析的定義
瞬態(tài)熱分析用于計算一個隨時間變化的系統(tǒng)的溫度場及其它熱參數(shù)。在工程上一般用瞬態(tài)熱分析計算溫度場，并將之作為熱載荷進行應力分析。
瞬態(tài)熱分析的基本步驟與穩(wěn)態(tài)熱分析類似。主要的區(qū)別是瞬態(tài)熱分析中的載荷是隨時間變化的。為了表達隨時間變化的載荷，首先必須將載荷～時間曲線分為載荷步。載荷～時間曲線中的每一個拐點為一個載荷步，如下圖所示。
對于每一個載荷步，必須定義載荷值及時間值，同時必須選擇載荷步為漸變或階越。
二、瞬態(tài)熱分析中的單元及命令
瞬態(tài)熱分析中使用的單元與穩(wěn)態(tài)熱分析相同。要了解每個單元的詳細說明，請參閱《ANSYS Element Reference Guide》。要了解每個命令的詳細功能，請參閱《ANSYS Command Reference Guide》。
三、ANSYS 瞬態(tài)熱分析的主要步驟
· 建模
· 加載求解
· 后處理
四、建模
· 確定jobname、title、units, 進入PREP7；
· 定義單元類型并設置選項；
· 如果需要，定義單元實常數(shù)；
· 定義材料熱性能：一般瞬態(tài)熱分析要定義導熱系數(shù)、密度及比熱；
· 建立幾何模型；
· 對幾何模型劃分網(wǎng)格。
關于建模及劃分網(wǎng)格，請參閱《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。
展開 Ansys 案例研究 | 瞬態(tài)熱力耦合分析—PCB 組件上的熱應力生成
9.對模型進行網(wǎng)格劃分并運行瞬態(tài)結構仿真，輸出應力結果云圖，該圖顯示了應力隨時間的變化情況。
總結
本次分析成功執(zhí)行了 PCB 組件的瞬態(tài)熱-順序耦合仿真。通過將瞬態(tài)熱分析得到的溫度時程作為載荷，輸入至瞬態(tài)結構分析中，直接觀察并獲得了關鍵元器件的熱應力隨時間變化的響應。
仿真結果直觀展示了在功率加載或環(huán)境變化的瞬態(tài)過程中，熱應力如何隨溫度場同步演變，清晰地揭示了應力集中區(qū)域的動態(tài)形成過程與峰值時刻。這為評估元件在真實波動工況下的瞬態(tài)力學負載與潛在風險提供了直接的依據(jù)。
本次分析有效完成了從動態(tài)熱輸入到動態(tài)應力輸出的因果鏈路驗證，為后續(xù)的簡易可靠性評估與設計改進提供了核心的觀測數(shù)據(jù)。
展開 電路板芯片的穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)熱分析 ￥20
利用穩(wěn)態(tài)熱分析和瞬態(tài)熱分析方法研究這些芯片所產生的熱量。
2 分析過程
2.1創(chuàng)建分析系統(tǒng)
建立一個與穩(wěn)態(tài)分析相關聯(lián)的瞬態(tài)熱分析。啟動ANSYS Workbench，從工具箱中，將一個穩(wěn)態(tài)熱系統(tǒng)分析拖到項目示意圖上。隨后將瞬態(tài)熱系統(tǒng)分析拖動到穩(wěn)態(tài)熱系統(tǒng)分析處，使單元格2、3、4和6以紅色突出顯示。
釋放鼠標按鈕，完成穩(wěn)態(tài)分析與瞬態(tài)分析的關聯(lián)。
2.2 導入幾何模型
在穩(wěn)態(tài)熱分析示意圖中，右擊幾何Geometry，選擇Import Geometry。
2.3 網(wǎng)格劃分
設置特定的網(wǎng)格方法控制和網(wǎng)格大小來控制和確保良好的網(wǎng)格質量。
2.3.1 網(wǎng)格方法：
a．在目錄樹右擊Mesh選擇Insert> Method
b．在工具欄選中Edit> Select All來選擇全部實體
c．在明細欄，把Method設置成Hex Dominant,Free Face Mesh TypeAll Quad.
2.3.2 元件的網(wǎng)格劃分：
a．在目錄樹右擊Mesh選擇Insert> Sizing
b．首先用Body selection工具欄按鈕，然后按住Ctrl按鈕，單擊15個單獨的Body，選擇除board之外的所有Body。完成選擇主體后，單擊Details視圖中的Apply按鈕。
c．將Element Size從默認值更改為0.0009 m
2.3.3 板的網(wǎng)格劃分
a.在目錄樹右擊Mesh選擇Insert> Sizing
b.單獨選中板實體將Element Size從默認值更改為0.002m.
2.4 加載芯片的熱載荷
板上不斷通電的芯片產生的內熱載荷為5e7 W/m3。
用Body選擇的工具欄按鈕，單擊選擇如下所示的芯片。
展開 ANSYS workbench瞬態(tài)傳熱相變分析 ￥10
本案例適合哪些人學習：
1、學習型仿真工程師
2、理工科院校學生
你會得到什么：
1、學習傳熱相變的三維模型處理
2、學習傳熱相變瞬態(tài)熱分析步的建立
3、學習傳熱相變瞬態(tài)熱分析的載荷施加
4、學習傳熱相變瞬態(tài)熱的施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020R2.
案例介紹了ANSYS workbench 傳熱相變瞬態(tài)熱分析。
本案例完整得提供了分析相關所有分析文件。
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超導開關瞬態(tài)熱分析 ￥50
使用瞬態(tài)熱分析來計算20s內電加熱絲加熱及之后冷卻的溫度變化。
電磁爐加熱水分析—電磁 熱 結構耦合分析
分析中注意的事項：
加載電流密度的圓環(huán)模型要建立圓心的圓柱坐標系，將其模型坐標系為圓柱坐標系，Y軸為圓環(huán)的圓周方向，模擬電流的流向，如圖5所示。
靜態(tài)磁場分析默認為117單元，是不產生渦流效果的，可以更改模型的單位類型關鍵字，將碗底的模型單元更改為117,1單元，或者更改為236單元，設置相應的關鍵字。
分析中加載電流密度并設置為諧波分析：
bfe,conductor,js,2,current_density ！加載電流密度
/solu
anty,harm
harfr,30000 ！高頻求解
solve
底盤線圈的電流密度結果如圖6所示，高頻產生的碗底渦流如圖7所示
讀取熱生成率，獲取相應的功率結果，圖8所示。
/post1
set,1
cmsel,s,steel
powerh
my_powerloss=PAVG
圖5 線圈坐標設置 圖6 底盤線圈電流密度
圖7 碗底渦流密度 圖8 渦流效果熱生成率
2.2 瞬態(tài)熱分析
加載瞬態(tài)熱分析模塊Transient Thermal，鏈接磁場分析的網(wǎng)格部分，打開瞬態(tài)熱分析模塊，這樣會讀取相應的網(wǎng)格模型和材料設置，需要抑制掉空氣部分。
在瞬態(tài)熱分析中設置相應的分析時間長度為600s，步數(shù)為600步，設置相應的散熱系數(shù)，如圖9所示，將插入commands命令，讀取磁場生成的熱結果。
ldread,hgen ！讀取熱結果
加熱碗的最大溫度的溫升曲線如圖10所示，600s時刻的溫度分布結果如圖11和圖12所示。
展開 
Workbench瞬態(tài)熱分析實例
本實例采用WB的瞬態(tài)熱分析模塊（Transient Thermal）模擬零件高溫水冷過程。Case：零件的初始溫度為100度，放在25度的靜止水中。欲求解零件溫度穩(wěn)定到水溫25度所需的時間。
視頻百度鏈接：http://pan.baidu.com/s/1o8SsaVo 密碼：1vmw
在采用默認的分析設置Analysis settings情況下，得到的結果是如下情況。
顯然這不是我們的預期結果。溫度只降低到69度。故后面還需設置較長的降溫時間。如下圖設置總時間為200秒。結果如下。
結果顯示溫度是從89度開始下降的。也與預期結果：溫度從100度降低到25度，不符。分析發(fā)現(xiàn)原因是：初始步長較大。最后不斷嘗試設置合適的步長時間為：第一步0-8秒步長0.2秒，第二步8-25秒步長2秒，第三步25-80秒步長8秒。結果如下圖所示。
分析結果表明：100度的該零件放在25度靜止水中大概需要40秒整體最高溫度和最低溫度值才能穩(wěn)定到25度左右。
ps:零件內部溫度穩(wěn)定到25度需要的時間更長。可以取點監(jiān)測溫度變化得到驗證。
展開 《ANSYS 8.0熱分析教程與實例解析（含光盤） 》
第一篇 ANSYS 8.0熱分析基本教程
第1章 ANSYS 8.0熱分析簡介
1.1 概述
1.2 ANSYS 8.0熱分析基本原理
1.3 ANSYS 8.0耦合場分析
第2章 ANSYS 8.0熱分析基礎知識
2.1 熱分析符號與單位
2.2 傳熱學經典理論
2.3 三種基本熱傳遞方式
2.3.1 熱傳導
2.3.2 對流
2.3.3 輻射
2.4 熱分析材料基本屬性
2.4.1 比熱容(Specific Heat)
2.4.2 焓(Enthalpy)
2.4.3 生熱率(Heat Generation Rate)
2.5 邊界條件與初始條件
2.5.1 三類邊界條件
2.5.2 初始條件
2.6 熱載荷
2.7 穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)熱分析
2.7.1 穩(wěn)態(tài)傳熱
2.7.2 瞬態(tài)傳熱
2.8 線性與非線性熱分析
第3章 穩(wěn)態(tài)熱分析
3.1 穩(wěn)態(tài)熱分析的應用
3.2 熱分析單元
3.3 穩(wěn)態(tài)熱分析基本步驟
3.3.1 建立有限元模型
3.3.2 施加載荷
3.3.3 求解
3.3.4 后處理
第4章 瞬態(tài)熱分析
4.1 瞬態(tài)熱分析的應用
4.2 瞬態(tài)熱分析單元
4.3 瞬態(tài)熱分析基本步驟
4.3.1 建立有限元模型
4.3.2 施加載荷計算
4.3.3 求解
4.3.4 后處理
第5章 輻射
5.1 輻射熱分析的應用
5.2 輻射熱分析常用單元
5.3 輻射熱分析基本概念
5.3.1 黑體
5.3.2 灰體
5.3.3 角系數(shù)
5.4 熱輻射公式
5.4.1 角系數(shù)的計算
5.4.2 熱輻射計算方程
5.5 輻射熱分析求解方法
5.5.1 非隱藏法與隱藏法
5.5.2 點-點問題
5.5.3 點-面問題
5.5.4 面一面問題及AUXl2矩陣生成器
5.6 空間節(jié)點的使用
第6章 相變分析
6.1 相變分析簡介
6.2 相變分析應注意的問題
第7章 熱應力分析
7.1 熱應力分析簡介
展開 電磁爐加熱水—電磁 熱 結構耦合分析
2.1電磁場分析
底板線圈使用電流密度添加電流模擬線圈電流，這樣在線圈上不會產生渦流效應導致的電流分布不均勻現(xiàn)象，其值為 I=單根導線電流*線圈圈數(shù)/線圈截面積，由于線圈為高頻交流電，根據(jù)電磁理論在碗底的鐵質體上產生渦流，靠渦流生成的電流來加熱碗底，并可以讀取相應的熱生成功率。
分析中注意的事項：
加載電流密度的圓環(huán)模型要建立圓心的圓柱坐標系，將其模型坐標系為圓柱坐標系，Y軸為圓環(huán)的圓周方向，模擬電流的流向，如圖5所示。
靜態(tài)磁場分析默認為117單元，是不產生渦流效果的，可以更改模型的單位類型關鍵字，將碗底的模型單元更改為117,1單元，或者更改為236單元，設置相應的關鍵字。
分析中加載電流密度并設置為諧波分析：
bfe,conductor,js,2,current_density ！加載電流密度
/solu
anty,harm
harfr,30000 ！高頻求解
solve
底盤線圈的電流密度結果如圖6所示，高頻產生的碗底渦流如圖7所示
讀取熱生成率，獲取相應的功率結果，圖8所示。
/post1
set,1
cmsel,s,steel
powerh
my_powerloss=PAVG
圖5 線圈坐標設置
圖6 底盤線圈電流密度
圖7 碗底渦流密度
圖8 渦流效果熱生成率
2.2 瞬態(tài)熱分析
加載瞬態(tài)熱分析模塊Transient Thermal，鏈接磁場分析的網(wǎng)格部分，打開瞬態(tài)熱分析模塊，這樣會讀取相應的網(wǎng)格模型和材料設置，需要抑制掉空氣部分。
在瞬態(tài)熱分析中設置相應的分析時間長度為600s，步數(shù)為600步，設置相應的散熱系數(shù)，如圖9所示，將插入commands命令，讀取磁場生成的熱結果。
展開 Workbench案例3-PCB電路板芯片熱分析
穩(wěn)態(tài)熱分析和瞬態(tài)熱分析用于研究由這些芯片產生的熱量引起的溫度變化。
操作步驟
創(chuàng)建穩(wěn)態(tài)熱分析項目：Steady-State-Thermal；
在穩(wěn)態(tài)分析項目之后，創(chuàng)建一個瞬態(tài)熱分析項目，并于穩(wěn)態(tài)熱分析項目連接；連接方式如圖所示：
導入幾何模型：導入PCB板的幾何模型X_T格式；切換單位制為：Metric（m,kg,N,s,V,A）
網(wǎng)格劃分：設置網(wǎng)格劃分方式為Multi Zone；
設置Sizing：選擇初PCB板之外的其他15個元件，設置網(wǎng)格尺寸為：0.0009m；
設置Sizing：選擇PCB板，設置單元尺寸大小為：0.002m；如圖所示：
設置邊界條件：
設置發(fā)熱芯片的發(fā)熱量：Internal heat generation 大小為：5e7W/m3；芯片位置如圖所示：
設置熱傳導Convection：選擇所有的幾何模型；在Film Coefficient欄右鍵，選擇Import Temperature Dependent，如圖所示：
選擇Stagnant Air-Simplified Case；如圖所示：
5.求解&查看結果：查看穩(wěn)態(tài)分析結果的PCB板及元件溫度場如圖所示：
現(xiàn)在已完成穩(wěn)態(tài)熱分析，這是總體目標的第一部分；對于本案例，將在其余步驟中執(zhí)行瞬態(tài)熱分析。
準備瞬態(tài)熱分析時需要注意的事項：
? 如果突出顯示瞬態(tài)熱對象下的初始溫度對象，會注意到在詳細信息視圖中，只讀顯示初始溫度和初始溫度環(huán)境。一般來說，初始溫度可以是：– 統(tǒng)一溫度：可以在其中指定結構中所有物體的溫度=0，或 – 非均勻溫度：（如本例所示）在其中導入溫度規(guī)范 在時間=0 時，來自穩(wěn)態(tài)分析。
? 初始溫度環(huán)境來自您剛剛執(zhí)行的穩(wěn)態(tài)熱分析。
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