热分析类型介绍及应用场景分析

热分析类型有两种：稳态热分析和瞬态热分析。

1.稳态热分析

在这种分析中，只关心物体达到热平衡状态时的热力条件，而不关心达到这种状态所用的时间。达到热平衡时，进入模型中每个点的热能与离开该点的热能相等。一般来说，稳态热分析所需的唯一材料属性是热导率。

稳态热分析的能量平衡方程以矩阵形式表示：

[K]{T}={Q}式中，[K]为热传导矩阵，包含热系数、对流系数及辐射和形状系数；{T}为节点温度向量；{Q}为节点热流率向量，包括热生成。

ANSYS Workbench利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件生成[K]、{T}、{Q}。在ANSYS Workbench左侧工具箱中的【Analysis Systems】下的【Steady-State Thermal】上按住鼠标右键，拖动到项目管理区，即可创建稳态热分析项目。按照分析项目从上到下的顺序执行热力分析，如图11-7所示。

图11-7 创建稳态热分析项目

2.瞬态热分析

在这种分析中，只关心模型的热力状态与时间的函数关系。例如，热水瓶设计师知道里面的液体温度最终将与室温相等（稳态），但设计师感兴趣的是找出液体的温度与时间的函数关系。在指定瞬态热分析的材料属性时，需要指定热导率、密度和比热容。此外，还需要指定初始温度、求解时间和时间增量。(www.xing528.com)

瞬态热分析的能量平衡方程以矩阵形式表示：

[C]{T}+[K]{T}={Q}

式中，[C]为比热矩阵；{T}为温度对时间的导数；[K]为热传导矩阵，包含热系数、对流系数及辐射和形状系数；{T}为节点温度向量；{Q}为节点热流率向量，包括热生成。

在瞬态热分析中分析设置与稳态热分析有所不同。分析设置（Analysis Settings）中的步长控制（Step Controls）用于定义瞬态分析的结束时间（Step End Time），控制时间步长（Time Step）或生成多载荷步长（Number of Steps）等，如图11-8所示。

图11-8 步长控制（Step Controls）

✧ Step Time（时间步长）：对于瞬态分析，在热梯度大的区域（如淬火体的表面），热流方向的最大单元尺寸和能够得到好结果的最小时间步长有一定关系。因此，建议不要采用特别小的时间步长，特别是当建立初始条件时，很小的数可能导致计算错误。

✧ Auto Time Stepping（自动时间步）：在瞬态分析中也称为时间步优化，使程序自动确定子步间的载荷增量。同时，它根据分析模型的响应情况，自动增、减时间步大小。在瞬态分析中，响应检测基于热特征值。对于大多数问题，都应该打开自动时间步长功能并设置积分时间步长的上下限，这有助于控制时间步长的变化量。

✧ Time Integration（时间积分）：用于设置是否包括结构惯性力，热容之类的瞬态效应。在瞬态分析中，时间积分效应默认是打开的，如果将其设置为OFF，ANSYS将进行稳态分析。