Simsolid与Workbench热交换分析对比：性能与效率

本次分析选取了一个简单的陶瓷水杯以及杯垫进行了热交换分析，采用了simsolid和ANSYS workbench软件进行分析对比，本文所用模型及分析结果仅用于simsolid软件的学习和交流，如果有任何疑问欢迎各位读者交流。

1.模型导入

首先在CATIA中进行了杯子及杯垫的简单建模，模型如下：

图1 杯子及杯垫的CATIA模型

将建好的模型导入simsolid中，导入时软件会根据两个物体的间隙和过盈自动识别杯子和杯垫的接触。

图2 自动接触

模型导入后进行材料的添加，分别赋予杯子和杯垫Glass和Rubber的材料属性，simsolid中集成了许多常见的材料并具有完整的材料各项力学参数。

图3 simsolid材料库

2.载荷施加

在杯子的内表面定义100℃的表面温度，模拟充满热水时的温度载荷，在temperature的模块下进行定义。

图4 温度载荷的施加

然后在convection模块下进行传热的定义，选择杯子的外表面和杯垫的所有面，设定环境温度为22℃，传热交换系数为73W/(m^2*K)。

图5 热交换设置

在进行热交换计算之前，选择杯垫和杯子的接触方式。

图6 接触方式选择

3.求解及结果后处理

提交运行后后处理结果立即计算出来，分为温度云图和热交换云图。

图7 温度结果云图

杯体外表面的温度在77℃~92℃之间，杯把主体温度在24~39度之间，杯垫外缘温度基本上与室温一致，说明握住被子的杯把是不会感到烫手的。

图8 热交换结果云图

杯子在与杯垫交接的地方是热流最大的区域，最大值为4.6E3W/m^2。

4.simsolid以及ANSYS workbench分析结果对比

作为对比，笔者还选择了ANSYS workbench进行同样的热交换分析，在网格划分阶段，笔者为了进行精确求解，对网格尺寸设置为0.5mm，网格划分过程进行了5min，网格信息如图所示。

图9 ANSYS workbench网格文件

然后再进行载荷施加以及热交换参数设定，此处不再赘述，求解过程花费时间约为5min。

求解结果如图所示：

图10 workbench温度结果云图

图11 ANSYS workbench热交换结果云图

杯子外表面温度在82~91℃，杯把的主体温度在22~39℃，杯子在与杯垫交接的地方是热流最大的区域，最大值为5.8E3W/m^2。

和simsolid结果进行对比：

表1 simsolid与ANSYS workbench分析结果对比

在网格精度较大的情况下，且认为ANSYS workbench求得的结果为精确解，simsolid求得的温度场和ANSYS workbench求得的解误差较小，而热流交换有较大误差。但是simsolid在进行设置以及求解的过程较为简单，且求解迅速，时间成本较少，在进行更大规模的计算可为工程师节省较多时间。

5.总结与心得

总体使用下来，simsolid上手较为容易，并且省去了划分网格的时间，节省了人力以及时间成本，在计算速度上也有着较大的优势，计算精度也有保证。笔者原本准备进行动力学的仿真，然而现有的使用版模块没有较为完备的功能使用，并且笔者没有发现在构件之间的比较完善的连接，希望后续软件开发工程师可以进行相关的完善。

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