2. 热分析基础与材料热物理属性

在 Mechanical 中做热应力与热结构耦合分析，第一步不是画网格，而是把“热”这件事的物理量想清楚：热量以什么方式进入结构、温度在空间上如何分布、材料受热后如何变形。Ansys 的热分析本质上是在求解能量守恒方程，而热应力分析则是在温度场已知（或与热场耦合）的前提下，求解热膨胀引起的应变与应力。理解热传导、热对流、热辐射三种基本传热方式及其在 Mechanical 中的输入方式，是后续所有设置的基础。

三种传热方式与基本方程

热传导是固体内部或接触固体之间的热量传递，由傅里叶定律描述：热流密度矢量 q = −k∇T，其中 k 为导热系数（W/(m·K)），∇T 为温度梯度。负号表示热量从高温流向低温。在 Mechanical 中，热传导是默认存在的，只要材料赋予了导热系数，实体内部就会自动进行传导计算，无需额外施加边界条件。

热对流发生在固体表面与流体之间，由牛顿冷却定律描述：q = h(T_s − T_∞)，其中 h 为对流换热系数（W/(m²·K)），T_s 为表面温度，T_∞ 为环境流体温度。在 Mechanical 中通过“Convection”边界条件施加，需要指定膜层换热系数和流体温度。对流系数不是材料属性，而是边界条件参数，它取决于流体性质、流速和表面几何，通常由经验公式或实验获得。

热辐射通过电磁波传递能量，由斯特藩-玻尔兹曼定律描述：q = εσ(T_s⁴ − T_sur⁴)，其中 ε 为发射率（0~1），σ 为斯特藩-玻尔兹曼常数 5.67×10⁻⁸ W/(m²·K⁴)。辐射在高温场景（如发动机、炉膛）中不可忽略，在 Mechanical 中通过“Radiation”边界条件施加，需要定义发射率和环境温度。注意辐射项与绝对温度的四次方相关，因此温度单位必须使用开尔文。

温度场与热流密度的理解

温度场 T(x, y, z, t) 是空间和时间的标量场。稳态热分析中温度不随时间变化，瞬态热分析中温度随时间演化。热流密度 q 是矢量，表示单位面积、单位时间通过的热量，单位为 W/m²。在 Mechanical 后处理中，可以通过“Thermal Flux”查看热流密度矢量分布，判断热量主要沿哪个路径传递、是否存在热流集中区域。对于热应力分析，真正驱动变形的是温度梯度而非绝对温度——均匀升温只产生均匀膨胀，只有温度不均匀才会产生热应力。

材料热物理属性及其输入

在 Engineering Data 中需要输入的关键热物理属性包括：

• 导热系数 k：单位 W/(m·K)，可为常数或随温度变化的表格。各向异性材料可输入三个方向的值。
• 比热容 c_p：单位 J/(kg·K)，瞬态热分析必需，稳态分析中不参与计算但建议一并输入。
• 热膨胀系数 α：单位 1/K 或 μm/(m·K)，注意两者数值相差 10⁶ 倍。Mechanical 中通常使用 1/K，若材料手册给出 μm/(m·K)，需除以 10⁶ 后输入。
• 密度 ρ：单位 kg/m³，瞬态热分析中与比热容共同决定热惯性。
• 发射率 ε：无量纲，辐射分析必需。

热膨胀系数需要特别注意参考温度（Reference Temperature）的设置。热应变计算式为 ε_th = α(T − T_ref)，T_ref 是零热应变对应的温度。在 Mechanical 中，参考温度在 Analysis Settings 或材料属性中指定，默认值通常为 22°C，但实际应设置为结构无热应力的装配温度或初始温度。如果参考温度设置错误，即使温度场正确，热应力结果也会整体偏移。

单位制管理

Ansys Mechanical 本身不强制单位制，但要求所有输入量在同一个单位系统内自洽。工程中最常用的是 mm-tonne-s-N-MPa 系统：长度 mm、质量 tonne、时间 s、力 N、应力 MPa、导热系数 mW/(mm·K)（注意此处常被误用为 W/(m·K)）、比热容 mJ/(tonne·K)、热膨胀系数 1/K。另一种常用的是 m-kg-s-N-Pa 系统。建议在项目开始前统一确定单位制，并在 Engineering Data 中逐项核对单位。一个实用的检查方法是：用已知材料（如钢）的典型值反算，确认数量级合理。

在 Mechanical 中的实际操作路径

打开 Engineering Data，在材料行中依次展开 Physical Properties → Thermal → Isotropic Thermal Conductivity、Specific Heat、Thermal Expansion。对于随温度变化的材料，点击属性右侧的表格图标，输入温度-数值对。例如结构钢在 20°C 时 k=60.5 W/(m·K)，200°C 时约 52 W/(m·K)，可直接输入两行数据，Mechanical 会自动插值。

进入 Mechanical 界面后，在 Model → Steady-State Thermal 或 Transient Thermal 中，右键插入 Convection 或 Radiation。Convection 需要选择表面、输入 Film Coefficient 和 Ambient Temperature。Radiation 需要选择表面、输入 Emissivity 和 Ambient Temperature。对于瞬态分析，还需在 Analysis Settings 中设置初始温度（Initial Temperature），通常从所有体或某个环境温度开始。

热应力耦合有两种路径：一是顺序耦合，先求解热分析得到温度场，再将温度作为体载荷导入 Static Structural；二是直接耦合，使用 Coupled Field 分析。顺序耦合更常用，因为热分析和结构分析的网格可以不同，计算效率更高。在 Static Structural 中，通过 Imported Load → Body Temperature 导入热分析结果，并确保参考温度与热分析中的初始温度一致。

最后需要强调：热分析结果的合理性判断，往往比操作本身更重要。查看温度场时，关注最高温度是否出现在预期位置、温度梯度是否与热流路径一致；查看热应力时，关注最大应力是否出现在约束附近或材料界面处。如果温度场看起来“太均匀”或热应力“过大”，优先检查对流系数、参考温度和约束条件，而不是急于调整网格。