SolidWorks 热分析完整教程

第一部分：热分析基础理论

在进行任何操作之前,理解基本概念至关重要，SolidWorks 的热分析基于有限元分析，它将复杂的模型简化为大量简单的单元（如四面体），在每个单元上求解热力学方程。

核心概念

• 热传导: 热量通过物质内部的分子、原子振动和自由电子运动从高温区域传递到低温区域，这是固体热传递的主要方式。
  • 傅里叶定律: q = -k * A * (dT/dx)，q 是热流量，k 是导热系数，A 是面积，dT/dx 是温度梯度。
• 热对流: 热量通过流体（液体或气体）的宏观运动传递，CPU 散热器风扇吹过散热片带走热量。
  • 牛顿冷却定律: q = h * A * (T_s - T_f)，h 是对流换热系数，A 是表面积，T_s 是固体表面温度，T_f 是流体温度。
• 热辐射: 物体通过电磁波（主要是红外线）发射和吸收热量，任何有温度的物体都在辐射，温度越高，辐射越强。
  • 斯蒂芬-玻尔兹曼定律: q = ε * σ * A * (T_s^4 - T_env^4)， 是发射率， 是斯蒂芬-玻尔兹曼常数，T_s 是物体表面温度，T_env 是环境温度。
• 稳态热分析: 系统内任意点的温度不随时间变化，即 ∂T/∂t = 0，我们只关心系统达到热平衡后的温度分布和热流量。
• 瞬态热分析: 系统内任意点的温度随时间变化，即 ∂T/∂t ≠ 0，我们关心温度随时间如何演变，例如电子设备开机后的升温过程。

分析类型

SolidWorks Simulation 主要提供两种热分析：

• 稳态热分析: 用于分析在稳定热载荷下的温度分布、热流量和热通量，分析一个持续运行的电机外壳的最终温度。
• 瞬态热分析: 用于分析系统随时间变化的温度响应，分析焊接过程中焊缝及其周围区域的温度变化，或分析电子设备从开机到达到稳定温度的过程。

第二部分：准备工作与界面

软件要求

• SolidWorks Premium 或 SolidWorks Professional 版本。
• SolidWorks Simulation 插件必须已安装并激活。

激活 Simulation 插件

打开 SolidWorks，点击顶部菜单 工具 -> 插件，勾选 SolidWorks Simulation，然后点击 确定。

Simulation 界面

• Simulation Manager: 位于左侧面板，是整个分析过程的管理中心，显示研究、算例、夹具、外部载荷、网格、结果等所有分析要素。
• Command Manager: 顶部会出现 Simulation 选项卡，包含所有分析工具。

第三部分：稳态热分析实例 - CPU 散热片

假设我们要分析一个简单的 CPU 散热片，其底部固定温度（模拟与 CPU 接触），表面有自然对流和辐射散热。

目标： 计算散热片在达到热平衡后的温度分布。

步骤：

创建或打开模型

• 打开或创建一个散热片模型,确保模型几何形状正确，没有未修复的缝隙。

创建算例

• 点击顶部 Simulation 选项卡 -> 算例。
• 在弹出的窗口中：
  • 名称: 稳态热分析_散热片
  • 分析类型: 选择 热。
  • 子类型: 选择 稳态。
  • 网格类型: 保持默认的 实体网格。
• 点击 确定，左侧 Simulation Manager 中会出现新的算例。

应用材料

• 右键点击 实体 -> 应用材料/材料。
• 选择散热片的材料,Aluminum Alloy 6061，确保材料的导热系数 已定义，如果材料库中没有，可以自定义。

定义夹具

夹具用于定义模型的边界条件,即温度固定的部分。

• 右键点击 夹具 -> 温度。
• 在图形区域选择散热片的底面（与 CPU 接触的面）。
• 在 温度 属性管理器中，设置 温度 为 80 °C (模拟 CPU 工作温度)。
• 点击 确定。

定义外部载荷

载荷是模型的热量来源和散热方式。

• a. 添加对流

  • 右键点击 外部载荷 -> 对流。
  • 在图形区域选择散热片的所有外表面。
  • 在 对流 属性管理器中：
    • 单位: SI (或你习惯的单位)。
    • 对流系数: h，对于自然对流，空气的 h 值通常在 5-25 W/(m²·K) 之间，我们可以输入 15。
    • 环境温度: T_f，即室温，输入 25 °C。
  • 点击 确定。

• b. 添加辐射 (可选，但更精确)

  • 右键点击 外部载荷 -> 辐射。
  • 在 辐射 属性管理器中：
    • 辐射类型: 到环境。
    • 环境温度: 25 °C。
    • 发射率: ，对于阳极氧化铝，发射率约为 8，对于抛光铝，则很低，约 05，根据你的表面处理情况输入。
  • 点击 确定。

网格划分

网格是将模型离散化的关键,网格质量直接影响分析结果的准确性。

• 右键点击 网格 -> 生成网格。
• 在 网格 属性管理器中：
  • 网格类型: 保持 实体网格。
  • 单元大小: 程序会自动给出一个建议值，你可以手动调整，对于复杂区域，可以局部加密网格，初始分析可以使用默认值。
  • 雅可比点: 选择 4 点，对于大多数情况足够精确。
• 点击 确定，模型将被划分成大量小单元，并显示网格信息。

运行分析

• 右键点击算例名称 稳态热分析_散热片 -> 运行。
• 程序开始计算,进度条会显示计算进程，计算完成后会自动显示结果。

查看结果

分析完成后,Simulation Manager 会自动生成默认结果图。

• a. 温度

  • 右键点击 结果 -> 定义/编辑结果 -> 温度。
  • 图形区域会显示模型的温度分布云图,颜色从蓝色（低温）到红色（高温）。
  • 你可以查看最小/最大温度的位置和数值，通常最高温度在底面，最低温度在散热片尖端。

• b. 热流量

  • 右键点击 结果 -> 定义/编辑结果 -> 热流量。
  • 云图显示每个点热流密度的大小,热流量会从高温区流向低温区。

• c. 探测结果

  • 右键点击 结果 -> 探测。
  • 在模型上点击任意点,可以查看该点的详细温度、热流量等信息。
  • 你还可以创建路径图,沿一条线显示温度变化。

• d. 生成报告

  • 右键点击算例名称 -> 生成报告。
  • 可以自定义报告内容,包括模型信息、材料、夹具、载荷、网格信息和各种结果图表，最后导出为 PDF 或 HTML 文件。

第四部分：瞬态热分析实例 - 电子元件升温

目标： 模拟一个电子元件从 25°C 环境中通电，在 100 秒内温度随时间升高的过程。

步骤：

创建算例

• 与稳态分析类似,创建一个新算例。
• 分析类型: 热。
• 子类型: 瞬态。
• 点击 确定。

应用材料和夹具

• 材料: 为电子元件（如芯片）和 PCB 板分别定义材料（如硅、FR-4）。
• 夹具:
  • 为整个模型施加一个初始温度：右键点击 夹具 -> 初始温度，设置为 25 °C，这是分析的起点。
  • 为模型的某些面施加固定温度，例如连接到散热器的部分，可以设置为 30 °C。

定义外部载荷

• 热源: 这是瞬态分析的关键，电子元件通电会产生热量。

  • 右键点击 外部载荷 -> 热流量。
  • 选择芯片的表面。
  • 输入 热流量 值，5000000 W/m² (这是一个很高的热流密度，代表一个功率不小的芯片)。
  • 点击 确定。

• 散热: 与稳态分析类似，为所有暴露在空气中的表面添加对流和辐射载荷，环境温度设为 25 °C。

设置时间信息

• 这是瞬态分析区别于稳态分析的核心步骤。
• 右键点击算例名称 -> 属性。
• 切换到 选项 标签页。
• 在 热力/流体 选项卡下，找到时间设置：
  • 结束时间: 100 (秒)。
  • 数据输出间隔: 1 (秒)，程序将在 0s, 1s, 2s, ..., 100s 这些时间点保存结果。
• 点击 确定。

网格划分和运行

• 与稳态分析相同,划分网格并运行分析。

查看结果

• 动画播放: 运行完成后，默认会显示 0 秒时的结果，在结果图上方的播放控制栏中，可以拖动时间滑块或点击播放按钮，观看温度随时间变化的动画。
• 图表: 右键点击 结果 -> 定义/编辑结果 -> 温度，在图形区域右键点击，选择 plot -> 生成图表，你可以选择一个点（如芯片中心），生成该点温度随时间变化的曲线图，直观地看到升温速率和最终趋于稳定的温度。

第五部分：进阶技巧与注意事项

1. 单位系统: 始终保持一致的单位系统，在 工具 -> 选项 -> 文档属性 -> 单位 中检查和设置。
2. 简化模型: 对于大型装配体，可以先分析关键部件，对于不关心的细节，可以简化或移除，以减少计算量。
3. 网格质量: 如果结果不合理（如温度突变、不连续），首先检查网格，尝试使用更小的单元尺寸或使用“基于曲率的网格”来细化几何特征复杂的区域。
4. 边界条件的合理性: 热分析的结果高度依赖于你设定的边界条件（温度、对流系数、热流量等），这些参数必须尽可能真实，对流系数 h 的取值对结果影响巨大，最好查阅相关文献或通过实验获得。
5. 热电耦合: 如果电流产生的焦耳热 (I²R) 是主要热源，并且电阻随温度变化，需要进行热电耦合分析，这需要更高级的 Simulation Professional 或 Premium 许可。
6. 非线性分析: 如果材料的导热系数、对流系数或发射率随温度剧烈变化，需要进行非线性分析，在算例属性中勾选 使用非线性几何。

第六部分：学习资源

• SolidWorks 官方帮助文档: 最权威的资料，按 F1 键即可访问。
• SOLIDWORKS Simulation Tutorials (官方教程): SolidWorks 自带的一系列交互式教程，是入门的最佳路径，在 帮助 -> SOLIDWORKS Simulation 教程 中可以找到。
• YouTube 和在线课程平台: 搜索 "SolidWorks thermal analysis tutorial"，可以找到大量视频教程，如 Manish Kumar, CFD NINJA 等频道都有很好的内容。
• 专业论坛: Eng-Tips, GrabCAD 等社区可以提问和交流。

希望这份详细的教程能帮助你顺利入门 SolidWorks 热分析，熟能生巧，多动手实践，结合理论，你很快就能掌握这项强大的工具。