干货 | ANSYS Workbench常用约束类型

热是物理场中的一种常见现象，是由于物体内部或物体之间的温度不同而引起的能量传递现象。热分析是模拟热量流动和温度分布，从而预测物体在受热过程中的行为和性能。热分析可以广泛应用于各个领域，如汽车工业、电子产品设计、建筑设计等。Ansys Workbench是一个集成了多种分析功能的综合性软件平台，可以帮助工程师进行热分析、结构分析、流体动力学分析等多种类型的仿真模拟。热分析是其中的一个重要组成部分，可以模拟热量在物体内部以及物体与环境之间的传递过程。1 热力学三大定律【热力学第一定律】热是一种能量，遵循能量守恒定律，既不会凭空生成，也不会突然消失，它们不是传递到其它物质上就是转换为其它形态的能量。【热力学第二定律】当无外功输入时，热总是自动的从温度较高部分传递到温度较低部分。热量传递方向与温度梯度方向相反。【热力学第三定律】绝对零度不可能达到。当温度趋近于绝对零度时，系统的熵趋向于一个确定值，通常是零熵。【热力学第零定律】定义了温度的概念，并表明如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，则它们彼此之间也处于热平衡状态。2 热分析常用术语【导热系数】是表征材料导热性能优劣的参数，是一种热物性参数，单位W/(m·K)。【比热容】1kg材料，其温度每升高1K，所需要吸收的热量，单位J/(kg·K)。【热传导】当物体内部存在温差，或者多个接触良好的物体之间存在温差，热量从高温部分（或高温物体）向低温部分（或低温物体）传递的现象。【热对流】指流体经过一个物体表面时流体与物体表面间的热量传递的现象。【对流换热系数】在稳定传热条件下，两侧空气温差为1K，1s内通过1平方米面积传递的热量，对流换热系数也叫膜系数，单位W/(m2·K)。【热辐射】指一个物体或多个物体之间通过电磁波进行能量交换。【发射率】也叫黑度，衡量物体发射红外辐射能力的物理量，大小与物体材料及表面状态有关，通常介于0和1之间。【热流率】单位时间内通过传热面的热量，也叫热流，单位W。【热流密度】单位时间内通过单位面积的热量，也叫热通量，单位W/m2。【绝对温度】开尔文T，单位K，热力学温度。0K是绝对零度，宇宙中温度的下限。【接触热阻】热阻类似于电阻，它是热量在传递时遇到的阻力，单位为K/W。【热膨胀系数】物质在热胀冷缩效应作用下，几何特性随温度变化的规律性系数。热膨胀系数的大小取决于物质的种类和温度变化范围。3 三种传热方式【热传导】物体直接接触通过分子间动能传递进行能量交换的现象。存在温差时，热量会从物体高温部分传递到低温部分、从高温物体传递到低温物体。需要传热介质，需要输入热导率。热传导遵循傅里叶定律：式中，“-”只表示方向不表示大小，表示热量传递方向（导热方向）与温度梯度方向相反；T为温度；Q为热流率（单位W）；A导热截面面积；q为热通量（W/m2）；l为物体长度。【热对流】流体与固体表面之间、或温度不同的各个流体之间发生相对运动所引起的热量传递方式。需要传热介质，必须有流体参与，分为自然对流（密度差引起）和强迫对流（压差引起）。热对流遵循牛顿冷却方程：式中，T1为固体表面温度，T2为流体介质温度，Q为热流率，A固体表面面积，q为热通量，h为表面对流换热系数，也叫对流传热系数，表征换热能力，单位W/m^2.K。对流换热系数不仅取决于物体物理属性、换热表面形状、大小相对位置，而且与流体的流速相关。当流速增加到一定程度后，换热量的增加就不是很明显。就流体介质而言，水的对流换热比空气强。常见对流换热系数范围如下表所示。【热辐射】因热的原因发出辐射现象，通过电磁波从物体表面传递能量。是一个动态过程，不需要传热介质。工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物体同时辐射并吸收热量，某物体的净热量传递符合斯蒂芬-玻尔兹曼方程：真空中热辐射效率最高。同一温度下，表面越粗糙辐射能力越强，颜色越深辐射能力越强，黑体的热辐射能力最强。物体温度越高，单位时间辐射的热量越多。热辐射分析为高度非线性分析。4 稳态热分析稳态热分析是一种较为简单的热分析，适用于系统正常工况下。系统中各点的温度仅随位置的变化而变化，不随时间变化而变化。单位时间通过传热面的额定热量是一个常量。通过稳态热分析，可以获取系统处于热平衡状态时的温度分布。在ANSYS Workbench中，可以通过Steady-state Thermal模块进行稳态热分析。需要先建立或导入几何模型，然后进行网格划分，设置边界条件，添加温度等参数，最后进行求解计算。稳态热分析的结果通常包括温度分布云图等。5 瞬态热分析瞬态热分析则是在稳态热分析的基础上增加了时间维度，可以求解出随时间变化下的热力学结果。系统中各点的温度不仅随位置的变化而变化，而且随时间的变化而变化。通过瞬态热分析，可以获取不同时刻系统的温度分布，以及系统达到热平衡状态所需要的时间。在ANSYS Workbench中，可以通过Transient Thermal模块进行瞬态热分析。瞬态热分析允许用户设置多个时间步长，并在每个时间步长内查看温度随时间的变化情况。此外，可以通过插入坐标系和温度探针的方式来导出某个点温度随时间的变化关系。6 非线性热分析和其它分析类型一样，传热过程也存在大量的非线性，虽然有些可以简化为线性问题，但还是有很多非线性因素需要在考虑，如材料性能随温度变化、边界条件随温度变化、非线性单元、辐射传热等。设置材料属性时，考虑热导率、比热、密度、热焓等随温度变化曲线。设置边界条件时，考虑热流率、热流密度、对流换热系数、发射率等随温度变化曲线。调整载荷步长、时间步长、收敛准则和迭代次数等参数来保证计算的收敛。7 多体接触热分析在多体接触系统中，由于表面粗糙度影响，两个互相接触的固体表面之间常常充满了空气，热量将以导热的方式穿过这种气隙层，这种情况与固体表面完全接触相比，增加了附加的传递阻力，这个阻力称为接触热阻。界面接触热阻的大小，以及接触热阻的设置，在多体系统热分析中至关重要。根据实际界面接触情况，通常采取两种手段处理接触热阻。8 热应力分析在变温条件下工作的结构和部件，通常都存在温度应力问题。在正常工况下存在稳态的温度应力，在启动或关闭过程中存在随时间变化的瞬态温度应力。要计算稳态或瞬态热应力热变形，首先要计算结构的稳态或瞬态温度分布。ANSYS Workbench热应力分析流程，如上图所示。首先，进行结构热分析，获取温度场分布。然后，将温度作为外载荷，导入到结构力学计算中，从而得到结构热应力热变形。具体参见文章：干货 | ANSYS Workbench热应力分析。ANSYS Workbench作为一个强大的工程仿真工具，为工程师提供了全面的热分析解决方案。通过热分析驱动热设计，工程师可以有效地预测和解决热相关问题，从而提高产品的热适应性和可靠性。来源：纵横CAE