熱應力分析
關注創(chuàng)建者：張治彪 創(chuàng)建時間：2015-11-27
熱應力分析的視頻教程
Workbench熱分析及溫度應力（熱應力）仿真分析
本教程從幾何建模、網格劃分（mesh）到物理參數設置、求解到后處理進行詳細講解，耦合了穩(wěn)態(tài)熱分析，瞬態(tài)熱分析以及瞬態(tài)結構分析的多物理場仿真模型，使學習者掌握多物理環(huán)境的熱應力分析的整個流程； 本教程結合相關CAE工程師在工程實踐中案例講解，結合了熱應力的產生的原因以及介紹了溫度應力的產生條件；貼合實際應用，可作為初學者掌握熱應力仿真分析的基礎和入門教程； 本教程基于ansys workbench19.0
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Abaqus Heat Transfer（熱傳導）單元瞬態(tài)分析與熱應力分析基礎算例講解
（2）基于熱傳導分析鋼塊溫度場的結果，采用順序耦合熱應力分析方法，得到了鋼塊在循環(huán)變化溫度環(huán)境的應力應變場，詳細講述了順序耦合熱應力分析的建模過程和輸出結果。（對應第三章節(jié)）
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熱應力分析的實例教程
1、一個金屬懸臂梁，一端固支，初始溫度20℃，溫度突變到120℃時由于膨脹及邊界約束而產生熱應力，進而引起振動，這種振動就是熱誘導振動。
2、熱誘導振動分析的成功應用不多見，在哈勃太空望遠鏡曾因熱誘導振動問題而發(fā)生故障。現在對航天器的分析中，熱誘導振動屬于難點和重點。國內曾有人對衛(wèi)星天線做過準靜態(tài)熱誘導振動分析，也有人對空間站太陽能電池陣的桅桿做過基于模態(tài)的熱誘導振動分析（可能類似Abaqus中的線性攝動分析）。
3、熱應力分析與熱誘導振動分析進行耦合分析，還有難度，問題是多方面的。下面僅就準靜態(tài)非耦合的熱誘導振動分析為例，介紹由熱應力引起的振動。
4、懸臂梁材料屬性：
Conductity: 300W/(mK)
Density: 3000kg/m3
Elastic: E=3e10Pa, ν=0.3
Expansion: 3e-5 K-1
Specific Heat: 300J/(kgK)
5、分析結果
6、詳細步驟
見附件。
Abaqus熱應力分析、熱誘導振動分析簡單實例-kxh.part4.rar
Abaqus熱應力分析、熱誘導振動分析簡單實例-kxh.part1.rar
Abaqus熱應力分析、熱誘導振動分析簡單實例-kxh.part2.rar
Abaqus熱應力分析、熱誘導振動分析簡單實例-kxh.part3.rar
展開 1、一個金屬懸臂梁，一端固支，初始溫度20℃，溫度突變到120℃時由于膨脹及邊界約束而產生熱應力，進而引起振動，這種振動就是熱誘導振動。
2、熱誘導振動分析的成功應用不多見，在哈勃太空望遠鏡曾因熱誘導振動問題而發(fā)生故障。現在對航天器的分析中，熱誘導振動屬于難點和重點。國內曾有人對衛(wèi)星天線做過準靜態(tài)熱誘導振動分析，也有人對空間站太陽能電池陣的桅桿做過基于模態(tài)的熱誘導振動分析（可能類似Abaqus中的線性攝動分析）。
3、熱應力分析與熱誘導振動分析進行耦合分析，還有難度，問題是多方面的。下面僅就準靜態(tài)非耦合的熱誘導振動分析為例，介紹由熱應力引起的振動。
4、懸臂梁材料屬性：
Conductity: 300W/(mK)
Density: 3000kg/m3
Elastic: E=3e10Pa, ν=0.3
Expansion: 3e-5 K-1
Specific Heat: 300J/(kgK)
詳細步驟
見附件。
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展開 熱應力分析過程
ABAQUS 提供三種熱應力分析程序：
1. 順序耦合熱應力分析，最常用的方法
? 當應力是由熱量場存在造成的，并且熱求解過程與應力狀態(tài)無關，也就是說應力依賴于熱產生，而熱并不依賴位移。
? 需要跑兩個分析: 先分析熱傳導，再將溫度結果導熱應力分析
? 熱分析的結果，如溫度(位置，時間的函數)被讀入應力分析，作為一個預定義場。
2. 完全耦合熱應力分析，最常用的方法
? 應力依賴于溫度場并且溫度也依賴于應力場。
? 只需要跑一個析。
3.
展開 通過對噴管熱應力的分析，首先進行流固耦合分析，得到噴管整體結構的溫度場分析，看到噴管的溫度場在轉動板稍微向上的外殼附近存在著明顯的溫度梯度，熱應力的產生來源一種是結構中存在著明顯的溫度梯度，另外就是在結構約束的地方存在熱應力。一般而言，溫度梯度越大，約束越強，結構的熱應力值則越大，按照線彈性理論分析，則會出現有些結構部件會失效的情況，然而這與實際情況不符合，因此需要對噴管結構的熱應力分析進行彈塑性本構材料的熱應力分析，彈塑性材料的熱應力分析結果表明，噴管在溫度梯度大的地方，以及在溫度梯度較大并存在約束的地方的等效熱應力值超過了材料的屈服極限，但是小于材料的抗拉強度，說明噴管結構局部進入塑性變形區(qū)，結構并沒有發(fā)生破壞。并且分三種模型分別考慮溫度場和考慮溫度場及氣動載荷共同作用下的仿真，仿真結果表明，導流板的下移之后，噴管結構的溫度場有一定的下降，并且考慮彈塑性熱應力仿真分析表明，隨著溫度場的下降，結構的彈性等效應力下降。在原始模型和下降2mm的模型仿真后噴管在氣動載荷和溫度載荷作用下結構的最大位移出現在導流板上，而導流板下降4mm后的仿真表明，結構的最大位移還是受溫度場的影響明顯，出現在噴管外側板的頂端，導流板處的位移變形也較明顯，最大為8.5mm。由于噴管局部進行塑性區(qū)域，就需要考慮多次工作情況下，結構的疲勞壽命分析。或者對噴管承受熱應力較大的區(qū)域，設置熱防護層或者其他措施，以降低該區(qū)域的溫度梯度，從而實現提高噴管運行時可靠性設計的要求。
展開 作者: Wang Houhua
Introduction
Simsolid自問世以來，因其獨創(chuàng)的無網格分析技術，受到了相關從業(yè)技術人員的廣泛關注。在其應用領域不斷拓寬的同時，Simsolid的準確性也被越來越多的工程實踐所驗證。相較于傳統(tǒng)的FEM，Simsolid在計算效率上存在著明顯的優(yōu)勢。本案例擬采用Simsolid對MCM-BGA封裝體的熱應力進行分析，并通過有限元分析軟件ABAQUS驗證了Simsolid熱分析及熱應力分析結果的準確性。最后，通過改變封裝體的結構對該封裝體進行了優(yōu)化設計。
Chapter 1 問題描述與模型建立
本次案件所采用的MCM-BGA封裝體共包含9個芯片、熱界面材料、散熱外殼、PCB、若干熱點焊連接點及封裝基體[1]。具體的裝配關系見圖1所示。通過3D繪圖軟件繪制封裝體的幾何模型，并導入到Simsolid。各部件的材料參數見表1。
圖1 MCM-BGA封裝體的裝配關系
表1 各部件的材料參數[1]
熱應力分析的思路一般為先進行熱分析得到溫度場，再把溫度場導入到新的模型中計算熱應力。基于這一原則，本案例將分為熱分析和結構分析兩部分進行闡述。
1.1 熱分析
Simsolid的提供了專門進行熱分析的分析類型。在創(chuàng)建熱分析之后，需要填寫溫度、體熱流及對流條件。具體到本次案例，設定流過每個芯片上表面的熱功率為50W/cm^2，對于裸漏在空氣側的封裝體外殼設定對流散熱系數為20W/（m^2*K），環(huán)境溫度設定為20℃。
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Ansys應用類系列網絡研討會——熱仿真系列專題已上線，將重點介紹 Ansys 多款求解器矩陣在電子散熱、電熱耦合及復雜熱管理問題中的實際應用
<h2><strong style="color: rgb(255, 255, 255); background-color: rgb(255, 192, 0);">概述</strong></h2><p>在本例中，我們將對茶壺進行熱分析，展示鋼材料和瓷材料在穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)分析中的溫度分布情況。</p><h2><strong style="color: rgb(255, 255, 255); background-color
形狀記憶合金（SMA）能夠在發(fā)生大變形后不產生殘余應變（偽彈性），并且可以通過溫度變化從大變形中恢復（形狀記憶效應）。偽彈性和形狀記憶效應使其特別適用于航空航天、生物醫(yī)學和結構工程等領域。本仿真模擬了將形狀記憶合金用作脊柱間隔器的過程。
目標
熟悉形狀記憶合金
理解考慮熱效應的形狀記憶合金建模流程
建模步驟
1. 在 ANSYS Workbench 中創(chuàng)建靜力結構系統(tǒng)
太陽能電池板將太陽能轉化為電能，并可儲存起來。將多塊太陽能電池板排列成陣列，并隨太陽光線方向改變朝向，有助于最大限度地吸收可用的太陽能。
在仿真案例中，將一個簡單的球體放置在典型的硅材料太陽能電池板上方，指示了穩(wěn)態(tài)下到達板面的熱流密度以及表面的溫度分布。這里不考慮電池板表面的自由對流，僅研究輻射效應。
目標
觀察由于一個發(fā)熱物體的輻射作用，太陽能電池板上的熱流密度和溫度分布。
例如在一個載荷傳遞熱─應力分析中，可以先進行非線性瞬態(tài)分析，接著再進行線性靜力分析。可以將熱分析中任一載荷步或時間點的節(jié)點溫度作為載荷施加到應力分析中。
1.三維電磁感應加熱（附帶完整計算命令流及注釋說明）2.鋼球的淬火（附帶完整計算命令流及注釋說明）3.二維靜態(tài)磁場分析（附帶完整計算命令流及注釋說明）。
三維電磁感應加熱---感應加熱的激勵源為365000HZ的交流電，線圈電流密度為2.04e8A/m^2，線圈和管子的幾何模型如下圖所示：
鋼球的淬火---淬火是把鋼加熱到臨界溫度以上，保溫一段時間，然后快速冷卻的一種熱處理工藝方法
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
3、對有限元分析感興趣的工程師
你會得到什么：
1、學習3D打印頭三維模型的處理
2、學習穩(wěn)態(tài)熱分析步的建立
3、學習穩(wěn)態(tài)熱分析的邊界條件的施加
4、學習穩(wěn)態(tài)熱分析的載荷的施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020R2.
案例介紹了ANSYS workbench
光學系統(tǒng)是由各種不同光學材料制作的光學元件組成的，同時還必須由各種不同金屬材料制作的結構零件支撐起來的一個完整的光學部件才是一個完整的光學系統(tǒng)。正因為如此，由于各種材料在不同環(huán)境溫度和大氣壓力下的熱效應會使光學系統(tǒng)結構參數發(fā)生變化，這就是光學系統(tǒng)的熱效應。光學系統(tǒng)受環(huán)境熱效應的影響必然會影響系統(tǒng)的成像質量。為了保持光學系統(tǒng)成像質量的穩(wěn)定，利用構成光學系統(tǒng)的各光學材料和金屬材料的不同熱效應影響平衡光學系統(tǒng)結構參數的關系維持系統(tǒng)成像質量的最佳效果
演示了對筆記本電腦進行穩(wěn)態(tài)熱分析的流程。其中涵蓋了對流、溫度相關導熱系數、接觸熱導以及內部熱源的使用方法。
提示：
類似于熱應力分析需要先運行一個熱力分析，疲勞分析必須基于完整的結構研究的結果。由于壓力容器承受周期性的壓力及熱載荷，所以在進行疲勞分析之前，需要先設置運行以下算例：結構靜應力分析、熱力分析及熱應力分析。本文已經提前準備好了這三個案例。
