1、1Step传热传热和热应热应力模拟拟多学科优化设计总分析解决方案2Step热热转换转换/热应热应力分析.1.传热传热分析概概述2.线线性和非线线性传热传热3.稳态稳态和瞬态传热态传热4.热应热应力分析5传热传热和线线性静态静态分析6.比较结构较结构与与CFD分析研研究传热传热之间间的差异异3Step有关有关传热传热分析分析基础知识基础知识Conditions of Heat Transfer Analyses1.传热分析概述传热分析概述01 分析由于温度差和随后的温度分布和变化的热流。传热方式：传导，对流和辐射传导传导：热热能通过过分子或中子的链链式振动从动从高温区转温区转移到低温区温区对对流
2、：热热能量通过过的介质质的运动运动（液体或气气体）传传送辐辐射：热热能量通过两个过两个分离的物体之间间的电电磁波，即使没没有在之间间的介质质的存在交换换4Step热载荷热载荷/边界条件概念图边界条件概念图1.传热分析概述传热分析概述025Step1）无论材料的状态，如固体，液体或气体，如果温度差存在（温度梯度），那么传导总会在对象之间发生。此外，热能是从从高温区移动到低温区。2）傅里叶定律物体内的传导是通过傅立叶定律定义如下T：温度梯度，温度变化相对于长度问：热流量，热能传递到每单位时间单位容积率K：导电性，这是一种材料特性,定义热能如何进行因为热能总是从高温区域向低温1移动，所以温度梯度T总
3、是（-）介绍Tkq 1.Heat Transfer Analysis Overview03100206Step1)强制对流2)对流是由一个风扇，风或冷却剂产生的。运动的固体成流体也可以被认为是强制对流。3)它是一种非线性传热分析，但是对于考虑流体流更准确的分析，它实际上是使用流体分析（CFD）而不是纯传热分析。对流1.热流分析概述热流分析概述04FAN流体流动路径流体速度部件温度7Step2）自由/自然对流不像强制对流，其中的流体流发生由于温差产生的纯粹流动，而由于没有任何外部装置。对流)Th(Tqa 1.热流分析概述热流分析概述05Glass Case(GLASS)Socket(ALUMIN
4、IUM)Internal air(AIR model)Emitting-light chip=2000kg/m3C=120 J/kgK k=0.4W/mKHeat Source :6.5106 w/m3Ambient air 25 流体速度芯片温度3）牛顿顿定律牛顿顿定律定义义自由对对流：并并h：对对流系数数（膜系数数）表示由于对对流现现象热热量从从固体表面转转移到流体的幅度 T，钽钽：分别为该别为该对对象的温温度和外部的流体的温温度，)Th(Tqa 8Step1）它是在两个分离的物体之间以电磁波的形式传递的传热现象。2）辐射的定义：斯蒂芬-玻尔兹曼常数F：辐射视角因数：发射率：吸收率T，ta
5、：对象和环境的温度，以绝对温度单位K分别定义3）辐射是高度非线性现象，非常复杂。辐射)TF(Tq4a4 热流热流分析分析方法方法1.热流分析概述热流分析概述06Heattransfer&TemperaturedistributionduetoheatcavityradiationwithinanLEDLampCavity RadiationNeglectedCavity RadiationConsidered9Step热转化/热应力分析1.热转化分析概述2.线性和非线性传热3.稳态和瞬态传热4.热应力分析5.传热与线性静力分析的比较6.结构和CFD分析研究换热之间的区别10Step线线性传热传
6、热传热传热分析处处理热热的流动条动条件，其中所述材料特性是均匀匀的，根据温温度不发发生变变化的条条件。对对于大多数数的传热传热分析。应应用与与普通材料，传导传导，对对流和热热通量条条件。2线性和非线性热转换线性和非线性热转换07边边界条条件（温温度条条件，对对流条条件）温温度条条件（60）对对流条条件外部温温度：20对对流COEF：10 W/m2的T11StepStep00Step00灯（传热传热分析）传热传热分析 单单位：N，毫米 几何模型：Lamp.x_t 材料：6061Alloy玻璃 载载荷和边边界条条件 温温度条条件：60 对对流条条件 外部温温度：20 对对流换热换热系数数：10W/
7、m2 T 结结果验证验证 温温度总结总结 12Step StepStep00分析概概述教程目标教程目标了解传热传热分析 -执执行传热传热分析。-了解分析条条件和验证结验证结果。目标标模型边边界条条件（温温度条条件，对对流条条件)有限元模型 温温度条条件3灯（60）对对流条条件外部温温度：20对对流COEF：10 W/m213Step非线线性热转换热转换1)该热分析处理材料属性随温度变化的分析，是一种不确定的分析2)通常应用在使用辐射、温度依赖材料模型或热转移的几种情况下2.线性和非线性热线性和非线性热08边界条件(瞬间)温度条件：2060C2050 温度条件下：热通量:0 0.01W/mm21
8、4Step热转移/热应力分析1.热转移分析概述2.线性和非线性传热3.稳态和瞬态传热4.热应力分析5.传热与线性静力分析的比较6.结构和CFD分析研究换热之间的区别15Step稳态传热其中一个对象及其周边地区处于相同的温度状态称为稳态。在这种状态下，诱导热流量，热流与温度分布的速度的条件是均匀的，并根据时间不发生变化。在这个稳定状态判断热流和温度分布被称为稳态热传递。用于大多数的工程设计传热分析，或者在设计阶段检查产品产生的最大温度以及随后的热变形和热应力Steady-stateNonlinear(Transient)TimeTemperatureExample of Measuring Te
9、mperature Change in a CPU(Nonlinear Steady-state)3.稳态和瞬态传热0916Step瞬态热传导分析瞬态热传导分析 瞬态分析 需要在负载或边界条件是基于时间的变化的系统响应。分析过程：由于是在时间分离点上进行积分，该分析指定的时间间隔。在分析中的应用实例 想了解基于时间的剧烈的温度变化（例如，铁，休息垫，LED灯，功率半导体等）对于相变3.稳态和瞬态转换稳态和瞬态转换TemperatureTimeFastinitialtemperaturechangeSlowsteadystateDisplacementTimeTransientresponseS
10、taticresponseTransient Response of Heat TransferTransient Response of Structural Dynamics1017Step瞬态热分析瞬态热分析 分析方法 材料特性如热导率，比热和密度，必须输入。重要的是要设置合适数量的时间步骤来达到准确和稳定性的解决方案 如果时间步数被设定为过小，则会由于温度的一个不切实际的振动产生一个无物理意义的结果。如果时间步数设定得太大，则可能无法准确地反映温度的地方的温度变化。调整时间间隔不超过最大允许的温度变化。由于开始时温度急剧变化，开始使用时间短的步骤，但使用不久的稳定状态很长的时间分析步骤
11、.TemperatureTime快速初始温度变化SlowsteadystateDisplacementTime瞬态响应静态响应热转换热转换的瞬态响应态响应结构结构分析的瞬态响应态响应3.Steady State and Transient Heat Transfer1118Step3.Steady State and Transient Heat Transfer12http:/ 瞬态传热态传热分析 -单单位：N，毫米 -几何模型：Board.x_t 材料 -用户户定义义的材料 载载荷和边边界条条件，热负热负荷 -热热通量，对对流，热热量产产生 -分析终终止条条件 结结果验证验证 -温温度分布
12、20StepStepStep 应应用瞬时时热传递热传递分析的必要条条件，验证验证该该分析的结结果 应应用热热瞬态负载态负载（特定的温温度，对对流，热热通量，热热量的产产生）应应用条条件终终止分析（传传感器）00 Target Model Boundary Condition(Transient)Finite Element ModelTemperature Condition:20 60C Convection:Ambient Temperature:20 30 C Convection Coefficient:2e-005 W/mm2TTemperature Condition:20 50C
13、 Heat Flux:0 0.01W/mm2Heat generation:0 0.0005W/mm3Analysis Summary教程目标教程目标21Step热热转换转换/热应热应力分析1.热转移分析概述2.线性和非线性传热3.稳态和瞬态传热4.热应力分析5.传热与线性静力分析的比较6.结构和CFD分析研究换热之间的区别22Step热应力分析（热结构耦合分析）热应力分析（热结构耦合分析）一般包括热变形，结构分析领域 热变形：如果某一温度提高到较高，材料发生膨胀，如果它降低到较低的温度，材料收缩。除了弹性模量和泊松比，还需要热膨胀系数，表示由于温差产生的热变形的大小材料特性。温度差应用到结构
14、分析，称为热负荷负载条件。=E Thermalexpansioncoefficient=+ETotaldeformationStructuraldeformationThermaldeformationNostress,nodeformationLLDLNostress,thermaldeformationThermalstress,nodeformationHeatingThermal Deformation Due to Temperature Change(a)atq=qref(b)atq=qref+Dq4.Thermal Stress Analysis1323Step 计算热应力可能的
15、3种方式。温度是由用户指定 在结构分析，单元要考虑温度自由度，温度在结构上直接定义。温度的变化都在模型上均匀地确定，温度差被指定作为热负荷。采用热结构耦合分析 首先，获得通过一个传热分析温度分布，并利用此温度分布作为结构分析的热负荷。耦合分析考虑热应力，或由于温度差而产生热变形。产生的温差应力指从参考温度、温差不相邻元素之间的差异。热应力=（弹性模量）（线性膨胀系数）（温度在一个结构，基准温度中的特定位置室温）传热传热分析与静态与静态分析之间间的连连接由于温温度变变化热变热变形结结果分配热负荷条件执行传热分析热转换分析传热分析结果定义约束条件定义负载条件进行结构分析结构分析4.Thermal
16、Stress Analysis热应力分析（热结构耦合分析）热应力分析（热结构耦合分析）1424StepStep00Step00芯片（热应热应力分析）传热传热分析 单单位：N，毫米 几何模型：Chip.x_t 材质质：铜铜陶瓷 载载荷和边边界条条件 热发电条热发电条件：0.01W/立方毫米 对对流条条件 环环境温温度：20 对对流换热换热系数数：2E-5 W/mm2的 -边边界条条件：固定的（在基地）结结果验证验证 温温度 移位 应应力SummarySummary25Step StepStep00Fixed了解热应热应力分析 -了解热传导热传导和热应热应力分析 -检验检验分析的结结果（位移，应应
17、力）。目标标模型 Boundary Condition(Fixed)Finite Element Model生热条热条件：0.01W/立方毫米对对流条条件 环环境温温度：20 对对流换热换热系数数：2E-5 W/mm2Analysis Summary教程目标教程目标26Step热热转换转换/热应热应力分析1.热转移分析概述2.线性和非线性传热3.稳态和瞬态传热4.热应力分析5.传热与线性静力分析的比较6.结构和CFD分析研究换热之间的区别27StepCategoryStructural Analysis(Linear Static Analysis)Steady State Heat Tran
18、sfer AnalysisMaterial-related LawsHookes LawFouriers LawMaterial PropertiesModulus of elasticity(E)Thermal conductivity(k)Unknown(DOF)Displacement(u)Temperature(T)Gradient of DOF(Rate of Change)StrainTemperature gradient(T)Stress()Boundary ConditionsConstraint condition(u=0)or forced displacementSpe
19、cified temperatureLoad ConditionsAxial force per unit length(Q)Internal heat generation per unit length(Q)Comparison of SimilaritiesComparison of Heat Transfer Analysis and Linear Static Analysisx=0 x=LCross-sectionalarea(A)Modulusofelasticity(E)Axialforceperunitlength:Qx=0 x=LCross-sectionalarea(A)
20、Thermalconductivity(k)Internalheatgenerationperunitlength:Q5.Comparison of heat transfer and linear static analysis1528Step热转换应热转换应力分析1.热转移分析概述2.线性和非线性传热3.稳态和瞬态传热4.热应力分析5.传热与线性静力分析的比较6.结构和CFD分析研究换热之间的区别29StepFluidVolumeSolidPartSolidPart液体常温convectionFEAModelFEAModel(Full)CFD液液/固耦合分析固耦合分析CFD液液/固耦合固耦
21、合分析分析6研究传热中研究传热中结构结构与与CFD分析之间的分析之间的差异差异1630Step结构传热分析什么时候采用？当流体温度可被同化为均匀围绕固体部件当我们研究仅在加热条件下的结构组件的行为（对流，产生热量，辐射）当我们研究，由于热负荷（热应力分析).造成零件的应力和变形SolidPart液体常温convectionFEAModelStructural Heat Transfer Analysis6研究传热中结构与研究传热中结构与CFD分析之间的差异分析之间的差异1731StepCFD热传导耦合分析FluidVolumeSolidPartFEAModel(Full)CFD Fluid/Solid Coupled Analysis什么时候采用？需要研究对象周围的流体的分配调查对象的对环境的影响调查自然或强制冷却6.Difference between Structural and CFD Analysis to study heat transfer1832Step如何获获得更多的培训训材料？33StepHowtogetmorelearningresources30daysNFX2014FreeTrialNFX2014Fullyfunctionalversiontrial19
