熱接觸的案例
FloEFD熱仿真分析之模型簡化（三）-接觸熱阻
FloEFD熱仿真分析之模型簡化（三）-接觸熱阻
CAE白堤
接觸熱阻
任意兩物體接觸在一起，在其接觸面處存在一定的空氣間隙，由此產生的熱阻為接觸熱阻。如圖所示，接觸面間的凹凸不平，使得有效傳熱面積降低。而且，由于間隙狹小，空氣不能形成有效流動，熱量透過這些間隙只能通過熱傳導的形式。空氣導熱系數是鋁的萬分之一左右，因此，剛性面接觸不嚴所致的接觸熱阻是熱量導出的關鍵控制。當有大的熱流通過這些接觸面時，會在接觸面的兩側形成較大的溫度梯度。
接觸熱阻的影響因素
l 接觸表面的數量、形狀、大小及分布規律
l 接觸表面的幾何形狀（波紋度和粗糙度）
l 非接觸間隙的平均厚度
l 間隙中介質種類（真空、液體、氣體）
l 接觸表面的硬度
l 接觸表面壓力大小
l 接觸表面的氧化程度和清潔度
l 接觸材料的導熱系數
改善接觸熱阻措施
電子設備中元器件與散熱器之間、元器件與外殼之間、PCB與散熱器之間等等，雖然通過以上的8個方面一定程度上能改善接觸熱阻。但目前比較通用的方法是采用導熱界面材料來填充，將氣體擠出接觸面，從而降低接觸熱阻值。
熱阻簡化
對某仿真問題，如果已經指定了要進行固體導熱計算，則可以再固體與固體或固體與流體接觸面設置接觸熱阻，可通過輸入接觸熱阻或者輸入接觸層厚度及接觸層的材料屬性來設定。
文章作者：白堤，碩士，有限元設計圈主編，就職于國內某知名企業，主要從事熱設計仿真工作。大佬們都還在努力，更何況自己還只是個學習者。希望通過微信公眾號拋磚引玉，結交更多志同道合的朋友。仿真之路漫漫其修遠矣，我將上下而求索。
展開 冒口位置對鑄件質量的影響 避免接觸熱節
3.熱節圓法分析
在不考慮放置冒口的情況下，鑄件最大熱節圓直徑為294mm，方案1將冒口放置在鑄件的熱節處，放置冒口后，鑄件的實際熱節圓直徑增大到422mm，造成鑄件熱節大于冒口直徑；方案2將冒口放置于鑄件的非熱節處，冒口偏離鑄件最大熱節，沒有造成鑄件熱節增大，有文獻稱方案1形成的熱節為“接觸熱節”，鑄件的凝固方式為“幾何順序凝固”，方案2鑄件的凝固方式為“動態順序凝固”。
通過熱節分析，方案1鑄件熱節大于冒口直徑，不可能形成從鑄件到冒口的順序凝固，方案2冒口直徑大于鑄件熱節，可形成鑄件與冒口的順序凝固。
4．模數法分析
方案1鑄件模數MC1=6.52cm，冒口模數MR1=7.12cm，冒口擴大系數?1＝MR1：MC1＝1.09；方案2鑄件模數MC2=6.25cm，MR2=7.12cm，?2＝MR2：MC2＝1.14。根據模數法設計冒口原則，冒口擴大系數取值為1.1～1.2，顯然方案1冒口擴大系數偏小，不利于形成順序凝固；方案2冒口擴大系數在取值范圍內，可以形成順序凝固。
通過幾種方式分析，證明方案1會有縮孔出現。在生產過程中，對于這種較大的冒口，澆注時一般不一次完成澆注，在鋼液上升到冒口的一定高度后，再對鑄件進行補澆冒口，鑄件澆注完成后，采用搗冒口的方式，不斷破壞冒口結晶過程形成的晶核，使晶核脫落后不斷進入鑄件內，這種方式對冒口補縮效率提高是明顯的，但同時也損失了冒口的熱量，有可能造成冒口與鑄件后期凝固部分形成同時凝固，或造成冒口與鑄件接觸部位早于鑄件厚大部位凝固，使鑄件形成二次縮孔，因此生產致密度高的鑄件時最好不進行搗冒口操作。
結語
通過生產實踐及幾種方式的工藝分析，在偏離熱節處放置冒口，可以避免形成接觸熱節，能夠有效減少鑄件的縮孔、縮松缺陷，顯著提高鋼液利用率。
展開 ANSYS接觸摩擦熱分析
ANSYS接觸摩擦熱分析
例子來源于ANSYS幫助文檔。
分析兩接觸面的摩擦熱，模型如圖1所示。上面的摩擦面一直滑動，與下接觸面摩擦產生熱。分析時采用直接耦合的方法，采用plane13單元，屬于2D耦合場單元，接觸面的目標面采用TARGET169，接觸面采用CONTA171。分析時采用瞬態分析步完成。
圖1
材料、幾何尺寸與載荷約束如圖2所示。
圖2
建模時創建兩個blocks，上面的稱為sliding block，sliding block的下表明為CONTACT AREA，下面的為fixed block，fixed block的上表面為TARGET AREA。
第一個載荷步，sliding block在10MPa的壓力作用下沿著fixed block的上表面滑動3.75mm的距離。滑動過程中產生熱源，并且被兩個block吸收。
定義block單元
ET,1,PLANE13,4 !后面的4表示KOP1系數為4，代表自由度為UX, UY, TEMP
其他過程為定義材料屬性和建模以及定義接觸屬性。
展開 從入門到精通 | LS-DYNA案例學習系列V
模型是一個簡單的屋頂結構，由鋁外層、隔熱層和木板組成，木材表面的內部溫度保持恒定293.15K (20℃) ，外部環境溫度也恒定273.15 K (0℃)：
用五個相同的頂板截面，在鋁外層表面分別定義5種不同的熱對流，熱輻射邊界條件進行對比；
進行瞬態熱計算。
完整展示：LS-DYNA熱輻射和對流分析案例??
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案例23：LS-DYNA熱接觸與熱流密度分析案例
模型說明：演示利用LS-DYNA求解包含熱接觸和熱流密度邊界條件的分析方法。通過施加熱流密度的邊界條件對熱板進行加熱，該熱板頂部的滑塊可以通過接觸來交換熱量：
滑塊1與熱板直接接觸，通過熱傳導交換熱量；
滑塊2非常接近熱源（1mm），并通過簡化的熱對流和輻射公式交換熱量；
滑塊3位于接觸范圍之外(3mm)，不交換熱量。
完整展示：LS-DYNA熱接觸與熱流密度分析案例??
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展開 
220 基于matlab的考慮直齒輪熱彈耦合的動力學分析，輸入主動輪、從動輪各類參數，考慮潤滑油溫度、潤滑油粘度系數等參數，輸出接觸壓力、接觸點速度、摩擦系數、對流傳熱系數等結果。程序已調通，可直接運 ￥54.9
220 基于matlab的考慮直齒輪熱彈耦合的動力學分析，輸入主動輪、從動輪各類參數，考慮潤滑油溫度、潤滑油粘度系數等參數，輸出接觸壓力、接觸點速度、摩擦系數、對流傳熱系數等結果。程序已調通，可直接運行。
酷暑難當，你的筆記本電腦夠涼快嗎——使用 COMSOL Multiphysics 進行熱沉建模
由于接觸壓力小，熱接觸點的溫度躍變了 0.7 K 左右。產生的接觸熱導率約達 8900 W/(m2·K)。
通過使用傳熱分析軟件，我們可以評估 MMC 熱沉的散熱能力是否足以處理電子元件生成的熱量。仿真結果顯示，這種 MMC熱沉設計十分有效，因為它能從設備中帶走大量的熱量。熱沉可以防止設備出現過熱問題，這不僅對筆記本電腦有用，同樣也能提高其他電子設備的性能。
Ansys Mechanical | 如何研發出可靠的汽車動力模塊？（二）
他們對螺栓施加預載荷，以預測電源模塊、TIM和散熱器之間的有效熱接觸面積。接觸面積決定了傳導到散熱器的熱量，因此它可以影響模塊的溫度。
工程師通過參數化分析確定接觸面積對螺栓力、封裝彎曲和TIM厚度的敏感度。就仿真的案例而言，接觸面積在18.7%到97.8%之間變化。結果表明，接觸面積通常會隨模塊彎曲減少而增加，從而增加螺栓力和TIM厚度。大螺栓力、厚TIM襯墊和輕微的模塊彎曲可以提供接近100%的接觸。
最終設計方案的熱接觸變形分析設置
第二步是瞬態熱分析，通過電氣仿真提供熱源和接觸分析，以確定模塊和散熱器之間的有效熱接觸。工程師采用接觸分析中所用的相同變量以及相同值，再進行了一次參數化分析。結果表明，通常產生更高接觸面積的設計參數會產生更低的結溫。在大多數仿真的案例中，溫度都超過了焊料回流溫度。只有在低彎曲、厚TIM襯墊和高螺栓力的情況下，模塊才有可能避免RBT過程中的焊料再熔化。
工程師接下來采用之前機械和熱機械分析的載荷作為線性屈曲分析的預應力。他們采用線性屈曲的擾動形狀作為非線性屈曲的起點。非線性屈曲仿真準確預測了采用100μm TIM襯墊厚度、800N螺栓預載荷和60μm彎曲的初始設計參數進行的物理測試中發現的破裂情況。
仿真表明，通過降低螺栓力可以消除屈曲。但是瞬態熱分析表明，這樣會使溫度提高到足以導致焊料再熔化的水平。假設的0屈曲、800N螺栓載荷和100μm厚襯墊完美封裝不會產生屈曲，也不會導致焊料再熔化。不過這種完美封裝需要高得多而無法讓人承受的生產成本。
展開 Ansys Mechanical | 如何研發出可靠的汽車動力模塊？（二）
他們對螺栓施加預載荷，以預測電源模塊、TIM和散熱器之間的有效熱接觸面積。接觸面積決定了傳導到散熱器的熱量，因此它可以影響模塊的溫度。
工程師通過參數化分析確定接觸面積對螺栓力、封裝彎曲和TIM厚度的敏感度。就仿真的案例而言，接觸面積在18.7%到97.8%之間變化。結果表明，接觸面積通常會隨模塊彎曲減少而增加，從而增加螺栓力和TIM厚度。大螺栓力、厚TIM襯墊和輕微的模塊彎曲可以提供接近100%的接觸。
最終設計方案的熱接觸變形分析設置
第二步是瞬態熱分析，通過電氣仿真提供熱源和接觸分析，以確定模塊和散熱器之間的有效熱接觸。工程師采用接觸分析中所用的相同變量以及相同值，再進行了一次參數化分析。結果表明，通常產生更高接觸面積的設計參數會產生更低的結溫。在大多數仿真的案例中，溫度都超過了焊料回流溫度。只有在低彎曲、厚TIM襯墊和高螺栓力的情況下，模塊才有可能避免RBT過程中的焊料再熔化。
工程師接下來采用之前機械和熱機械分析的載荷作為線性屈曲分析的預應力。他們采用線性屈曲的擾動形狀作為非線性屈曲的起點。非線性屈曲仿真準確預測了采用100μm TIM襯墊厚度、800N螺栓預載荷和60μm彎曲的初始設計參數進行的物理測試中發現的破裂情況。
仿真表明，通過降低螺栓力可以消除屈曲。但是瞬態熱分析表明，這樣會使溫度提高到足以導致焊料再熔化的水平。假設的0屈曲、800N螺栓載荷和100μm厚襯墊完美封裝不會產生屈曲，也不會導致焊料再熔化。
展開 利用DYNAFOR和LS-DYNA進行熱力耦合模擬分析 1
板料熱成形近幾年成為行業內的熱點研究問題，熱力耦合問題自然也備受關注。看了論文里的很多帖子，都沒有仔細說明這個過程。現在就個人的一點經驗，提出來供大家參考：
1、對于熱沖壓模擬，我先在dynaform上建立冷沖壓模型，檢驗各參數定義，特別是模具運動形成和接觸定義是否正確。如果正確，進行第2步；
2、勾選dynaform中的熱力耦合選項 Coupled thermal structural analysis，定義熱材料、熱接觸等條件。
3、生成dyn、blk、mod文件。
4、打開dyn文件，進行相關參數修改，如熱導率、比熱等參數；最主要的是修改材料，換成熱材料。比方說，在定義冷成形的時候，材料MID為DC06，沒有考慮溫度對材料性能的影響，那么這個時候，就要將此MID換成新的材料，比方說MAT_106，熱粘塑性材料。關于TMID，定義比熱熔等參數的曲線或常數。
5、定義熱接觸*CONTACT_FORMING_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE_THERMAL_ID、熱邊界*INITIAL_TEMPERATURE_SET、*BOUNDARY_RADIATION_SET等等，保存。
6、進入LS-DYNA進行調試，根據報錯，進行修改。
下面是我根據Numisheet 2008 BM03做的結果
展開 ANSYS接觸屬性
對于 KEYOPT(3) = 0，熱接觸行為取決于以下熱接觸狀態：
¨ Closed Contact – 在接觸面和目標面之間通過熱傳導傳熱；
¨ Frictional Sliding – 在接觸面和目標面上，滑動摩擦耗散能轉換為熱能；
¨ Near-Field Contact – 考慮接觸面和目標面之間的熱對流和輻射。外部熱流值分配到接觸面。
¨ Far-Field Contact -- 考慮接觸面和外部環境之間的熱對流和輻射。外部熱流值分配到接觸面和目標面二者。
如果選擇自由面接觸行為，ANSYS 在探測到分開的接觸時，它是考慮自由面輻射和對流。對這種情況，在接觸面和目標面之間沒有對流和輻射熱傳遞。
接觸屬性 (約束類型)：約束
Constraint (約束) 標簽包含用于基于表面的約束接觸對的一般參數。基于表面的約束用于將接觸面節點的運動耦合到目標面上的一個引導節點。基于表面的約束需要采用：多點約束 (MPC) 接觸算法(KEYOPT(2) = 2)。(在使用接觸向導創建接觸對時，這一 KEYOPT 是自動設置的)。
Constraint surface type (約束面類型)
在使用多點約束 (MPC) 算法時，KEYOPT(4) 設定基于表面約束類型。有兩種類型可選：
¨ Force-distributed constraint surface – 對這種約束類型，施加到引導節點上的力或位移按照形狀函數分配給接觸節點 (在平均的意義上)，類似于使用 RBE3 命令定義的約束。
展開 Abaqus在航天航空領域的流固耦合和氣彈性分析
流體和結構的變形相互影響，其中流體和固體的接觸可以是熱接觸、機械接觸或兩者同時存在；可以是穩態問題，也可以是瞬態問題。許多問題都包含流固耦合問題，但是由于求解技術的限制，實際應用過程中經常忽略流固耦合效應。
Abaqus在航天航空領域的流固耦合和氣彈性分析.pdf
Abaqus在航天航空領域的流固耦合和氣彈性分析.pdf
Hypermesh聯合LS-dyna剎車制動盤仿真分析
由于是熱固耦合分析，材料的物性參數和熱性參數是分開定義的，即通過不同的材料關鍵字來定義，剎車片和制動盤物性材料參數采用DYNA彈塑性熱分析4號材料模型，即*MAT_ELASTIC_PLASTIC_THERMAL，定義四組不同溫度下的彈性模量，泊松比，熱膨脹系數，屈服應力和剪切模量，熱性材料參數采用6號各向異性熱材料即*MAT_THREMAL_ISOTROPIC_TD_LC，熱性材料只需要輸入材料的密度以及比熱容和熱傳導率。
剛性體采用20號材料模型，即*MAT_RIGID，定義材料的密度，彈性模量，泊松比，并在材料參數中對相應的自由度進行約束。
當定義好單元算法和材料參數后，通過*part關鍵字將單元算法和材料參數關聯到相應的part中。
2.4接觸定義及求解參數設置
制動器熱固耦合分析，剎車片和制動盤之間存在接觸，必須考慮熱接觸問題，LS-DYNA可以定義3D和2D狀態下的熱接觸問題。對于三維熱接觸，目前只能采用*CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE_THERMAL關鍵字進行定義，定義剎車片和制動盤之間的動摩擦系數和靜摩擦系數均為0.35，在兩接觸物體空隙間的導熱系數為40W/(m.K)，兩物體間的熱輻射因子為0.127，兩物體空隙間的熱傳導系數為28000 W/(m.K)，最小空隙條件為1mm，最大空隙量為3mm。定義好的接觸對如圖4所示：
圖4 剎車片和制動盤接觸對定義
利用關鍵字*CONTROL_SOLUTION并取值為2，激活熱固耦合分析類型，利用*INITIAL_TEMPERATURE_SET對摩擦片和制動盤添加初始溫度邊界條件，初始溫度設為22度。通過*CONTROL_THREMAL_SOLVER定義分析類型為瞬態非線性熱分析，并添加關鍵字*CONTROL_THREMAL_NONLINEAR激活非線性分析。
展開 使用ANSYS Workbench進行茶壺的熱力學分析
定義壺體和蓋子之間的熱接觸（Thermal contact）。
本例使用程序自動生成的熱接觸，在Outline->Model->Connection->Contacts進行查看。
6. 如下圖所示，在模型上應用相關的熱邊界條件。假設茶壺里的茶溫度為100℃。
檢查單位制為（m，kg，N），右鍵單擊Steady-State Thermal->insert->Convection選擇如下圖所示的外表面，在Geometry中點擊Apply按鈕。
在其下的Detail of “Convection”點擊Film Coefficient，在下側的Tabular Data以表格形式輸入對流對流換熱系數，如下圖所示：
“傳熱系數”的英文表達有heat transfer coefficient或film effectiveness，單詞film在此處的意思是膜，傳熱系數不就是在界面這一層“薄膜”上的系數嘛。
右鍵單擊Steady-State Thermal->insert-> Temperature，選擇如圖所示的四個面，點擊Apply。Magnitude以表格輸入，在第二行輸入100℃，如下圖所示
右鍵單擊Steady-State Thermal->insert-> Radiation，依然選擇Convection中Geometry的12個面，Emissivity輸入0.1。
7. 劃分模型網格，計算模型。
在Outline中選擇Mesh，在其下的Detail of “Mesh”->Defaults->Element Order選擇Linear，帶有中間節點的單元可能會導致溫度不必要的驟冷。
展開 案例35-無鉛焊接凸點的彈塑性蠕變分析
由于鉛的有害健康影響迫使電子制造商減少在焊料中使用有毒重金屬（包括鉛），隨著替代鉛基焊料的可靠替代焊料的探索，焊點的熱機械分析變得越來越重要。本例使用無鉛焊料96.5Sn-3.5Ag。
問題描述
倒裝芯片封裝由芯片、底部填料、襯底和焊料組成，如下圖所示：
芯片尺寸為6.95 mm×6.95 mm×0.6 mm。襯底尺寸為14 mm×14 mm×0.65 mm。芯片和襯底之間的距離為0.075 mm。上焊盤直徑、下焊盤直徑和焊料凸塊寬度分別為0.12 mm、0.144 mm和0.1507 mm。
為了最大限度地減少自由度，從而減少熱力學分析所需的計算資源，使用了全模型的1/8對稱性。為了確定循環熱載荷對焊點的影響，將廣義Garofalo蠕變模型用于蠕變分析的第二階段。
建模
完成的模型包含57134個節點和11558個三維20節點六面體結構實體單元。
倒裝芯片建模
熱單元SOLID90用于倒裝芯片模型的所有部分，如圖所示：
從瞬態熱分析中獲得的不同時間步長的溫度分布用于非線性結構分析，以預測焊料凸塊中的殘余蠕變應變。分析需要用于熱分析的相同網格。因此，有必要將熱單元SOLID90轉換為結構單元SOLID186（ETCHG）。
接觸單元CONTA174和目標單元TARGE170分別與結構單元SOLID186兼容，因此這些單元不會改變。必要時可以修改接觸單元選項（KEYOPT）。
以下輸入轉換單元類型：
接觸建模
使用CONTA174和TARGE170單元在倒裝芯片部件之間創建面-面接觸對，如圖所示：
以下輸入創建觸點對：
類似地，在倒裝芯片的其他部分之間創建接觸對。
展開 Abaqus焊接仿真案例展示
Abaqus中提供豐富的用戶子程序接口，包括：
u
非均布載荷子程序（DLOAD）；
u
熱源子程序（DFLUX）；
u
接觸面摩擦行為子程序（FRIC）等。
用戶可以根據熱源的具體參數采用Fortran建立熱源子程序，在計算過程中直接通過子程序接口（DFLUX）調用。對于焊接過程中的熱傳導問題，Abaqus還提供了強大的散熱（Film Condition）和熱輻射功能。
壓焊：
Abaqus解決方案：選用顯式求解器Abaqus/Explicit來進行分析。同時，Abaqus提供強大的完全耦合熱固分析，強制對流和輻射分析，熱界面接觸。
Abaqus/Explicit提供兩種算法來模擬接觸問題：
u
通用接觸算法；
u
接觸對算法；
u
對于考慮接觸和熱傳導的壓焊過程仿真時，采用熱力耦合的動態分析步，
可以進行完全熱力耦合分析。
Abaqus提供了豐富的材料模型庫，用戶可以方便的選擇包括金屬、工程塑料、泡沫材料等多種材料模型，可以考慮材料的塑性、損傷、失效、溫度相關等非線性效應。
l
焊接熱力耦合過程模擬常用到的是Johnson-Cook模型，它是一個材料屈服強度與溫度和應變率相關的一個材料本構模型；
l
用戶還可以利用Abaqus的用戶子程序的功能進一步添加自己所需要步添加自己所需要的材料模型。
展開 