热设计 瞬态分析
浅谈瞬态热力学分析在热电池设计中的应用
瞬态热力学分析的一般方程为：
是传导矩阵，包括热系数、对流系数、辐射系数
是比热矩阵，考虑系统内能的增加；
图1 表面温度云图
图2 最高点温度曲线
从以上结果看，采取基本温度防护措施的结构，最高点表面温度为244℃，大于要求的200℃，不能满足用户要求。
3.2 温度防护措施改进
为了进一步降低表面温度，将热电池与外部结构使用保温材料进行了隔离，避免了热电池的金属外壳与外结构金属框架之间的直接接触，降低了传热效率，并更换了外部结构中使用的保温材料。
同上，对其进行仿真分析，结果如图3、最高点温度如图4所示。
图3 表面温度云图（顶面）
图4 最高点温度曲线
从结果来看，改进后的结构表面最高温度为142.51℃，大大低于要求的200℃，完全可以满足用户要求。
结束语
过高的表面温度会对导弹中装配的其他元器件造成影响。
瞬态热力学分析在结构的热设计、热防护中有着广泛的应用。
（下转第82页）。
瞬态热温度场分析
ANSYS工程应用教程——热与电磁学篇47页-瞬态热温度场分析例1：有一长方形金属板，其几何形状及边界条件如图4—7所示。
其中，板的长度为15cm，宽度为5cm，板的中央为一半径为1cm的同孔。
板的初始温度为500℃，将其突然置于温度为20℃且对流换热系数为100W／m‘℃的流体介质中，试计算：1．第1s及第50s这两个时刻金属板内的温度分布情况。
2．金属板上四个质点的温度值在前50s内的变化情况。
3．整个金属板在前50s内的温度变化过程。
该金属板的基本材质属性如下：密度＝5000Kx／m’比热容＝200J／Kg K热传导率＝5W／m KFinish $/ clear $/title,transient slab problem!进入前处理/prep7Et,1,plane55Mp,dens,1,5000Mp,kxx,1,5Mp,c,1,200Save!创建几何模型Rectng,0,0.15,0,0.05Pcirc,0.01,,0,360Agen,,2,,,0.075,0.025,,,,1Asba,1,2Save!划分网格Esize,0.0025Amesh,3Save!进入加载求解/soluAntype,trans !设定分析类型为瞬态分析Ic,all,temp,500 !为所有节点设置初始温度500度SaveLplotSfl,1,conv,100,, 20 !设定金属板外边界1-4的对流载荷Sfl,2,conv,100,,20Sfl,3,conv,100,,20Sfl,4,conv,100,,20/psf,conv,hcoe,2Time,50 !设定瞬态分析时间/制定载荷步的结束时间Kbc,1 !设定为阶越的载荷（载荷步是恒定的，如是随时间线性变化应用ramped——0）Autots,on !打开自动时间步长(求解过程中自动调整时间步长)Deltim,1,0.1,2.5 !设定时间步长为1（最小0.1最大2.5），载荷子步数nsubstTimint,on !打开时间积分，off为稳态热分析Outres,all,all !输出每个子步的所有结果到*.rth文件中（outpr将输出到*.Out文件中）Solve!进入后处理/post1Set,,,1,,1,, !载荷步m=1，子步，比例因子，0-读实数部分/1读虚数部分，时间点，，Plnsol,temp,,0, !该画面显示了在第1秒钟时金属板的温度分布状况Set,,,1,,50Plnsol,temp,,0 !该画面显示了在第50秒钟时金属板的温度分布状况!/post26Nsol,2,82,temp,,left-up !变量2，节点82(左上点)，项目，，名字Plvar,2 !显示变量2!/post1 !查看金属板在前50秒内的温度变化过程Set,lastPlnsol,temp,Animate,10,0.5,,1,0,0,0 !捕捉的张数（默5），时间的推迟（默0.1），动画循环次数，自动缩放比!例（默0），用于动画的结果数据（默认0——目前载荷步），最小数据点，最大数据点Save/eof !退出正在读取的文件瞬态热温度场分析例2：一个半径为10mm，温度为90℃的钢球突然放入盛满了水的、完全绝热的边长为100mm的水箱中，水温度为20℃，如图7—5所示；。
热瞬态测试原理
热瞬态测试原理⼀、引⾔热瞬态测试是评估电⼦设备在温度变化条件下性能表现的重要⼿段。
随着科技的不断发展，电⼦设备在各个领域的应⽤越来越⼴泛，对设备的热性能要求也越来越⾼。
因此，理解和掌握热瞬态测试原理对于提升电⼦设备性能和稳定性⾄关重要。
⼆、热瞬态测试基本原理热瞬态测试主要研究电⼦设备在温度变化下的热响应⾏为。
其基本原理基于热传导、热对流和热辐射三⼤基本传热⽅式。
当电⼦设备在⼯作过程中产⽣热量时，其内部温度会发⽣变化，这些变化会通过材料的热传导引起温度梯度。
同时，与周围环境之间的热量交换也会通过热对流和热辐射的⽅式进⾏。
三、热瞬态测试⽅法1.稳态热测试：稳态热测试主要研究电⼦设备在稳定状态下，各部分的温度分布和热流情况。
这种⽅法适⽤于确定设备的⻓期热性能。
2.瞬态热测试：瞬态热测试则主要研究设备在温度突然变化时的热响应。
这种⽅法适⽤于评估设备的热设计和冷却性能。
四、热瞬态测试的实践应⽤1.电⼦元件性能评估：通过对电⼦元件进⾏热瞬态测试，可以了解其在温度变化下的性能表现，从⽽优化元件的设计和选型。
2.设备可靠性分析：通过分析设备的热瞬态响应，可以评估其在各种⼯作环境下的可靠性，从⽽制定更为合理的维护策略。
3.冷却系统性能评估：对于需要强制冷却的设备，通过热瞬态测试可以评估其冷却系统的性能，进⽽优化冷却⽅案。
五、未来展望随着科技的进步，电⼦设备的复杂性和集成度越来越⾼，对设备的热性能要求也越来越严格。
因此，未来对于热瞬态测试的研究将更加深⼊，测试技术也将更加先进。
具体来说，以下⼏个⽅⾯值得期待：1.测试精度提升：随着测量技术的发展，未来热瞬态测试的精度有望得到进⼀步提升，为设备的性能优化提供更为准确的数据⽀持。
2.多物理场耦合分析：随着多物理场仿真技术的发展，未来热瞬态测试将进⼀步考虑多种物理场之间的耦合效应，如电场、磁场、⼒场等，从⽽更准确地模拟和预测设备的实际⼯作状态。
3.在线监测与控制：利⽤先进的传感器和信号处理技术，未来有望实现设备的实时热瞬态监测与控制，从⽽提⾼设备的运⾏稳定性和可靠性。
Workbench瞬态热分析
Workbench瞬态热分析问题描述：将一个温度为900摄氏度的钢球放在空气中冷却，分别查看钢球和外部空气的温度变化。
分析类型：瞬态热分析分析平台：ANSYS Workbench 17.0分析人：技术邻一无所有就是打拼的理由研究模型：自定义一、引言结构热分析主要包括热传导、热对流、热辐射，热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒。
传热即是热量传递，凡是有温差存在的地方，必然有热量的传递。
传热现象在现实生活中普遍存在，比如食物的加热，冷却，有相变存在的蒸发冷凝换热等。
热分析类型主要有稳态热分析和瞬态热分析。
稳态热分析中，我们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。
在稳态热分析中，任意节点的温度不随时间的变化而变化。
一般来说，在稳态热分析中所需要的唯一材料属性是热导率。
在瞬态热分析中，我们只关心模型的热力状态与时间的函数关系，比如对水的加热过程。
在瞬态热分析中，需要对材料赋予热导率，密度，比热容等材料属性及初始温度，求解时间和时间增量这些边界条件。
在装配体的热分析中，我们还要考虑到接触区域传热，由于接触面可能存在表面粗糙度，接触压力等情况存在，导致存在接触热阻。
接触面存在两种传热方式，一种是附体间的热传递，另一种是通过空隙层的热传导，但因为气体的热导率比较低，所以接触热阻不利于传热。
由于钢球散热与时间有关，我们选择瞬态热分析进行钢球的散热分析。
二、分析思路及流程在分析中，我们忽略空气的流动。
先进行稳态热分析，获得瞬态热分析的初始条件，然后将其传递到瞬态热分析中；在瞬态热分析中添加空气对流换热，来求解随时间变化的温度场。
分析流程如下图所示：三、模型建立及网格划分：由于选取模型比较简单，我们在DM中建立一个钢球，选择钢球的半径为30mm，然后在外侧包络一层空气，包络厚度选择30mm，由于模型是对称的，为了节省计算时间，减少计算量，选取1/4模型进行研究（也可以选取1/8）。
由于模型较为简单，网格采用自动划分，模型及网格如下图所示：四、边界条件施加及结果分析：因为该问题为瞬态热分析，我们需要先进行稳态热分析获得瞬态热分析所需要的初始条件，对钢球设置初始温度为900摄氏度，空气初始温度为22摄氏度，将稳态热分析的结果作为瞬态分析的初始条件，对空气对流换热系数为10W/m2K。
ansys瞬态热分析教程及实例
大家好
QUST
18
自动时间步长选项 命令：AUTOTS GUI：Main Menu > Solution > Analysis Type
> Sol'n Controls 打开后求解过程中将自动调整时间步长。
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时间积分选项 命令：TIMINT GUI：Main Menu > Solution > Load Step
QUST
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5. 瞬态传热分析
均匀初始温度：如果整个模
型的初始温度为均匀且非0
2
，使用下列菜单指定:
3 4 1
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7
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1
2 3
5. 瞬态传热分析
非均匀的初始温度
如果模型的初始温度分布
已知但不均匀，使用这些
菜单将初始条件施加在特
4
定节点上
5
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5. 瞬态传热分析
ANSYS 瞬态传热分析的主要步骤 1.建立有限元模型 2.施加载荷并求解 3.求解 4.查看分析结果
QUST
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5. 瞬态传热分析
在瞬态分析中，载荷步和子步的定义与非线性稳态分 析十分类似。载荷定义的每个载荷步的终点，并可以 随时间阶跃或渐进的施加。
每个载荷步的求解是在子步上得到。子步长根据时间 积分步长得到。
自动时间步 (ATS) 同样适用于瞬态分析，可以简化 ITS选择。 ITS选择将影响到瞬态分析的精度和非线性收敛性 (如果存在)。
Restart
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10条件分为两种情况：其一， 初始温度场已知；其二，初始温度场未知。
瞬态热分析实例(二维)
模型[1]热传导问题：如图，110R cm =，220R cm =，密度为36000/kg m ，比热容为220/()J kg K ⋅，热传导率为6/()W m K ⋅，初始温度为300℃，突然放入30℃的液体中冷却，这种液体对流换热系数2120/()h W m K =⋅。
计算：（1）第1秒和第60秒这两个时刻温度分布情况；（2）内外边在60秒内温度变化。
1．设置环境① 设置分析模块。
本例是温度分布分析，所以只需要选择热分析模块，这样就可以把结构分析模块、电磁场分析模块和流体分析模块的菜单都过滤掉。
设置如图② 设置单位在命令行输入“/units,SI ”，SI 为设定为国际单位制。
必须注意：[1] 秦宇.ANSYS 11.0基础与实例教程[M]. 北京,化学工业出版社,2009:318-330ANSYS程序不会为你的分析假定一个单位制，除了磁场分析以外，你可以使用任何单位制，只要你能保证你输入的所有数据都是按照这个单位制进行的。
也就是说，单位制在所有输入数据中应该保持一致。
使用/UNITS命令，你可以在ANSYS数据库中进行标记来表示你使用的单位制。
但是请注意，这个命令并不将一个单位转化为另一个。
它仅仅只作为对分析的一个评论记录。
什么意思呢？就是/UNITS只是个标记，告诉别人程序的单位制，即使程序中没有使用这种单位制，它也不能将这种单位制转化为自己标记的那个单位制。
所以，如果你要让ANSYS的单位为国际单位制，你在输入物理量之前，先将所有的物理量转换为国际单位制，如：原先你的图纸上均为毫米，比如一个矩形截面尺寸是400mm*500mm，那么，你在建模之前先转化为0.4m*0.5m然后输入的长度为0.4和0.5，ANSYS只知道你输入的是0.4和0.5，它不知道你的单位是什么。
2．定义单元类型和材料属性①选择单元类型。
如图：我们选择【Quad 4node 55】即选择了PLANE55单元。
下面介绍一下PLANE55单元，我们直接从ANSYS帮助文档中摘录。
ANSYS稳态和瞬态分析步骤简述
+ qANSYS 稳态和瞬态热模拟基本步骤基于 ANSYS 9.0一、 稳态分析从温度场是否是时间的函数即是否随时间变化上，热分析包括稳态和瞬态 热分析。
其中，稳态指的是系统的温度场不随时间变化，系统的净热流率为 0，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量：q 流入生成流出 - q =0在稳态分析中，任一节点的温度不随时间变化。
基本步骤：（为简单起见，按照软件的菜单逐级介绍） 1、选择分析类型点击 Preferences 菜单，出现对话框 1。
（3- 1）对话框 1我们主要针对的是热分析的模拟，所以选择 Thermal 。
这样做的目的是为了 使后面的菜单中只有热分析相关的选项。
2、定义单元类型GUI ：Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete 出现对话框 2对话框 2点击Add,出现对话框3对话框3在ANSYS中能够用来热分析的单元大约有40种，根据所建立的模型选择合适的热分析单元。
对于三维模型，多选择SLOID87：六节点四面体单元。
3、选择温度单位默认一般都是国际单位制，温度为开尔文（K）。
如要改为℃，如下操作GUI：Preprocessor>Material Props>Temperature Units选择需要的温度单位。
4、定义材料属性对于稳态分析，一般只需要定义导热系数，他可以是恒定的，也可以随温度变化。
GUI:Preprocessor>Material Props>Material Models出现对话框4对话框4一般热分析，材料的热导率都是各向同性的，热导率设定如对话框5.对话框5若要设定材料的热导率随温度变化，主要针对半导体材料。
则需要点击对话框5中的Add Temperature选项，设置不同温度点对应的热导率，当然温度点越多，模拟结果越准确。
设置完毕后，可以点击Graph按钮，软件会生成热导率随温度变化的曲线。
ANSYS瞬态热分析--样件加热
ANSYS瞬态热分析--样件加热⽬录1. 要求⼀块0.8m*0.4m*0.2m厚的钢板，在300℃的炉⼦中进⾏加热，其材料参数如下表所⽰:材料参数序号名称参数1导热系数452弹性模量210E93⽐热5403泊松⽐0.34密度78502. ANSYS有限元分析ANSYS单位W/m℃对流换热系数：取202.1 APDL建模!程序头FINISH/CLEAR/FILENAME, TSR/PREP7!设置单元ET,1,SOLID278!设置材料MP,KXX,1,45!定义材料的导热系数MP,C,1,540!定义⽐热容MP,DENS,1,7850!密度!建⽴模型BLC4,0,0,0.8,0.4,0.2!设置属性TYPE,1MAT,1!设置⽹格划分LESIZE,1,,,25LESIZE,2,,,25LESIZE,9,,,20VMESH,ALL!设置初始温度TUNIF,22,!对流换热系数和环境温度SFA,ALL,1,CONV,100,300!设置温度偏移TOFFST,273,!设置求解FINISH/SOLANTYPE,4!瞬态分析KBC,1TRNOPT,FULL!完全法LUMPM,0DELTIM,60,30,300!默认时间间隔60s，最⼩30s，最⼤300s OUTRES,ALL,ALL!结果完全输出TIME,6000!100分钟SOLVE!求解FINISH/POST1PLNSOL,TEMP,,0!显⽰温度云图!显⽰中间⼀点的温度随时间的曲线FINISH/POST26SOLU,191,NCMITSTORE,MERGEFILLDATA,191,,,,1,1REALVAR,191,191NSOL,2,NODE(0.4,0.2,0.2),TEMP,,TEMP_3STORE,MERGEXVAR,1PLVAR,2,SAVE最后时刻温度云图温度随时间变化曲线。
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收敛准则：采用稳态收敛准则
因瞬态计算包括非稳态项在内，故时间 步的划分同网格的划分一样，都会对计 算的误差起影响，同网格一样，时间步 也必须足够密到能够描述所发生的变化
最好采用收敛准则： Monitor Point Convergence For Temperature
.
瞬态分析的收敛性
总功耗=稳态功耗值 * Transient F
.
瞬态分析的后处理
2)FLOMOTION后处理调入相应时刻点的温度场, Menu[File->Load Time Data] 1)首先在解算前必须保存某时 刻点的计算结果, Menu[Model->Save Transient Data]
FLOMOTION
3)Table后处理调入相应时刻点的温 度场, Menu[Edit->Mode->Display Result->Display Transient Data]
.
瞬态函数的设定
Transient Function
变化物理量=稳态设定值 * Transient F
.
瞬态函数的设定
采用曲线输入
函数形式输入
.
瞬态函数的设定
几种瞬态函数
+
+
=
.
瞬态函数的设定
Overlapping Functions
+
×
.
时间步的划分
Total Transient Time: Start Time:设定整个瞬态求解的起始时间 End Time:设定整个瞬态求解的终止时间 Transient Solution Period: Start Time:本次求解时瞬态计算起始的时间 Duration: 最大充许的时间步 Keypoint Tolerance: 最小充许的时间步
收敛准则=稳态功耗值/200 !!!!!
例：某总功耗为200*F(t)W，设定方法如下两种： 1)稳态功耗值=200, F(t)=X[0,1]，收敛准则为1W 2)稳态功耗值=1, F(t)=X[0,200]，收敛准则为0.005W
注意：在瞬态分析中，如果某一时间步上的计算没有良好的 收敛，则计算的误差会累积到以后时间步的计算当中。
kA
经验公式：开机经过5*TC时间后，固体大致达到热平衡。
.
瞬态特性
时间常数的求解方法：t时刻一固体的温度值 估计公式，可借助该公式求解TC：
160.00 1.00 0.90
Temperature T-Ts/Tamb-Ts Exp Curve fit
T Ts exp(t / tc ) Tamb Ts
.
变化环境温度的设定
流体物性的计算 如果环境温度变化太大： 1)流体的物性应随温度值变化 2)自然浮升力的计算应基于变化 的流体密度
Fluid Property选择Ideal Gas Law而非Constant
.
瞬态分析的收敛性
最大迭代次数N的设定必须合理，否则每 一次计算如果都无法完全收敛，则每一个 时间步都必须计算完最大的迭代次数N。
软件会自动跟据瞬态函数的 周期和忽变点上划分时间步
.
时间步的划分
5分钟划分一个时间步 2.5分钟划分一个时间步 1.25分钟划分一个时间步
0.625分钟划分一个时间步 0.3125分钟划分一个时间步
时间步细分准则:一定要细分到 计算结果不发生改变为致:
例:一变化功耗:周期为5分钟
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变化环境温度的设定
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高级培训:瞬态分析
Flomerics中国代表处
.
瞬态分析
• • • • • 开机瞬态; 关机瞬态; 故障瞬态:冷却设备发生故障,如风扇失效; 变化功耗的瞬态; 变化环境温度的瞬态;
瞬态所需要的参数:
• • • 初场; 材料密度+比热容; 时间步上的离散;
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瞬态特性
时间常数:热阻*热容
TC
V Cpl
瞬态分析必须保证密度和 比热容属性的存在!!
Thin Plate
V7.1新功能：热容网络模型
Compact Component
2R model
任何Collapsed的Cuboid或Enclosure Wall都不具备热容属性
芯片的双热阻模型或热阻网络模型 也不具备热容属性
.
瞬态参数-芯片的折合材料库
.
瞬态分析的后处理
• Profile中,可借助Monitor Point描述出 元器件某处温度随时间的变化关系
Monitor Points VS Time
1)定义一 固定值的初场 2)调用其它计算好的结果作为初场
模型可以不一致,网格必须一致
.
瞬态的初场
初场的定义：
1)Global System Settings； 2)Initial Variables； 3)Subdomain 3)Subdomain
定义求解域内不同值的物理量
.
瞬态参数-密度、比热容
1)初场(优先级较initial variables小) Global System Settings的功能 2)边界条件(优先级较ambient小) 3)浮升力、辐射计算基准
.
瞬态的初场
初场的定义：
1)Global System Settings； 2)Initial Variables； 3)Subdomain
.
瞬态分析步骤
1) 同稳态分析一样建立求解模型(材料的密度和比热容)； 2) 设定求解初场；
3) 设定瞬态变化物理量(变功耗\变环境温度\其它)；
4) 划分求解时间步； 5) 设定需保存结果的各时间步； 6) 求解分析； 7) 后处理；
.
瞬态的初场
初场的定义：
1)Global System Settings； 2)Initial Variables； 3)Subdomain
T:器件的t时刻点温度;
TS:器件的稳态温度; Tamb:环境温度
140.00 120.00 100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 0 50 100 150 200 y=e
2 -0.05x
0.80 0.70 0.60 0.50 0.40
R =1
0.30 0.20 0.10 0.00 250