过渡温度分析 — CAE术语解说

这是个很好的问题。我用具体例子给你解释。考虑一个铁块（密度

这表示"传热导入的净热流"。里面的

实务中多种多样。电子零件的焦耳热（比如CPU的TDP 65W）、化学反应热、激光照射（功率密度

不行。单纯的前进差分（显式法）条件太严格。时间步长

隐式法，特别是后退差分（Backward Euler）或Crank-Nicolson法是标准。这些方法无条件稳定，时间步长可以按物理意义设定，比如1秒或10秒。代价是每个时间步都要解大规模的线性方程组

数值稳定性上是的，但物理精度是另一回事。温度急速变化的现象，比如焊接模拟，步长用10秒的话就会完全看不到峰值温度。关键是按现象的时常数来选择步长。热时常数估算式是

必须先确定"初始温度条件"。所有节点的初始温度都要定义。大多数情况是从统一室温（22℃）开始，但是比如发动机部件在停工后分析，初始条件要是非均一的温度分布。然后，边界条件要在"热流"、"温度"、"对流"、"辐射"四种中选择合适的。比如根据JIS C 60068的热冲击试验（-40℃↔85℃）模拟，就要把温度边界条件设为时间函数。

温度变化大时是必要的。比如不锈钢SUS304比热，室温是500 J/(kg·K)，但到500℃就升到550 J/(kg·K)。热导率也变化。要参考Ansys材料库或JAHM（日本热物性学会）数据库，用表格输入。忽视这一点，特别是高温区温度预测误差会超过10%。

大温度梯度发生的地方网格要细。比如散热片根部或急速加热点周围。单元尺寸目标是热浸透深度

计算到现象达到定常或到感兴趣的时间范围。比如电子器械连续运行的温度上升，通常分析时常数的3～5倍，就基本稳定了。前面的例子时常数1300秒，那差不多两小时的分析足够。可以设终止条件，比如"最大温度变化率每小时小于1℃"之类的标准来判定。

架构哲学不同。Ansys Mechanical的强处是"专用求解器"，大规模线性问题求解快。超过1000万节点的汽车电池模块热分析等就能看出威力。Abaqus/Standard对非线性连成分析有名声，特别是热-应力连成（热应力）。焊接和铸造模拟中，能追踪温度历史下的变形、残余应力。

强处是用户可以直接灵活定制支配方程。比如生物组织加热（压电效应发热）或化学反应伴随的复合材料硬化放热，标准热传导方程没有的项可以自己加。而且电磁-热、流体-热连成在GUI上直观易设置。不过纯大规模热传导问题的求解速度，Ansys还是快一点。

可以，但上手和设置要花功夫。OpenFOAM的`chtMultiRegionFoam`求解器可以做固体和流体领域的"共役传热"过渡分析。但全部设置（时间积分法、收敛判定、物性值表格输入）都要用文本文件。CalculiX的热分析与Abaqus格式类似，但大规模非线性问题的求解器性能和前处理功能不如商用软件。适合研究用或完全理解分析流程的情况。

先检查材料物性有没有非物理值。比热或热导率是不是极端小（1e-10）或负数。其次看边界条件和初始条件的组合。比如初始温度设1000℃，表面又设0℃对流（传热系数1000 W/(m²·K)），开始时间步会有剧烈温度变化，隐式法的牛顿-拉夫逊迭代就不收敛。

最多的是"传热系数"设置错。自然对流和强制对流差1～2个数量级。自然对流静止空气约5～25 W/(m²·K)，风扇强制对流约50～200 W/(m²·K)。这错了，最终温度偏差很大。还有一个原因是"热辐射"被忽视。高温（200℃以上）零件，辐射放热不能忽视。要正确设置辐射率ε（0～1）。磨光铝约0.05，涂装面接近0.9。

这是"数值振荡"的可能性大。特别是热流或发热源局部陡峭，用一次单元时容易发生。对策有两个。第一，提高单元阶数（Ansys里用二次单元SOLID90或SOLID278）。第二，求解器设置里加一点"数值阻尼"（但过度阻尼会降精度）。还有，时间步长设太大也会在隐式法下产生空间振荡。改成合理的步长试试。

这是实务最难的问题之一。单纯用"粘接"接触，热就假定完全传导。现实接触面粗糙和空隙会产生"热接触阻抗"。Ansys里接触单元设"热接触导纳（TCC）"。数值需要实验数据，金属紧固件间通常0.1～10 kW/(m²·K)的阶数。面压大TCT也增大。初期探索可以用接触面积减50%的等价模型来分析。