ANSYS热分析论文（精选6篇）
ANSYS热分析论文 篇1
0 引言
ANSYS作为有限元分析领域的大型通用程序,以其多物理场耦合分析的先进技术和理念,在工业领域和研究方向都有广泛而深入的应用。ANSYS具有结构、流体、热、电磁及其相互耦合分析的功能。本文所进行的焊接温度场、焊接应力场的模拟就是运用其热一结构的耦合分析功能进行计算的。
热分析是ANSYS软件的一个很重要的分析模块,主要用于计算一个系统或部件的温度分布及其他热物理参数。ANSYS进行热分析主要有两种类型,稳态分析和瞬态分析,这两种分析类似于静力分析和瞬态动力分析。稳态热分析研究稳定的、不随时间变化的热载荷作用下的温度场,温度场中的各种参数,如温度、热流密度、温度梯度等都是不随时间变化的稳定数值。瞬态热分析研究随时间变化的温度场,温度场中的各种参数,如温度、热流密度、温度梯度等都是随时间变化的数值。由于实际的温度场都是随时间变化的,所以瞬态分析在实际工程设计中应用的更加广泛。焊接温度场分析以及引起的应力场分析都属于高度的非线性瞬态分析过程。
在用ANSYS来模拟计算焊接温度场和应力场时,可以通过两种途径来实现:直接法和间接法。直接法是使用具有温度和位移两种自由度的耦合单元,同时计算得到热分析和结构应力分析的结果。间接法则是首先进行热分析,得到焊接过程中焊件和焊缝处的温度场分布,再将求得的节点温度作为载荷施加在结构应力分析中。影响焊接应力应变的因素有焊接温度场和金属显微组织,而焊接应力应变场对它们的影响却很小,所以在分析时,一般仅考虑单向耦合问题,即只考虑焊接温度场和金属显微组织对焊接应力应变场的影响,而不考虑应力应变场对它们的影响。高温时因为屈服极限较低,此时相变应力也很低,所以忽略相变应力不会给焊接应力带来较大的影响。本文仅研究焊接温度场对应力应变场的影响,从而再得出焊接残余应力的分布,所以运用间接法来进行模拟计算比较合理。
1 焊接温度场的模拟计算
1.1 前处理
l)建立几何模型。几何模型的形状不仅由焊件的形状、尺寸大小决定,还取决于载荷施加的方式和热源在焊件内的传导方式。在移动热源条件下,对于薄板对接焊,当忽略厚度方向温度场的分布时,可将模型简化成二维平面模型;但对于堆焊,厚度方向温度场分布不均匀,则需建立三维模型。对于对称、反对称或轴对称焊件结构,应尽量运用其对称性来简化模型。
2)定义单元类型。ANSYS单元库中有十多种类型,热分析使用的主要单元有:PLANE35(6节点三角形单元)、P L A N E 5 5(4节点四边形单元)、PLANE77(8节点四边形单元)、PLANE78(8节点四边形单元,用于三维轴对称分析)、SOLID 70(8节点六面体单元)、SOLID90(2节点六面体单元)。
3)定义材料属性。由于焊接温度场的模拟计算属于非线性的瞬态热分析,所以就必须给定随温度变化的物理性能参数,如导热系数、比热、密度、热流率以及换热系数等。一般高温时的材料热物理性能参数比较缺乏,可采取实验和插值等方法获得。
4)网格划分。ANSYS提供两种网格划分方式,即自由网格划分和映射网格划分。自由网格划分对单元形状没有限制,生成的单元也不规则。映射网格则要求一定规则的形状,且映射面只包含三角形或四边形,映射体只包含六面体单元。映射网格生成的单元比较规则,有利于载荷的施加和收敛的控制。
一般来说,增加划分网格的密度可以提高计算结果的精确性,但计算成本也会上升。在实际运用中,焊缝和焊接热影响区的温度梯度变化较大,这部分要采用加密的网格,而远离焊缝的区域,温度梯度变化相对较小,可以采用相对稀疏的网格。一般来说焊缝处的单元网格应控制在2mm以下。
5)实例。本文所采取的车门铰链模型是按照上海大众SANTANA系列小轿车车身铰链1:1建模,由UG画成再导入ANSYS进行分析,如图1所示,此车门铰链模型主体底板长50mm,宽38.9mm。采用SOLID70号热分析单元。车门依靠上下两个铰链悬挂在车身门柱上。闭合时,封闭件整体质量以及任何作用在其上的力都由两个铰链、门锁及定位器支承。而当封闭件打开时,则全部由铰链支承。由于铰链在车身封闭件匹配过程中连接封闭件与车身侧围开口部分,并且构成系统旋转中心,所以研究铰链焊接装配过程,探讨焊接热效应对铰链装配质量的作用关系,进一步分析它对最终配合状态产生的影响非常重要。
1.2 载荷加载和求解
热分析的载荷主要有温度、对流、热流密度和生热率。
对于焊接热源载荷,在ANSYS中可以用热流密度或生热率两种形式施加。对于表面堆焊问题,忽略熔覆金属的填充作用时,将热源以热流密度的形式施加载荷,可以得到较满意的计算结果。但对于开坡口的焊缝或填角焊缝等,应将热源作为焊缝单元内部生热处理,以生热率的形式施加载荷,同时考虑金属的填充作用,运用生死单元技术,逐步将填充焊缝金属转化为生单元参与计算。
l)定义分析类型在瞬态热分析中,施加载荷的第一步就是要定义分析类型。
2)建立分析的初始条件焊接温度场的模拟计算属于瞬态热分析,需要设定初始温度。初始温度取决于焊接过程中的介质温度。在空气中焊接时,初始温度应该设为室温。设定初始温度有两种方法,第一种是首先作稳态热分析来确定瞬态热分析的初始条件,第二种是可以直接为所有节点设定初始温度。
3)设定载荷步选项对于瞬态热分析,既可以用多个载荷步完成(对于阶跃或渐变边界条件),也可以只用一个载荷步,采用表格边界条件(对于随时间任意变化的边界条件),并由一个数组参数定义时间点。
焊接温度场的分析是典型的非线性瞬态热传导问题,如果分析选项设置不当,通常会导致计算难收敛。为了保证计算的稳定性和收敛性,可以作如下设置:采用Full Newton-Raphson方法,每进行一次平衡迭代,就修正一次刚度矩阵,同时激活自适应下降功能;打开自动时间步长;打开时间步长预测。
时间步长的设置通常对计算精度产生很大的影响,步长越小,计算越精确,但是过小的时间步长需要很大的计算机容量和很长的计算时间。在焊接温度场的分析过程中,时间步长一般应控制在0.25左右,在冷却过程中,可逐步增大时间步长。
4)实例:对铰链模型的载荷加载和求解
第一步,给左边焊缝施加初始温度载荷。持续时间为1秒。
第二步,进行相变分析。左焊缝相变分析持续时间为100秒,我们将载荷步设定为100步,每步持续时间为1秒。
第三步,对左边焊缝单元进行凝固分析。所谓凝固过程即是冷却过程,因此这部分我们将不加载温度载荷。凝固时间分析时间持续900秒,即100秒~1000秒,我们将载荷步设定为19步,每步持续时间为50秒。
第四步,右边焊缝单元加载初始温度载荷,持续时间为1秒(1000~1001)。
第五步,对右边焊缝单元进行相变分析,持续时间为99秒(1001~1100),我们将载荷步设定为99步,每步步长为1秒。
第六步,对右边焊缝单元进行凝固分析,持续时间为900秒(1100~2000),我们将载荷步设定为10步,每步步长为100秒。
1.3 后处理
进行焊接温度场模拟的精度判断。
1)温度场准稳态为随着热源的移动,热源周围的温度分布很快变为恒定的。位于热源中心的观察者,当热源移动时,不会注意到它周围的温度变化。在后处理时,通过判断热源在不同时间时的温度场,可判断是否为准稳态。如果是准稳态,则说明网格和载荷步划分得够细,达到计算的精度要求。如果不是准稳态,则需要修改网格和载荷步再重新计算。
2)根据焊接温度场的特点,通过焊接热后方的温度场,与数值解进行比较,可先后判断导热系数是否合理,如不合理则到前处理修改导热系数,后重新计算。如果合理则进行冷却阶段的计算。
后处理就是查询模拟计算结果并对计算结果进行处理,用以判断网格是否精确、分析结果是否正确。ANSYS软件的后处理包括通用后处理POSTI和时间历程后处理POST26两大模块。在通用后处理中,可以查看整个模型在某一载荷步或子步的计算值,如某一时间点焊件上各点的温度值,而时间历程后处理则查看某点的值随时间变化的状况,如整个焊接过程中,某点的温度随时间如何变化。另外一个较强大的功能是可以通过路径输出结果,即按某一规律变化定义一系列点,或者点击所要选取的点,那么这些有规律变化点的结果通过曲线或云图显示,对于看某条曲线上的计算结果很方便,同时还可以剖开物体查看物体内部节点的计算结果。
通过后处理,可以通过动画显示焊接过程温度的变化,更直观的了解焊接热源的移动过程同时通过焊接温度场的计算结果控制单元的“生死”,以及材料属性的变化还需要通过温度场后处理进行控制。
ANSYS中的误差估计是基于能量分布的,它主要考虑了单元网格的尺寸精度。一般计算结果中能量误差之应低于10%,否则需将网格进行细化。
2 焊接应力场的模拟计算
2.1 焊接应力场的计算方法
在焊接瞬态温度场计算完成的前提下,并且检验符合要求后,就可以进行应力场的模拟计算。重新进入前处理PERP7读入温度场模型,把热单元转化为结构单元。这是进行热应力和残余应力计算的前提,接着定义弹性模量,热扩散率,泊松比等随温度变化的材料力学性能。考虑到焊接变形为大应变问题,所以选择ANSYS提供的双线形等向强化模型模拟材料的非线性,即指定塑性分析选项为双线性等向强化(BISO),并定义随温度变化的屈服应力和切变模量值。
2.2 定义边界条件和施加载荷
定义边界条件主要是约束焊接构件的自由度,要根据具体情况而定。加载位移边界条件既要防止在有限元计算过程中产生刚体位移又不能严重阻碍焊接过程中的应力释放和自由变形(无外约束情况下)。定义参考温度,如焊前没有预热,则为室温,反之为预热温度。
焊接属于大应变问题,设定分析选项时,打开大变形和大应变选项。此外,采用Full NewtonRaphson方法进行平衡迭代并激活自适应下降功能、打开自动时间步长和时间步长预测以加快计算收敛。时间步长应与温度场计算时的设置相同。施加载荷时,读入热分析的节点温度并指定相应的时间点或载荷步即可。设置的参考温度值应与热分析中设置的初始温度值一样。焊接过程中,熔池区的金属处于熔化状态,即进入零力学性能状态,其所有的应力应变将消失。对此,采用生死单元的方法,在每一步热应力计算时,将对应的温度场的计算结果进行选择,超过熔点的单元令其“死掉”,而低于熔点的单元将其“激活”。
在ANSYS中实现对焊缝熔敷及凝固的模拟通常有两种方法:改变单元属性法和生死单元法。一般来说,像平板堆焊等没有填充金属的焊接方法采用前者,开坡口有填充金属的焊接方法采用后者。
2.3 后处理
与温度场模拟计算中所述的后处理一样,在后处理中,通过两种处理器可查看某一时间点焊件上各点的各种应力、应变值或某点的值随时间变化的状况,如图3所示为铰链孔附近2399号节点时间—X向应变曲线,也可用动画显示技术查看焊件在整个焊接过程中应力、应变等的动态变化过程。
本例的边界条件是对铰链底板进行全约束,即固定底板,读入节点温度载荷即可得到整个铰链在焊接结束时的应力分布图。
3 结论
本文对焊接过程产生的温度场、应力场以及焊后残余应力进行了三维实时动态模拟的研究,提出了基于ANSYS平台的焊接温度场、焊接残余应力的模拟分析方法,并对车门铰链进行了实例计算,而且通过与传统结果和理论值的比较分析,得出了数值模拟结果。所提出的数值模拟方法能够在一定范围内较准确地模拟焊接温度场和残余应力场,对焊接问题的研究有很重要的指导意义。
参考文献
[1]谭险峰,张华.焊接温度场和应力场的热弹塑性有限元分析[J].塑性工程学报,2004,11(5).
[2]杨明.厚板焊接残余应力的有限元计算[D].北京工业大学固体力学系,2003.
[3]莫春立,钱百年,国旭明,等.焊接热源计算模式的研究进展[J].焊接学报,2002,22(12).
[4]张亮峰.基于Ansys上的焊接热过程模拟技术的研究[J].机械加工与自动化,2002(01).
[5]侯志刚.薄板结构焊接变形的预测与控制[D].华中科技大学,2005.
ANSYS热分析论文 篇2
建筑围护结构保温隔热性能的优劣对建筑能耗的影响极为重要, 作为建筑围护结构之一的墙体材料 (砖、块和板) 阻热能力在围护结构保温隔热性能中占有十分重要的地位。研究墙体材料传、阻热截面的几何形状对墙体传热系数影响的计算方法, 随着Ansys有限元分析技术的不断普及愈加凸显出这种现代计算技术方法的优越性。
但是, 长期以来应用Anasys研究墙体材料大多局限于二维传、阻热截面的热物性分析, 这种二维分析方法最大的局限性就是忽略了砌筑墙体的垂直砂浆缝导热性能对传热系数的影响, 只能将水平砂浆缝的导热性能纳入砌筑墙体传热系数的研究范围。因此, 往往与砌筑墙体的实际传、阻热能力存在一定的差距, 一般情况下都是通过修正材料的导热系数来校正传热系数的计算结果。
笔者认为, 只有应用Anasys的三维热分析技术原理, 才可以避免砌筑墙体二维热分析方法的局限性, 因为三维热分析技术是综合考虑了水平和垂直砂浆缝对墙体的传、阻热能力的影响, 较为符合砌筑墙体传阻热的实际工况。
当砌筑墙体材料的导热系数能够真实反映它们的热物性特征时, 采用Ansys三维热稳态分析方法进行砌筑墙体的传热系数计算, 由于Ansys有限元分析的计算精度高, 尤其适用于具有复杂孔型布置结构的烧结砖砌体, 完全有条件作为判定砌筑墙体传热的重要工具。因此, 与砌筑墙体传热系数的试验检测方法相比较, 将会节约较长时间的检测周期和必要的人力、物力成本。
2 砌筑墙体稳态传热的基本数学模型
2.1 研究三维砌筑墙体稳态传热的基本假设
2.1.1 无穷大墙面假设
假设图1所示墙面是一张无穷大的砌筑墙面, 即垂直砖缝中线位x轴方向上的热流密度为零, 无热量传递 (qix=0) ;水平砖缝中线位y轴方向上的热流密度为零, 无热量传递 (qix=0) 。
2.1.2 温度的一维自由度假设
假设所研究的墙面、墙体、墙面的高温侧和低温侧中任何一点的温度Ti都不会随时间的变化而改变, 即Ti/t=0。
同样, 对于图2d给出的阻热体, 在温度仅有一维自由度的情况下, 其域[x∈ (-0.125, 000) , y∈ (-0.100, 0.000) , z∈ (-0.260, 0.000) ]内 (m) , 必有Ti/t=0。
在温度的一维自由度假设条件下, 以有限元组成图2d阻热体的每个节点上只能有一个温度自由度、三个热流密度自由度和三个温度梯度自由度, 即温度分布是
式 (2) 和式 (3) 中, qix、qiy和qiz分别为x、y和z轴方向的热流密度 (W/m2) , Ti/x、Ti/y和Ti/z分别为x、y和z轴方向的温度梯度 (K/m) 。
2.1.3 热传递的对称性假设
假设图1所示的墙面全部由图2a给出的烧结砖砌筑而成, 该烧结砖的孔洞排列截面具有完全的几何对称性。对于单一的烧结砖砌体 (含墙面砂浆、水平砖缝砂浆、垂直砖缝砂浆和烧结砖实体) 而言, 温度、温度梯度和热流密度的分布均分别对称于x=0和y=0的平面, 即在图2d的阻热体x=0的平面上无x轴方向上的热量传递, 在y=0的平面上无y轴方向上的热量传递, 有Σqix=Σqiy=0。
2.2 阻热体的稳态热传导方程及其边界条件
设定图2d阻热体烧结砖的墙面砂浆厚度为10 mm, 水平砂浆缝和垂直砂浆缝厚度也均为10 mm, 孔洞布置设计的空气当量层厚度分别是13 mm、10 mm和6 mm。
按照傅立叶热传导定律, 图2d的阻热体有热传导方程如下:
式中λi=λi (x, y, z) , 为该阻热体的导热系数, W/ (m·K) , 由于图2d所示的是复合阻热体, 故导热系数λi≠const。
按照“无穷大墙面假设”条件和“热传递的对称性假设”条件, 有边界条件
和
按照牛顿冷却定律, 有边界条件
和
式 (7) 中, TB1—TB1=const, 高温侧空气温度, K;Ti S1—Ti S1=Ti S1 (x, y, z1) ≠const, 高温侧墙面实体的节点温度, K;hf1—hf1=const, 高温侧空气对流换热系数, W/ (K·m2) 。
式 (8) 中, TB2—TB2=const, 低温侧空气温度, K;Ti S2—Ti S2=Ti S2 (x, y, z2) ≠const, 低温侧墙面实体的节点温度, K;hf2—hf2=const, 低温侧空气对流换热系数, W/ (K·m2) 。
由式 (4) 和边界条件式 (5) 、 (6) 、 (7) 和 (8) 便可以求得整个阻热体的温度、热流密度和温度梯度的分布状况。
2.3 关于烧结砖内孔洞空气的层间当量导热系数λi的回归分析
对于从图2b中截取的隔离体 (图2c) , 视为在隔离体的空洞中填充有当量空气层, 如图2d所示。实体砖和当量空气层的导热系数值是大不一样的, 而且当量空气层的导热系数随着空气层厚度的增加, 空气对流明显增大, 层间当量导热系数趋于不断上升。文献[1]介绍了前联邦德国的热工学者经过大量试验, 给出了空气层的层间当量导热系数值, 见表1。
注:表中联邦德国数据λ联邦德国源自参考文献[1]。
对上述表中前联邦德国提供的空气层当量导热系数λ联邦德国数据进行高阶多项式回归拟合, 建立计算当量导热系数的多项式回归方程如下:
式 (9) 中, x—空气层厚度, mm;y—当量导热系数, W/ (m·K) 。
为方便应用, 在5 mm~120 mm的空气层区域范围中, 按照式 (9) 求得不同空气层的层间厚度对应的当量导热系数值, 见表2。
3 砌筑墙体稳态传热的有限元计算
3.1 稳态传热有限元三维热分析计算的基本原理
对于图2d所示的复合阻热体而言, 由于烧结砖孔洞结构复杂、体内导热系数各异, 采用常规的热工学计算方法, 难度极大, 几乎不可能正确地计算体内各点的热物性参数。因此, 借助于Ansys强大的有限元热分析技术, 是解决烧结砖的复杂孔型布置结构传热计算的重要途径。
Ansys的有限元热分析技术是将图2d划分为若干个如图3所示的Solid87三维十节点四面热实体单元i, 因为这种单元特别适合于对不规则的模型划分有限元网格。对每一个Solid87单元i的节点, 按照能量守恒原理和一定的边界条件与初始条件建立热平衡方程式, 求得各节点的温度值、温度梯度值及其热流密度值。
就图3所示的Solid87单元而言, 该单元i的温度场由式 (10) 给出
以式 (11) 表示单元i各节点j温度梯度的合成矢量
以式 (12) 表示单元i各节点j热流密度的合成矢量
式 (11) 和式 (12) 中, 下角标n代表温度梯度和热流密度的合成矢量始终是沿等值温度曲面的法线方向。这样, Solid87单元i的温度梯度场和热流密度场将分别是:
和
式 (10) 、 (13) 和 (14) 彻底代表了稳态情况下Solid87单元i完整的热工特征 (温度场、温度梯度场和热流密度场) 。求得了各个单元i的热工特征, 便得到了整个阻热体的热工特征。单元划分得越细, 阻热体容纳的单元数量就越多, 计算的精度也就越高。需要指出的是单元数量越多, 计算的工作量越大, 计算机的运算速度必然下降, 严重时会造成运算失败, 甚至计算机死机的后果。因此, 实际建模和有限元网格划分须根据计算机配置性能的具体情况灵活处理、适度即可。
3.2 三维稳态传热有限元计算方法与运算结果分析
按照Aansys有限元稳态热分析的三个基本步骤:前处理 (建模) ;求解 (施加载荷、边界条件、计算) ;后处理 (查看和提取计算结果) , 得出图2d阻热体的温度分布场、热流密度场, 温度梯度场的运算结果。更为重要和具有实际意义的, 是从有限元的计算结果中, 将会自动得出阻热体高、低温侧墙面的温度、热流密度分布云图和等值面图, 以及墙面温度和热流密度的平均值, 从而求得砌筑墙体的传热系数值。这意味着将为合理设计烧结砖的孔型布置方式, 降低墙体的传热系数, 增加热阻提供有力的科学佐证。为缩短实际墙体传热系数的检测周期, 加快烧结砖孔型布置的优化设计工作具有极为重要的意义。
在Ansys的前处理器中首先完成图2d阻热体的导热系数 (见表3) 输入、几何建模和有限元划分后, 再按照表3给出的数值在求解器中赋值热荷载和式 (5) 、 (6) 、 (7) 和 (8) 的边界条件, 然后经Ansys求解器运算, 将得出图2d阻热体的全部热工参数即温度场、温度梯度场、热流密度场的分布状况。
用图2所示的烧结砖砌筑的墙体见图4。在墙体的两侧, 高温侧空气温度是TB1, 空气对流系数是hf1;低温侧空气温度是TB2, 空气对流系数是hf2。砌筑墙体的烧结砖和烧结砖中的空气层以及砂浆的热物性指标以及高低温侧的热载荷值见表3。
采用Solid87单元, 将表3给出的阻热体的热荷载及热物性参数写入命令流, 按照Ansys有限元“前处理→求解→后处理”的基本分析步骤, 经运算得到温度、Z轴方向的温度梯度和热流密度的分布云图 (见图5) 。从图5d热流分布云图上, 我们看到热量的传递主要依托烧结砖砌体的实体部分 (砂浆、多孔烧结砖的实体) 进行, 而孔洞部分传递热量的能力极为脆弱。
仅仅依靠图5给出的云图参数, 要进行砌筑实体阻热能力分析, 显然由于墙面热物性参数的缺失是无法进行的, 而这一点又恰恰是本文研究的核心内容。只有对砌筑实体的阻、传热能力给出量化分析的计算结果 (传热系数) , 砌筑墙体的Ansys三维稳态热分析方法才真正具有实际应用意义, 以便于能够指导烧结砖孔型布置设计。
为了计算图2d砌筑实体的传热系数, 研判它的阻热能力, 必须借用于Ansys的后处理能力进行高、低温侧墙面的切片分析, 见图6。
从图6b和图6d的热流密度分布云图上, 发现在垂直砂浆缝和水平砂浆缝的交汇处附近热量损失最大, 而在单砖砌体中心 (x=0, y=0) 区域热量损失最小。图7的镜像显示结果也证明:由于垂直砂浆缝和水平砂浆缝的交汇处附近热量损失最大使得高温侧表面的四个角落温度降低很多, 低温侧表面的四个角落温度升高;高温侧中心区域属于高温区, 低温侧中心区域属于低温区。
经切片分析命令流运算, 信息输出窗口 (Output Window) 分别给出了高、低温侧砌体表面的温度和热流密度的平均值, 见图6e和图6f以及表4。按照文献[2]给出的传热系数计算方法, 图4所示砌筑墙体的三维热分析传热系数的计算结果也将一并列入表4。
4 讨论
由上述Ansys稳态热分析计算, 不难看出表4给出墙体传热系数的分析结果, 都是在表3给出的材料热物性参数的基础上求得的。在相同热荷载和边界条件下, 当其材料的导热系数取值不同, 传热系数的计算结果也必然不一致。众所周知, 我国地缘辽阔, 各地制造烧结砖获取的材料也各不相同。即便在同一地区使用相同的材料生产烧结制品, 由于各个烧结砖企业采用的工艺、制砖装备性能 (例如砖机的挤出压力、真空度等) 的不一致, 也会使得烧结砖成品的密实度差异很大, 这必然会带来烧结砖成品导热系数相差甚远。
虽然“砌筑墙体的Ansys三维稳态热分析方法”可以针对不同复杂孔型结构的烧结制品进行阻、传热分析, 进而求解它的传热系数。由于各地各类烧结砖制品实体部分的导热系数差距很大大, 使得计算结果往往与实际烧结制品的传热系数检测结果存在着较大的误差。
尽管笔者也在文中提出了“砌筑墙体的Ansys三维稳态热分析方法”, 较二维热分析方法是一大进步。倘若不加强对烧结制品实体和砂浆等的导热系数基础检测试验研究, 其Ansys热分析和传热系数计算结果除了对烧结砖孔型设计有一定指导意义外, 由于提供给Ansys命令流的导热系数与材料真实导热系数的差异, 采用Ansys的热分析方法计算的传热系数结果与实际传热系数的传统检测方法相比, 用于衡量烧结制品砌筑墙体传热系数的科学性却要大打折扣。
5 结语
有鉴于此, 建议国家有关建筑节能管理部门组织力量, 加大对各地、不同密度的烧结制品实体导热系数的检测试验研究, 定期委托具有法定资质的有关检测机构适时发布各地、不同密度的烧结制品实体和不同种类砌筑砂浆导热系数的系列指导值。让Ansys这种有限元的现代数值计算方法真正能够为我国墙体材料的建筑节能事业服务, 使“砌筑墙体的Ansys三维稳态热分析方法”的应用能够更好、更快、更贴近实际地反映烧结砖生产企业产品的建筑节能效果, 以缩短墙体材料传热系数的检测试验周期, 节省检测时间、人力和物力成本。
参考文献
[1]孙继颖.空心砖与建筑[M].北京:中国建筑工业出版社, 1988.
[2]弗兰克P.英克鲁佩勒等人著.葛新石, 叶宏译.传热和传质基本原理[M].北京:化学工业出版社, 2011 (9) .
[3]张朝晖.ANSYS热分析教程与实例解析[M].北京:中国铁道出版社, 2007 (5) .
[4]刘承.Ansys热分析技术在复合保温砌块孔型布置中的应用[J].建筑砌块与砌块建筑, 2012 (5) .
ANSYS热分析论文 篇3
1热分析应用概述
基于本文的研究内容, 笔者将热分析倾向于作为一种工具来对待, 其应用的广泛性十分明显。例如, 再机械加工的过程中, 成品往往都是由零部件构成的, 而不同的零部件部分在铸造生产中对材料的要求不同, 或硬度较高, 或柔韧性较好, 需要对不同的共建温度进行有效估算和控制;生产者必须明确, 随着温度的变化, 模具、材料的结合形状变化特征、速率、界限, 防止过度加工或热工性不足导致的零部件损坏和缺陷。
鉴于热分析的重要作用, 从十八世纪开始人们就不断研究其应用方式, 最终总结出变量表达的形式, 如早期的热曲线法, 用来分析陶瓷材料, 具体应用中利用电流计、相机底片和切光计。二十世纪初出现了热重分析, 用来研究电绝缘性材料的功能周期以及使用寿命;第二次世界大战结束以后, 热分析技术逐渐在世界范围内引起了重视, 各国科学家也都开始了相应的研究。
上世纪五十年代出现了自动化技术和记录技术, 为热分析的动态性关系研究提供了便利条件, 日本出现了世界上第一胎基于热分析的全自动DTA仪器设备, 随后这一产品开始进入工业体系;真正将热分析技术推向市场化的产品出现在上世纪90年代, 温度调节设备与分布式体系相结合, 打破了长期以来热分析依赖于线性结构的形式, 同时也很好的解决了热容引发的相漂移障碍。
计算机技术成熟以后, 以软件形式展开的热分析工具广泛应用, 可以更好的解决工业领域的大型文体, ANSYS作为一种有限元分析软件, 再解决复杂的力学问题方面、温度变化问题方面等发挥了很好的效果。
2 ANSYS有限元分析软件在热分析中的应用
2.1 ANSYS热分析概述
ANSYS分析软件起源于上世纪70年代, 是一种典型的基于计算机系统产生的分析方法, 该程序早期只作为一个批处理程序, 由于早期的电脑性能较差, ANSYS和一般的软件一样只能在大型计算机上进行使用, 而这也正是它逐渐被应用于工业方向的一个契机。然而, 随着计算机硬件和软件技术的不断发展, ANSYS程序发生了很大的变化, 特别是在被支持的环境方面开始完善, 并融入了子系统、非线性结构等多种类型, 程序的独立性开始出现, 尤其是在加入了交互性以后, 为后期建模提供了有利的支持。
ANSYS分析软件在展开工作中设计交互式图形的验证模式, 例如集合图形、边界条件等, 通过软件分析完成之后, 可以随机产生分析结果, 这种创新性的有限元软件分析方法也正是ANSYS的重要优势;应用者可以随心所欲的针对图形用户或命令流方式展开更改。
“有限元”属于一个数学领域的概念, 指的是一种为求解偏微积分方程边界值问题近似解的数值技术, 本质上说, 再计算温度场中并没有太大的优势, 但基于稳态温度场以及弹性力学的振动问题分析, 能够发挥很好的变化记录;其中的场变量是弹性力学中的位移概念, 可视为是向量场, 而在热分析问题中, 场变量则是温度, 是标量场。从场论角度分析来说, 两者都是矢量范畴。
2.2 ANSYS再热分析中的应用
计算机网络信息技术的快速发展, 极大地推动了软件市场的繁荣, 并促进了软件和硬件的相对分离, 产生专业性的研究。ANSYS有限元程序在此基础上不断的改进、发展, 目前已经实现了8.0版本的发布, 再发挥热分析功能方面优势更加突出。例如, 可以展开辐射问题的计算, 应用的领域更宽、对象更复杂;结合我国目前ANSYS应用领域现状来说, 主要包括钢铁工业、石油化工、轻工业等。
例如, ANSYS钢铁冶金领域的应用, 可以满足复杂工艺、对象的有限元模拟分析。再模拟的过程中, ANSYS针对四辊轧机进行温度场的模拟, 充分考虑了轧辊和轧件之间的瞬态热接触要素, 以及流边界内容, 并满足了温度分布于热凸度的近似计算要求。
3结语
总体来说, ANSYS有限元软件程序再进行热分析数值模拟中具有重要的作用, 并且随着边缘技术的进一步发展, 其应用范围还会进一步提高, 例如在辐射、对流、等离子、反射等因素对温度场的影响下展开的相关研究。
参考文献
[1]张建峰, 王翠玲, 吴玉萍, 顾明.ANSYS有限元分析软件在热分析中的应用[J].冶金能源, 2004, 05:9~12.
[2]陈云, 徐晨.有限元分析软件ANSYS在多芯片组件热分析中的应用[J].电子工程师, 2007, 02:9~11.
[3]杨树耕, 孟昭瑛, 任贵永.有限元分析软件ANSYS在海洋工程中的应用[J].中国海洋平台, 2000, 02:44~47.
[4]郭海鹰.大型通用有限元分析软件ANSYS简介及应用体会[J].无线电通信技术, 1996, 05:51~55.
ANSYS热分析论文 篇4
1 加工中心机床整机热特性分析的必要性
对高速高精度加工中心来说,整机的热变形是制约机床加工精度的一个突出问题。由于机床床身、进给系统、导轨、拖板等零部件在运行中所产生的热和热变形对机床的加工精度均产生影响,因此,通过研究机床整机的热性能和热变形分析,确定对整机热性能有较大影响的热源并对其进行有效的控制,为优化机床结构设计提供必要的参考。
2 XH6650型卧式加工中心机床的有限元建模
2.1 机床的CAD模型的建立
XH6650型高速卧式加工中心主要包括床身、立柱、滚珠丝杠(x, y, z方向)、电主轴(B轴)、拖板以及待加工的工件。
床身固定在机床底座上,是机床的基本支撑件,因此床身的结构对加工精度产生较大的影响。
立柱对加工精度也起着很重要的作用,在切削加工中,由于切削力的存在,形成固定振源,使加工精度降低,并在工件表面留下振纹[2]。
在高速加工机床迅速发展的过程中,进给系统速度的提高是实现高速的主要部件之一。经验可知,转速越高,预压越大,则丝杠螺母的稳定温度越高。
此外高速电主轴的热稳定性问题、机床拖板结构的动态性能、工件本身的一些物理特性和加工形状将直接影响到机床的加工精度、精度稳定性和生产效率。
在本模型中为了简化计算,把工件简化为一实心圆柱体,但在机床整机的热分析中也不失其一般性。在对整机主要部件进行分析的基础上,建立了如图1所示的整机CAD模型。
2.2 机床的有限元模型的建立
在整机有限元模型中,对各主要部件作了如下假设和定义:
a) 滚珠丝杠部分。
滚珠丝杠各部分间的结合面传热采用热接触单元模拟,床身总装配与滚珠丝杠之间由滚珠丝杠的支座相连,滚珠丝杠是机床整机的主要热源之一,发热量较大,它与床身总装配之间的热量交换通过在二者之间的结合面间建立热接触单元,定义热接触传导率来描述。
b) 床身及其上各部件,简称床身总装配。
一方面,床身总装配只有床身存在局部热源,在稳态热分析时,床身上各部件间的结合面对它们之间的热量传递影响不大,而床身及其上各部件的热容量会直接影响床身总装配的温度场;另一方面,考虑到机床整机模型的复杂性,因此,此处将床身总装配处理成一个整体,不再考虑其上各结合面间的接触传热。床身与空气间的对流传热系数按自然对流条件给定。
c) 电主轴部分。
由于电主轴在此机床上采用自带的冷却的系统,故在机床上的影响要比滚珠丝杠的小。但在整机中仍是一个不可忽略的热源,它与床身总装配之间的热量交换通过在二者之间的结合面间建立热接触单元,定义热接触传导率来描述。
d) 工件部分。
工件在切削中产生大量的切削热,但由于很大一部分随切屑带走,只有一小部分传入工件与刀具。它与床身总装配之间的热量交换通过与拖板的结合面间建立热接触单元,定义热接触传导率来描述。
按照上述原则建立整机有限元模型,模型采用热实体单元SOLID70,热接触单元对CONTA174和TARGE170。XH6650型高速卧式加工中心的有限元模型如图2所示。
3 机床的热特性研究
3.1 机床的热源与发热量的计算
a) 电主轴发热量计算:
电主轴有两大热源:内置电动机的发热和主轴轴承的发热。在于XH6650型高速卧式加工中心电主轴系统中,其内置电动机的发热量由以下公式计算[4]:
Hf=H·(1-η) (1)
式中:Hf——内置电动机发热量,kW;
H ——电机在一定输出扭矩和转速下的功率, kW;
η ——电机的机械效率。
而电机工作时的功率由其输出扭矩和转速决定,其计算公式如下[3]:
undefined
式中:M——工作时的输出力矩, N·mm;
n ——工作时的转速, r/min。
这样,由式(1)和式(2)即可计算出电机的发热量,并将其转化为当量热载荷施加于XH6650型高速卧式加工中心电主轴系统中有限元模型的电主轴架上,就可以进一步计算其主轴系统的温度场。
b) 滚珠丝杠的发热量:
在XH6650型高速卧式加工中心中有三套滚珠丝杠分别控制着机床在加工过程中的x, y和z方向上的移动与进给。
1) 轴承发热量的计算:
轴承的发热量主要是轴承的摩擦力矩引起的,根据文献[4],轴承的发热量可按式(3)计算:
Hf=1.047×10-4nM (3)
式中:Hf——轴承发热量, W;
n ——轴承转速, r/min;
M ——轴承摩擦力矩, N·mm。
轴承的摩擦力矩又可概括为两部分:负荷项M1和速度项M0之和。
M=M1+M0 (4)
从工程应用的角度出发,人们需要预计一定类型和大小的轴承在一定负荷和转速下的摩擦力矩。试验表明,轴承的摩擦力矩相当离散,它随轴承的种类、型号、负荷大小及转速的不同而不同,即使同一套轴承,随着运转时间的不同,摩擦力矩也会产生变化。因此,计算轴承的摩擦力矩只是在正常工作条件下的近似值。
在诸多的计算速度项和负荷项的经验公式中,用得较普遍的是Palmgren提出的经验公式。Palmgren认为,速度项M0反映了润滑剂的流体动力损耗,负荷项M1反映了弹性滞后和局部差动滑动的摩擦损耗。
当运动粘度v与转速n的乘积>2000cSt·r/min时
M0=10-7f0(vn)2/3dundefined(5)
当vn小于2000cst·r/min时
M0=160×10-7f0dundefined(6)
式中:M0——速度项摩擦力矩, N·mm;
dm——轴承中径, mm;
f0 ——与轴承类型和润滑方式有关的经验常数;
v ——在工作温度下润滑剂的运动粘度(对于润滑脂取基油的粘度)(cSt)。M1按式(7)计算
M1=f1P1dm (7)
式中:M1——负荷项摩擦力矩, N·mm;
f1 ——与轴承类型和所受负荷有关的系数;
P1 ——确定轴承摩擦力矩的计算负荷, N。
这样,由式(5)～式(7)即可计算出滚珠丝杠各个轴承的发热量,将其作为热载荷施加于滚珠丝杠有限元模型的轴承体上,就可以进一步计算滚珠丝杠的温度场。
2) 滚珠丝杠螺母发热量的计算:
滚珠丝杠螺母的发热计算如下,其发热与摩擦转矩T、转速n成正比[5],即:
式中:Q——滚珠丝杠单位时间的发热量, kJ/h;
n———转速,r/min;
T ——摩擦转矩, N·m。
3) 工件与刀具的切削热量:
从切削实验理论可知,切削热量Q与切削速度V、进刀量S、切削深度h的幂函数成正比,即[6]:
Q=CQV(0.2～0.4)S(0.1～0.2)V(0.04～0.1) (9)
式中:CQ——铸铁切削温度系数。
取切削速度undefinedmm;进刀量S为30mm,切削深度h为90mm。
由此可见,切削速度对切削热产生的作用最大,在V, S和h中,首先应选择好V的范围。
3.2 机床的稳态温度场分析
在综合考虑整机的热源后,对整机的稳态温度场计算(环境温度为25℃),得到整机的温度场分布。图3是整机的温度场。
从图3可以看出,机床的温升主要集中在靠近热源的地方,而且对整个机床来看,温度分布也很不均匀。温度最高发生自电主轴上以及丝杠上,达到43℃。与单独的滚珠丝杠相比降了不少,但是温度的影响也不可忽略。
床身的温度基本上没有变化,温升主要存在与丝杠接触的地方,但温升也很小,一般在(2～5)℃。立柱的温升最处处集中在与y轴滚珠丝杠的拖板接触面上,最高温升为33.14℃,在与x轴滚珠丝杠的接触面的温度也有31.517℃。立柱上与y向滚珠丝杠接触的拖板的最高温度为40.915℃,远高于床身上与z向滚珠丝杠接触的拖板的最高温度(32.885℃)。虽然都不考虑这两方向上的导轨副摩擦,但立柱上的拖板直接与电主轴接触,而床身上的拖板通过其上的工作台与工件相连接,另外电主轴上的最高温升(43.139℃)也高于工件的最高温升(39.763℃)。
3.3 机床的热变形分析
图4为整机的热位移的云图,从图中可以看到最大的位移发生在电主轴的端部,达到0.02918mm,主要是由热膨胀而引起的。滚珠丝杠也有较大的位移,丝杠一端的支座仍有明显的热变形,但与单独的滚珠丝杠相比要小得多,一方面是由于机床导轨对丝杠发生弯曲变形的抑制,另一方面滚珠丝杠两端的支座也比单独滚珠丝杠提供更高的约束力。滚珠丝杠的热位移在高速加工中将不可避免地存在,而且随着机床的高速化、高精度、高刚度的发展,这种影响还会加大,所以有必要对热位移进行补偿。
4 结论
对卧式加工中心来说,机床热变形是影响机床加工精度的一个重要因素。通过分析,确定了整机的热源为滚珠丝杠和电主轴以及工件的切削热,其中滚珠丝杠是机床整机的主要热源,而且随着机床的高速化、高精度、高刚度的发展方向,这种影响还会加大,因此对滚珠丝杠的热-力结构耦合分析及优化设计是保证机床加工精度的十分关键的工作。
参考文献
[1]闫占辉,于骏一.机床热变形研究现状[J].吉林工业大学自然科学学报,2001,31(3):95-97.
[2]朱育权,千学明,林晓萍.1CL50型机床立柱振动模态分析[J].西安工业大学学报,2006.
[3]李维特,黄保海,毕仲波.热应力理论分析及应用[M].北京:中国电力出版社,2004.
[4]Ting-Yu Chen,Wei-Jiunn Wei,Jhy-cherng Tsai.Optimum designof headstocks of precision lathes[J].International Journal of Ma-chine Tools&Manufacture,1999(39):1961-1977.
[5]肖正义.滚珠丝杠结构与性能发展动态[J].功能部件,2001(9):100-102.
[6]何振威,全燕鸣,乐有树.基于有限元模拟的高速切削中切削热的研究[J].工具技术,2006 40(3):60-63.
ANSYS热分析论文 篇5
目前我国建筑业物质消耗占全部物质消耗总量的15%左右,建筑能耗约占全社会能耗的30%。同时,我国建筑耗能的效率仅为发达国家的30%左右,建筑节能的空间很大。截止2006年底,中国城乡房屋建筑面积约400亿m2,绝大部分建筑为高耗能建筑,同时新建建筑中95%以上仍属于高能耗建筑。统计数据表明,不同地区围护结构传热能耗占建筑物总能耗的57%~77%。其中通过外墙损失的热量占建筑总热耗的35%~49%。因此,建筑物的围护结构是建筑节能设计中的重点所在,而外墙则应是围护结构中应重点采取技术措施的部分。然而目前国内领先水平的长方形孔错位排列的烧结多孔砖单一材料墙体的热工性能很难达到第三步节能设计标准[1]。本热模拟以德国Poroton产品为参比对象,对烧结多孔砖的孔型结构进行优化设计,探讨了通过优化烧结多孔砖的孔形结构来降低传热系数。
2 设计思路
ANSYS软件是集力学、电场、磁场、声场、热分析于一体的大型通用有限元分析软件,其应用领域也日益广泛。本模拟借助ANSYS分析软件以德国Poroton产品为参比对象,对烧结多孔砖的孔型结构进行优化设计,包括孔型、孔洞率、孔洞间距及孔洞排列等,最后优选出如下图所示的三种模型砖。考虑到居室内外温差日变化不是很大,模拟过程中以稳态热分析进行研究,数据处理过程中利用傅里叶导热定律作为计算依据,分析比较了各模型烧结多孔砖的传热系数。
3 有限元热分析流程
3.1 建立模型及定义材料属性
采用Solid Quad 4nodes(PLANE55)单元,其属性如表1[2];砌体肋部与孔洞处分别设置材料参数。
经检测德国Poroton烧结多孔砖产品实体的导热系数为0.525 W/m·K,自制新型烧结多孔砖实体的导热系数为0.463 W/m·K,自制保温砂浆的导热系数为0.043 W/m·K,假定空气导热系数为0.023 W/m·K。
3.2 划分网格
砌体肋部采用线单元为0.003 m的尺寸,网格为三角形;由于孔洞内空气导热系数较小,故采用更致密的网格划分来提高计算精度,孔洞处线单元为0.001 m的尺寸,网格为三角形。
3.3 施加荷载
在有限元模型中对外墙一侧加载温度荷载70℃,在对另一侧加载温度荷载20℃,即室内温度。考虑到烧结多孔砖最终会砌成墙体,内部孔洞空气流动可忽略不计,故设孔洞边缘处无对流线荷载。
3.4 结果分析
采用路径分析方法,对多孔砖的长边作平行直线,具体计算方法如下:
根据傅里叶导热定律
式中q—平均热流,取砌体对应直线处的热流平均值,W/m2·℃;
δ—砖厚,m;
△t—砖两侧温度差,℃,模拟过程中取50℃。
包含孔洞的砌体导热系数为
包含孔洞的热绝缘系数
内表面热绝缘系数(取平均值)
外表面热绝缘系数,取夏季时外墙和屋顶值[3],Me=0.05 m2·℃/W
∵围护结构的热绝缘系数[4]为M0=M+Mi+Me
∴围护结构的传热系数为K=1/M0=1/(M+Mi+Me)
4 孔型结构模拟分析
国内外的理论和实践证明:相同的壁和肋的粘土多孔砖,矩形孔的导热系数λ=0.207 W/(m·K);菱形孔λ=0.360 W/(m·K);方形孔λ=0.404 W/(m·K);圆形孔λ=0.425 W/(m·K)[5]。从热工要求来看,矩形孔及矩形条孔(孔长L,孔宽b,满足式L≥3b)是建筑节能的首选孔型结构。因此本模拟设计的孔型均为矩形孔或矩形条孔,并以德国Poroton产品为参比对象,自行设计B、C、D三种烧结多孔砖模型,其孔型结构如图1、图2、图3、图4所示。
注:模型D外侧涂刷一层20 mm厚的自制保温砂浆层
由上表可知,模型A、B、C和D的孔洞率均在35%以上,远大于GB13544-2000中规定多孔砖孔洞率≥25%的要求。孔洞率的提高,一方面可以降低烧结多孔砖的容重,减轻建筑结构的自重,有利于抗震。同时它可使梁柱得以减荷,因而可节省水泥、钢筋等材料用量,缩短工期;另一方面它可节约资源和降低能耗,孔洞率越高,效果越显著。上述四种模型砖的传热系数均低于0.6 W/m2·℃,达到2004年北京市发布节能65%水平的《居住建筑节能设计标准》要求,即每平方米采暖能耗(标煤)降低到8.75 kg以下,也称第三步建筑节能。可见采用缩小孔间距、沿热流传递方向增加烧结多孔砖的尺寸和在烧结多孔砖的外侧涂刷一层保温砂浆都能起到显著降低传热系数的作用。
对于德国Poroton产品A,孔型结构为多孔和小孔,其传热系数最小,但该产品孔间距仅5 mm,对原材料性能和挤出机设备性能要求很高,挤出机设备要依靠进口,一次性投资大;对于模型B,适当缩小孔间距提高孔洞率,降低多孔砖传热系数,但同样提高对原材料性能和挤出机设备性能要求;对于模型C,采用增加烧结多孔砖的厚度来降低传热系数,但是它不仅增加了建筑面积,加大了建筑结构自重,甚至会影响建筑结构质量和安全,在使用过程中有一定的局限性;对于模型D,采用保温层+多孔砖的复合墙体,虽然额外增加成本,但它一方面可显著降低外墙的传热系数,另一方面可节约烧结多孔砖物料,减轻建筑结构自重,增加其使用安全性。综合考虑,采用上述方法来降低外墙维护结构的传热系数均是可取的,若结合使用效果肯定更佳。
5 结论
与德国Poroton产品相比,三种模型砖的传热系数均较大,主要是孔间距增加,但它们降低对原材料和挤出机设备性能的要求,更适用于中国现有的砖厂。
B、C、D三种模型砖的孔洞率均大于35%,作为外墙维护结构,它们传热系数均达到北京发布的节能65%的建筑设计标准。
适当缩小孔间距、增加烧结多孔砖的厚度和采用复合墙体的方法均可以显著降低多孔砖传热系数,提高其保温隔热效果。
摘要：研究以德国Poroton产品为参比对象,自行优化设计三种孔型结构的多孔砖模型,并且利用通用有限元分析软件ANSYS对它们进行了稳态热模拟分析。结果表明:三种模型砖的孔洞率均大于35%。采用缩小孔间距、增加烧结多孔砖厚度和复合墙体的方法均可以显著降低传热系数,提高保温隔热效果,达到节能65%的建筑设计标准。
关键词：烧结多孔砖,传热系数,ANSYS,非线性有限元
参考文献
[1]姬广庆.在节能65%的设计标准下烧结多孔砖、空心砖墙体的组成结构及应用的对策[J].《砖瓦》.2006(7).
[2]张朝晖主编.ANSYS热分析教程与实例解析[M].中国铁道出版社.
[3]GB50176-93.民用建筑设计规范[M].中华人民共和国建设部.
[4]俞力航.外墙平均传热系数的计算与分析[J].《新型建筑材料》.2003(11).
ANSYS热分析论文 篇6
随着电子技术不断发展, 大功率器件的发热功耗越来越大, 热流密度不断增加。采用有效的散热设计可以控制产品内部所有电子元器件的温度, 使其在所处的工作环境下不超过稳定运行时标准及规范所规定的最高温度, 以保证产品正常运行的安全性、长期运行的可靠性。
ANSYS是目前比较流行的、专业的面向工程师的电子产品热分析软件之一, 利用它可以减少计算量, 缩短研制周期, 降低成本。利用ANSYS软件对一种电源设备两款散热器的3种散热方案做散热仿真对比, 选出合理的散热方案。
1 ANSYS软件功能及特点
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件, 广泛应用于航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等领域。该软件可以解决不同类型的问题:系统级、组件级、封装级。
ANSYS软件的技术特点:
(1) 快速建模:利用各种形状的几何模型与现成的模型库可以方便地建立所求解问题的模型, 可直接导入MCAD、ECAD/IDF、PROE等软件。
(2) 具有自动化的非结构化网格生成能力:可以逼近各种复杂的几个形状, 大大减少网格数目, 提高模型精度;支持结构化和非结构化的不连续网格, 可在不降低模型精度的情况下减少网格数量以提高计算速度。
(3) 广泛的模型能力:涵盖强迫对流、自然对流和混合对流模型, 热传导模型, 流体与固体之间的耦合传热模型, 物体表面间的热辐射模型;可以模拟层流及紊流、瞬态及稳态、多种流体介质问题。
(4) 强大的解算功能:具有强大的CFD (计算流体力学) 、有限体积方法结构化与非结构化网格的求解器, 并行算法, 能够实现UNIX或NT的网格并行。
(5) 强大的可视化后置处理:分析结果可以通过视图的形式输出, 包括速度矢量图、等值面图、例子轨迹图、网格图、切面云图、点示踪图等, 非常直观。
2 设计输入
案例问题描述:针对某电源设备进行改装设计, 借用现有设备散热器直接安装调试使用, 通过对现有两款散热器做散热仿真对比, 选出适合本案例的散热器。
现有两款散热器, 截面形状分别如图1、图2所示。
设计输入要求:高温工作环境温度为45℃, 散热方式为风冷;器件的最高温度不大于115℃。关键器件损耗为515W, 见表1。
注:损耗值为单个器件损耗
现有风扇2个, 型号为P2123HBL, 其参数见表2。
所需风量:
式中, Q为元器件损耗;q′为理论计算需求风量;△T为空气温升。
实际选取风扇的风量为q=1.5q′=90.75CFM<108CFM。因此, 选用两个风扇一吹一吸可以满足使用要求。
3 结构布局
此电子产品采取的是风冷散热模式, 主要功耗器件直接固定在散热器上, 正常运行时损耗发热通过热传导直接把所产生热量传至散热器上, 然后通过风扇加快空气流通将热量带走。方案一 (采用散热器1) 、方案二 (采用散热器2) 的结构布局分别如图3、图4所示。
4 仿真计算分析
ANSYS软件主要包括3个部分:前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具, 用户可以方便地构造有限元模型;分析计算模块包括结构分析 (可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析, 可模拟多种物理介质的相互作用, 具有灵敏度分析及优化分析能力;后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示 (可看到结构内部) 等图形方式显示出来, 也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
针对此案例, 根据设计输入进行建模, 方案一、二的完整模型分别如图5、图6所示。
建立模型之后, 需要划分网格。网格划分的好坏会直接影响计算的精度和计算时间。一般来说, 细网格计算精度较高, 但网格细化后获得的网格数太多, 会严重影响计算时间, 因此, 仅采用粗网格划分, 对部分器件进行细化处理, 以获得理想的网格数量。
经过建模、网格划分及迭代次数、环境温度等信息的设置之后, 进行仿真计算。方案一、方案二仿真计算后的温度分布云图分别如图7、图8所示。
对比两种方案可以看出, 进风口环境温度为45℃时, 两种方案的台面最大温度分别为:Tmax1=115℃;Tmax2=103℃。因此, 方案二的散热器散热效果优于方案一。
将方案二的进出风方向改变 (称为方案三) , 重新仿真计算, 温度分布云图如图9所示。
散热器台面最大温度为Tmax3=100℃, 小于设计输入中要求的115℃, 可以满足要求。
根据以上3种方案的仿真计算对比, 方案三所选散热器及进出风方案, 可以满足设计输入要求。
5 结语
热分析软件ANSYS的分析结果, 可以为设备结构设计、元器件布置和安装提供参考依据, 有效地降低产品设计成本, 缩短研发周期, 提高电子产品的可靠性。
参考文献