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热分析是 FEA 分析师的强大工具。分析 PCB 中的芯片发热或电池的发热效应等问题非常有用。有两种主要类型的热分析——稳态和瞬态。在本文中，我们将讨论这两种类型以及何时使用它们。
知识背景
传热可以用控制传热方程表示，对于固体的一维热传导如下：
换言之，系统 产生的热量Q 作为传导输出并存储在系统内部。可用于求解该方程的不同边界条件包括指定的表面温度、表面热通量、绝缘、对称性、对流热传递和辐射。
稳态热分析
在稳态热分析中，该问题没有有意义的时间尺度。换言之，省略了内能项。在 Abaqus 中，您可以指定时间增量和时间段，但它与实际时间无关——这类似于结构 FEA 中的隐式方法。该时间段仅线性地改变应用的通量和边界条件的规模。
对于稳态热分析，热传导方程可以写成矩阵形式，如下所示：
您会注意到该形式类似于隐式结构 FEA 中使用的形式。Ku = F。由于省略了内能项，运行稳态热分析所需的唯一材料属性是热导率。
究竟什么是导热系数？顾名思义，导热性是材料导热的能力。打个比方，想象一下用泡沫塑料杯和陶瓷杯供应咖啡。当您触摸泡沫塑料杯的外部时，与触摸杯子外部相比，您的手不会感到灼热。这是因为陶瓷杯具有更高的导热性，因此可以更好地传递热量。
此外，由于省略了内能项，稳态热分析仅求解 dT/dt = 0 时的控制传热方程。这对应于系统的平衡或稳态。
瞬态热分析
与稳态热分析不同，瞬态热分析中的时间很重要，更类似于结构 FEA 中的显式方法。与显式方法一样，瞬态热分析要求您将分析分解为小增量，以正确捕获与时间相关的行为。几乎任何可以作为稳态分析运行的分析也可以作为瞬态分析运行，因为瞬态解将在很长一段时间内收敛到稳态解。然而，这是非常低效的，所以如果一个问题可以很容易地作为稳态热分析运行，那么它通常是首选。
对于瞬态热分析，热传导方程可以写成矩阵形式，如下所示：
在这个方程中，C 是密度和比热的乘积。在 Abaqus 中，这是使用反向欧拉公式解决的，这是一种隐式方法：
除了热导率之外，还必须在运行瞬态热分析时定义每种材料的比热和密度。
比热究竟是什么？它是将单位质量的物质的温度升高一度所需的热量。物质的比热越高，提高其温度所需的能量就越多。例如，我们使用金属锅来烹饪食物，因为它们的比热相对较低，可以让它们快速变热。但是，当我们将这些平底锅从烤箱中取出时，我们会使用烤箱手套，因为它较高的比热可以防止它们快速升温，从而使我们能够将平底锅从烤箱中取出而不会烫伤我们的手。
由于瞬态热分析涉及随时间变化的载荷，因此初始温度非常重要。待冷却的热饮比温热的饮料需要更长的时间才能达到稳定状态！
关于非线性的解释
一些非线性，例如潜热，要求热分析是瞬态的。潜热是物质在不改变其温度的情况下，相变过程中吸收或释放的热量。例如，当冰在玻璃杯中融化时，用于融化冰的所有能量都被吸收为潜热，而温度仍保持在 0°C。
有时，瞬态分析可以更有效的解决具有严重非线性的稳态情况。这是因为内能项起到了稳定器的作用。
你应该使用哪一个？
如前所述，您使用稳态还是瞬态热分析本质上取决于基于时间的行为是否重要。这总结如下：在以下情况下使用稳态热分析：
时间行为无关紧要；
你只对平衡结果感兴趣；
在以下情况下使用瞬态热分析：
时间的影响很重要；
您对特定时间的温度感兴趣；
模型存在严重的非线性；
该文章转自公众号《abaqus仿真世界》如有侵权删
