热分析
白皮书
inspiration
摘要
在本白皮书中，我们针对产品设计有关的热分析概念进行了定义和概
要阐述。我们以实际产品为例，对传导、对流和辐射的原理进行了讨论。
我们还将阐释开展热分析的方式和方法，特别介绍如何使用设计验证
软件来模拟热力环境。同时，我们还将列出热力设计验证软件所需具
备的功能，并通过实例展示如何使用
SolidWorks
产品来解决设计难题。
热分析简介
20
世纪
90
年代，为了降低产品开发所需的成本和时间，传统的原型制造和
测试在很大程度上已被模拟驱动的设计流程所取代。有了这一流程，工程师
对昂贵而又耗时的物理原型的需求大大减少，只需使用易于修改的计算机模
型即可成功预测产品的性能（图
1
）。
热分析第1页
图
1
：
传统产品设计流程与模拟驱动的产品设计流程
图
2
：
要进行电子封装，需要对如何排出电子零部件所产生的热量进行仔细分析。
在研究缺陷、变形、应力或自然频率等结构问题时，设计验证工具的价值是
不可估量的。但是，新产品的结构性能仅仅是设计工程师所面临的诸多难题
之一。还有许多其他常见问题是与热力相关的，其中包括过热、缺乏尺寸稳
定性、过高的热应力，以及与产品的热流和热力特征相关的其他难题。
热力问题在电子产品中普遍存在。在设计冷却扇和散热器时，必须权衡小体
积与足够的散热能力这两方面的需求。同时，紧凑的组装还必须确保空气的
充分流动，以防印刷电路板在过高的热应力下变形或断裂（图
2
）。
设计
设计流程的变化
原型制造
测试
生产生产
测试
原型制造
模拟
多次
传统的产品
设计流程
模拟驱动的产品
设计流程
只需一次！
只需一次！
多次
CAD
图
3
：
在设计工业破碎机的传动和载荷时，潜在过热问题是一个十分重要的考虑因素。
图
4
：
种植牙必须不影响周围组织的热力状况，
而且必须能够承受热应力。
图
5
：
要对无线工具上的高容量电池进行充分
冷却，就需要对热力状况有所了解。
在传统的机器设计中，也大量存在热力问题。有很多产品必须进行温度、散
热和热应力分析，其中一些十分明显的示例包括：引擎、液压缸、电机或电
动泵。简而言之，任何消耗能量来执行某种实用工作的机器都不例外。
或许材料加工机器不太需要进行热分析，但这些机器的机械能转化成热能，
不仅影响机器零件还影响机器本身。这种情况不仅存在于精密的机器设备中，
还存在于破碎机等大功率机器中。在精密机器设备中，热膨胀可能影响切割
工具的尺寸稳定性；在大功率的机器中，零部件可能因高温和热应力而受到
损坏（图
3
）。
这里涉及到的第三个示例，是为了说明大多数医疗设备应该进行热力性能分
析。给药系统必须确保所给药物的温度合适，而手术设备必须确保组织免遭
过度热冲击。同样，体移植物不得干扰体内的热流，而种植牙也必须承受剧
烈的外部机械载荷与热载荷（图
4
）。
最后，所有的家用电器产品，例如电热炉、电冰箱、搅拌器、电熨斗和咖啡
机（任何需要靠电力才能运行的设备），都应进行热力性能分析以避免过热现
象。这不仅适用于使用交流电源的消费类产品，还适用于由电池供电的设备，
例如遥控玩具和无线电动工具（图
5
）。
热分析第2页
利用设计验证来进行热分析
上述所有热分析问题以及其他更多问题都可以使用设计验证软件来进行模拟。
大多数设计工程师对这种结构分析方法都已经十分熟悉，所以将其应用范围
扩展到热分析基本上不需要更多培训。结构模拟和热模拟基于完全相同的理
念，遵循定义清晰的相同步骤，并具有很多的相似性（图
6
）。
此外，与结构分析的运行方式一样，热分析也是使用
CAD
模型进行的，所以，
一旦创建了
CAD
模型，无需太多额外的努力，即可完成热力验证。
通过运行热分析，可以在模型中观察温度分布、温度梯度和热流，以及模型
及其周围环境之间交换的热量。
温度等热力效应很容易模拟，但是测量起来可能非常困难，对于内部零件或
装配体尤为如此，在温度剧烈变化的情况下也是这样。这往往意味着，如果
工程师有兴趣了解其产品的具体热力状况，基于软件的设计验证可能是唯一
可用的方法。
传热的基础知识
传导和对流
有三种传热机制：传导、对流和辐射。传导描述的是实体内的热量流动，实
体经常作为
CAD
零件或装配体建模。对流和辐射都涉及实体和环境之间的热
量交换。
图
7
：
热力设计验证提供的典型结果
热分析第3页
图
6
：
结构和热力设计验证之间的相似性
图
8
：
三种传热机制的主要特征
温度温度梯度热流量
结构分析热分析
位移温度
温度
应变
温度梯度
热流量
负责实体内的热量流动。
负责热量进入实体和从实体中释放。
负责热量进入实体和从实体中释放。
主要特征
对流传热要求实体周围是流体，例如空气、水、
油等。
辐射传热不需要实体周围有任何流体，在流体中
和真空中都能进行。
辐射传热始终存在，但是仅在温度较高的情况下
才比较明显。
传热机制
传导
对流
辐射
传导传热的一个示例是通过壁体的热量流动。传递的热量与诸多因素成正比：
壁体热的一侧
THOT
和冷的一侧
TCOLD
之间的温差；壁体的面积
A
；壁体厚
度
L
的倒数。比例系数
K
（称为热导率）是众所周知的材料属性（图
9
）。
图
9
：
热量通过壁体从温度高的一侧向温度低
的一侧传导
图
10
：
不同材料的传导系数
图
11
：
对流所散发的热量往往要求实体周围流
体的运动。
热导率
K
随材料不同而有很大的差异，该系数将热导体与绝缘体区别开来
（图
10
）。
实体的外表面和周围流体（例如空气、蒸汽、水或油）之间的热交换机制
叫做对流。对流所传递的热量与如下因素成正比：实体表面
TS
和周围流体
TF
之间的温差；交换（散发或获得）热量的表面积
A
。比例系数称为对流
系数，也称为膜系数。实体表面及其周围流体之间的热交换要求流体的运动
（图
11
）。
热分析第4页
锌银
镍铝
塑料冰
油水
泡沫纤维
金属
合金
非金属固体
液体
绝缘体
氧化物
水银
热导率（瓦/米.开尔文）
对流系数在很大程度上取决于介质（例如，空气、蒸汽、水、油）和对流类型：
自然对流和强制对流。自然对流只有在存在引力的情况下才能发生，因为流
体运动依赖于冷流体和热流体之间特定的引力差。强制对流则对引力没有依
赖性（图
12
、
13
）。
图
12
：
自然对流是由热流体和冷流体之间的密度差而产生的。在强制对流中，流体运动是强制的，例如，
由冷却扇强制的流体运动。
图
13
：
不同介质和不同对流类型的热对流系数。
让我们以散热器装配体（图
14
）为例，了解传导和对流是如何进行的。微型
芯片在其整个体积内产生热量。
图
14
：
产生热量的陶瓷微型芯片嵌入在铝散热器中。散热器通过周围的空气进行冷却。
热分析第5页
自然对流强制对流
散热器
微型芯片
介质
传热系数
h
（瓦
/
平方米
.
开尔文）
空气（自然对流）
空气
/
过热蒸汽
（强制对流）
油（强制对流）
水（强制对流）
水（沸腾）
蒸汽（冷凝）
冷空气
热底盘热底盘
冷空气
图
15
：
散热器装配体中的温度分布和热流量
然后，微型芯片的热量传导到铝散热器，在铝散热器中同样以传导的方式传递。
当热量从陶瓷微型芯片传至铝散热器时，必须克服由陶铝接触面的缺陷所形
成的热阻层。最后，通过对流作用，热量从散热器的外表面释放到周围的空
气中。
增加冷却扇或将散热器浸在水中都不会改变传热机制。热量还是会通过对流从散
热器的表面排出。在起冷却剂作用的空气和水之间，以及在自然对流和强制对流
之间，唯一差别是对流系数值的不同。
散热器装配体中的温度场如图
15
所示。热量从散热器表面到周围空气的运动可
通过热流量向量图来描绘（图
15
，右侧）。从散热器表面“出来”的热流量向量
形象地显示了散发到周围流体的热量。没有向量穿过底层表面，因为在模型中，
散热器的底层表面和微型芯片是隔热的。
请注意，要为散热器装配体中的热流建模，需要考虑瓷制微型芯片和铝散热器之
间接触面的热流阻挡特性。在某些设计验证程序中，必须明确地对热阻层进行建
模；但在其他程序（例如
SolidWorks
）中，则可采取简化的方式，输入热阻系数即可。
热分析第6页
热流量向量从
实体中“出来”
以向量图解表示的热流量
以剖面图解表示
的温度分布
以边缘图解表示的热流量
温度（开尔文）
传导、对流和辐射
到目前为止，关于散热器装配体中的传热的讨论仅仅考虑了两种热流机制：
传导（负责在实体内部，即微型芯片和散热器间传递热量）；对流（将散热器
外表面的热量释放到周围空气中）。由于在散热器辐射的工作温度下，传送的
热量非常低，所以辐射传热可以忽略不计。接下来的例子将重点介绍一个不
能忽略辐射的传热问题。
辐射可以在两个温度不同的实体间传递热量，也可以将热量释放到空中，不管
实体是处于流体中还是真空中（图
16
）。
图
16
：
在任意两个温度不同的实体间通过辐射交换热量。单个实体的热量也可以释放到空中。
在两个温度分别为
T1
和
T2
的实体表面间，通过辐射交换的热量与如下因素
成正比：绝对温度的四次方之差、参与传热的表面积
A
以及辐射表面的发射
率。发射率定义为在同一温度下表面的发射功率与黑体的发射功率之比。为
材料指定的发射率值介于
0
到
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
。由于辐射传热与绝对温度的四次方成正比，所以在温度
较高时，辐射传热的作用就变得尤为重要。
热分析第7页
热量通过辐射在两个实体间
交换并散发到空中
热量从实体散发到空中
真空
真空
以一个在大型真空室中提供照明的聚光灯为例。假设真空室足够大，以至于
从室壁上反射回聚光灯的热量可以忽略不计。灯泡和反射体暴露于真空中，
而铝制外罩的背面被空气包围（图
17
）。
图
17
：
在聚光灯模型中，反射体和灯泡都暴露于真空中，外罩的背面暴露于空气中。
灯泡所产生的热量部分辐射到空中，剩余的部分被外罩的抛物面（反射器）
所接收。只有一小部分的热量通过传导进入灯泡与外罩连接的部分。由外罩
所接收到的辐射热量又分为两个部分：第一部分散发出去了，第二部分从真
空侧的外罩真空内部传递到空气一侧。一旦到达了暴露于空气中的表面，便
通过对流释放了。
分析结果表明，铝制外罩的温度实际上是均匀的，因为热量在铝中很容易传
导（由于铝具有很高的热导率）（图
18
）。
请注意，由于辐射传热仅在高温下有效，所以灯泡必须在很热的情况下才能
释放其所产生的所有热量。
图
18
：
聚光灯中的温度分布
热分析第8页
真空
一侧
空气一侧
灯泡
空气一侧真空一侧
温度（华氏）
瞬态热分析
对散热器和聚光灯的分析都是稳态下的传热情形，而且假设已经过足够长的
时间来让热流稳定。对稳态传热的分析没有考虑热流达到该稳定状态所需的
时间，这段时间实际上可能是几秒、几个小时也可能是几天。
对随时间发生变化的热流进行的分析叫做瞬态热分析，例如，对由加热板加
热的咖啡壶进行分析。加热板的温度由读取咖啡温度的恒温器进行控制。在
咖啡的温度降到最低温度之下时，恒温器会打开电源，当温度超过预设上限
值时，则会关闭电源。指定时间段内的温度波动情况如图
19
所示。
热应力
通过实体的热流将导致实体内温度的变化，实体会随之膨胀或收缩。导致膨
胀或收缩的应力叫做热应力。
将热咖啡倒入杯子时，杯子中就会发生热应力。要对此应力进行热分析，需
要识别温度分布；杯子内表面的温度就是热咖啡的温度，而在杯子的外表面，
使用者定义的对流系数控制着热量向周围空气的散失。由于冷却相对而言是
一个较为缓慢的过程，所以应用了稳态热分析来计算咖啡杯中的综合温度分
布。温度分布的非均匀性，导致了热应力的产生。使用来自热分析的温度结果，
运用静态分析，可以轻松地在
SolidWorks
中计算出热应力（图
20
）。
图
19
：
咖啡壶温控器的温度时间曲线
图
20
：
由稳态热分析（左）得出的非均匀温度场结构静
态分析（右）计算得出的热应力。
热分析第9页
时间[秒]
温
度
（
摄
氏
）
热应力分布温度分布
热分析验证软件所需具备的功能
鉴于此处简介的典型问题，产品设计流程中使用的热分析设计验证软件必须
能够对以下几项进行建模：
?
传导热流
?
对流热流
?
辐射热流
?
热阻层的效应
?
依赖于时间的热效应，例如加热或冷却（瞬态热分析）
?
依赖于温度的材料属性、热量、对流系数和其他边界条件
用作设计工具的验证程序还应满足一些其他要求，不仅可以应用于热分析，
还可以应用于结构分析或电磁分析。由于新产品一般都是在
CAD
上进行设计
的，所以要将任何类型的验证软件有效地用作设计工具，
CAD
软件需满足以
下几项要求：
CAD
系统应该：
?
是基于特征的、参数化的、完全关联的实体建模工具
?
能够创建所有几何体，无论是针对制造的还是针对分析的
?
能够在模型的设计和分析展示之间切换，同时保持几何体的关联
上述要求需要一个高级的模拟系统，该系统需同时具备易于使用和计算能力
高的特点，
SolidWorks
模拟程序就是这样一个系统，它与
SolidWorksCAD
（一
种先进的
3D
参数化、基于特征的
CAD
系统）进行了很好的集成。
先进的软件集成让用户可以使用熟悉的
SolidWorks
界面执行热分析和结构分
析，从而无需再掌握新的专门针对分析的任务和菜单（图
21
）。
图
21
：
对于诸如电路板热分析之类的分析，可以使用熟悉的
SOLIDWORKS
界面进行，大大降低了对用
户进行培训的必要。
热分析第10页
利用
Solidworks
可以解决的设计问题
以下部分提供了若干设计问题的示例，这些问题都可以使用
SolidWorks
的热
分析和结构分析功能来解决。
调整散热器冷却翅片的大小
微型芯片散热器的设计必须能够提供足够的冷却功能，以将微型芯片的温度
保持在
400K
之下。微型芯片位于底盘上。由于阻热层将底盘与装配体的其
余部分分离开来，所以底盘提供的冷却可以忽略不计。
在最初的设计中，冷却翅片高度为
20
毫米，执行热分析后，显示温度为
461K
（图
22
，顶部）。将冷却翅片的高度更改为
40
毫米会提高冷却效果，但是尚
不能满足规格要求；微型芯片温度现在是
419K
（图
22
）。第三次迭代取得
了成功，冷却翅片的高度是
60
毫米，微型芯片的温度是
400K
，这个值是可
以接受的（图
22
）。
图
22
：
三种不同设计配置的散热器
对流系数是本研究中一个十分重要的考虑因素，可以在工程学教材中找到，
也可以使用基于网络的求解器来进行计算。另外，散热器周围流体流动的研
究可以使用
SolidWorksFlowSimulation
来进行，从而确定这些值。
设计加热元件
加热元件由铝板和一个内嵌的加热线圈组成。图
23
中的
M
型线圈设计因成
本低廉而广受欢迎。但是，热分析显示，该线圈在铝板的表面产生的温度不
均匀，如图
23
所示。
图
23
：
铝板中嵌入加热元件的简单设计
热分析第11页
温度（开尔文）
温度（开尔文）
温度（开尔文）
在对加热板重新进行设计后，加热元件的形状采用螺旋形，如图
24
所示。
对修改后的设计重新进行热分析之后，表明温度分布几乎是均匀的（图
24
）。
图
24
：
重新设计后的加热板显示出均匀的温度分布
图
25
：
如顶部的图片所示，聚光灯被固定。中间的图片展示了稳态下的温度分布，底部的图片以红色
展示了应力超出屈服强度的区域。
确定聚光灯外罩中的热应力
聚光灯（图
17
）的周围有坚固的支撑，如图
25
所示。由于温度上升时，它
外罩不能自由膨胀，因此会产生热应力。
要确定热应力，需要综合进行热分析和结构分析，其中将温度结果（图
25
）
输出到静态分析，以便计算热应力。要检查热应力是否超出了铝制外罩的屈
服强度，需要进行设计验证。在图
25
的应力图解中，在外罩的红色区域，
应力确实超出了屈服强度。这些应力结果证明，所设计的外罩将无法承受应力。
请注意，热应力形成的原因是约束阻止了外罩自由膨胀，而不是外罩的温度
不均匀。另请注意，这些应力是在缺乏结构载荷的情况下形成的。
热分析第12页
CAD模型
固定
支撑
温度分布
热应力分布
确定柔性管道中的热应力
假设有一个可以自由变形的波纹管，两端受到不同温度的作用。温度场结果
如图
26
所示。我们所关注的问题是，温度的不同是否会导致热应力的形成。
使用静态分析中的温度结果，软件计算了在缺乏任何结构载荷或支持的条件
下，非均匀温度的纯效应。图
26
以红色显示了应力超出管道材料的屈服强
度的区域。
图
26
：
由于非均匀的温度场，管道形成了超出管道材料屈服强度的应力。
图
27
：
波纹铝管受到张力载荷（顶部）和热应力的作用，共同形成了结构应力和热应力（底部）。
如有必要，可能会将结构载荷（图
27
）应用到管道，来计算热应力和结构应
力的综合效应。
热分析第13页
温度分布
热应力分布
热应力和结构
应力的结合
结构载荷
电子电路板的过热保护
图
28
中电子电路板的最佳温度是
700?C
，而且不应超过
1200?C
。为防止过
热，当微型芯片的温度超过
1200?C
时，控制器会切断电源。而当温度降到
700?C
以下时，控制器会重新打开电源。但是，由于热惯量的存在，微型芯
片的温度还是有可能超过
1200?C
。
图
28
：
电子电路板通过控制器进行过热保护
图
29
：
微型芯片的温度随电源的打开和关闭处于波动状态。由于热惯量的存在，温度值超出了允许的
上限
1200°C
。
温度波动范围研究涉及到进行无热瞬态分析，此时热量由恒温器功能进行控
制。这与图
19
中的咖啡壶一例类似，定义了材料属性、对流系数、初始温
度和热量之后，分析会运行
300
秒的时间。微型芯片温度的波动如图
29
所示。
瞬态热分析的结果清楚地表明，控制器电源关闭后的温度必须低于
1200?C
才能补偿系统的热惯量。在接下来的两到三个迭代中，可以轻松找到所需的
设置。
热分析第14页
该终端的温度被传到
电源控制器合
微型芯片的温度随着电源循环
打开和关闭而波动
时间[秒]
温
度
（
华
氏
）
允许范围
复合轴承外壳的变形分析
由于轴承中的摩擦，复合轴承外壳受温度升高的作用，同时还承受轴承的反
作用力载荷。难点在于确定轴承所在的内孔的变形（图
30
，顶部）情况，以
确保轴承不会脱离保护支撑外壳。这需要综合进行稳态热分析和静态分析。
第一步是确定轴承外壳的温度分布（图
30
，底部）。
图
30
：
由于轴承（底部）中所产生的热量，轴承外壳（顶部）受非均匀温度场的影响。
图
31
：
轴承外壳边缘变形的半径位移分量
根据这些结果，可以执行静态分析以计算热变形和结构载荷综合作用所导致
的变形。图
31
显示了两个内孔的半径位移分量。
热分析第15页
轴承
反作用力
温度分布
温度（开尔文）
轴承
反作用力
UX（英寸）
位移
U
X
（
英
寸
）
U
X
（
英
寸
）
参数距离参数距离
结论
对于任何靠电力运行的设备，都应该进行热力性能分析，以避免潜在的过热
危险。
产品设计流程中使用的热分析设计验证软件必须能够为传导、对流和辐射传
递的热量进行建模。此类软件还必须能够对热阻层效应、依赖于时间的热效
应（例如加热或冷却）、依赖于温度的材料属性、热量、对流系数和其他边界
条件进行建模。
由于新产品一般都是在
CAD
中进行设计，所以任何用作设计工具的验证软件
都必须是基于特征的、参数化的、完全关联的实体建模工具，能够创建所有
几何体，并在模型的设计和分析展示间进行切换，同时保持几何体的关联。
SolidWorksSimulation
以一个高级模拟系统中满足了上述所有要求，是易用性
与高计算能力的完美结合。
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