Workbench中提供了两种热传导分析模块：Steady-State Thermal （稳态热力学）和Transient Thermal （瞬态热力学）。这两个模块可以求解固体的热传导问题，可以计算得到固体的温度分布。

对于流体的温度场计算则使用Fluent 模块。

本文主要介绍固体的热传导的分析方法（包括稳态热传导和瞬态热传导），边界条件的解释（包括热载荷，接触传热的参数解释），以及热应力的计算过程。

对于热传导分析的基本步骤与结构分析的基本步骤类似，主要有以下几个步骤：

1.定义材料参数

2.建立几何模型

3.前处理：包括划分网格，设置接触参数

4.施加边界条件：包括热载荷和约束调价

5.分析选项设置

6.结果后处理

下面根据这几个步骤依次进行介绍：

1.定义材料参数

对于稳态热传导计算，需要定义的材料属性只有一个，那就是导热系数（Thermal Conductivity）。

通过Engineering Data可以定义一个固定值的导热系数（单位：W/m/°C），此时为线性稳态分析；

也可以定义一条对温度变化的导热系数曲线，此时为非线性稳态分析。下图中的导热系数曲线只是输入方式的一个示意，不是任何一种材料的导热系数。

对于瞬态热传导分析，除了定义导热系数之外还需要定义比热（单位：J/kg/°C））和密度（单位：kg/m3）。也可以按照上面的方法引入非线性的材料属性，不再赘述。

若要计算热应力，除了以上几个材料属性外还需要定义材料的热膨胀系数（单位：1/°C）,弹性模量（单位：pa）,泊松比等。

2.建立几何模型

几何模型可以在3维建模软件中画好导入ANSYS中，也可以使用DM 或SCDM 来进行创建。这里需要注意的是，若使用SurfaceBody ，则忽略厚度方向上的温度梯度，对于Line Body，忽略横截面上的温度梯度。

一般我们在进行工程计算时都是三维模型，在进行分析前可以先通过已有的经验来考虑是否需要简化成二维计算或一维计算。对于薄壁零件，若不考虑厚度方向上的温度梯度时可以选择抽壳简化。对于轴类零件，若只关注轴向的温度梯度变化时，也可以简化为一维线几何进行计算。这样可以一些减少计算量。

3.前处理：包括划分网格，设置接触参数

其实严格意义上来讲，材料定义和几何建立都属于前处理的部分。但是由于Workbench中将材料和几何单列开，所以这里的前处理特指workbench 流程中的Mesh 这个部分，及划分网格和接触设置。

网格划分的基本规则与结构仿真类似，在温度梯度大的位置适当加密网格，接触面上的网格适当加密网格。

4.施加边界条件：包括热载荷和约束条件

workbench热传导计算中提供3种热载荷：热流率（Heat Flow）、热通量（Heat Flux）、热生成（Internal Heat Generation），其单位分别为 W ,W/m2,W/m3，物理意义即为单位时间（单位面积/体积）施加的能量。

从这三种热载荷的单位可以看出，热流率载荷（W）可以施加在点、线、面上 ; 而热通量载荷（W/m2）只能施加在面上；热生成载荷只能施加在体上。

在Heat 的下拉菜单下还有一种边界类型：Perfectly Insulated 其实它也是热流率载荷的其中一种，只不过它施加的热流量为0 ，即在某些面上强制施加0热流，达到绝热的效果。

这种边界适用于大多数模型都暴露在一种环境下而只有个别面没有这些负载时，为了选择方便，可以先选中所有面并赋予一种边界条件，然后在对个别的面施加Perfectly Insulated 边界来覆盖上一步施加的热载荷。

例如，杯子置于桌面上，除了杯底与桌面接触外，其余所有面与空气产生对流效应。这时可以施加对流边界在所有面上，然后对底面施加Perfectly Insulated 来去掉上一步中施加的对流边界。

边界条件类型主要有三种：恒温边界（Temperature）、对流边界（Convection）、辐射边界（Radiation）。

其中，恒温边界可用于点、线、面或体上；

对流边界仅能施加于表面（或2D分析时施加在边上），其中必须定义的参数有两个：对流换热系数和环境温度

对流换热系数（Film Coefficient）的默认单位为W/m2°C，对流换热系数也可以通过表格形式添加；workbench中提供了随温度变化的空气和水的自然对流系数表格，可以直接调用。

辐射边界只能施加于面上（2D分析中可以施加在边上），可以是表面环境的辐射，也可以是表面之间的辐射。

必须定义的参数有黑度Emissivity和环境温度°C

对于瞬态分析，当环境温度会随时间变化时，可以通过表格来定义温度，如下图，这种方法也可以用于对流边界中的环境温度定义。

5.分析选项设置

和结构分析类似，热分析的分析选项中主要也是设置载荷步、非线性设置和输出设置。

在初始计算时，可以使用程序默认的设置。在进行非线性计算时，若发现收敛时间慢或收敛困难时，可尝试分几个载荷步进行加载，并定义子步数范围。

在非线性设置中，可以设置热流量和温度的收敛准则。

在输出设置中，可以设置是否计算热通量和制定结果的输出频率。有时候计算文件较大时，可适当减小结果的输出频率以减小占用内存空间。

6.结果后处理

求解完成后可以在后处理中添加温度和热通量的结果，还可以得到对流或辐射边界上的热通量。

通常在计算结束后检查所有面上的热流率，若所有面上的热流率之和为0 ，则说明系统处于热平衡状态，计算结果正确。

对于瞬态的热传导计算通常将稳态热传导的计算结果作为初始条件，分析流程如下图：

对于热应力计算，通常将稳态热分析计算得到的温度场结果作为结构的载荷条件，其分析流程如下图：

下面通过一个例子来完整展示热应力分析过程：

1.建立分析流程：

启动Workbench ，添加热应力分析流程

2.定义材料数据

双击Engineering Data打开材料定义界面。添加新材料New_MAT，添加材料的热膨胀系数、参考温度、线弹性参数、导热系数等属性，如下图：

3.建立几何模型

在SCDM中建立一个直径为1m，长为5m的圆柱体

4.指定材料

双击Setup打开Mechanical Application 。将几何的材料有默认的结构钢改为刚刚添加的New_MAT。

5.划分网格

选择Mesh ，本案例中的几何比较规则，可以使用Sweep方法划分出六面体网格，网格尺寸为0.1mm，划分得到的网格如下图

6.稳态热分析边界

在Steady-State Thermal 中，添加如下几个边界条件：

1） 左端面施加温度边界：50°C

2）右端面施加热流载荷：500W

3）圆柱侧面施加对流边界：5W/m2°C，环境温度为25°C

4）初始温度为25°C

在Solution中，添加温度和热流两个输出结果，并分别添加对流面和温度边界面上的探针，提取他们的热流量计算结果。

7.稳态热分析计算结果

求解结束后可以看到温度分布结果

三个面的热流率分别为左端面618.32W ，圆柱侧面-1183.3W ,加上边界条件中给出的右端面500W，三个值相加为0 ，证明系统处于热平衡状态。

8.热应力分析

在项目树中的Static Structual 的添加两侧端面支撑Frictionless Support ，在Solution中添加Normal Stress结果，可以得到轴向的热应力。