传热分析
传热学分析基于数值传热学有限元法对固体材料传热特性变化进行数值仿真，通常用来校验结构零件在热边界条件或热环境下的产品特性, 可以计算出结构内的温度分布状况，并直观地看到结构内潜热、热点位置及分布。目前支持三维实体模型的导热、对流与辐射传热分析，并展示固体材料中的温度分布和热流量。
通过传热学分析，直观的向用户展示，结构在所施加的载荷和约束作用下的温度分布、热流密度分布状态，为用户的设计提供可靠的帮助。此外，用户还可根据仿真结果对模型进行任意修改，任意设置仿真案例数量以满足用户的工作学习需求。
使用格物云CAE网站，我们可以通过下面的几个步骤轻松开启传热学仿真
进入格物云CAE网站
在页面下方模块栏中选择结构仿真-传热学分析，点击开始仿真按钮，开始仿真:
在弹出的创建工程窗口中输入工程名:
输入工程名称后，点击创建，进入传热学仿真界面:
传热学仿真模块树如图所示：
1. 产品手册
1.1 全局设置
用户可在传热学选项卡中根据需要设置非线性效应、根据时变特性选择稳态或瞬态研究。
1.2 几何导入
用户可以在这里上传几何模型，模型格式建议为iges、step、brep、xao且大小不超过200M。
1.2.1 几何分组
用户可以在几何模型中创建点、线、面、体的分组。
1.3 网格导入
用户可通过点击网格，导入本地网格，格式建议为，med、inp、cdb、cgns且大小不超过200M。用户需预先把所需的载荷组与约束组定义完整，否则在后续的仿真分析中不能选择未定义组的点、线、面和体。 同时可以在此选项按照平台内置算法划分网格。
1.4 兴趣点
用户可通过点击兴趣点，创建一个点、球、圆柱或者笛卡尔盒子，根据要求设置坐标以及范围。
1.5 线性接触
在模型建立时没有进行融合操作的结构需要对其进行接触设置，线性接触指互相接触的两个物体，接触点是连续的，而且接触点组成一条直线，即零件保持粘结或具有小变形的假设。用户可通过点击线性接触增加接触，通过选择连接方法选定绑定、旋转对称。并设置接触的相对容差。用户还需要选择接触面，主要包括两个接触面：
- 主接触面位置
- 从接触面位置
1.6 单元设置
在此选项卡中，可手动或自动选择设置网格阶数为一阶或者二阶。
1.7 材料设置
在此选项卡可选择大部分常用材料（如ABS塑料、黄铜、水泥、软木、玻璃纤维环氧树脂、铅等金属和非金属材料），材料设置包含各自基础的热力学参数，包含密度、传导特性、导热系数、定压比热容等。包括全局材料以及局部材料参数的设置。
1.8 边界条件与载荷
用户可在边界条件选项卡中选择边界类型和相关参数表达式； 边界类型包括：热通量、温度、热对流、体积热源。
1.9 求解器
用户可在求解器中选择不同的计算方法，选择不同的迭代方法和收敛准则。
1.10 时间步&资源
当用户可设置计算的核数以及最大计算时间。
1.11 结果配置
在此选项卡中用户可根据需要选择特定的输出结果，包括物理场（热通量、温度）、表面物理量计算（热流量、平均值、极值）、体积物理量计算（平均值、极值）；用户也可对所选定的兴趣点进行单独分析，包括该位置处的物理场以及场分量。
1.12 仿真计算
设置完毕后可在此处提交计算，并查看相关的计算结果云图、兴趣点结果折线图。
2. 工程案例
3. 设置项详解
3.1 全局设置
点击传热学分析选项卡，会出现非线性效应的选项卡，若打开非线性效应则计算时安装非线性进行迭代计算，否则按照线性分析仿真过程。 用户还需根据计算要求选择瞬态分析或者稳态分析，稳态分析需要定义材料的热传导率，瞬态分析还需要定义质量密度和比热参数。如果有热应力分析，则还需要定义热膨胀系数。
3.2 几何
用户可从本地上传几何文件，上传后选项卡会展示几何外形，显示顶点数量、边线数量、环线数量和面数量等。
- 几何分组：上传几何文件后，用户需对几何进行分组，以便在后续的仿真分析中选择所需的点、线和面。不分组自动画网格功能不能使用！
3.3 网格
用户可从本地上传网格文件，上传后选项卡会展示网格外形，显示单元数量、节点数量、边线数量和面数量等。上传网格文件前，用户需提前对模型进行分组，以便在后续的仿真分析中选择所需的点、线和面。
用户也可将上传的几何文件在此处划分网格，生成.med文件。
- 类型：在此处选择用于计算的网格来源
- 几何生成：将上传的几何文件剖分
- 上传网格：直接导入外部网格模型
- 几何模型:当类型处选择“几何生成”时，此处默认的是导入几何的文件名。
- 网格划分方法：此处选择划分网格的算法。
- 自动划分：平台自动生成四面体网格，只能调节网格密度。
- 手动划分：可以调节网格的单元最大最小尺寸以及网格密度
- 网格划分精度：控制网格密度的滑块，0代表网格最粗糙，4代表网格最精细。
- 单元最大尺寸：手动划分时，用户可以自定义单元的最大长度。
- 单元最小尺寸：手动划分时，用户可以自定义单元的最小长度。
3.4 兴趣点
用户可在模型上选择兴趣点，以便在后续的结果展示中以列表形式查看兴趣点的结果。
- 点：通过三个坐标定义一个点。
- 球：通过三个坐标和半径定义一个球。
- 圆柱：可以设置半径、参考点坐标、坐标原点坐标。
- 笛卡尔盒子：可以设置最小值和最大值坐标。
3.5 线性接触
- 绑定接触：两个接触物体间没有相对位移。在此选项卡中用户可设置，容差值：从属面距离主从面最近的距离，该选项会改变接触的区域大小，如果不启用容差则会导致所选从属节点绝对绑定至主面，在选择主接触面时，必须选择体单元类型！！！从接触面选择另一个接触面；
- 旋转对称：用于对360°范围内循环结构进行部分建模，能极大减少计算时间与内存消耗，需要设定对称中心、对称轴以及选择角度，主从面的选择用于定义模型边界。
3.6 单元设置
单元设置：默认情况下，选择自动，用户可手动选择不同选项。当单元设置为手动时，可选择网格划分方式为一阶或者二阶。
3.7 材料
材料选项卡中用户可定义全局的材料性能，包括基础的热力学参数，包含密度、传导特性、导热系数以及定压比热容，单位也可根据需要随时改变。
点击材料的加号按钮，用户可选择内置的不同材料，各项传热学基本属性都已默认填写，同时可根据用户需要赋予所属模型网格。用户也可根据实际情况对参数进行修改。
3.8 边界条件与载荷
边界条件与载荷定义了系统与环境交互的方式，一般的，边界条件与载荷由三部分组成：边界类型、边界分配、边界条件值。 边界类型：点击边界条件与载荷旁的加号按钮可选择不同的边界类型；
- 热通量边界条件：此类条件为第二类边界条件，用户可在该选项卡中设置对应的热通量值以及施加位置，热通量值可通过直接输入、表格输入、函数输入三种方法输入；
- 温度边界条件：此类条件为第一类边界条件，用户可在该选项卡中设置对应的温度值以及施加位置；
- 热对流边界条件：此类条件为第三类边界条件，用户可在该选项卡中设置环境温度、热传导系数值以及对流换热边界；
- 体积热源：用户可在该选项卡中设置生热率以及热源作用的边界；
3.9 求解器
求解器面板包含控制有限元传热学分析求解模型的方程求解器的一些设置，包括算法选择、残差和阈值类型、最大迭代次数、时间积分等方案，以下会对每种设置及其过程机械阐述，这些参数在大多数情况下都足够好，但用户可利用可选项来优化计算过程，提高速度、鲁棒性和精度。
- 求解计算方法包含：MUMPS、LDLT、Multifrontal、PETSC四种方法；
- 奇异性监测精度：设置矩阵奇异性评估的数值精度，如果设置负值则关闭监测； MUMPS多用于大规模稀疏矩阵的直接求解，该选项卡有自己的一些特定设置：
- 矩阵类型：
- 非对称矩阵；
- 自动检测；
- 对称不定矩阵；
- 对称正定矩阵。
- 矩阵优化内存分配率：用于数据透视操作估计量之上保留的内存比例设定；
- 矩阵过滤阈值：默认选择-1；
- 单精度：可选择开启或关闭；
- 是否进行预处理：用户可选择是否启用矩阵的预分析用以优化计算；
- 矩阵重新编号方法：矩阵优化算法，对仿真计算的内存消耗有巨大影响：
- AMD:使用近似最小度数方法；
- SCOTCH:是一个强大的重新编号工具，适用于大多数场景，是MUMPS的标准选项；
- AMF：使用近似最小填充方法；
- PORD:是MUMPS中包含的重新编号工具；
- QAMD:是自动检测准密集矩阵的AMD变体；
- Automatic: MUMPS自动选择重新编号的方法。
- 内存管理优先级：允许选择RAM与磁盘的使用情况：
- 自动：允许求解器决定最佳设置；
- 核内存储：通过将所有对象存储在内存中，优化计算时间；
- 预估：在求解器日志中提供最佳设置；
- 核外存储：通过在内存外存储对象来优化内存使用。
LDLT对系数矩阵执行经典的高斯消去过程；
MULTIFRONTAL系数矩阵分解法对矩阵进行LU或Cholesky分解，该方法的矩阵重新编号方法有两种方法：
- MDA:对超过5000或者更大自由度的大模型选择此选项；
- MD：小模型选择此选项。
PETSC使用可移植、可扩展的科学计算工具包中的不同算法和组件：
- 算法：选择求解算法：
- CG:共轭梯度；
- CR:共轭残差；
- GCR:广义共轭残差；
- GMRES:最小广义残差，是鲁棒性和速度之间的最佳折衷。
- 预处理器类型：选择算法以计算和重新调整矩阵用以寻找最优解：
- MUMPS、LDLT:单精度完全Cholesky分解；
- 预处理器刷新时间：设定矩阵迭代刷新间隔；
- 最大迭代次数：求解器允许的最大迭代次数。如果设置为0，则按算法执行值估计；
- 相对残差收敛阈值：残差值，如果再迭代之后，残差低于该值，算法结束。
非线性方程求解器的目的是用以找到一般非线性方程的解，热非线性方法通过大变形和旋转、材料非线性和非线性接触等条件引入平衡方程，在不知道平衡方程显式解析解的情况下需要进行数值‘搜索 ’过程来逼近。一般有两种方法：牛顿法和牛顿-克里洛夫法。
- 热非线性分辨率类型：在牛顿算法中选择：
- 牛顿：在每个加载步中，使用经典的完全‘精确’方法解析非线性方程组；
- 牛顿-克里洛夫：使用‘近似’方法，利用线性方程迭代来节省时间。
- 收敛性标准：选择用于评估牛顿迭代收敛性的残差定义：
- 相对的：将内外力不平衡归一化为外力大小来计算残差；
- 绝对的：直接与残差作比较；
- 自适应：同时使用相对和绝对的标准，在每次牛顿迭代时，默认使用相对标准，若外部载荷消失，则使用‘绝对’标准。
- 绝对精度：残差的阈值，当残差低于该值时，迭代被认为是收敛的；
- 相对精度：相对残差的阈值；
- 最大牛顿迭代：每个加载步允许的迭代次数；
- 依迭代更新：在经过迭代次数后将重新计算雅可比矩阵；
- 选择热线性搜索，可设置残差以及最大迭代次数；
3.10 时间步&资源
非线性热力学计算：
- 结束时间：仿真模拟结束的时间；
- 时间步长：后续积分时间的间隔，用户可为整个仿真时间定义特定的值，也可打开表格窗口，为每个时间间隔指定多个值；
- 结果写入时间步：定义结果输出的数据量：
- 分隔选取：通过跳过固定数量的时间步来输出时间，由输出频率控制；
- 初始时间步：输出写入在‘最大时间步长’中定义的时间步长；
- 自定义：用户可手动输入写入时间步长。
- 用户还可在此处设定计算所需的资源和计算时间：
- 计算核数：用户可定义仿真计算所需的计算核数；
- 最大计算时间：定义仿真的最大时间，超过该值就会自动停止计算。
3.11 结果配置
用户可在这个选项卡中，输出响应的结果：
- 物理场：物理场：用户可选择输出热通量、温度；
- 表面物理量计算：用户可选择统计指定面上的热流量分量、平均值和极值；
- 体积物理量计算：用户可选择统计指定体上的热通量分量的平均值和极值；
- 兴趣点结果计算：统计已选择的兴趣点处的物理场所对应的物理量的值。
3.12 仿真结果
用户可在此选项卡提交计算，计算成功后可在此处查看仿真计算之后的结果云图和相关的折线图。