【问题描述】本例对覆铜板模型进行稳态传热以及热应力分析，图I所示的是铜带以及基板的俯视图，铜带和基板之间由很薄的胶层连接，可以认为二者之间为刚性连接，这样的模型不包含胶层，只有长10mm的铜带（横截面2mm×0.1mm）和同样长10mm的基板（横截面2mm×0.2mm）。
材料性能参数如表1所示，有限元分析模型为实体——实体单元，单元大小0.05mm，边界条件为基板下表面温度为100℃，铜带上表面温度为20℃，通过二者进行传热。
图I 铜带与基板的俯视图表1 材料性能参数名称弹性模量泊松比各向同性导热系数基板 3.5GPa 0.4 300W/(m·℃)铜带110GPa 0.34 401W/(m·℃)【要求】在ANSYS Workbench软件平台上，对该铜板及基板模型进行传热分析以及热应力分析。
1.分析系统选择（1）运行ANSYS Workbench，进入工作界面，首先设置模型单位。
在菜单栏中找到Units下拉菜单，依次选择Units>Metric（kg,m,s,℃，A，N,V）命令。
（2）在左侧工具箱【Toolbox】下方“分析系统”【Analysis Systems】中双击“稳态热分析”【Steady-State Thermal】系统，此时在右侧的“项目流程”【Project Schematic】中会出现该分析系统共7个单元格。
相关界面如图1所示。
图1 Workbench中设置稳态热分析系统（3）拖动左侧工具箱中“分析系统”【Analysis Systems】中的“静力分析”【Static Structural】系统进到稳态热分析系统的【Solution】单元格中，为之后热应力分析做准备。
完成后的相关界面如图2所示。
图2 热应力分析流程图2.输入材料属性（1）在右侧窗口的分析系统A中双击工程材料【Engineering Data】单元格，进入工程数据窗口。
（2）在已有工程材料下方的单元格“点此添加新材料”【Click here to add a new material】中输入新材料名称base。
（3）在左侧工具箱下方双击“各项同性线弹性”选项：【Linear Elastic】>【Isotropic Elasticity】。
（4）在弹出的材料属性窗口中输入基板的弹性模量以及泊松比的数值：【Young’s Modulus】=3.5e+9Pa,【Poisson’s Ratio】=0.4。
（5）又在左侧工具箱下方双击“各向同性热传导率”选项：【Thermal】>【Isotropic Thermal Conductivity】，之后在材料属性窗口中再输入基板的导热率：【Isotropic Thermal Conductivity】=300W/(m·℃)。
具体操作流程如图3所示。
图3 输入基板材料数据（6）单击工具栏中的【Engineering Data Sources】选项卡，即选项，进入工程材料库窗口。
（7）单击该窗口中的【General Materials】，在下方新弹出的【Outline of General Materials】窗口中找到【Copper Alloy】材料，并点击旁边的“+”将该材料添加到当前项目中。
具体操作流程如图4所示。
图4 调取铜材料（4）再单击【Engineering Data Sources】选项卡回到【Engineering Data】界面，可以看到铜已被添加到工程材料中，此时再单击【Project】选项卡回到项目流程界面。
3.创建几何模型（1）双击分析系统A中的“几何”【Geometry】单元格。
（2）在菜单栏中依次选择Units>Millimeter，确认以“毫米”作为建模单位。
之后，单击树形目录中的【XYPlane】，再单击工具栏中的“创建草图”选项即选项以创建草图，此时【XYPlane】分支下出现了名为“Sketch1”的草绘平面。
如图5所示。
图5 创建草绘平面（3）右键单击Sketch 1，在弹出的选项卡中选择“正视于”【Look at】选项，即，切换视图以方便之后的建模。
（4）单击树形图下端的【Sketching】选项卡，打开草图绘制窗口。
之后按照给定的模型在草绘平面上绘图：选取“矩形”【Rectangle】工具，即，图形区点击鼠标左键，拖放鼠标画出矩形。
如图6所示。
图6 图形区绘制草图（5）单击草图工具箱中的【Dimensions】菜单栏，之后在图形区的矩形的边上拖放鼠标显示水平尺寸H1以及垂直尺寸V2。
之后在左下方的【Details View】中分别设置这些边的尺寸。
如图7所示。
图7 尺寸参数设置（6）回到【Modeling】选项卡，依次在菜单栏中选择Create>Extrude，之后在树形目录中选择已生成的草图【Sketch 1】，再点击明细窗口中的【Geometry】中的【Apply】按钮，确认拉伸的草图，对基板的厚度进行编辑，在明细栏的【Depth（>0）】中输入两板总厚度0.3mm。
如图8所示。
图8 拉伸设置（7）点击工具栏中的【Generate】按钮，可以看到绘图窗口中的草图变成了一个实体。
（8）创建新平面。
单击树形目录中的【XYPlane】，再单击工具栏中的“创建新平面”选项即选项以创建新平面，在明细栏窗口中将基准平面【Base Plane】设置为XY平面，将平移方向【Transform 1】设置为沿Z 轴平移【Offset Z】，在平移量【FD1】中输入平移量0.2mm，之后点击【Generate】按钮生成新平面。
操作步骤如图9所示。
图9 创建新平面（9）分割实体。
在菜单栏中依次选择Create>Slice，之后在树形目录中选择刚创建的新平面【Plane4】，再点击明细窗口中的【Base Plane】后的【Apply】按钮，确认分割的基准平面，之后单击【Generate】按钮完成分割。
如图10所示。
图10 分割实体（10）点击【Generate】确认分割，可以在树形图中看到原本一个实体被分为两部分，显示为“2Parts，2Bodies”，我们同时选取其下的两个Solid 并右键单击，选取“From New Part”将二者合并为一个体，以方便后边的处理；之后，右键单击树状图中的Solid可以进行重命名，我们将薄的部分重命名为“copper”，厚的一部分重命名为“base”以便于之后的区分。
至此，建模部分完成。
3.网格划分（1）双击Workbench界面中系统A的第四个单元格，模型【Model】单元格，进入【Steady-State Thermal】的稳态热分析模块。
（2）为了给两块板分别分配材料，在树形图中展开【Geometry】，单击其下的【Solid】，在明细栏窗口中的【Material】的【Assignment】按要求分别给两板分配材料。
如图11所示。
图11 为铜板分配材料（基板同理）（3）在树形图中选择【Mesh】，此时活动工具栏变为了划分网格相关操作。
找到工具栏的【Mesh Control】，依次选择【Mesh Control】>【Sizing】以设置网格尺寸。
（4）在菜单栏中选定【选择体】，即Body按钮。
然后单击选定视图栏中的两个体，此时选定的模型变成绿色。
在明细栏窗口中的【Geometry】后面选项中选择【Apply】，此时视图中选定的模型变为蓝色。
在【Element Size】中可以设定要划分单元的大小，此处设置为0.05mm。
单击工具栏上的【Update】即，等待网格划分结束。
如图12所示。
（5）至此，网格划分步骤完成。
图12 网格划分4.施加温度边界并求解温度场（1）单击树形图中的【Steady-State Thermal】，进入稳态热分析环境。
（2）施加边界条件，问题中的铜板上表面温度为20℃。
选择工具栏中的【Temperature】选项，之后选择【Face】工具，即选项，在右侧图形区中选择铜带上表面，之后在明细栏中的【Geometry】处选择【Apply】确认所选面；再更改【Magnitude】为20℃。
如图13所示。
图13 设置温度边界（3）类似地，设置基板下表面的温度边界为100℃，方法类似（2）中所述，在此不再赘述。
（4）点击工具栏中【Solve】进行求解得到温度场结果。
（5）至此，温度边界设置以及温度场求解完成。
5.查看温度场结果（1）单击树形图中的【Solution】，进入求解结果环境。
（2）依次选择工具栏中的【Thermal】>【Temperature】选项，以查看该结构温度分布结果。
（3）单击【Solve】以求解得到温度场结果，最终结果如图14所示。
图14 两板温度场分布云图6.热应力分析过程（1）树形图中继续选择【Static Structural】，进入静力分析环境。
（2）在图形区中选择基板底面，施加无摩擦约束。
在工具栏中依次选择【Supports】>【Frictionless Support】，之后选择【Face】工具，即选项，选择箱盖的10个定位孔面以及箱盖的接触面，之后在明细栏中的【Geometry】处选择【Apply】确认所选面。
如图15所示。
图15 为基板底部施加无摩擦约束（3）展开树形图中的【Imported Load】，右键单击其下的【Imported Body Temperature】并选择【Import Load】选项将之前求解的温度导入静力分析模块。
（4）（4）选择树形图中的【Solution】选项，右键单击鼠标，在Insert下拉菜单下插入结果【Total Deformation】以及【Thermal Strain】选项。
（5）单击【Solve】以求解得到两板变形结果以及热应力结果，最终结果如图16及图17所示。
图16 总变形分布云图图17 热应力云图。