熱應力的案例
基于Simsolid的MCM-BGA封裝體運行溫度及熱應力分析與優化設計
優化設計的結構為封裝基板及熱接觸材料。通過改變其厚度進行熱分析與熱應力分析，得到不同模型下的溫度場及熱應力。模型建立過程與前述相同，在此不再闡述。
3.1 封裝基體的厚度對熱應力的影響
圖12為不同封裝基板厚度模型下計算得到的最高溫度及最大熱應力。從圖12可以看出，當封裝基板的厚度為1.1mm時，該封裝體在運行時的溫度最低，熱應力峰值最小，因此選擇封裝基板厚度為1.1mm更為合理。值得說明的是，不同封裝基板厚度下的最大熱應力均產生在芯片與封裝基板連接處的熱點焊位置，如圖13所示。
圖12 不同封裝基板厚度模型下的最高溫度及最大熱應力
圖13 不同封裝基板厚度模型下的最大熱應力位置
3.2散熱罩的厚度對對熱應力的影響
圖14為不同散熱罩厚度下的MCM-BGA封裝體上的溫度及熱應力結果。在進行分析時，設定封裝基板的厚度統一為1.1mm。可以看出，隨著散熱罩的厚度增加，封裝體運行時的最高溫度及熱應力的峰值不斷降低。散熱罩的厚度每增加1mm，封裝體的溫度下將約1℃左右。這是由于散熱罩的厚度增大，冷卻通道的表面積增大，使得封裝體散熱罩的散熱效果增加，因而封裝體運行時的最大溫度降低，熱應力也相應的降低。在實際設計過程中，因充分考慮散熱罩厚度增加造成的重量增加及芯片運行溫度的要求對散熱罩的厚度進行選擇。在本案例中選取散熱罩厚度為2.2mm時為最合理的方案。
展開 Abaqus熱應力分析、熱誘導振動分析簡單實例
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。國內曾有人對衛星天線做過準靜態熱誘導振動分析，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 Abaqus熱應力分析、熱誘導振動分析簡單實例
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。國內曾有人對衛星天線做過準靜態熱誘導振動分析，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 技術鄰Ansys培訓如何快速掌握熱應力核心技能？
四大核心培訓模塊全面覆蓋熱應力分析全場景，配套原創課件與實戰案例庫。Ansys通用分析模塊聚焦基礎能力夯實，通過100+機械零件、電子元件案例，詳解有限元建模、網格質量檢查、熱載荷施加等核心操作，為后續學習筑牢基礎（培訓鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/training/details/ansys）；Fluent模塊專攻流-熱-固耦合分析，針對電池包液冷系統、發動機散熱通道等場景，通過20+復雜工況案例，教授流場與熱場的耦合設置技巧（鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/training/details/fluent）；LSDYNA模塊聚焦瞬態沖擊熱應力問題，結合15+實戰項目（如汽車保險杠碰撞熱應力、電池包擠壓熱失控仿真），講解顯式求解器參數配置與沖擊載荷耦合施加方法（鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/training/details/lsdyna）；NCode模塊則實現從“應力分析”到“壽命預測”的升級，通過30+案例（如活塞熱疲勞、電池包電芯循環壽命評估），詳解Miner線性累積損傷理論與熱循環載荷譜編輯技巧（鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/training/details/ncode）。
培訓成果顯著，為企業創造實實在在的價值：85%的學員可獨立完成熱應力分析全流程，某機械企業培訓前需外包相關項目（單次費用2-3萬元），培訓后工程師可自主完成，每年節省外包成本20-30萬元；60%的學員能為企業輸出可落地的熱應力優化方案，某新能源車企通過學員設計的電池包熱防護方案，將產品故障率降低60%；70%的企業通過培訓建立了內部熱應力分析標準化流程，明確模型簡化、網格質量、邊界條件設置的統一標準，使團隊工作效率提升40%，分析結果一致性提高55%。
展開 
ABAQUS熱應力分析 附ABAQUS中初始地應力的施加下載
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 基于ANSYS Workbench的噴管熱應力分析
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，結構并沒有發生破壞。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域，設置熱防護層或者其他措施，以降低該區域的溫度梯度，從而實現提高噴管運行時可靠性設計的要求。
展開 新能源電池包熱應力防護如何筑牢安全防線？
Ansys熱應力分析可使電池包散熱板開裂風險降低30%、熱失控預警時間提前8分鐘，構建全周期安全防護體系，技術鄰依托資深師資團隊打造的定制培訓，能讓企業工程師快速掌握這套核心防護技術。
新能源汽車電池包的熱應力安全問題，是制約行業發展的關鍵瓶頸。電池包在充放電、高溫環境及熱失控初期均會產生顯著熱應力，若管控不當，極易引發殼體破裂、電芯擠壓短路等嚴重安全隱患。技術鄰服務20+新能源頭部企業的實戰經驗顯示，電池包熱應力相關故障中，正常工況下的散熱板開裂占比23%，熱失控初期的殼體破裂占比35%，而Ansys熱應力分析可針對性構建全周期防護體系。更重要的是，技術鄰通過定制培訓，將這套前沿技術轉化為工程師的實操能力，其師資力量堪稱行業標桿——講師團隊均具備10年以上Ansys仿真經驗，且持有Ansys官方認證資質，深度參與過電池包熱安全項目，能精準對接企業實際需求。
在正常工況的熱應力管控中，快充場景的熱堆積問題尤為突出。電池包快充時，電芯因焦耳熱溫度從25℃快速升至50-60℃，鋼質散熱板與鋁合金電芯的熱膨脹系數差異達1.8倍，極易引發接觸熱應力，形成“熱應力升高-散熱失效-溫度驟升”的惡性循環。Ansys通過兩大核心手段破解這一難題：一是材質匹配驗證，通過仿真對比鋼質、鋁合金、鎂合金三種散熱板材質的應力分布，最終選定鋁合金材質，使接觸應力從180MPa降至117MPa；二是整體應力優化，在殼體螺栓處增加硅膠緩沖墊片，將局部應力降低30%，徹底避免殼體變形開裂。同時，Ansys可精準模擬不同充放電倍率下的熱應力變化，1C倍率充電時熱應力值為90MPa，2C快充時增至150MPa，為液冷系統調控提供精準數據支撐。這些實操技巧，正是技術鄰培訓的核心內容，講師會以企業真實電池包模型為案例，手把手指導學員完成材質選型、應力優化的全流程仿真操作。
展開 無網格劃分新技術midas MeshFree - 熱應力分析案例
簡便 高效
今天繼續為大家推出的是熱應力分析模塊，針對下面的模型，利用MeshFree進行熱應力分析。
分析模型
熱對流參數：環境溫度22℃，熱對流換熱系數3e-5W/( mm2·℃)。
溫度載荷：60℃。
壓力載荷：1.5MPa。
MeshFree的分析流程
①新建項目，并選擇分析類型
選擇熱應力分析
②導入CAD
③選擇材料模型
材料模型選擇默認的Alloy Steel。
④施加邊界條件和載荷
⑤求解后查看結果
MeshFree結果分析—溫度
MeshFree結果分析—熱變形
MeshFree結果分析—熱應力
隨后，利用ANSYS對該模型進行了熱應力分析，得到了對應的結果，并進行對比。
展開 零基礎能學Ansys熱應力分析嗎？技術鄰打破學習壁壘輕松入門
零基礎也能高效掌握Ansys熱應力分析，技術鄰通過“低門檻準入+拆解式教學+全流程保障”，讓新手1-2周上手實戰，已幫助500+企業零基礎工程師實現技能突破，學員獨立完成仿真項目的平均周期從1.5個月縮短至2周。
“沒接觸過有限元理論，怕聽不懂公式推導”“只會打開Ansys軟件畫簡單模型，不知道怎么開展熱應力分析”“擔心課程太復雜，學完還是不會做自己的項目”——這是絕大多數零基礎學習者面對Ansys熱應力分析時的普遍顧慮。但事實上，基礎薄弱絕非學習的“攔路虎”，技術鄰深耕工業仿真培訓8年，針對零基礎群體的學習痛點，量身打造了Ansys熱應力定制培訓體系，大幅降低準入門檻：只要對Ansys軟件有初步認知（比如會新建模型、導入簡單零件），或了解“溫度梯度”“應力”等基本工程概念，無需掌握高深理論，就能順利開啟學習，徹底打消“沒基礎學不會”的顧慮。
不同于普通課程“先講三個月理論、再練無關通用案例”的枯燥模式，技術鄰完全跳過晦澀的有限元公式推導，從企業實際工程需求出發，用“可落地的操作步驟”替代“抽象的學術概念”，讓零基礎學員無需背負知識包袱，直接進入實戰環節。講解核心知識點時，講師全程結合真實行業案例舉例，避免抽象表述：比如介紹“瞬態熱應力與穩態熱應力”的區別時，不會單純講解“時間依賴性”理論，而是通過“汽車發動機啟動（溫度快速變化，需瞬態分析）”與“發動機持續運轉（溫度穩定，用穩態分析）”的場景對比，搭配溫度場云圖動態演示，讓學員瞬間理解兩種分析類型的適用場景；講解“熱膨脹系數對熱應力的影響”時，會以“鋼質散熱板與鋁合金電芯的熱應力匹配”為例，通過仿真結果對比，直觀展示“熱膨脹系數差異1.8倍會導致接觸應力升高至180MPa”，讓抽象參數與實際影響建立關聯。
展開 CAE仿真對汽車零部件的仿真分析（二）離合器熱應力分析
汽車離合器的熱應力和熱變形是汽車行業在可靠性設計中所關心的最基本的問題，通過CAE仿真指出汽車在高溫和相互作用力的條件下產生的集中應力和變形等。仿真數據為汽車離合器產品的全生命周期設計和評估提供重要的參考依據，在汽車產品設計過程中提高可靠性、降低產品的損壞率、壓縮成本方面起到了顯著的作用。下面我們通過一個案例對汽車離合器熱應力進行分析。
案例分析工況：
將壓盤和摩擦片之間連接簡化成綁定，兩個摩擦片的金屬部分螺栓連接簡化為耦合連接，摩擦片金屬部分和從動軸之間的螺栓連接簡化成耦合連接，固定住耦合點。將整個模型由初始溫度20℃升溫到120℃，計算升溫后模型各部件的熱應力和變形情況。
分析結果—應力云圖：
從結果云圖上看，受熱之后，壓盤熱應力最大位置位于壓盤前表面，摩擦片最大熱應力位于兩摩擦片之間的面。
分析結果—變形量云圖：
從結果云圖上看，位移變形量較大的地方發生在壓盤邊緣，最大變形量為0.04595mm。
分析結果-位移變形云圖-X方向：
分析結果-位移變形云圖-Y方向：
分析結果-位移變形云圖-Z方向：
結果匯總：
摩擦片和壓盤最大熱應力以及熱變形總結如下表。
總結：
通過對汽車離合器拉力強度分析，我們可以看出合理運用CAE仿真技術，可以有效的解決汽車研發過程中一些技術上的難點和問題，縮短研發周期從而提升產品的市場競爭力。
展開 熱應力仿真案例分享
應力分析結果顯示了兩個有趣的現象。首先是葉片的設計：導入的幾何結構包含銳角，眾所周知，銳角會在其周圍產生高應力。這意味著應該對幾何結構進行重新設計，以消除這些偽影，因為生產出的靜葉片肯定不會包含這些偽影。盡管如此，結構分析仍顯示最大位移約為 2mm，這是可以接受的工作條件。
葉片的位移量和變形量（放大 10 倍）。
其次，最大應力位于冷卻管道周圍熱差最大的區域。這表明冷卻過程必須經過精心設計，不能通過降低冷卻溫度來任意增加應力，否則會有結構損壞的風險。這也表明，在這種工作狀態下，熱設計不能忽視薄膜冷卻。
如需了解文中提到
的“渦輪靜葉片的熱應力分析”的案
例詳情，請點擊底部“
閱讀原文
”查看。如果大家有相關問題，歡迎留言討論。
文章來源：comsol
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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 某型通航發動機活塞溫度場和熱應力的初分析
1、分析目的
活塞式通航發動機的活塞屬于高溫部件，在發動機開發過程中活塞的溫度場和熱應力是必須要進行的分析項目。本案例是由于某型通航發動機為實現壓縮比增加而須對其活塞進行熱校核的簡要分析。
2、模型說明
活塞如圖1所示，其材料為BH122A，材料材料如表1所示。
圖1 活塞的三維模型
表1 BH122A材料屬性
3、溫度場分析
欲得到活塞的溫度場，需要知曉活塞的熱邊界條件，一般而言，活塞的熱邊界條件比較復雜，活塞頂部與高溫燃氣直接接觸，裙部與缸套接觸，而底部還有潤滑油進行冷卻。所以，如果要得到活塞準確的換熱邊界，往往需先進行燃燒仿真分析、噴油冷卻分析、活塞動力學分析等一系列分析項目，由于本案例是活塞的初步分析，故而其熱邊界取同排量發動機的經驗值，具體取值如表2所示：
分析計算采用了SimSolid軟件，在SimSolid中施加的活塞熱邊界如圖2所示。得益于SimSolid軟件的無網格技術，在SimSolid中設置好材料和熱邊界（其中絕熱邊界在軟件中設置為熱流為0W/m2）后即能計算，并快速得出結果，得到的活塞溫度場分析結果如圖3所示。最大溫度為352.5℃，未超過材料許用溫度值。
圖2 在SimSolid軟件施加熱邊界
圖3 活塞的溫度場計算結果
3、熱應力分析
在SimSolid軟件添加一個結構線性分析，并將溫度場分析結果加載到活塞上，將活塞銷孔進行約束后進行計算，得到熱應力分析結果如圖4所示。最大應力為23.35MPa，且位于銷孔內，說明最大應力并非來自熱應力，而是因約束引起的應力。
圖4 活塞的熱應力計算結果
4、總結
（1）、由于活塞的熱邊界來自經驗值，并非經過CFD仿真分析后所得，所以溫度和應力的分析結果有待進一步核實、修正。
展開 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鍋爐給水管熱應力分析 ￥20
圖4 穩態溫度場
圖5 穩態熱應力場（應力強度）
3瞬態熱應力分析
20min間斷供水開始時，金屬溫度為飽和水的溫度，即190.7℃。在進行瞬態溫度場分析時，認為50℃冷水按照1.377m/s的速度均均向前推進，通過給水管的時間為0.302s。為了計算最后達到穩定傳熱是的溫度場，計算最終時間為300s。分析中共采用了18個載荷步，如表2所示。
表2 熱分析載荷步
在Workbench的瞬態熱分析中默認設置的初始溫度是整個結構均勻一致，如果初始溫度不一致，可先進行一次穩態熱分析，然后把穩態熱分析的溫度場結果作為瞬態熱分析的初始溫度。在本例中，結構的初始溫度均勻一致，為190.7℃。
圖6 瞬態溫度場（1s）
圖7 瞬態溫度場（10s）
圖8 瞬態溫度場（40s）
圖6到圖8給出了不同時間下的瞬態溫度場云圖，取管子內表面為路徑，可以得到不同時刻的溫度分布情況，如圖9所示。圖中橫坐標為到零時刻冷熱水交界面的距離。可以看出，0.2s、0.5s、1s時的溫度曲線呈現明顯的臺階狀（這是由于熱分析邊界條件采用與時間步對應的階越方式，如果時間步足夠小，臺階將消失）。同時，2s、5s、10s、40s的溫度曲線在與管板連接區域有明顯的“凸臺”，這是因為管板將熱量源源不斷地傳送到水管上。在40s時，溫度逐漸趨于穩定。
圖10 給水管內壁溫度分布曲線
圖11 給水管內壁應力強度分布曲線
圖10給出了1s、2s、5s、10s、40s時給水管內壁的應力強度曲線。與圖9的情況類似，最終的應力峰值出現在與管板交界的區域。圖11為300s時的應力強度云圖，屈服區域明顯變大，最大應力強度增加至332.34MPa，比連續給水時高出16%。
圖12 300s時瞬態應力場（應力強度）
算例源文件見付費內容
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