穩態熱仿真
關注創建者：匿名 創建時間：2025-12-05
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ABAQUS穩態、瞬態熱分析—金屬散熱管的溫度場研究
ABAQUS穩態、瞬態熱分析—金屬管散熱的溫度場研究 此課程對金屬管散熱模擬的整個過程進行了講解，包括穩態、瞬態設置及對比分析等，此案例屬于在熱傳導、散熱等方面的實用分析案例。
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穩態熱仿真的實例教程
一.技術參數
1.分析類型：穩態熱仿真
2.材料：Cooler：ADC12
3.邊界條件：Ambient temperature：85℃
Cooler face temperature:75℃
Air Convention:10W/(m2·K)
4.載荷：IGBT PowerLoss=30W/chip
Diode PowerLoss=10W/chip
二.仿真模型
三.仿真結果
一、模型搭建
新建→模型向導→選擇三維； 選擇物理場：傳熱→固體傳熱，按增加→研究，選擇研究：預置研究→穩態→完成；
導入相應的二維或三維模型，或者直接在 COMSOL 里自建幾何模型；導入：頂部工具欄：導入，選中幾何 1→選擇單位→導入，最后形成聯合體→全部構建；
可在右側框內搜索要添加的材料，然后“增加到選擇”；或者添加空材料，去選擇一個域，然后材料屬性目錄下會出現做該仿真必要的參數，輸入參數即可；材料分配及屬性如下。
第一種材料：
第二種材料：
第三種材料：
二、施加載荷
點擊初始值 1：溫度默認單位 K，可修改為℃； 熱絕緣 1：默認選擇所有邊界； 右鍵“固體傳熱”，添加溫度，邊界選擇輸入載荷的區域；
左側溫度
右側溫度
上下兩側熱絕緣
三、穩態計算
點擊“研究”開始計算，仿真完成后，結果下面自動出現“溫度”；點擊溫度→體，出現仿真結果圖；可通過派生值→全局計算，計算自己所需要的值。
四、瞬態計算
右側任務欄：預置研究→瞬態； 研究 2 →步驟 1：研究設定； 時間單位：可設置為 s；時間：設置仿真時間范圍及步長；
仿真完成后，結果下面自動出現 “溫度”； 點擊溫度→表面。出現仿真結果圖。可看到溫升變化，和穩態保持一致； 派生值，右鍵，“體最大值”，會在仿真圖下方出現“表格 2”，自動將時間和溫度的對應變化列出來；
中間區域隨時間溫升情況
有問題聯系：
展開 在模塊中，電流因電阻損耗而產生熱量，這也被稱為焦耳熱。雖然散熱器以相對恒定的速率散熱，但模塊的開關以及隨后電流密度和熱源的增減會導致模塊以循環的方式加熱和冷卻。這種反復的熱膨脹和機械變形會導致機械疲勞[1]，特別是在鍵合線和芯片金屬化層之間的連接點處。
【熱仿真】穩態和瞬態計算方法 ￥20
序號
符號
示意
Card image
示意
數值
單位
1
E
Young’s modulus
MAT1
楊氏模量
210000
MPa
2
NU
Poisson’s ratio
泊松比
0.3
/
3
RHO
Material density
密度
7.85*10^-9
t/mm^3
4
A
Thermal expansion coefficient
線膨脹系數
1*10^-5
/℃
5
K
Thermal conductivity
MAT4
導熱系數
73
mW/(mm·℃)
6
H
Heat transfer coefficient
傳熱系數
0.040
mW/(mm^2·℃)
展開 本次分析的泵蓋幾何模型如圖1所示：
圖1 泵蓋熱結構耦合仿真分析的幾何模型
3.2 網格劃分
由于泵蓋結構形式較為簡單，本文采用一階四面體單元，生成有限元網格模型。為了獲得更精確的結果，設置網格劃分的單元尺寸為4mm，最小尺寸為2mm，最大尺寸為6mm。對于泵蓋倒圓角關鍵位置設置局部網格控制尺寸為1.5mm。程序自動在不同的網格尺寸間進行過渡。最終得到的單元總數為251448，節點總數為54256。網格模型如下：
圖2 泵蓋網格模型
3.3 材料定義
本文所研究的泵蓋材料為鋁合金， 在進行熱結構耦合仿真分析中，需要設置相應的力學和熱材料屬性。
3.4施加載荷與邊界條件
泵蓋與箱體的配合面為溫度載荷邊界，其溫度值為60攝氏度。泵蓋內腔為溫度載荷邊界，其溫度值為90攝氏度。泵蓋整個外表面為對流換熱的邊界條件，其對流換熱系數為5.0e-6W/mm2℃，環境參考溫度為20攝氏度。具體如下圖所示：
圖3 泵蓋與箱體的配合面溫度載荷
圖4 泵蓋內腔溫度載荷
圖5 泵蓋外表面對流換熱邊界
設置泵蓋與箱體的配合面為固定支撐，泵蓋內部腔體壓力載荷為10MPa，泵蓋凸起的圓孔處，為集中力載荷，FX=1000N，FY=0N，FZ=1500N。具體如下圖所示：
圖6 泵蓋外表面對流換熱邊界
圖7 泵蓋內腔表面壓力載荷
圖8 泵蓋凸起孔集中力載荷
4.計算結果分析
4.1 計算分析設置
對于泵蓋的熱結構耦合仿真分析，需建立穩態熱仿真分析類型和熱結構耦合仿真分析類型，并需首先計算泵蓋穩態熱工況，然后才能計算其熱結構耦合仿真分析。
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目標
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理解考慮熱效應的形狀記憶合金建模流程
建模步驟
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你會得到什么：
1、學習3D打印頭三維模型的處理
2、學習穩態熱分析步的建立
3、學習穩態熱分析的邊界條件的施加
4、學習穩態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
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