热分析中的载荷与边界条件

热分析计算中有两种类型的载荷：热载荷和热边界条件。结构载荷、结构约束和热载荷（有关热载荷将在热分析中介绍）。

✧ 热载荷：也称为温度载荷，热载荷会产生一个温度场，使模型中发生热膨胀或热传导，包括热流量（Heat Flow）、热通量（Heat Flux）、内部热生成（Internal Heat Generation）、完全绝热（Perfectly Insulated）等。

✧ 热边界条件：热边界条件呈现为一个已知的局部或“偏远”的温度条件，作用如同已知温度下的热源，包括恒定温度（Temperature）、对流（Convection）、辐射（Radiation）。

1.热载荷

热载荷包括热流量、热通量、内部热生成、完全绝热等。

（1）Heat Flow（热流量）热流量是指单位时间内通过传热面的热量，其他单位为：W/t。它可施加在点、边、面上，如图11-12所示。线体模型不能直接施加对流和热流密度，施加热流量则很方便，如果输入的值为正，表示热流流入节点，即获取热量。

图11-12 施加热流量

（2）Perfectly Insulated（完全绝热）完全绝热施加到表面上，可认为是零件热流量加载。在热分析中，当不施加任何载荷时，它实际上就是自然产生的边界条件，即热流量为0，如图11-13所示。

图11-13 施加完全绝热

通常，不需要给面上施加完全绝热条件，因为这是一个规则表面的默认状态，因此这种加载通常用于删除某个特定面上的载荷。例如，可以先给所有面上施加热流量或对流，然后用完全绝热条件有选择性地“删除”某些面上的载荷（比如与其他零件相接触的面等），此时要方便简单很多。

（3）Heat Flux（热通量或热流密度）热通量或热流密度是指单位时间内通过单位传热面积所传递的热量，单位为：W/m²。热流密度是一种面载荷，当通过单位面积的热流量已知时，可在模型相应的外表面施加一个热流密度，如图11-14所示。如果输入的值为正，表示热流流入单元，否则为流出单元。

图11-14 施加热流密度

（4）Internal Heat Generation（内部热生成）内部热生成为体积载荷，只能施加在体上，可以模拟单元内的热生成，比如化学反应生热或电流生热，单位为W/m³，如图11-15所示。正的热负荷将会向系统添加能量，如果有多个载荷存在，其效果是累加的。(www.xing528.com)

图11-15 施加内部热生成

2.热边界条件

热边界条件包括恒定温度（Temperature）、对流（Convection）、辐射（Radiation），边界条件至少保证设置一种，否则当热量源源不断地输入到系统中时，稳态时的温度将会达到无穷大。

（1）Temperature（温度）温度通过作为自由度约束施加到点、边、面或体上，如图11-16所示。

图11-16 施加温度

（2）Convection（对流）对流通过与流体接触面发生对流换热，只能施加到表面上，如图11-17所示。对流由对流传热膜系数h（Film Coefficient）给定，既可以是常量，也可以是温度的函数。通过对流传热膜系数将环境温度和表面温度通过公式Q=hA（T_surface−T_ambient）联系起来。式中，Q为热量（热流量）；A为表面积；T_surface为表面温度；T_ambient为环境温度。

图11-17 施加对流

（3）辐射（Radiation）辐射可施加到三维表面或二维模型的边上，提供向周围环境的辐射，以及表面的相互辐射，如图11-18所示。对流由辐射率ε（Emissivity）和环境温度（Ambient Temperature）给定，通过公式Q=σεFA（T⁴_surface−T⁴_ambient）联系起来。式中，σ为斯蒂芬-玻耳兹曼常数；A为辐射面积；F为辐射面的形状系数（默认为1）。

图11-18 施加辐射

注意：当【Correlation】为To Ambient时，则辐射热量以环境温度进行交换；当【Correlation】为Surface to Surface时，则辐射热量可在N个包围面的两个表面之间进行交换。