熱瞬態的案例
Workbench瞬態熱分析（原創，若轉載，請注明出處）
在這個例子中，我們需要注意的是：在進行瞬態熱分析時，一般情況下要先進行穩態熱分析，以獲取瞬態分析的初始天劍，然后通過瞬態熱分析的分析設置及邊界條件設置，進行多載荷步的求解。
一分鐘了解穩態熱分析&瞬態熱分析
穩態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、對流系數及輻射率和形狀系數；{T}為節點溫度向量；{Q}為節點熱流率向量，包含熱生成。
穩態傳熱用于分析穩定的熱載荷對系統或部件的影響。通常在進行瞬態熱分析之前，進行穩態熱分析用于確定初始溫度分布。穩態熱分析可以通過有限元計算確定由于穩定的熱載荷引起的溫度、熱梯度、熱流率、熱流密度等參數。
1.2.瞬態熱分析
瞬態傳熱過程是指一個系統的加熱或冷卻過程。在這個過程中，系統的溫度、熱流率、熱邊界條件以及系統內能隨時間都有明顯的變化。根據能量守恒定律，瞬態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、對流系數及輻射率和形狀系數；{T}為節點溫度向量；{C}為比熱矩陣，考慮系統內能的增加；{dT/dt}為節點溫度向量對時間的導數；{Q}為節點熱流率向量，包含熱生成。
瞬態傳熱用于計算一個系統隨時間變化的溫度場及其他熱參數。在工程上一般用瞬態熱分析計算溫度場，并將之作為熱載荷進行應力分析。其基本步驟與穩態熱分析類似。主要的區別在于瞬態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.單軸直桿穩態熱分析
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k=100W/(m°C)，計算直桿的軸向溫度分布。
展開 Workbench瞬態熱應力仿真
Workbench除了做穩態熱應力變形，還可以做瞬態熱應力變形。熱雙金有兩個熱膨脹系數不同的金屬組成，熱膨脹系數越大，其為主動層，帶動被動層受熱彎曲。
通過workbench瞬態熱模塊和瞬態結構模塊可模擬該類情景。若考慮空氣對流對熱雙金表面溫度分布的影響，可使用Fluent與瞬態結構模塊進行熱應力仿真。Workbench仿真搭建流程如下所示，
現假設兩個熱雙金體功耗不同，主動層更大，在Fluent計算熱雙金瞬態溫度分布；接著將結果導入到瞬態結構模塊；最后設置約束，這樣搭建完整的瞬態熱應力仿真操作流程。
1-120s的仿真結果如下圖所示
僅為演示，提供一定參考意義。
展開 ANSYS workbench 芯片瞬態熱分析 ￥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、學習芯片瞬態熱分析步的建立
3、學習芯片瞬態熱分析的載荷施加
4、學習芯片瞬態熱的施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020R2.
案例介紹了ANSYS workbench 芯片瞬態熱分析。
本案例完整得提供了分析相關所有分析文件。
Ansys 案例研究 | 瞬態熱力耦合分析—PCB 組件上的熱應力生成
9.對模型進行網格劃分并運行瞬態結構仿真，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
本次分析成功執行了 PCB 組件的瞬態熱-順序耦合仿真。通過將瞬態熱分析得到的溫度時程作為載荷，輸入至瞬態結構分析中，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境變化的瞬態過程中，熱應力如何隨溫度場同步演變，清晰地揭示了應力集中區域的動態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力學負載與潛在風險提供了直接的依據。
本次分析有效完成了從動態熱輸入到動態應力輸出的因果鏈路驗證，為后續的簡易可靠性評估與設計改進提供了核心的觀測數據。
展開 ANSYS workbench水瓶降溫瞬態熱分析 ￥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、學習水瓶的三維模型處理
2、學習水瓶降溫瞬態熱分析步的建立
3、學習水瓶降溫瞬態熱分析的載荷施加
4、學習水瓶降溫瞬態熱的施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020R2.
案例介紹了ANSYS workbench 水瓶降溫瞬態熱分析。
本案例完整得提供了分析相關所有分析文件。
某地鐵能量回收系統IGBT模塊熱瞬態響應仿真分析
熱瞬態數值模擬的要點：首先功率器件內部的分布和分立器件的各自的瞬態熱耗函數必須確定，其次定義仿真域和瞬態熱響應的時間周期，最后就是網格的劃分和運行計算了，以上就關鍵結果輸出供大家參考，有疑問可留言。
電路板芯片的穩態與瞬態熱分析 ￥20
利用穩態熱分析和瞬態熱分析方法研究這些芯片所產生的熱量。
2 分析過程
2.1創建分析系統
建立一個與穩態分析相關聯的瞬態熱分析。啟動ANSYS Workbench，從工具箱中，將一個穩態熱系統分析拖到項目示意圖上。隨后將瞬態熱系統分析拖動到穩態熱系統分析處，使單元格2、3、4和6以紅色突出顯示。
釋放鼠標按鈕，完成穩態分析與瞬態分析的關聯。
2.2 導入幾何模型
在穩態熱分析示意圖中，右擊幾何Geometry，選擇Import Geometry。
2.3 網格劃分
設置特定的網格方法控制和網格大小來控制和確保良好的網格質量。
2.3.1 網格方法：
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 無網格劃分新技術midas MeshFree - 瞬態熱分析案例
簡便 高效
今天為大家帶來的是瞬態熱分析模塊，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
選擇瞬態熱分析。
②導入CAD
MeshFree提供了非常豐富的數據接口，可滿足絕大多數工程師的需求。
③選擇材料模型
這里創建兩個材料，分別賦予給板和其上的各個部件。
各部件的材料模型
PCB板的材料模型
④接觸設置
接觸使用自動創建的接觸即可。
考慮熱源的瞬態熱傳導有限元求解器
關鍵詞：熱源，瞬態，熱傳導，有限元求解器，三角形單元，自研
在《瞬態熱傳導有限元求解器開發》一文中，我們介紹了自研的二維瞬態熱傳導求解器。
當時那個控制方程沒有考慮熱源，邊界條件中只涉及溫度、熱流、對流。然而在很多問題中，熱源才是最關鍵的邊界條件，比如電發熱、化學反應生熱。
熱源的處理
熱源是體熱，相對應的熱流是面熱。兩者處理方式類似，都是根據單位熱功率值和幾何尺寸計算熱功率，然后加到控制方程矩陣的右側，承擔類似于結構力學中的“載荷”的功能。
區別在于，熱源是作用在體上的，單位是W/m3，熱流是作用在面上，單位是W/m2。具體到編程上，熱源要分配到單元的三個節點上，熱流要分配到單元某個邊的兩個節點上。
從求解器編程的角度來說，這些邊界條件的處理方式都是固定和通用的。考驗一般出現在實際工程項目中使用自研求解器的時候。
在CAE軟件的開發中，交互端和求解器端永遠要解決的問題是，如何讓所有單元始終知道：
（1）它是誰？（材料參數，幾何參數）；
（2）它在哪？（和其他單元的相對位置）；
（3）它怎么了？（邊界條件）。
以熱源為例，在交互界面上，我們通過視口選擇單元，指定其體熱功率。那么前端數據在生成求解器輸入的時候，就要告知求解器所有單元的編號和其對應的體熱功率。
當求解器拿到單元編號以后，就需要索引或者計算其面積，并根據單元三個節點編號，將功率加到載荷列陣對應的位置。
驗證
設計案例如下，區域外部為20℃空氣，對流換熱系數取5W/(m2K)，時間總長18000s，每步時間間隔60s。
自研求解器得到模型中心最終溫度是84.6℃，與商用軟件結果完全一致。
展開 基于HyperWorks的瞬態熱-固耦合分析 ￥20
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。
ANSYS workbench錐形透鏡瞬態熱應力分析 ￥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、學習錐形透鏡的三維模型處理
2、學習線瞬態熱結構耦合分析步的建立
3、學習錐形透鏡熱結構耦合分析的載荷施加
4、學習錐形透鏡熱結構耦合載荷的施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020r2.
案例介紹了ANSYS workbench 錐形透鏡瞬態熱應力分析。
本案例完整得提供了分析相關所有分析文件。
瞬態熱傳導有限元求解器開發
關鍵詞：瞬態，熱傳導，有限元求解器，三角形單元
熱傳遞有三種方式：熱傳導、熱對流、熱輻射。就熱傳導問題而言，無論是結構力學還是流體力學都會涉及，兩邊都沒拿它當外人。
前面的文章提到過，結構力學的有限元發展地非常成熟，大部分的剛度矩陣在文獻里面都推導好了。而流體力學的很多單元類型的有限元方程，可能需要自行推導完成。在熱傳導問題中，我采用加權余量法進行處理，推導出了符合結構力學有限元文獻中給出的剛度矩陣，殊途同歸。
實際上，傳統的結構力學有限元三大控制方程：幾何方程、物理方程、平衡方程。幾何方程描述位移-應變關系，物理方程描述應力-應變關系，平衡方程描述內應力-外載荷關系。傳熱問題從控制方程角度，更偏向流體力學（能量方程）。但是熱對于結構變形太重要了，因此結構有限元必須要把傳熱問題解決掉。
從結構力學跨到流體力學，在有限元方法中，流體力學控制方程左邊的矩陣都可以用剛度矩陣去看待它。控制方程的右邊的列陣，都可以用載荷的角度去看待，對于第二類邊界條件，則可以分成左側矩陣的修正+右側列陣的載荷組合。有些文獻上，用所謂的“內部單元方程”、“邊界單元方程”的描述，會增加我們的困惑，可以不必糾結在此。
控制方程
二維瞬態熱傳導控制方程如下：
這個方程里面的常數有密度、比熱容、導熱系數。
三種邊界條件：
（1） 已知邊界溫度值，屬于第一類邊界條件，它的處理就和結構有限元里面的位移以一樣，可以用置大數法對方程左邊的矩陣進行約束處理。
（2） 已知邊界熱流密度，屬于第二類邊界條件，作為熱源。可以類比到結構有限元里面的均布載荷。
（2） 已知邊界對流換熱系數和接觸環境溫度，也屬于第二類邊界條件。這個邊界條件在處理的時候，需要進行拆分，一部分放到左側單元矩陣，一部分作為右側的載荷。
展開 超導開關瞬態熱分析 ￥50
使用瞬態熱分析來計算20s內電加熱絲加熱及之后冷卻的溫度變化。
CFD專欄丨三維 CFD 瞬態熱模型，物理時間超長怎么辦？
“
在 CFD 仿真工作中，我們有時候會遇到長時間的瞬態熱分析的模型。
這個長時間（幾分鐘或幾十分鐘）是相對流動特征時間而言的，因為流動的特征時間通常是毫秒或秒級的，計算幾秒種的物理時間，流場早已達到周期性穩定，但是此時溫度場的發展還遠遠未達到穩定，也就意味著CFD求解器需要非常多的迭代步才能達到最終（熱平衡）溫度，如果三維模型網格數量又很多，那么對計算資源將是個巨大的消耗。
下面通過幾個簡單的測試模型，展示 Altair? AcuSolve? 的 dual time stepping 功能，可以有效的減少瞬態熱模型的計算代價。
算例一
強制對流，圓柱體的冷卻過程
考慮一個雷諾數200的層流模型，2個圓柱體上下游并列放置，間距8個直徑距離。來流空氣溫度T=0℃，上游圓柱體初始溫度為100 ℃，下游圓柱體初始溫度為20 ℃。圓柱體的內外側都是加密的邊界層網格，確保流-固交界面溫度梯度計算的精確。仿真時間步長為0.1秒，可以確保捕捉尾跡區的動態漩渦結構。
展開 