有限元分析-热分析报告

【问题描述】本例对覆铜板模型进行稳态传热以及热应力分析，图I所示的是铜带以及基板的俯视图，铜带和基板之间由很薄的胶层连接，可以认为二者之间为刚性连接，这样的模型不包含胶层，只有长10mm的铜带（横截面2mm×0.1mm）和同样长10mm的基板（横截面2mm×0.2mm）。

材料性能参数如表1所示，有限元分析模型为实体——实体单元，单元大小0.05mm，边界条件为基板下表面温度为100℃，铜带上表面温度为20℃，通过二者进行传热。

图I 铜带与基板的俯视图表1 材料性能参数名称弹性模量泊松比各向同性导热系数基板 3.5GPa 0.4 300W/(m·℃)铜带110GPa 0.34 401W/(m·℃)【要求】在ANSYS Workbench软件平台上，对该铜板及基板模型进行传热分析以及热应力分析。

1.分析系统选择（1）运行ANSYS Workbench，进入工作界面，首先设置模型单位。

在菜单栏中找到Units下拉菜单，依次选择Units>Metric（kg,m,s,℃，A，N,V）命令。

（2）在左侧工具箱【Toolbox】下方“分析系统”【Analysis Systems】中双击“稳态热分析”【Steady-State Thermal】系统，此时在右侧的“项目流程”【Project Schematic】中会出现该分析系统共7个单元格。

相关界面如图1所示。

图1 Workbench中设置稳态热分析系统（3）拖动左侧工具箱中“分析系统”【Analysis Systems】中的“静力分析”【Static Structural】系统进到稳态热分析系统的【Solution】单元格中，为之后热应力分析做准备。

完成后的相关界面如图2所示。

图2 热应力分析流程图2.输入材料属性（1）在右侧窗口的分析系统A中双击工程材料【Engineering Data】单元格，进入工程数据窗口。

有限元分析实例-----电线生热稳态热分析（使用ANSYS17.0软件）一个典型的ANSYS分析过程可分为以下6个步骤：①定义参数②创建几何模型③划分网格④加载数据⑤求解⑥结果分析一、进行平面的轴对称分析启动ANSYS17.0软件。

1.定义文件分析名。

选择Utility Menu--file--change jobname命令，输入“exercise-1”，单击ok按钮。

2.定义单元类型。

Main Menu--Preprocessor--Element type--add/edit/delete。

选择add-Thermal mass--solid--Quad 4node 55单元，单击ok按钮。

选择options--k3---Axisymmetric，单击ok按钮。

单击close按钮。

3.定义参数，直接在键盘输入R=0.001015 (半径)Q=1.718e9 (热流密度)LB=19.03 (导热系数)4.定义材料属性。

选择Main Menu--Preprocessor--Material props--Material Models，弹出对话框，选择各向同性的温度材料，如图设置，单击ok按钮。

5.创建模型。

选择Main Menu--Preprocessor--Modeling--create--Areas--Rectangle--By Dimensions命令。

如图设置，单击ok按钮，建立矩形，如下图。

6.设置网格单元密度。

选择Main Menu--Preprocessor--Meshing--Sizecntrls---ManualSize---Global--size。

如图设置，单击ok按钮。

有限元模型如下图。

7.划分单元。

选择Main Menu--Preprocessor--Meshing--Mesh---Areas---TargetSurf，选择pick all。

8.施加热载荷。

MainMenu--Preprocessor---Loads---DefineLoads---Apply---Thermal---Heat Generat----On Areas,选择整个矩形。

ANSYS有限元分析软件在热分析中的应用随着科学技术的不息进步，有限元分析成为了工程领域中必不行少的工具之一。

其中，ANSYS有限元分析软件以其强大的功能和可靠的计算结果，被广泛应用于热分析领域。

本文将介绍，并探讨其优点和局限性。

热分析是指对物体在不同温度条件下的热力学和热物理学性能进行计算和分析的过程。

在各个工程领域中，如航空航天、建筑、汽车等，热分析对于确保产品的安全性和可靠性至关重要。

而ANSYS有限元分析软件作为一款强大的工程分析工具，具备了强大的计算能力和准确的结果输出，被广泛应用于热分析。

起首，主要包括两个方面：传热分析和热应力分析。

在传热分析中，ANSYS能够计算物体在不同温度条件下的热传导、热对流和热辐射等热传输过程，从而得到物体内部和表面的温度分布和热流分布。

在热应力分析中，ANSYS能够计算物体在不同温度条件下的热应力和热应变分布，从而评估物体受热载荷引起的变形和应力集中状况。

其次，具有一些明显的优点。

起首，ANSYS具备了强大的计算能力，能够对复杂的几何外形和边界条件进行精确的计算。

其次，ANSYS提供了丰富的材料库，可以模拟各种不同材料在热条件下的性能变化。

此外，ANSYS还提供了直观的后处理工具，可以便利地对计算结果进行可视化和分析。

最后，ANSYS的界面友好，易于进修和使用，便利工程师进行热分析。

然而，ANSYS有限元分析软件在热分析中也存在一定的局限性。

起首，由于计算过程中需要进行离散化处理，ANSYS的计算结果可能存在一定的误差。

其次，由于热分析涉及到复杂的物理过程和边界条件，对模型的建立和参数的选择要求较高，需要阅历丰富的工程师进行指导和调整。

此外，ANSYS的使用需要一定的计算资源和时间，对计算机性能有一定的要求。

综上所述，ANSYS有限元分析软件在热分析中具有广泛的应用前景。

随着科学技术的进步和ANSYS的不息进步，其在热分析中的功能以及计算结果的准确性将会得到进一步提高。

ANSYS有限元分析软件在热分析中的应用随着科学技术的不断发展，工程领域的热分析越来越重要。

热力学、热传导、热对流、辐射传热等问题是工程领域中需要解决的关键问题之一。

ANSYS有限元分析软件作为一款功能强大、使用广泛的工程分析工具，在热分析领域发挥着重要的作用。

ANSYS有限元分析软件是一种基于有限元理论的数值计算工具。

它通过将一个复杂的物理问题划分成一个个简单的子域，然后将这些子域用有限元进行离散，再通过数值计算方法求解模型的应力、应变等物理场。

在热分析中，ANSYS能够非常准确地模拟材料的温度分布、热流量分布以及传热过程等问题，为工程师提供必要的设计信息。

在热分析中，ANSYS可以解决一系列不同的问题。

首先，它可以模拟材料的温度分布。

通过定义不同的材料参数和边界条件，ANSYS可以准确地计算出材料在不同情况下的温度分布，并可以用图形的形式进行展示。

这对于工程师来说非常有用，因为他们可以根据这些温度分布来判断材料是否会出现过热或者过冷的问题，从而进行相应的调整。

其次，ANSYS还可以模拟热流量的分布。

在实际工程中，热流量的分布是一个很重要的参数。

通过分析热流量的分布情况，工程师可以判断热量的传输是否合理，从而优化设计，提高效率。

ANSYS可以非常准确地计算出热流量的分布，并提供相应的图像展示，方便工程师观察和分析。

此外，ANSYS还可以模拟热对流传热问题。

热对流传热是指通过流体的对流而传递热量的现象。

在实际工程中，热对流非常常见，比如汽车发动机的冷却系统等。

ANSYS可以根据流体的流动特性和边界条件，准确地计算出热对流传热的情况，并提供相应的结果分析。

这对于工程师来说非常重要，他们可以通过这些结果来评估流体的冷却效果是否达到设计要求。

最后，ANSYS还可以模拟辐射传热问题。

辐射传热是指通过辐射而传递热量的现象，是热传导和热对流之外的一种重要传热方式。

在一些高温环境中，辐射传热非常显著，比如高温工业炉等。

基于有限元方法的热传导分析及其工程应用热传导是热力学中的一个重要现象，它描述了热量在物体中的传递过程。

在许多工程领域中，对热传导进行准确的分析和预测至关重要。

有限元方法是一种常用的数值模拟方法，可以有效地用于热传导分析，并在工程实践中得到了广泛的应用。

1. 有限元方法简介有限元方法是一种将复杂问题离散化为简单问题的数值方法。

它将需要求解的区域划分为有限数量的子区域，称为单元。

通过在每个单元上建立适当的数学模型，并考虑其边界条件，可以得到整个区域的近似解。

有限元方法可以应用于不同的物理场问题，例如结构力学、热传导、流体力学等。

2. 热传导的数学模型热传导过程可以用热传导方程表达。

对于三维空间中的热传导问题，热传导方程可以写作：∇·(k∇T) + q = ρCp∂T/∂t其中，T是温度分布，k是热导率，q是体积源项，ρ是密度，Cp是比热容。

这是一个偏微分方程，可通过有限元方法进行离散化求解。

3. 有限元离散化过程为了使用有限元方法解决热传导问题，首先需要将待求解区域划分为有限数量的单元。

常见的单元形状有三角形、四边形单元等。

然后，在每个单元内选择适当的插值函数来近似温度场的分布。

通过在每个单元上建立局部方程，并将它们组装成一个整体方程，可以得到一个线性方程组。

通过求解这个方程组，可以得到整个区域的温度分布。

4. 边界条件的处理在热传导问题中，边界条件起着重要的作用。

边界条件可以分为温度边界条件和热通量边界条件。

温度边界条件指定了边界上的温度值，而热通量边界条件指定了热量在边界上的传递速率。

在有限元方法中，通过在网格节点处施加相应的边界条件，可以得到方程组的边界条件部分。

5. 工程应用基于有限元方法的热传导分析在工程中有着广泛的应用。

以热导率为例，对于材料的选取和设计，了解其热导率的分布是非常重要的。

有限元方法可以对材料的热导率进行模拟和预测，从而指导工程设计和优化。

同时，在导热设备的设计中，有限元方法也可以用来评估材料的热传导性能，确定热传导路径，优化传热效果。

有限元法在工程领域的发展现状和应用有限元法(Finite Element Method,FEM),是计算力学中的一种重要的方法,它是20世纪50年代末60年代初兴起的应用数学、现代力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学。

有限元法最初应用在工程科学技术中,用于模拟并且解决工程力学、热学、电磁学等物理问题。

对于过去用解析方法无法求解的问题和边界条件及结构形状都不规则的复杂问题,有限元法则是一种有效的分析方法。

近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器，国防军工，船舶，铁道，石化，能源，科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面：（1）增加产品和工程的可靠性（2）在产品的设计阶段发现潜在的问题（3）经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本（4）模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费一、有限元法的基本思想有限元法的基本思想是先将研究对象的连续求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互联结在一起的单元组合体。

由于单元能按不同的联结方式进行组合,且单元本身又可以有不同形状,因此可以模拟成不同几何形状的求解小区域;然后对单元(小区域)进行力学分析,最后再整体分析。

这种化整为零,集零为整的方法就是有限元的基本思路。

有限元法分析计算的思路和做法可归纳如下：1物体离散化将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。

离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算进度而定（一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大）。

所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同新材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。

PCB设计过程中的热分析方法在现代电子设备中，印刷电路板（Printed Circuit Board，简称PCB）的设计起着至关重要的作用。

而PCB设计过程中热分析方法的应用，则能够有效地优化电子设备的性能和稳定性。

本文将介绍一些常用的PCB热分析方法，并探讨其在设计中的应用。

一、热传导分析热传导是指热量在物质中的传递过程。

在PCB设计中，通过热传导分析可以评估电路板上各个区域的热量分布情况，以及可能的热点问题。

常用的热传导分析方法包括有限元分析（Finite Element Analysis，简称FEA）和计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）。

1. 有限元分析（FEA）有限元分析是一种基于数值计算的热传导分析方法，通过将复杂的物理问题离散化为有限个简单的单元，然后求解其热传导方程来模拟和分析热传导过程。

在PCB设计中，可以将PCB板材、元器件以及散热器等各个组成部分建模，进行热传导仿真，以评估热量传递和散热效果。

2. 计算流体力学（CFD）计算流体力学是一种模拟流体运动和热传导的数值计算方法。

在PCB设计中，CFD可以用于模拟电路板上的空气流动和热传导，以评估设备在不同工作条件下的散热能力。

通过CFD分析，可以优化散热设计，提高设备的热性能。

二、热应力分析热应力是指由于温度变化引起的物体内部产生的应力。

在PCB设计中，热应力分析可以帮助评估电路板在工作过程中可能出现的应力问题，以及可能导致的热疲劳和损坏。

1. 热膨胀系数分析热膨胀系数是一个物质在温度变化时的膨胀量与初始尺寸之比。

在PCB设计中，通过对电路板材料的热膨胀系数进行分析，可以预测电路板在高温环境下可能出现的材料破裂、开裂等问题，从而避免设计上的失误。

2. 结构热应力分析结构热应力分析是一种通过数值计算方法，模拟和分析电路板在热载荷下的应力分布和变形情况。

通过对PCB设计中的不同部件进行热应力分析，可以找出潜在的应力集中区域，避免热应力过大导致的破裂或变形。

实验五Workbench热力学分析课程名称有限元应用与工程实践课程编号实验地点实验时间合班号校内指导教师评阅人签字成绩一、实验目的1.掌握ANSYS Workbench温度场分析的方法及过程；2.掌握ANSYS Workbench稳态温度场分析的设置与后处理；3.掌握Workbench Meshing瞬态温度场分析的时间设计方法;二、实验内容1.稳态热学分析:热传递与对流分析.计算实体模型的稳态温度分析及热流密度；（圆柱初始温度为25°，在底面施加300°的温度载荷，周围和顶面为对流传热面，周围温度为25°，分析温度场）2.稳态热学分析:水杯热学分析,通过对杯子模型加载温度荷载来分析其温度分布状况（铜合金材料的水杯模型，在内表面施加100°的温度载荷，在外表面施加对流传热系数来模拟当水杯装满热水时的温度。

空气自然对流膜传热系数一般0.01~0.1W/mm2）；3.瞬态热学分析:计算铝制散热片的暂态温度场分布.三、实验步骤（一）计算实体模型的稳态温度及热流密度1.导入几何体：进入Workbench工作页面，选择Units→Metric命令设置模型单位；选择Analysis Systems下的Steady-State Thermal，双击创建项目，并右键单击Geometry栏，选择Replace Geometry→Browse命令，导入圆柱体，此时项目中Geometry栏后的？变为√，表示实体模型已经存在，材料采用默认材料。

2.双击项目管理区中项目的第4栏Model项，进入Mechanical界面，在该页面中选择Units→Metric命令，设置分析单位。

3.划分网络：选中分析树中的Mesh项，单击Mesh工具栏中Mesh Control→Sizing命令，将Relevance Center改为Fine，在Mesh单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Generate Mesh，进度条消失后即完成网格划分。