SOLIDWORKS热应力分析：从基础入门到进阶完整实操教程

当产品承受热载荷时，会产生热应力，为了保证产品的功能实现和使用安全，我们必须对这类应力进行分析。SOLIDWORKS Simulation 仿真套件针对不同的热工况，推出了多款定价不同的有限元分析（FEA）工具。本文将对这些工具进行详细介绍，帮助大家选择最贴合自身需求的解决方案。

SOLIDWORKS Simulation 不同版本的功能支持如下：

利用 SOLIDWORKS Simulation 套件获取热应力分析结果时，可采用的软件方案分为两类：基于 SOLIDWORKS Simulation 标准版的线性静力学分析，以及基于 SOLIDWORKS Simulation 高级版的非线性分析。

本文所采用的分析流程，将以 SOLIDWORKS 高级版作为获取应力结果的核心工具。具体流程为：先通过 SOLIDWORKS Simulation 专业版或 SOLIDWORKS Flow Simulation 流体仿真软件完成热分析并得到热分析结果，再将该结果导入结构分析模块，最终得到热应力分析结果。

一、热应力的产生原因

热应力的产生主要分为两种核心场景。第一种是不同热膨胀系数的零部件通过粘接连接所产生的应力。下图为两个粘接在一起的块状零件，二者热膨胀系数不同，且承受相同的热载荷，由此产生粘接应力。

标注热膨胀系数 0.002 的零件膨胀量更大，粘接面之间的膨胀量差异是热应力产生的根源。其中，热膨胀系数较小的粘接面会承受拉应力，热膨胀系数较大的粘接面则承受压应力，示意图中红色区域即为粘接应力的集中区域。

第二种产生热应力的场景是零件内部出现非均匀的温度分布。

左侧为承受热载荷的块状零件剖视图，可见零件中心区域温度最高，外侧区域温度较低。在热载荷和热膨胀系数的共同作用下，零件会从内部开始呈现出鼓胀式的膨胀变形，最终在零件上产生热应力，右侧示意图展示了该应力的分布状态。

二、热应力的探究思路

本次热应力分析将采用多种方法展开，从基础的手工计算法，逐步过渡到结合计算流体动力学（CFD）的高级仿真计算法，所有分析均围绕一个简易的陶瓷微芯片模型展开。

该模型的工况为：风扇向一个持续产生 3 瓦热量的陶瓷微芯片吹风，芯片产生的热量最终散发至周围空气中，本次分析的核心目标是计算微芯片与散热器接触区域的热应力分布。

三、热应力的两步判定法

所有热应力分析均需遵循热分析步骤 + 结构分析步骤的两步法：

第一步（热分析）：计算模型的热量传递规律和稳态温度分布；

第二步（结构分析）：将热分析得到的温度数据代入结构分析模块，计算模型产生的热应力。

四、方法一：纯手工计算热应力

首先，我们采用纯手工计算的方式分析模型的热应力，该方法同样遵循上述两步分析流程，具体的手工计算过程和参数设置如下。

第一步：热分析 第二步：结构分析

以下是我们在手算中做出的一个主要假设。

本次手工计算做出了以下关键假设：芯片产生的 3 瓦热量，绝大部分会通过芯片传递至散热器，再由散热器散发到空气中（示意图中红色大箭头），因为该传热路径的热阻最小；仅有小部分热量会直接由芯片散发至空气中

手工计算得出，芯片产生的 3 瓦热量中，约 2.2 瓦（占比 3/4）会向左传递至散热器，剩余约 0.8 瓦（占比 1/4）会直接向右散发至周围空气。

手工计算的另一核心假设为确定 3 瓦热量向空气传递的效率，即明确散热器到空气、芯片直接到空气这两条路径的对流换热系数，相关计算参数在表格中以橙色单元格标注。

对于一般情况，你可以在网上找到推荐对流系数的表格（如下图）：

本次分析的流态与上表中前两种空气受迫对流最接近，因此需在 10~100 W/(m²・K) 的范围内选取贴合实际工况的数值，该数值的选择对计算结果影响显著，需谨慎确定。

当选取对流换热系数为 50 W/(m²・K) 时，芯片最高温度为 84.3℃；当选取系数为 100 W/(m²・K) 时，芯片最高温度大幅降至 64.1℃。本次示例将统一采用 50 W/(m²・K) 作为对流换热系数。

将热分析得到的温度汇总结果代入结构分析，进行手工计算，步骤如下：

在结构层面，我们需要考虑两个物体在热载荷下的膨胀。

如前所述，当物体连接或结合时，应力开始产生。

手工计算得出芯片存在多个温度值（绿色标注），原因是芯片中心温度高、外侧温度低。在结构手工计算中，需遵循最保守原则选取温度：由于芯片与散热器粘接，要计算最大热应力，需假设芯片膨胀量最小、散热器膨胀量最大，因此选取芯片的最低温度（77.25℃）和散热器的最高温度进行计算，以得到最保守的应力结果。

本次纯手工计算最终得到芯片与散热器的接触应力为 82.2 MPa，计算过程中针对热分析和结构分析均做出了大量假设，具体如下：

其中，对流换热系数的人为选取和芯片至印刷电路板（PCB）、散热器的复杂传热路径简化是本次手工计算最主要的假设，计算中直接忽略了部分次要传热路径的影响。

五、方法二：手工计算传热，SOLIDWORKS Simulation 计算应力

第一步：热分析（手工计算） 第二步：结构分析（SOLIDWORKS Simulation 装配体线性静力学分析）

本方法将对分析结果进行优化，保留热分析的手工计算过程，将结构分析步骤替换为 SOLIDWORKS Simulation 仿真计算，结构分析将采用 SOLIDWORKS Simulation 标准版的静力学结构分析工具，热载荷则直接采用手工计算得到的温度数据。

1. 模型简化

在 SOLIDWORKS 中打开模型，由于手工计算未得到印刷电路板（PCB）和连接器的温度数据，因此将模型简化为微芯片 + 散热器的组合模型。

2. 创建静力学分析研究

在 SOLIDWORKS 中新建静力学分析研究，命名为 “Standard Static (-ChipSink-)”，分析树包含以下核心模块：零部件、连接关系、零部件相互作用、夹具、外部载荷、网格、结果选项。

3. 材料分配

CAD 模型已为各零部件分配材料，且该属性已同步至仿真分析中：芯片与散热器之间的薄胶层为焊料、散热器为铜、微芯片为陶瓷。

4. 零部件相互作用设置

采用全局绑定接触，即假设所有初始接触的几何面均为粘接连接。

5. 夹具边界条件设置

为了在三维空间中固定并稳定模型，本次先对选定的芯片表面施加滑移支撑边界条件，后续可尝试其他边界条件进行对比分析。

6. 热载荷施加

将手工计算得到的温度数据作为热载荷施加至芯片和散热器，同时假设焊料的温度与芯片一致，具体参数：

芯片温度：77.25℃，热膨胀系数 9×10^-6 K^-1

散热器温度：77.21℃，热膨胀系数 24×10^-6 K^-1

操作方式：在 “外部载荷” 中选择 “温度”，分别为芯片和散热器的所有外露面分配对应温度值。

7. 零应变参考温度设置

在研究属性中，进入 “流体 / 热效应” 选项卡，设置零应变参考温度为 300 开尔文（约 80.33 华氏度），该温度为分析中所有未单独指定初始温度的零部件的默认初始温度。

8. 网格划分与仿真求解

采用混合曲率网格划分策略对模型进行离散化网格划分，完成后运行仿真求解，得到接触热应力的分布结果。

仿真结果与分析

仿真结果显示，散热器的热膨胀量大于陶瓷芯片，因此在二者的粘接区域产生热应力，且散热器向左侧发生弯曲变形。对芯片接触面上的平均应力进行测量，得到结果为86.42 MPa。

该结果与手工计算的 82.2 MPa 高度接近，且仿真计算考虑了零部件的实际几何形状和变形响应，相比手工计算的大量假设，结果更贴合实际。

方法二的假设与结果总结

六、方法三：全程使用 SOLIDWORKS Simulation 计算

本方法将完全摒弃手工计算，全程采用 SOLIDWORKS Simulation 仿真工具：通过 SOLIDWORKS Simulation 专业版完成热分析，得到模型的温度分布（可精准体现非均匀温度梯度）；

结构分析步骤与方法二一致，但将加入连接器的几何细节，使分析更完整。

第一步：热分析（SOLIDWORKS Simulation 专业版） 第二步：结构分析（SOLIDWORKS Simulation 装配体线性静力学分析）

热分析的设置与操作

新建热分析研究：在 SOLIDWORKS 中新建热分析研究，命名为 “Pro Thermal (-Default-)”，分析树包含：零部件、连接关系、零部件相互作用、热载荷、网格、温度、对流、热通量、热功率、辐射、选项。

施加热功率载荷：选取微芯片的整个实体，施加3 瓦的热功率载荷，作为芯片的热量来源。

施加对流边界条件：

主对流：对散热器和底部连接器的所有外露面施加对流，对流换热系数 50 W/(m²・K)，环境体温度 300 开尔文，与手工计算保持一致；

二次对流：对芯片的外露面施加对流，由于陶瓷的传热效率低，选取更低的对流换热系数 25 W/(m²・K)，环境体温度 300 开尔文；

三次对流：对印刷电路板（PCB）的表面施加对流，对流换热系数 10 W/(m²・K)，环境体温度 300 开尔文。

零部件相互作用设置：

全局绑定：选取芯片、导热膏、散热器、铜连接器，设置为全局绑定接触，保证热量在各部件间的正常传递；

二级绑定：选取印刷电路板、连接器、三根引脚，同样设置为绑定接触；

局部热阻：芯片铜连接器与连接器引脚的接触区域存在类弹簧特性的接触，且接触面粗糙会产生额外热阻，因此对该接触区域设置局部热阻，分布式热阻值为 0.01 (K・m²)/W；同时在芯片连接器与连接器外壳之间也设置相同的局部热阻。

网格划分与仿真求解：采用与方法二相同的网格设置对模型进行划分，完成后运行仿真求解。

热分析结果

仿真得到的温度云图显示，模型的最高温度为82.33℃，并可清晰观察到整个模型的温度梯度分布。

通过后处理工具 “列出热功率” 计算芯片至散热器的传热量，得到实际传热量为2.06 瓦，与手工计算的 2.2 瓦接近。

结构分析的设置与操作

新建静力学分析研究：采用与方法二完全相同的方式新建静力学分析研究，因模型加入了更多几何细节，在连接器的相互作用中加入摩擦系数（取值 0.1），使接触设置更精准。

夹具边界条件优化：由于模型加入了印刷电路板，本次施加三个夹具特征限制电路板的自由度，保证其在计算中既稳定又能产生正常的变形。

导入热分析结果：在仿真设计树的 “外部载荷” 中选择 “热效应”，在弹出的研究属性窗口中，勾选 “从热分析研究导入温度”，并在下拉菜单中选择上述热分析研究 “Pro Thermal”，同时设置零应变参考温度为 300 开尔文。

网格划分与仿真求解：采用相同的曲率网格划分策略，运行仿真求解。

结构分析结果

导入温度后的应力云图显示，模型的应力梯度分布与方法二相似，对芯片同一接触面上的平均应力进行测量，得到结果为91.84 MPa。

方法三的结果与优势分析

该结果是目前最精准的热应力值，原因是本方法的假设条件大幅减少，相比前两种方法有以下核心优化：

热分析不再假设零件温度均匀分布，可计算出芯片内部更贴合实际的高温区，且能体现从芯片形心向外逐渐降低的温度梯度；

利用零部件的实际几何形状计算复杂传热路径，得到更精准的热通量；

热分析中对接触区域的热阻进行了精准建模，这些优化均使接触区域的应力计算更贴合实际。

方法三的假设与结果总结

七、方法四：SOLIDWORKS Flow Simulation 计算传热，SOLIDWORKS Simulation 计算结构应力

本方法将采用 SOLIDWORKS Flow Simulation 流体仿真软件完成热分析步骤，该软件可自动计算对流换热系数，无需人工估算，从根源上减少热分析的假设条件；结构分析仍采用 SOLIDWORKS Simulation 有限元分析工具，最终将流体仿真得到的高精度热分析结果导入结构分析模块。

SOLIDWORKS Flow Simulation 专注于流体动力学和传热仿真，可对热系统的更多影响因素进行分析，本文将详细介绍该软件的操作流程，以及如何将其得到的精细化热分析结果导入 SOLIDWORKS Simulation 进行结构应力计算。

第一步：热分析（SOLIDWORKS Flow Simulation） 第二步：结构分析（SOLIDWORKS Simulation 装配体线性静力学分析）

在原有热模型的基础上加入风扇部件，模拟风扇向芯片吹风的工况，使热分析可精准体现芯片表面的受迫对流效应。

流体仿真的设置与操作

新建外部流体仿真项目：

分析类型：选择外部分析，不考虑封闭腔室，排除无流动的腔室空间；

物理特征：开启固体热传导功能，默认流体介质为空气；

临时材料：向导中先将默认材料设为 “绝缘体”，后续将通过本地选择覆盖材料定义；

初始与环境条件：设置初始温度为 300 开尔文，与手工计算保持一致，方便结果对比；环境压力为 101325 帕，初始速度为 0 m/s。

缩减计算域：计算域是流体仿真中模拟流体动力学和热分析的空间体积，本次仿真适当缩减计算域体积，以提高计算效率。

导入材料属性：直接从 CAD 模型中导入各零部件的材料属性，保证与前几次仿真的材料参数一致。

设置风扇特征：选取模型中风扇的工作面，设置风扇特征，无需建模风扇叶片及模拟叶片转动（该操作会大幅增加计算资源和时间），直接通过风扇特征理想化模拟特定风扇对空气介质的驱动效果。施加热生成率载荷：与前几次热分析一致，对微芯片施加3 瓦的体积热生成率载荷，作为热量来源。

设置工程目标：

体积目标：添加芯片、散热器的最高温度和平均温度监测，实时追踪核心温度参数；

表面目标：添加散热器表面的对流换热系数监测，方便与前几次人工选取的系数进行对比。

设置接触热阻：与方法三一致，在芯片铜连接器与连接器引脚的接触区域设置接触热阻，阻值 0.01 (K・m²)/W，考虑接触面粗糙带来的热阻影响。

网格划分优化：

全局网格：将初始网格等级提升至 7 级，提高全局网格的细节度；

局部网格：对芯片、散热器、连接器等核心零部件进行局部网格细化，在固液交界面设置等距细化，保证核心区域的计算精度。

流体仿真的求解与监控

运行 SOLIDWORKS Flow Simulation 仿真，通过求解器窗口实时监控计算过程：计算流体动力学（CFD）仿真的耗时远长于常规有限元分析（FEA），求解器窗口可实时、定性 + 定量地展示结果参数的变化过程；若发现计算结果不符合预期，可提前终止计算并排查问题。

热分析结果

温度分布：仿真得到芯片的最高温度约为76~77℃，相比方法三 SOLIDWORKS Simulation 专业版的 82.3℃低数度，该结果因自动计算了所有对流换热系数，更贴合实际工况。

流场轨迹：通过流场轨迹云图可直接观察并动画演示空气介质的流动状态，清晰展示空气吹过芯片表面的速度分布（单位：m/s），动画功能可帮助工程师更直观地理解热系统的响应规律。

对流换热系数分布：生成对流换热系数表面云图，可观察到系数的非均匀分布规律；而方法三中的 SOLIDWORKS Simulation 专业版仅能对整个面人工指定统一的对流换热系数，本方法的结果更符合工程实际。

结构分析的设置与操作

新建静力学分析研究：采用与前几次完全相同的方式新建结构分析研究，也可直接复制已有研究，避免人为操作误差。

导入流体仿真热结果：在研究属性的 “流体 / 热效应” 选项卡中，勾选 “从 SOLIDWORKS Flow Simulation 导入温度”，选择上述流体仿真项目，设置温度导入的时间步为 71（0 秒），零应变参考温度仍为 300 开尔文。

仿真求解：完成设置后运行结构分析仿真，求解过程中可通过窗口查看求解进度、内存占用等信息。

结构分析结果

对芯片同一接触区域的应力进行测量，得到接触平均应力为81.39 MPa，该结果低于方法三的计算值。

方法四的假设与结果总结

该结果是本次所有分析中假设条件最少的结果：热分析不再人工估算对流换热系数，且能模拟复杂的非均匀热载荷；结构分析则延续了方法三的高精度设置，因此该结果最贴合工程实际。

总结

本文采用多种方法对同一模型的热应力进行分析，结合了手工计算与多款 SOLIDWORKS 仿真工具，各方法的核心差异为：

方法一：热分析、结构分析均采用手工计算；

方法二：热分析手工计算，结构分析采用有限元分析（FEA）；

方法三：热分析、结构分析均采用有限元分析（FEA）；

方法四：热分析采用计算流体动力学（CFD），结构分析采用有限元分析（FEA）。

综上，SOLIDWORKS Simulation 仿真套件能够更精准地还原系统的实际几何形状，减少边界条件定义过程中的假设条件，从而在评估产品设计是否满足性能指标时，提供更可靠的分析结果。