【SimSolid小贴士】热分析与热固耦合
本文摘要（由AI生成）：
本文主要介绍了Altair SimSolid的热分析功能，包括热传导和热对流两种传热模式，以及热固耦合分析。热分析可以研究热量的传递，传热是通过散热在两个系统之间交换热能的物理行为。温度和热量流动是传热的基本要点。热分析在SimSolid当中可以通过热分析按钮设定，包括温度、热通量、体积热和对流四种边界条件。在装配体的零部件之间可以选择性地应用特定的热接触条件。热固耦合分析可以模拟模型中温度变化引起的变形和应力。热分析结果可用于随后的结构静态分析中作为热载荷。
之前我们已经为大家介绍了Altair SimSolid 入门、接触、螺栓接触与预紧以及非线性五期专题。本期我们将全面介绍 SimSolid 的热分析功能，赶快来看看吧~
专题第六期，热分析以及热固耦合求解，我们会主要讲解以下几个问题：
1 | SimSolid支持哪些热分析功能？ |
2 | 热分析在SimSolid当中是怎么设定的？ |
3 | 装配体的零部件之间如何进行传热设定？ |
4 | 热固耦合分析是什么？为什么要考虑温度对结构的影响？ |
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SimSolid支持哪些热分析功能？
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SimSolid支持哪些热分析功能？
热分析 (Thermal Analysis) 是指用热力学参数或物理参数随温度变化的关系进行分析的方法，研究对象是热量的传递，传热是通过散热在两个系统之间交换热能的物理行为。温度和热量流动是传热的基本要点；热能量由温度决定，热量流动代表热能的流动。
传热是一种复杂现象。从本质上来说，只要一个介质内或者两个介质之间存在温度差，就一定会发生传热。我们把不同类型的传热过程称为传热模式。目前SimSolid支持热传导和热对流这两种传热模式。
热传导，指物质在无相对位移的情况下，物体内部具有不同温度、或者不同温度的物体直接接触时所发生的热能传递现象。热传导是最常见的传热形式，例如将手放在窗户上或将金属放入明火中，都属于热传导。
热对流，是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。对流传热可分为强迫对流和自然对流。强迫对流，是由于外界作用推动下产生的流体循环流动。自然对流是由于温度不同密度梯度变化，重力作用引起低温高密度流体自上而下流动，高温密度流体自下而上流动。
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热分析在SimSolid当中是怎么设定的？
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热分析在SimSolid当中是怎么设定的？
热分析根据温度场随时间的变化而变化，最终在无限长的时间后达到平衡状态，即稳态。在分析稳态热传导问题时，不需要考虑物体的初始温度分布对最后的稳定温度场的影响，因此不必考虑温度场的初始条件，而只需考虑换热边界条件。
在 SimSolid 图形界面区上方的功能按键中，点击热分析按钮（如图所示↓）
在项目列表中就会出现Thermal热分析的工况。右侧的纵向按钮用来定义各种边界条件：
1）温度 Temperature
指定面、边、顶点或点阵的固定温度，可以使用摄氏度或者华氏度，然后点击OK确定。
2）热通量 Heat Flux
热通量，又称为热流，是指单位时间通过某一面积的热能，其在国际单位制中的单位为焦耳/秒（J/s，即瓦特）。由此又可以进一步定义热通量密度或热流密度，即通过单位面积的热通量，其在国际单位制的单位为瓦特/平方米（W/㎡）。
在 SimSolid 当中，可以对面或者点阵施加热通量的边界条件。规定单位为 W/㎡，即每单位时间通过给定表面传递的热能的速率 。
3）体积热 Volume heat
体积热负荷是以单位体积内部热量产生（热源）和内部热量吸收（散热器）。正体积热值表示热源，负体积热值表示散热器。在SimSolid当中，可以对部件part施加体积热的边界条件。规定单位为 W/m³，即每单位时间单位体积传递的热能的速率 。
4）对流 Convection
对流系数（Convection coefficient）定义了流体（液体或气体，浮力或移动）与模型表面之间的传热速率。对流系数等于模型表面和大量流体之间每单位温度差的每单位面积的传热率。环境温度值（Ambient temperature）是指假设在分析期间温度值保持恒定时，流体的环境温度。
在SimSolid当中，可以对面或者点阵施加对流的边界条件。对流系数规定单位为 W/㎡*K。
PS:
以下是一些常见类型的对流系数：
（点击可查看大图）
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装配体的零部件之间如何进行传热设定？
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装配体的零部件之间如何进行传热设定？
在 SimSolid 中，装配体的零件之间可以选择性地应用特定的热接触条件。在创建好的Thermal热分析工况下，打开 Contact Conditions，可以浏览每个接触关系对应的传热设定，点击右键即可更改设定。
· No thermal resistance / 无热阻 （默认条件）：表示通过零件连接将发生完全热传递。
· Insulated / 绝缘：绝缘则相反，意味着不会发生传热。
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热固耦合分析是什么？
为什么要考虑温度对结构的影响？
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热固耦合分析是什么？
为什么要考虑温度对结构的影响？
热应力是由材料的温度变化产生的应力。温度梯度，热膨胀或收缩以及热冲击都会导致热应力。 这种类型的应力高度依赖于因材料而异的热膨胀系数。 通常，温度变化越大，可能发生的应力水平越高。当材料快速加热或冷却时，表面和内部温度将具有温差，因而导致局部热膨胀或收缩区域。材料的这种局部位移导致了热应力的产生。
在 SimSolid 中，热分析结果可用于随后的结构静态分析中作为热载荷。 然后使用热载荷来模拟模型中温度变化引起的变形和应力。
可以指定以下类型的温度输入:
· Uniform temperature field ：假设单个温度在整个模型上是均匀的。
· Part based temperature field ：对各个部件指定不同温度。
· Thermal analysis result field ：温度场从现有的热分析结果中导入。
请注意，两个温度输入都被定义为温度变化，而不是绝对温度。 例如，如果施加+10 ℃的均匀温度，则意味着模型中的温度在加载过程中增加了10 ℃ 。 零温度负载意味着温度没有变化等。
只有一个热载荷可以应用于模型。 应用后，可以通过项目树中热载荷项目上的操作菜单编辑或删除热载荷。
下面我们通过一个简单的模型来展示热分析以及热固耦合分析的流程。
Step 1
导入模型，赋予材料，自动识别接触关系
Step 2
设置热分析载荷步
接触关系设定为No thermal resistance，即接触面可以传热，不会产生温度差：
然后在其中一端给与高温热源50摄氏度：
在侧壁面设定热对流，环境温度20摄氏度，对流系数50W/(m2*K)：
设置好以后点击运行。
Step 3
查看结果：温度场
可以观察到在接缝处温度是连续变化的。
Step 4
更改接触属性：设置绝缘接触
在Contact conditions里面讲接触面的属性改为 Insulated。然后再次运算结果。
Step 5
查看修改过接触属性的结果
可以观察到在接缝处温度是连续变化的。
可以看到在接缝处温度的越变：靠近热源端46摄氏度，而另一端等于室温20摄氏度：
Step 6
热固耦合分析设定
我们使用之前计算的温度场（界面温度连续 No thermal resistance）进行热固耦合的分析计算。点击创建Structural Linear分析。
这个圆柱形模型在加热后会膨胀，我们在它两端添加束缚：
然后给这个模型施加热载荷，选择之前的载荷步 Thermal 1：
设定完成后运行计算。
Step 7
查看结果：位移&应力
热分析以及热固耦合分析到这里就介绍完了，大家都看明白了吗？总结一下，SimSolid中可以通过设置温度、热通量、体积热和对流4种边界条件设定热分析场景，并且可以设定每个接触面的传热属性。
在热分析结束后，通过将前一步结果的温度场，作为热载荷施加到线性静力分析当中，可以进行热固耦合分析，以得到热应力及其位移结果。
