熱耦合仿真的案例
基于PERA SIM的泵蓋熱結構耦合仿真分析
摘要：本文基于PERA SIM Mechanical通用結構仿真軟件建立了泵蓋熱結構耦合仿真的過程，從導入幾何模型開始，到劃分四面體網格、賦予模型不同的材料參數、施加邊界條件和載荷過程，以及分析求解設置，最終得到泵蓋熱變形與熱應力的分析結果，對泵蓋的結構強度設計提供指導建議。
關鍵詞：泵蓋；熱結構耦合；熱變形；熱應力
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1.引言
通過熱結構耦合仿真分析，可以深入理解泵蓋在高溫環境下由于熱膨脹和收縮而產生的熱應力。這些熱應力可能導致泵蓋結構變形、疲勞甚至失效。同時預測泵蓋結構熱變形，對于確保泵蓋與其他部件的配合精度和密封性能至關重要。此外，根據仿真分析的結果，可以對泵蓋的結構設計進行優化，例如增加筋板、改變壁厚或材料配置等，以提高其抗熱應力和抗變形能力。
本文基于PERA SIM Mechanical仿真分析軟件建立了泵蓋熱結構耦合仿真的過程，從導入幾何模型開始，到劃分四面體網格、賦予泵蓋材料參數、施加溫度和靜力載荷與邊界條件，以及設置熱結構耦合仿真分析參數，最終得到泵蓋熱變形與熱應力分析結果。分析得到的熱變形結果和熱應力結果，對泵蓋的結構優化設計、壽命評估、密封性能都具有一定的指導意義。
2.問題描述
本文研究對象為泵蓋，主要用于工程機械中需要密閉的箱體結構中，實現傳遞載荷、提供支撐以及保護箱體內部零部件的作用。在使用過程中，利用密封圈和螺栓進行密封和連接裝配。
3.計算結果分析
3.1 模型建立及簡化
泵蓋幾何模型文件格式為x_t，直接導入PERA SIM Mechanical中。
展開 電磁爐加熱過程電磁-熱耦合仿真
圖6 電磁熱耦合載荷傳遞量類型圖
04
仿真結果
電磁場計算結果
INTESIM計算得到線圈的電流密度如圖7所示。
圖7 線圈的電流密度
INTESIM計算得到鍋體底部的渦流密度如圖8所示。
圖8 鍋底的渦流密度
電磁爐的鍋體底部熱損耗如圖9所示。
圖9 鍋體底部熱損耗
熱場計算結果
查看整體的溫度分布如圖10所示。
圖10 整體的溫度分布
查看鍋體底部的溫度分布如圖11所示。
圖11 鍋體底部的溫度分布
查看陶瓷的溫度分布如圖12所示。
圖12 托盤的溫度分布
05
總結
本案例使用INTESIM軟件，基于渦流場分析、熱場分析和非匹配網格映射插值等功能，實現了電磁-熱耦合分析求解。仿真計算得到的熱損耗和溫度結果與對標軟件結果基本吻合。本案例驗證了INTESIM多物理場仿真模塊中的電磁-熱耦合仿真功能，對渦流場分析和熱場分析及耦合仿真進行應用驗證，能夠為廣大用戶在電器領域中的電磁場、熱場耦合仿真應用提供可行方案。
文章來源: 英特仿真INTESIM
展開 直播預告 | Marc在熱機耦合仿真解決方案
精彩直播預告
熱機耦合是仿真技術中復雜的類型，精確的模擬熱環境條件下結構材料、變形、接觸等變化的非線性條件是一個難點，引用Marc完全的熱機耦合技術，簡易流程化的結構，熱設置方法，便捷的實現熱機耦合前處理定義。本次直播不止有硬核知識，更有「工業級案例」實戰放送！
本期直播講堂請到了非線性CAE仿真專家宋金松老師將深入解析Marc在熱機耦合仿真中的關鍵技術，從熱機耦合基本流程、設置定義、工程案例講解等來介紹。干貨滿滿，趕快報名吧！
3月20日 14:00
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立即預定
直播內容聚焦
熱、熱機耦合的仿真流程
穩態、瞬態熱分析方法對流換熱和輻射的定義
接觸傳熱的定義方法
掌握在兩個常用單位制下的參數轉換
熱工藝仿真實現
電-磁-熱-結構仿真案例
感應熱焊接
熱分析邊界（溫度）
齒輪熱處理
鋰電池殼體焊接殘余應力分布
金屬多層結構的熱分析
感應熱焊接
宋金松
海克斯康非線性CAE仿真專家
從事非線性軟件Marc技術支持，具有20多年的CAE仿真工作經驗。能夠針對客戶的需求能提供有效、合理、針對性的技術方案支持，為客戶解決實際應用問題。
展開 電力變壓器的熱流耦合仿真和絕緣紙熱老化分析
如果變壓器繞組熱點溫升過高則可能發生局部過熱，影響變壓器的運行穩定性和服役壽命。絕緣紙作為油浸式電力變壓器的絕緣屏障，其老化產生的機械、絕緣等性能改變是一個不可逆過程，對其開展仿真研究對于變壓器運行維護具有重要的指導意義。
重慶大學的技術團隊經過多年積累，在高壓設備和絕緣技術方面積累了深厚的經驗。他們利用Simdroid對電力變壓器開展固體傳熱和流體的耦合仿真建模，模型采用二維近似簡化，在精確反映物理場景的前提下節省了計算資源，提高了計算效率和展示效果。本文展示的案例中在正常工況變壓器的結構基礎上增加了繞組間擋板，目的是研究擋板提高變壓器油橫向流動速度從而增強繞組散熱的效果，并在此基礎上開展熱老化評估。
在Simdroid中繪制的典型油浸式電力變壓器二維模型
借助Simdroid的多物理場耦合功能，重慶大學的研究人員可以在界面上輕松完成固體傳熱有限元方法和流體方程有限體積方法的聯合仿真計算，在電力變壓器模型中實現對含有復雜絕緣油通道、大量流固耦合邊界的網格自動優化和高效耦合迭代。在仿真獲得的流體結果中，用戶可以通過云圖或流線圖查看流體速度的整體分布和局部細節；在溫度結果中，可以查看變壓器內部整體溫度分布，從中了解熱點位置和發熱情況。
Simdroid中耦合仿真獲得的變壓器油流速分布云圖和流線圖
Simdroid耦合仿真得到流體和固體的穩態溫度分布
電力變壓器流熱耦合仿真的結果在工程實踐中有兩個主要用途：一是通過傳感器獲得變壓器油出口和變壓器外殼等位置的實際監測溫度，工程師可結合仿真在正常工況時實時掌握變壓器的運行情況，在非正常工況時做出預警或檢修等判斷；二是開展設備部件運行性能參數的分析，如絕緣油和絕緣紙老化性能等。
展開 
航空發動機整機流固熱耦合仿真
隨著計算流體力學的發展以及計算性能的提升，對航空發動機整機仿真成為了可能，本教程對KJ66航空發動機進行整機仿真，整機仿真結合氣動、傳熱、燃燒、多相流、固體應力，將航空發動機從冷態計算至熱態，即仿真始于冷態，終于熱態。
KJ66航空發動機幾何模型如圖，對航空發動機氣熱彈耦合仿真，計算采用穩態，氣動的計算采用求解粘性N-S方程的方法，燃油的噴射計算采用拉格朗日多相流，燃燒的計算采用有限速率的渦耗散模型，流體與結構的相互作用(FSI)采用雙向耦合的方式。
流體結構相互作用 (FSI)是指一種耦合的表面問題，其中流體模型的狀態取決于結構模型的狀態，反之亦然。這種相互關系可以是對稱或非對稱的。非對稱問題通常指單向耦合問題，表示其中一個模型是獨立的，另一個模型則具有關聯性。
流體結構相互作用(FSI)耦合交界面處的對應流體和固體移動時運動學特性（位置、速度和加速度）相同，受到的力也相同。
從流體傳遞到固體的信息是流體拉力，它由流體壓力和壁面剪切應力組成的。此傳遞發生在耦合壁面邊界流體-結構交界面）上。
從固體傳遞到流體的信息是固體的變形，尤其是流體-結構交界面的變形。
一般情況下，FSI模擬在運動學和力方面保持一致，稱為雙向耦合，在STAR-CCM+中，雙向耦合FSI問題是指從流體到固體和從固體到流體的交換的綜合采用并行求解方法。
進行航空發動機整機氣熱彈耦合仿真的STAR-CCM+版本為STAR-CCM+ 2206.
將航空發動機整機從冷態模型計算至熱態模型后發動機伸長約1mm。
詳細計算結果如下：
速度
溫度
溫度
位移
固體應力
文章來源：STAR CCM仿真學堂
展開 Marc高級非線性有限元分析-高反熱機耦合仿真解決方案
精彩直播預告
熱機耦合是仿真技術中復雜的類型，精確的模擬熱環境條件下結構材料、變形、接觸等變化的非線性條件是一個難點，引用Marc完全的熱機耦合技術，簡易流程化的結構，熱設置方法，便捷的實現熱機耦合前處理定義。本次直播不止有硬核知識，更有「工業級案例」實戰放送！
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直播內容聚焦
熱、熱機耦合的仿真流程
穩態、瞬態熱分析方法對流換熱和輻射的定義
接觸傳熱的定義方法
掌握在兩個常用單位制下的參數轉換
熱工藝仿真實現
電-磁-熱-結構仿真案例
感應熱焊接
熱分析邊界（溫度）
齒輪熱處理
鋰電池殼體焊接殘余應力分布
金屬多層結構的熱分析
感應熱焊接
直播嘉賓：
宋金松
海克斯康非線性CAE仿真專家
從事非線性軟件Marc技術支持，具有20多年的CAE仿真工作經驗。能夠針對客戶的需求能提供有效、合理、針對性的技術方案支持，為客戶解決實際應用問題。
展開 FLUENT流-固-熱耦合分析
FLUENT流-固-熱耦合分析
ANSYS FLUENT軟件自V2019版本起，新增了Structure結構求解功能，能夠基于Fluent軟件進行簡單模型的結構應力、變形分析，具備線性及非線性結構分析功能。本案例基于ANSYS FLUENT 2020R1進行管道閥門流-固-熱三場耦合分析。
1 模型描述
如圖所示尺寸的三維管道模型，管道模型中存在4個簡化的閥瓣模型，給定管道入口氣體流速為10m/s，閥板內給定體積熱源為2000000w/m^3；
閥瓣模型材料參數：
密度：2700kg/m^3；
比熱：871J/kg.K；
熱傳導系數：202W/m^2.K；
楊氏模量：2.5E7Pa；
泊松比：0.37；
2 網格劃分
本案例網格基于ANSYS ICEM CFD進行全六面體網格劃分，網格如下圖所示：
流體區域：480000六面體網格；
固體區域：3800六面體網格。
3 FLUENT求解設置
求解計算分兩步完成，首先不考慮結構變形對流體-固體進行穩態共軛傳熱分析，然后基于上一步仿真計算結果考慮流固耦合作用實現瞬態流-固-熱耦合仿真分析。
3.1流固共軛傳熱仿真
? 啟動FLUENT軟件，利用菜單File>>Read case….打開文件對話框，讀入網格文件vavle_test.msh；新版本顯式界面如下：
? 新版本的FLUENT軟件默認選擇k-w sst湍流模型，本案例不做修改；
? 激活能量方程
? 邊界條件設置
1）固體區域熱源：2000000W/m^3；選擇對應的固體區域，勾選source terms加載能量源項。
展開 PIDO智能仿真 | 基于optiSLang的渦輪葉片多學科耦合優化設計
基于Ansys Workbench平臺用戶可方便的搭建流-熱-固耦合仿真分析流程，首先對葉片進行幾何前處理、流體域/固體域網格劃分，然后在Ansys CFX中進行流-熱耦合計算，最后導入靜力學分析模塊Static Structural進行流-熱-固耦合分析。用戶還可根據需要進行后續的疲勞、蠕變分析等。Ansys為用戶進行渦輪葉片流-熱-固耦合仿真提供了極大的便利！
基于Ansys Workbench平臺搭建流-熱-固耦合仿真分析流程
2、渦輪冷卻葉片優化設計
渦輪冷卻葉片參數化設計過程中，涉及到眾多設計參數和優化目標量，對一般仿真工程師而言很難快速選擇合適的優化算法，也難以對優化目標在設計空間的變化規律進行預先判斷，因此實際優化過程中存在諸多困難：
優化算法如何選擇？
是否陷入局部最優？
是否支持離散的參數空間定義？
如何解決多輸入/輸出參數優化計算量過大問題？
優化結果的魯棒性如何？
Ansys optiSLang就是一款先進的仿真流程集成與優化設計工具，它基于數學方法研究產品設計中的輸入參數和輸出響應，實現設計流程集成以及自動化優化。optiSLang智能優化技術首先通過對設計空間的大規模探索（DOE采樣），建立高精度的元模型（MOP），基于元模型自動選取合適的優化算法進行優化計算。
展開 PIDO智能仿真 | 基于optiSLang的渦輪葉片多學科耦合優化設計
基于Ansys Workbench平臺用戶可方便的搭建流-熱-固耦合仿真分析流程，首先對葉片進行幾何前處理、流體域/固體域網格劃分，然后在Ansys CFX中進行流-熱耦合計算，最后導入靜力學分析模塊Static Structural進行流-熱-固耦合分析。用戶還可根據需要進行后續的疲勞、蠕變分析等。Ansys為用戶進行渦輪葉片流-熱-固耦合仿真提供了極大的便利！
基于Ansys Workbench平臺搭建流-熱-固耦合仿真分析流程
2
渦輪冷卻葉片優化設計
渦輪冷卻葉片參數化設計過程中，涉及到眾多設計參數和優化目標量，對一般仿真工程師而言很難快速選擇合適的優化算法，也難以對優化目標在設計空間的變化規律進行預先判斷，因此實際優化過程中存在諸多困難：
優化算法如何選擇？
是否陷入局部最優？
是否支持離散的參數空間定義？
如何解決多輸入/輸出參數優化計算量過大問題？
優化結果的魯棒性如何？
Ansys optiSLang就是一款先進的仿真流程集成與優化設計工具，它基于數學方法研究產品設計中的輸入參數和輸出響應，實現設計流程集成以及自動化優化。
展開 線下培訓 | Marc非線性熱-機耦合仿真 & Actran SEA中高頻振動噪聲分析培訓
培訓日程：
培訓時間：8月14-15日
培訓地點：武漢市江夏區華工園二路1號2樓北京廳
面向人群：具備有限元基礎的工程技術人員
培訓目標：
? 了解關于Marc非線性熱、熱-機耦合方面的基本理論；
? 基本掌握Marc前后處理器mentat功能，熟悉mentat的操作界面；
? 掌握熱及熱機耦合仿真流程及操作；
? 掌握Marc中材料非線性，接觸非線性和熱相關性設置和定義方法;
? 掌握熱-機耦合復雜案例的特殊設置及操作模式。
培訓費用：培訓免費，上機培訓參加請自帶電腦
培訓咨詢：宋老師15221868509
培訓報名：
掃碼立即報名
▼
本次培訓重點針對Actran虛擬SEA方法和特點進行講解，介紹Actran SEA中高頻噪聲案例，以及從低頻有限元方法到高頻統計能量方法的全頻段完整仿真計算流程，同時講解Actran內飾&風噪等仿真模擬策略。本次培訓以實操為基礎，結合真實案例，手把手幫您解鎖Actran中高頻噪聲仿真關鍵技術。
培訓日程：
培訓時間：8月28-29日
培訓地點：上海市松江區云振路410號創智中心4號樓6F培訓教室
面向人群：航天航空、船舶、汽車等結構分析工程師、聲學分析工程師，以及其它行業想要了解高頻噪聲問題及特點并利用仿真加以改善的工程人員。
培訓費用：培訓免費，上機培訓參加請自帶電腦
培訓咨詢：馬老師18221799218
培訓報名：
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展開 基于Fluent與ANSYS workbench的齒輪箱熱固耦合溫度場仿真案例
軸承和軸在仿真中的意義也不明顯，因此我們都予以簡化。
分析傳熱模型，齒輪摩擦生熱是熱源，這些熱量通過幾種方式傳播：
1.熱傳導——從齒緣往齒輪中心傳導
2.熱對流——齒輪和潤滑油，潤滑油和空氣，又稱為共軛傳熱
3.熱輻射——溫度不高，輻射量小可忽略
因此，滑油和空氣是傳熱的介質，必須在模型中考慮進去（事實上這部分傳熱達到91%）。滑油和空氣是兩相，因此要使用到fluent的多相流模型；要模擬甩油過程，要使用動網格模型；要模擬傳熱過程，利用fluent內建的傳熱模型。這三者是本案例的核心。
這里不得不提到兩位外國學者，Guillaume Houzeaux對齒輪泵進行了仿真，并且關注局部網格，這可能是最早對齒輪+流體進行仿真；而F.Lemfeld率先采用兩相流模型捕捉了齒輪箱內的流體瞬態變化情況，但他在網格方面的處理比較簡單，對齒輪齒形進行了切除，同時使用一定的壁面粗糙度值模擬齒形的存在，使齒輪能夠甩油。
說了這么多廢話，現在回到主題。
圖3 流固熱耦合仿真流程
本例需要用到的模塊包括fluent模塊，其中又集成了ansys自帶的幾何處理與網格劃分工具。后面與fluent共享結果的是穩態熱分析模塊，以及靜力結構模塊，用來分析熱應力對結構的影響，如用來分析熱變形，限于篇幅本例不涉及。本例實際流程可以簡化如下，我個人喜歡拆分不同的模塊，這樣方便“故障隔離”:
圖4 流體仿真流程
一、模型簡化與網格劃分
由于復雜的三維結構會增加網格劃分的難度，會導致網格數目的無謂增加，加大計算量，因此對齒輪減速器三維模型進行簡化：殼體的凸臺、通孔、墊圈等予以去除；統一壁面厚度；滾動軸承結構在對應位置采取同心圓環來表示，方便施加熱流。這里的模型簡化工作是用SpaceClaim做的。
展開 
焊點失效的熱振耦合疲勞仿真分析
3.5 邊界條件設置
不同輸入及PCB邊界條件對焊點振動疲勞可靠性將會產生影響——外因
3.6 測試與建立仿真模型
? 測試確定產品仿真等效阻尼
? 測試確定產品等效材料模型
? 建立整體振動響應分析仿真模型
△圖6：關鍵焊點有限元分析
4、振動實驗與數值模擬方法研究（模型驗證）
? 測算PCB中心撓度值
? 隨機振動試驗
? 實驗與仿真結果的對比
5、熱振耦合條件下焊點失效機理研究
5.1 板級熱振耦合實驗設計（將PCB板組裝到振動臺）
5.2 熱振耦合條件下溫度載荷設定
5.3 板級熱振耦合實驗結果與數值仿真
△圖7：不同PCB板不同溫度循環之后的功率譜密度
△圖8：五個循環后計算功率譜密度與測試功率譜密度比較
△圖9：熱振耦合后的焊點開裂行為
6、焊點損傷機理研究
? 基于疲勞實驗與SEM研究損傷起源與擴展
? 觀察裂紋早期位置研究裂紋萌生規律
? 通過觀察焊點完全失效路徑研究裂紋擴展路徑
? 分析裂紋在層間擴展路徑研究焊點破壞模式
△圖10：熱振耦合后的焊點開裂行為
備注：
IMC是Intermetallic compound之縮寫，筆者將之譯為"介面合金共化物"。廣義上說是指某些金屬相互緊密接觸之介面間，會產生一種原子遷移互動的行為，組成一層類似合金的"化合物"，并可寫出分子式。在焊接領域的狹義上是指銅錫、金錫、鎳錫及銀錫之間的共化物。其中尤以銅錫間之良性Cu6Sn5(Eta Phase)及惡性Cu3Sn(Epsilon Phase)最為常見，對焊錫性及焊點可靠度(即焊點強度)兩者影響最大。
展開 adina摩擦生熱熱機耦合研究
在實際工程運用中經常會涉及到摩擦生熱的問題，adina的例題手冊中有關于摩擦生熱的例子。即汽車剎車盤，這個例子因為省略了很多內容，導致初學者很難按照相應的步驟做出了，這樣不能理解用ADINA進行摩擦生熱熱機耦合仿真的具體步驟。
所以，在參考例題手冊的基礎上，把操作的步驟，按照簡單的圖片格式，一步一步的整理出來都大家分享和討論。同時，結合論壇中的例子，給出了滑動摩擦塊生熱和水輪機密封裝置的命令流，都是簡化的模型，目的是讓大家用adna解決摩擦生熱的熱機耦合的步驟和方法。
摩擦生熱熱機耦合例子.rar
展開 基于Hfss的電磁熱耦合分析微帶線行駐波功率容量
關鍵詞：耦合仿真，微帶線，行波，駐波，功率容量
在現代射頻系統中微帶線無疑是應用最多的一種射頻傳輸線方式，一般系統中由于設備功率不大所以很少有人關注微帶線功率容量問題，但是在一些功率較高的場景中或者出現大駐波的場景中，微帶線功率容量就變成一個非常重要且不得不考慮的因素，那么微帶線功率容量又受到什么因素影響呢？下面我們一步步講解并利用電磁與熱耦合方式評估微帶線峰值功率與平均功率容量。
由于現代射頻通信系統多采用非線性調制或者脈沖發射，導致系統輸出的平均功率與峰值功率不再相同，兩者之間往往差值很大，所用射頻傳輸系統需要把峰值功率容量和平均功率容量分開考慮，現實環境中影響微帶線的平均功率容量與峰值功率容量的限制因素也不相同，首先微帶線峰值功率容量受電場擊穿強度限制而平均功率容量是受最高溫度限制。
大家都知道微帶線在處于行波狀態時功率容量最大，駐波狀態時功率容量會縮小，那么行波與駐波微帶線功率會相差多少呢？下面以一個仿真實例演示未帶線在行波和駐波時功率容量的差異，如下圖建立一個20*20mm的微帶線PCB板。
一，行波狀態時峰值功率與平均功率
1，兩端在50歐姆匹配匹配狀態下是微帶線處于行波狀態，仿真S參數如下：在5GHz時插損0.04dB，反射為-37dB，說明該微帶線模型是比較理想的50歐姆傳輸線，兩端匹配時幾乎沒有反射波。
2，該狀態下微帶線電場強度分布，可見電場主要集中在走線附近，參見動圖能明顯看出行波狀態。
3，該狀態下電磁能量損耗密度如下圖所示，可見能量損耗同樣主要集中在走線附近，尤其集中在微帶線和地之間。
4，行波狀態下峰值功率容量如下，行波狀態時峰值功率容量可達到2231W，實際工程中一般減半作為最大峰值功率容量。
展開 軸流式血泵熱流耦合 溫度場仿真
2.血泵熱流耦合溫度場仿真
血泵各部分與血液的接觸面存在對流換熱，考慮到兩者的耦合關系，流體仿真時需要把固體以及固體熱源加入到流體仿真軟件中，從而將血液與血泵的對流換熱數值加載到固體溫度場仿真的邊界條件中，實現血泵三維溫度場的仿真求解分析。
血泵三維整體模型分為兩個部分，一個是驅動電機部分：包括定子鐵芯、定子繞組、永磁轉子以及定子外殼；另一個是血液流動區域：包括前后導輪及其導葉、旋轉葉輪、軸承以及泵殼。血泵結構如圖1所示。
圖1 軸流血泵整體結構
利用商用流體仿真軟件進行相關邊界條件的設定，主要包括材料屬性、湍流模型、進出口邊界條件、轉速以及對流換熱系數等，其中血泵各部分的材料特性參數如表1所示。各部分熱源的生熱率通過商用熱仿真軟件計算，并與流體仿真模塊進行耦合。
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