1、,热学知识与ANSYS软件使用,学习资料： 1. Ansys入门康渊, 陈信吉编著 王超辉改编；中国电力出版社 2. ANSYS热分析教程与实例解析张朝晖主编；中国铁道出版社 3. ANSYS 10.0有限元分析自学手册邓凡平编著；人民邮电出版社 4. http:/www.andrew.cmu.edu/course/24-ansys/index.html 5. http:/www3.sympatico.ca/peter_budgell/ 6. http:/www.fea- 7. http:/summer.nchc.gov.tw/ansys/ansys.html 8. http:/ 热力学第一定
2、律，即能量守恒定律。,二、三种基本热传递方式,1、热传导,2、对流,3、辐射,三、热分析材料基本属性,1、比热容（Specific Heat） 2、生热率（Heat Generating Rate）3、焓（Enthalpy） H=U+PV ，H为焓，U为内能，P、V分别为压力和体积；焓的变化即热量的变化。,四、边界条件与初始条件,第一类边界条件：物体边界上的温度函数已知；第二累边界条件：物体边界上的热流密度已知；第三类边界条件：与物体相接触的流体介质的温度和换热系数已知；初始条件：传热过程开始时物体在整个区域中所具有的温度为已知值。,五、热载荷,1、温度 2、热流率（Heat Flow） 主要
3、用于线单元模型 3、对流（Convection） 一种面载荷 4、热流密度，又称热通量（Heat Flux），单位为W/m， 一种面载荷 5、生热率 单位为W/m 6、热辐射率 热辐射分析,热分析有限元软件采用在CAE（Computer Aided Engineering）行业领先的ANSYS 软件。ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS 开发，是现代产品设计中的高级CAD 工具之一。程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射，热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。ANSYS
4、 有限元分析结果主要包括温度分布、温度梯度及热流密度。,热交换是通过导热、对流换热和辐射换热三种基本方式进行的，可分为瞬态热交换和稳态热交换。一般来说，工程分析中可不考虑辐射换热。对于连续介质，设某一时刻 ，物体内所有各点在直角坐标系中的温度场为t=f( x, y, z, )，导热的微分方程可表达如下：,式中 为密度，单位kg/m；c 为比热容，单位J/(kgK)；为热导率（导热系数），单位为W/(mK)；为单位体积内热源的生成热，单位W/m；t为物体的瞬态温度。,有限元分析理论,利用相应边界条件和初始条件，即可得到此导热微分方程式的唯一的解。,ANSYS进行热分析计算的基本原理是把所处理的对
5、象 首先划分成有限个单元（每个单元包括若干个节点）， 然后根据能量守恒原理求解一定边界条件和初始条件 下每一个节点处的热平衡方程，由此计算出个节点温 度值，继而进一步求解出其他相关量。,稳态热分析：任一节点的温度都不随时间变化。Ansys所需参数：模型尺寸、施加功率、热对流系数、导热系数、环境温度。 瞬态热分析：一个系统的加热或冷却过程中，系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。Ansys所需参数：模型尺寸、施加功率、热对流系数、导热系数、环境温度、比热、密度。,Ansys热分析模拟步骤：（天龍八部）,ANSYS软件使用,一、Ansys工作界面1、Ansys状态栏 2、A
6、nsys命令输入窗口 3、图形显示窗口 4、Ansy工具栏 5、图形显示控制按钮 6、实用菜单 7、Ansys主菜单,Ansys实用菜单,Ansys命令输入窗口,工具栏,主菜单,Ansys,图形显示控制按钮,Ansys状态栏,黑色区域为图形显示窗口,1、Ansys状态栏,状态栏中显示的是材料号、单元号、实常数号以及坐标系统号。,mat、type、real、csys等都为ANSYS的命令， 其中mat为material，type为单元类型，real为 实常数，csys为Coordinate System。,2、Ansys命令输入窗口,图形操作 APDL命令操作,Ansys所有操作都可以通过输入对
7、应命令来实现。在复杂模型中， 输入一系列Ansys命令比图形操作更加方便和快捷。Eg:/ EXIT, ALL,3、图形显示窗口,此次有限元 建立的时间,标题,坐标系,当前显示窗口 号（“1”） 以及结果信息,4、Ansy工具栏,5、图形显示控制按钮,缩放控制按钮,平移按钮,平移、旋转 按钮和增量 控制按钮,控制模型 视图角度 按钮,6、Ansys实用菜单,文件管理、选择、列表显示、显示控制、参数设置、宏设置以及帮助查询等功能。,File子菜单,Select（选择）菜单,Select菜单用于实体模型或者有限元模型中对象的选取，在复杂模型中 该功能非常实用，它同时还可对组件和部件进行管理。,Plo
8、tCtrls（绘图控制）菜单,WorkPlane（工作平面）菜单,WorkPlane（工作平面）菜单用于控制工作平面坐标和系统坐标系。,List（列表）菜单,List子菜单主要用来列表显示文件信息，可以列表显示命令记录文件，列表显示 错误信息文件，以及显示二进制文件。,Plot（绘图）菜单,Plot子菜单主要用来绘制模型的各个图形对象，比如可以选择只绘制模型 的节点或单元等。,7、Ansys实用菜单,前处理器,后处理器,分析器,1.Intersect交运算：由每个初始图形的共同部分形成一个新的图形。 2.Add加运算 3.Subtract减运算 4.Divide切割运算：用一个图形把另一个图形
9、分成两份或多份。 5. Glue粘接运算 6. Overlap交迭运算 7.Partition分割运算,布尔运算,mesh,1、映射网络划分：只能采用六面体单元；物体只能有四-六个面。,2、扫掠网络划分（略）,SOLID87：四面体单元 SOLID90：六面体单元,一、Ansys工作界面二、热分析模拟步骤三、举例,二、热分析模拟步骤*1、定义文件名、标题2、参数选项（Thermal）3、选择元素种类4、定义材料属性5、建模（布尔运算）6、划分网格7、施加载荷进行求解8、后处理查看结果,Example：芯片的散热片如图下所示，长度单位为mm，其底面积为35mm x 35mm， 厚：3mm。鳍片数
10、目24根，每根高10mm，宽1.5mm。底部中心至鳍片距离为10.5mm。 散热片材料为铝，其热传导系数为160W/mK，假设表面热对流系数为50W/mK， 散热片底部完全贴在发热功率为3W的芯片上，环境温度为36，试求散热片最终的温度 及其热阻。,分析：假设3W的热量全部传导至散热片， 则散热片底部就有3W/(35mm x 35mm)= 0.00245W/mm的热通量（Heat Flux）。 表面不考虑辐射现象，则有50W/mK的热 对流系数，既50E-6W/mm，散热片的 热传导系数为160E-3W/mm。另外，由于 模型的对称性，在分析上仅需利用1/4对称 模型来做分析即可。,1、定义文
11、件名、标题,Filechang jobname文件名,Filechang title标题,2、参数选项,PreferencesThermal,3、选择元素种类,PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete元素种类,SolidTet 10node 87,4、定义材料属性,PreprocessorMaterial PropsMaterial Models,在KXX输入“160e-3”。,5、建模,建立实体：PreprocessorModelingCreate 布尔运算：PreprocessorOperateBooleans,PreprocessorModeling
12、CreateVolumesBlockBy 2 Corners&Z,在对话框中输入参数。,实体所在 的坐标位置,实体的长宽高,由于嗜片是以环状排列的，所以在复制前要将Active CS设为Global Cylindrical System。 Utility Menu：Work PlaneChange Active CS toGlobal Cylindrical然后，再利用复制功能，建立其余嗜片（共7片，每片中心夹角15） Main Menu：PreprocessorModelingCopyVolumes 单击该嗜片，并输入要复制的嗜片数目（包含原嗜片）7个及夹角15。单击Apply。 然后将Ac
13、tive CS设回Global Cartesian System。,接着建立散热片的底部 Main Menu：PreprocessorModelingCreateBlockBy 2 Corners & Z,换个方向观察图像 Utility Menu：PlotCtrlsPan Zoom Rotate,接着切除多余的嗜片，凡是超出底部的嗜片均要切除，因此可利用底部的边沿 伸出切割平面，将嗜片切割后再删除。注意：进行布尔运算前最好先保存文件。,PreprocessorModelingOperateExtrudeLinesAlong Lines,单击底部的4条边线，单击时按住鼠标左键，确定选到后再放开
14、。接着选择延伸 的路径，只要延伸出的平面与嗜同高即可，所以可以任选嗜片沿着Z轴方向的任意 一条线。,完成后，再以Utility Menu：Plot Areas，显示图像。,接着分割嗜片,Main Menu：Preprocessor Modeling Operate Booleans Divide Volume by Area,将多余的嗜片删除,PreprocessorModelingDeleteVolume and Below,由于嗜片及底部是一体的，因此需要将其黏合起来。PreprocessorModelingOperateBooleansGlueVolumes,6、划分网格,建立模型后，利
15、用Attributes Define定义实体模型的元素及材料性质。 PreprocessorMeshingMesh AttributesAll Volumes,PreprocessorMeshingMesh Tool,将元素大小设置为1.5,7、施加载荷进行求解,先定义分析种类 Main Menu：SolutionAnalysisNew AnalysisSteady-State,设置分析选项，使用PCG Solver，将误差设置在1e-6。（可以不设置）,然后再定义边界条件，先显示面积，因为接下来的边界条件都是设置在面积上。Utility Menu：Plot Areas,由于热对流是发生在物体
16、的表面，所以必须把表面先选出来。Utility Menu：Select Entities,假设风是从散热片上方通过，大部分的热 量都由嗜片及底部的上表面散出，所以 Unselect删除其它表面。Utility Menu：SelectEntities,接着再设置热对流系数Main Menu：SolutionDefine LoadsApplyThermalConvectionon Area,环境温度,热对流系数,下面设置热通量（Heat Flux 热源），发热的地方为底部，先将所有面积选回 集合中，再单击Select窗口中的Select All按钮，再使用一下命令。Main Menu：Soluti
17、onDefine LoadsApplyThermalHeat FluxOn Area,先选择 发热面,热通量,下面就可以进行求解，为了安全，一般会在求解前将所有的对象选取回来。Utility Menu：SelectEverything,求解：Main Menu：SolutionSolveCurrent LS,8、后处理查看结果,Main Menu：General Postproc Plot ResultContour PlotNodal Solu,图中显示的是1/4的模型，下面将图像完整地显示出来。 Utility Menu：PlotCtrlsStyleSymmetry ExpansionPe
18、riodic/Cyclic Symmetry,热应力,要解应力，首先必须先将所使用的元素换成结构元素。 PreprocessorElement TypeSwitch Elm Type,热单元转为结构单元,将结构的选单功能打开：Main Menu：Preference,由于是应力分析，要在材料性质中加入Youngs Modulus和Poissons Ratio 以及热膨胀系数Thermal Expansion Coefficient。,设置铝的弹性模量和泊松比PreprocessorMaterialMaterial Models,Youngs Modulus,Poissons Ratio,铝的弹
19、性模量和泊松比分别为73000和0.33,设置热膨胀系数 PreprocessorMaterialMaterial Models,2.27E-11W/mm,接着要将温度场分布读入模型中 SolutionDefine LoadsApplyStructureTemperatureFrom Threm Analy,因为先前所作的分析，所以 结果文件的扩展名为rth。,下面设置结构的边界条件、对称面和拘束点,设置两则的面积对称 SolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementSymmetry B.C.-On Area,等效应力等值线图：Main MenuG
20、eneral Postprocplot ResultContour Plot Nodal SoluStress von Mises stress,一、Ansys工作界面二、热分析模拟步骤三、举例,LED芯片大小 GaN :1mm x 1mm x 0.01mm 130 W/m Sapphire: 1mm x 1mm x0.07mm 40 W/m 银胶： 1mm x 1mm x 0.03mm 20 W/m Cu：r=1.5mm h=1.3mm / r=3mm h=0.9mm,Cu：400W/m,Al 237W/m,假设Al底面换热系数20 W/m,其它面为5 W/m。,难点：模型建立划分网格,谢谢聆听 欢迎批评指正,
