COSMOS热分析（一）在热分析中使用设计验证
介绍
在最近过去的十年当中，设计仿真已经逐渐取代了传统的物理样机，设计仿真可以减少昂贵费时的物理样机，因此可以降低新产品研发的成本和缩短开发的周期。并且允许工程师使用方便修改的电脑模型来准确地预测产品的机械性能(图1)
图1传统的设计方法和使用设计仿真验证设计方法的比较
设计验证在结构性问题，如位移，变形，应力或者自然频率领域的应用价值是无法衡量的。然而，结构性能方面的问题往往只是工程师在设计新产品的过程中所面临的许多挑战中的一个问题，还有其它在设计过程中普遍遇到遇到的设计挑战，如过热，热膨胀导致的变形，过热产生的热应力，以及其它的一些涉及到热传导、对流引起的设计问题。
热力学问题在电子产品设计中是十分普遍的.，例如冷却风扇和散热片必须在满足尺寸的要求同时，还需要满足一定的散热效果。同时，在设计电子产品的封装时候，必须要确保电路板有足够的空气流动，这样才能避免由于热应力而产生的变形和破裂(图2)。
图2电子封装的设计需要知道电子元器件产生的热量如何排放到环境中。
在传统的设备设计过程中都会遇到一些热力学的挑战.例如一些发动机，液压缸，电动机和抽气机等产品都需要进行温度，热耗散，热应力分析的-总之任何消耗能量的设备都需要进行热分析。
对于某些材料加工设备，热分析似乎不是很重要，而实际中它们的机械能转变的热能不仅会传递到到加工的工件，而且会影响到设备本身，因为热膨胀会导致加工的尺寸精度，研究这种情况不仅仅对一些精密加工设备很重要，而且对于一些承受由于过热而产生热应力的撕裂机也同样十分重要(图3)。
图3分析潜在的过热在设计工业撕裂机中的传动和承载能力是十分重要的
例3对于大多数医疗器械都应该分析其热力学性能。如药物分派系统必须确保其分派的药物保持在合适的温度，对于外科医疗设备必须避免使人体的组织承受热冲击，同时人体移植器官不能阻碍或者中断人体中的热流动，例如人体口腔的植牙齿必须要能承受一定的外部机械和热载荷(图4).
图4植牙不能影响口腔组织的温度和必并且能承受一定热应力。
图5为了充分冷却无线电设备中使用的高能电池，我们必须了解该设备的温度分布情况
图6热分析和结构分析的比较
另外，热跟结构分析一样都是直接对CAD模型进行分析，因此当CAD模型建立之后，只需要很少工作就可以进行热分析验证了。
热分析可以用来判断温度分布、温度梯度和模型中的热流,以及模型和环境之间的热交换。
图7热分析结果
分析热效应、温度很简单，但是测量起来却很困难,尤其是装配替或者零件的内部温度，或者是温度变化特别快的情况。这意味软件的设计验证对于某些工程师来说是唯一确定其产品热力学问题的方法。 传热原理
热传递有三种传热方式。这些方式分别是：传导，对流和辐射。热传导描述一个实体内的热传递，通常是在零件和装配体之间。对流和辐射通常涉及到固体和周围环境的热交换。
图8三种传热机理的主要特点
例如，通过热传导热量流过一个墙壁，传导的热量大小与墙壁两端的温度差和墙壁面积A成正比，与墙壁的厚度L成反比，比例因数K，叫做热导率，用来描述材料的导热能力(图9)。
图9热量从温度高的一面传导到另外一面。
不同材料的热导率K变化很大；在导体和绝缘体也有很大区别(图10)。
图10不同材料的热导率
热量在固体表面和附近移动的流体（或气体）如空气，水蒸汽或油之间的热交换叫做对流。对流热量交换的大小与固体表面温度TS和周围环境温度TF差的大小和热交换的表面积成正比（散热和吸热）。比例因子h叫做对流传热系数。固体表面和气周围环境的热交换需要流体的运动。(图11)。
图11对流产生的热量需要周围的流体运动才能产生。
对流系数很大程度上取决于介质（例如.，空气，水蒸汽，水，油）对流的种类分为：自然对流和强迫对流，自然对流只有在重力的情况下才能发生，因为流体的运动而是由于冷热流体的重力差而产生的。而强迫对流与重力的大小无关(图12，13)。
图12自然对流由于冷热流体不同的密度产生。强迫对流流体的运动是强迫的，例如风扇。
图13不同材料的对流系数。
图14陶瓷芯片产生热量，放在一个铝质散热片中，散热片周围的介质为空气。
为了更好的观察同时考虑热传导和对流的效果，我们来一起看一个散热片(图14)。
芯片产生热量，芯片通过热传导在其内部进行热量传递，然后同样通过热传导传递到铝制散热片中.在陶瓷芯片与铝制散热片中的热传导需要克服陶瓷与铝之间的界面缺陷产生的热阻层，最终热量通过对流扩散到散热片周围的空气中。
添加一个冷却风扇或者将散热片放入水中，都不会改变热传导的机理，散热片仍然通过对流进行散热，唯一不同的就是作为散热剂的水和空气对流系统数值大小。
散热片的温度场如图15所示。散热片的散热可以通过热流向量显示（图15，右）。热流向量离开散热片进入到周围的流体环境中.没有向量通过底部的表面，因为在模型中散热片的底面和芯片都是绝热的。
图15散热片中的温度场分布和热通量
我们注意到散热片和陶瓷芯片之间的界面产生的热阻层的建模，在某些设计验证的软件中这个热阻层必须建立模型，而在COSMOSWorks中，我们只需要输入热阻系数就可以实现了，而不需要建立热阻层的模型。
目前在这个散热片中热传导的讨论中我们只考虑了传导，对流，辐射中的两个机理，传导（仅仅在实体内部：芯片和散热片）和对流(散热片耗散到环境的空气中的热量).通过辐射的热交换可以忽略，因为在当前散热片的温度条件下，辐射量是非常小的，可以忽略。而在下面一个热传导的例子中的，辐射是不可以忽略的。
辐射可以在两个不同温度的物体之间进行也可以将物体的热量辐射到空间。由于辐射在真空中传播，因此不需要任何介质就可以发生辐射。
图16任何两个不同温度的物体通过辐射产生的热交换。而且一个物体也可以将热量辐射到环境中。 温度为T1，T2的两个物体间通过辐射产生的热交换大小与两个物体绝对温度的四次方差，参与辐射的表面积大小和辐射表面的发散率（辐射能力）成正比，辐射表面的发射率可以定义成在同一温度下表面的发射功率与黑体的发射功率之比。材料指定的发射率值介于0和1.0之间。因此，黑体的发射率为1.0，理想反射体的发射率为0。由于通过辐射产生的热交换与绝对温度的四次方成正比，因此对于高温的热分析，辐射就显得非常重要。 一个带有真空灯罩的聚光灯，假设真空灯罩足够大，从真空罩反射回聚光灯泡的热量可以被忽略，灯泡和反射器都是在真空环境中，而铝制灯罩的外表面则暴露在空气中。(图17).