之前我們已經為大家介紹了Altair SimSolid 入門、接觸、螺栓接觸與預緊以及非線性五期專題。本期我們將全面介紹 SimSolid 的熱分析功能，趕快來看看吧~
專題第六期，熱分析以及熱固耦合求解，我們會主要講解以下幾個問題：
|
1 |
SimSolid支援哪些熱分析功能？ |
|
2 |
熱分析在SimSolid當中是怎麼設定的？ |
|
3 |
裝配體的零部件之間如何進行傳熱設定？ |
|
4 |
熱固耦合分析是什麼？為什麼要考慮溫度對結構的影響？ |
1
SimSolid支援哪些熱分析功能？
熱分析 (Thermal Analysis) 是指用熱力學參數或物理參數隨溫度變化的關係進行分析的方法，研究對象是熱量的傳遞，傳熱是通過散熱在兩個系統之間交換熱能的物理行為。溫度和熱量流動是傳熱的基本要點；熱能量由溫度決定，熱量流動代表熱能的流動。
傳熱是一種複雜現象。從本質上來說，只要一個介質內或者兩個介質之間存在溫度差，就一定會發生傳熱。我們把不同類型的傳熱過程稱為傳熱模式。目前SimSolid支援熱傳導和熱對流這兩種傳熱模式。
熱傳導，指物質在無相對位移的情況下，物體內部具有不同溫度、或者不同溫度的物體直接接觸時所發生的熱能傳遞現象。熱傳導是最常見的傳熱形式，例如將手放在窗戶上或將金屬放入明火中，都屬於熱傳導。
熱對流，是指由於流體的宏觀運動而引起的流體各部分之間發生相對位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程。對流傳熱可分為強迫對流和自然對流。強迫對流，是由於外界作用推動下產生的流體迴圈流動。自然對流是由於溫度不同密度梯度變化，重力作用引起低溫高密度流體自上而下流動，高溫密度流體自下而上流動。
2
熱分析在SimSolid當中是怎麼設定的？
熱分析根據溫度場隨時間的變化而變化，最終在無限長的時間後達到平衡狀態，即穩態。在分析穩態熱傳導問題時，不需要考慮物體的初始溫度分佈對最後的穩定溫度場的影響，因此不必考慮溫度場的初始條件，而只需考慮換熱邊界條件。
在 SimSolid 圖形介面區上方的功能按鍵中，點擊熱分析按鈕（如圖所示↓）
在項目列表中就會出現Thermal熱分析的工況。右側的縱向按鈕用來定義各種邊界條件：
1）溫度 Temperature
指定面、邊、頂點或點陣的固定溫度，可以使用攝氏度或者華氏度，然後點擊OK確定。
2）熱通量 Heat Flux
熱通量，又稱為熱流，是指單位時間通過某一面積的熱能，其在國際單位制中的單位為焦耳/秒（J/s，即瓦特）。由此又可以進一步定義熱通量密度或熱流密度，即通過單位面積的熱通量，其在國際單位制的單位為瓦特/平方米（W/㎡）。
在 SimSolid 當中，可以對面或者點陣施加熱通量的邊界條件。規定單位為 W/㎡，即每單位時間通過給定表面傳遞的熱能的速率 。
3）體積熱 Volume heat
體積熱負荷是以單位體積內部熱量產生（熱源）和內部熱量吸收（散熱器）。正體積熱值表示熱源，負體積熱值表示散熱器。在SimSolid當中，可以對部件part施加體積熱的邊界條件。規定單位為 W/m³，即每單位時間單位體積傳遞的熱能的速率 。
4）對流 Convection
對流係數（Convection coefficient）定義了流體（液體或氣體，浮力或移動）與模型表面之間的傳熱速率。對流係數等於模型表面和大量流體之間每單位溫度差的每單位面積的傳熱率。環境溫度值（Ambient temperature）是指假設在分析期間溫度值保持恒定時，流體的環境溫度。
在SimSolid當中，可以對面或者點陣施加對流的邊界條件。對流係數規定單位為 W/㎡*K。
PS:
以下是一些常見類型的對流係數：
（點擊可查看大圖）
3
裝配體的零部件之間如何進行傳熱設定？
在 SimSolid 中，裝配體的零件之間可以選擇性地應用特定的熱接觸條件。在創建好的Thermal熱分析工況下，打開 Contact Conditions，可以流覽每個接觸關係對應的傳熱設定，點擊右鍵即可更改設定。
· No thermal resistance / 無熱阻 （默認條件）：表示通過零件連接將發生完全熱傳遞。
· Insulated / 絕緣：絕緣則相反，意味著不會發生傳熱。
4
熱固耦合分析是什麼？
為什麼要考慮溫度對結構的影響？
熱應力是由材料的溫度變化產生的應力。溫度梯度，熱膨脹或收縮以及熱衝擊都會導致熱應力。 這種類型的應力高度依賴於因材料而異的熱膨脹係數。 通常，溫度變化越大，可能發生的應力水準越高。當材料快速加熱或冷卻時，表面和內部溫度將具有溫差，因而導致局部熱膨脹或收縮區域。材料的這種局部位移導致了熱應力的產生。
在 SimSolid 中，熱分析結果可用於隨後的結構靜態分析中作為熱載荷。 然後使用熱載荷來類比模型中溫度變化引起的變形和應力。
可以指定以下類型的溫度輸入:
· Uniform temperature field ：假設單個溫度在整個模型上是均勻的。
· Part based temperature field ：對各個部件指定不同溫度。
· Thermal analysis result field ：溫度場從現有的熱分析結果中導入。
請注意，兩個溫度輸入都被定義為溫度變化，而不是絕對溫度。 例如，如果施加+10 ℃的均勻溫度，則意味著模型中的溫度在載入過程中增加了10 ℃ 。 零溫度負載意味著溫度沒有變化等。
只有一個熱載荷可以應用於模型。 應用後，可以通過專案樹中熱載荷專案上的操作功能表編輯或刪除熱載荷。
下面我們通過一個簡單的模型來展示熱分析以及熱固耦合分析的流程。
Step 1
導入模型，賦予材料，自動識別接觸關係
Step 2
設置熱分析載荷步
接觸關係設定為No thermal resistance，即接觸面可以傳熱，不會產生溫度差：
然後在其中一端給與高溫熱源50攝氏度：
在側壁面設定熱對流，環境溫度20攝氏度，對流係數50W/(m2*K)：
設置好以後點擊運行。
Step 3
查看結果：溫度場
可以觀察到在接縫處溫度是連續變化的。
Step 4
更改接觸屬性：設置絕緣接觸
在Contact conditions裡面講接觸面的屬性改為 Insulated。然後再次運算結果。
Step 5
查看修改過接觸屬性的結果
可以觀察到在接縫處溫度是連續變化的。
可以看到在接縫處溫度的越變：靠近熱源端46攝氏度，而另一端等於室溫20攝氏度：
Step 6
熱固耦合分析設定
我們使用之前計算的溫度場（介面溫度連續 No thermal resistance）進行熱固耦合的分析計算。點擊創建Structural Linear分析。
這個圓柱形模型在加熱後會膨脹，我們在它兩端添加束縛：
然後給這個模型施加熱載荷，選擇之前的載荷步 Thermal 1：
設定完成後運行計算。
Step 7
查看結果：位移&應力
熱分析以及熱固耦合分析到這裡就介紹完了，大家都看明白了嗎？總結一下，SimSolid中可以通過設置溫度、熱通量、體積熱和對流4種邊界條件設定熱分析場景，並且可以設定每個接觸面的傳熱屬性。
在熱分析結束後，通過將前一步結果的溫度場，作為熱載荷施加到線性靜力分析當中，可以進行熱固耦合分析，以得到熱應力及其位移結果。
後續我們還將發佈SimSolid的相關專題，歡迎大家持續關注~
留言列表
