热 分 析 简 介 20 世 纪 90 年 代, 为 了 降 低 产 品 开 发 所 需 的 成 本 和 时 间, 传 统 的 原 型 制 造 和 测 试 在 很 大 程 度 上 已 被 模 拟 驱 动 的 设 计 流 程 所 取 代 有 了 这 一 流 程, 工 程 师 对 昂 贵 而 又 耗 时

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热 分 析 简 介 20 世 纪 90 年 代, 为 了 降 低 产 品 开 发 所 需 的 成 本 和 时 间, 传 统 的 原 型 制 造 和 测 试 在 很 大 程 度 上 已 被 模 拟 驱 动 的 设 计 流 程 所 取 代 有 了 这 一 流 程, 工 程 师 对 昂 贵 而 又 耗 时 的 物 理 原 型 的 需 求 大 大 减 少, 只 需 使 用 易 于 修 改 的 计 算 机 模 型 即 可 成 功 预 测 产 品 的 性 能 ( 图 1) 设 计 流 程 的 变 化 传 统 的 产 品 设 计 流 程 模 拟 驱 动 的 产 品 设 计 流 程 设 计 CAD 模 拟 多 次 只 需 一 次! 原 型 制 造 原 型 制 造 测 试 多 次 测 试 只 需 一 次! 生 产 生 产 图 1: 传 统 产 品 设 计 流 程 与 模 拟 驱 动 的 产 品 设 计 流 程 在 研 究 缺 陷 变 形 应 力 或 自 然 频 率 等 结 构 问 题 时, 设 计 验 证 工 具 的 价 值 是 不 可 估 量 的 但 是, 新 产 品 的 结 构 性 能 仅 仅 是 设 计 工 程 师 所 面 临 的 诸 多 难 题 之 一 还 有 许 多 其 他 常 见 问 题 是 与 热 力 相 关 的, 其 中 包 括 过 热 缺 乏 尺 寸 稳 定 性 过 高 的 热 应 力, 以 及 与 产 品 的 热 流 和 热 力 特 征 相 关 的 其 他 难 题 热 力 问 题 在 电 子 产 品 中 普 遍 存 在 在 设 计 冷 却 扇 和 散 热 器 时, 必 须 权 衡 小 体 积 与 足 够 的 散 热 能 力 这 两 方 面 的 需 求 同 时, 紧 凑 的 组 装 还 必 须 确 保 空 气 的 充 分 流 动, 以 防 印 刷 电 路 板 在 过 高 的 热 应 力 下 变 形 或 断 裂 ( 图 2). 图 2: 要 进 行 电 子 封 装, 需 要 对 如 何 排 出 电 子 零 部 件 所 产 生 的 热 量 进 行 仔 细 分 析 热 分 析 2

在 传 统 的 机 器 设 计 中, 也 大 量 存 在 热 力 问 题 有 很 多 产 品 必 须 进 行 温 度 散 热 和 热 应 力 分 析, 其 中 一 些 十 分 明 显 的 示 例 包 括 : 引 擎 液 压 缸 电 机 或 电 动 泵 简 而 言 之, 任 何 消 耗 能 量 来 执 行 某 种 实 用 工 作 的 机 器 都 不 例 外 或 许 材 料 加 工 机 器 不 太 需 要 进 行 热 分 析, 但 这 些 机 器 的 机 械 能 转 化 成 热 能, 不 仅 影 响 机 器 零 件 还 影 响 机 器 本 身 这 种 情 况 不 仅 存 在 于 精 密 的 机 器 设 备 中, 还 存 在 于 破 碎 机 等 大 功 率 机 器 中 在 精 密 机 器 设 备 中, 热 膨 胀 可 能 影 响 切 割 工 具 的 尺 寸 稳 定 性 ; 在 大 功 率 的 机 器 中, 零 部 件 可 能 因 高 温 和 热 应 力 而 受 到 损 坏 ( 图 3) 图 3: 在 设 计 工 业 破 碎 机 的 传 动 和 载 荷 时, 潜 在 过 热 问 题 是 一 个 十 分 重 要 的 考 虑 因 素 这 里 涉 及 到 的 第 三 个 示 例, 是 为 了 说 明 大 多 数 医 疗 设 备 应 该 进 行 热 力 性 能 分 析 给 药 系 统 必 须 确 保 所 给 药 物 的 温 度 合 适, 而 手 术 设 备 必 须 确 保 组 织 免 遭 过 度 热 冲 击 同 样, 体 移 植 物 不 得 干 扰 体 内 的 热 流, 而 种 植 牙 也 必 须 承 受 剧 烈 的 外 部 机 械 载 荷 与 热 载 荷 ( 图 4) 图 4: 种 植 牙 必 须 不 影 响 周 围 组 织 的 热 力 状 况, 而 且 必 须 能 够 承 受 热 应 力 最 后, 所 有 的 家 用 电 器 产 品, 例 如 电 热 炉 电 冰 箱 搅 拌 器 电 熨 斗 和 咖 啡 机 ( 任 何 需 要 靠 电 力 才 能 运 行 的 设 备 ), 都 应 进 行 热 力 性 能 分 析 以 避 免 过 热 现 象 这 不 仅 适 用 于 使 用 交 流 电 源 的 消 费 类 产 品, 还 适 用 于 由 电 池 供 电 的 设 备, 例 如 遥 控 玩 具 和 无 线 电 动 工 具 ( 图 5) 图 5: 要 对 无 线 工 具 上 的 高 容 量 电 池 进 行 充 分 冷 却, 就 需 要 对 热 力 状 况 有 所 了 解 热 分 析 3

利 用 设 计 验 证 来 进 行 热 分 析 上 述 所 有 热 分 析 问 题 以 及 其 他 更 多 问 题 都 可 以 使 用 设 计 验 证 软 件 来 进 行 模 拟 大 多 数 设 计 工 程 师 对 这 种 结 构 分 析 方 法 都 已 经 十 分 熟 悉, 所 以 将 其 应 用 范 围 扩 展 到 热 分 析 基 本 上 不 需 要 更 多 培 训 结 构 模 拟 和 热 模 拟 基 于 完 全 相 同 的 理 念, 遵 循 定 义 清 晰 的 相 同 步 骤, 并 具 有 很 多 的 相 似 性 ( 图 6) 此 外, 与 结 构 分 析 的 运 行 方 式 一 样, 热 分 析 也 是 使 用 CAD 模 型 进 行 的, 所 以, 一 旦 创 建 了 CAD 模 型, 无 需 太 多 额 外 的 努 力, 即 可 完 成 热 力 验 证 通 过 运 行 热 分 析, 可 以 在 模 型 中 观 察 温 度 分 布 温 度 梯 度 和 热 流, 以 及 模 型 及 其 周 围 环 境 之 间 交 换 的 热 量 结 构 分 析 热 分 析 位 移 温 度 温 度 温 度 梯 度 应 变 热 流 量 图 6: 结 构 和 热 力 设 计 验 证 之 间 的 相 似 性 温 度 温 度 梯 度 热 流 量 图 7: 热 力 设 计 验 证 提 供 的 典 型 结 果 热 分 析 4

传 热 机 制 主 要 特 征 传 导 负 责 实 体 内 的 热 量 流 动 对 流 负 责 热 量 进 入 实 体 和 从 实 体 中 释 放 对 流 传 热 要 求 实 体 周 围 是 流 体, 例 如 空 气 水 油 等 辐 射 负 责 热 量 进 入 实 体 和 从 实 体 中 释 放 辐 射 传 热 不 需 要 实 体 周 围 有 任 何 流 体, 在 流 体 中 和 真 空 中 都 能 进 行 辐 射 传 热 始 终 存 在, 但 是 仅 在 温 度 较 高 的 情 况 下 才 比 较 明 显 图 8: 三 种 传 热 机 制 的 主 要 特 征 温 度 等 热 力 效 应 很 容 易 模 拟, 但 是 测 量 起 来 可 能 非 常 困 难, 对 于 内 部 零 件 或 装 配 体 尤 为 如 此, 在 温 度 剧 烈 变 化 的 情 况 下 也 是 这 样 这 往 往 意 味 着, 如 果 工 程 师 有 兴 趣 了 解 其 产 品 的 具 体 热 力 状 况, 基 于 软 件 的 设 计 验 证 可 能 是 唯 一 可 用 的 方 法 传 热 的 基 础 知 识 传 导 和 对 流 有 三 种 传 热 机 制 : 传 导 对 流 和 辐 射 传 导 描 述 的 是 实 体 内 的 热 量 流 动, 实 体 经 常 作 为 CAD 零 件 或 装 配 体 建 模 对 流 和 辐 射 都 涉 及 实 体 和 环 境 之 间 的 热 量 交 换 传 导 传 热 的 一 个 示 例 是 通 过 壁 体 的 热 量 流 动 传 递 的 热 量 与 诸 多 因 素 成 正 比 : 壁 体 热 的 一 侧 THOT 和 冷 的 一 侧 TCOLD 之 间 的 温 差 ; 壁 体 的 面 积 A; 壁 体 厚 度 L 的 倒 数 比 例 系 数 K( 称 为 热 导 率 ) 是 众 所 周 知 的 材 料 属 性 ( 图 9) 图 9: 热 量 通 过 壁 体 从 温 度 高 的 一 侧 向 温 度 低 的 一 侧 传 导 热 分 析 5

热 导 率 K 随 材 料 不 同 而 有 很 大 的 差 异, 该 系 数 将 热 导 体 与 绝 缘 体 区 别 开 来 ( 图 10) 实 体 的 外 表 面 和 周 围 流 体 ( 例 如 空 气 蒸 汽 水 或 油 ) 之 间 的 热 交 换 机 制 叫 做 对 流 对 流 所 传 递 的 热 量 与 如 下 因 素 成 正 比 : 实 体 表 面 TS 和 周 围 流 体 TF 之 间 的 温 差 ; 交 换 ( 散 发 或 获 得 ) 热 量 的 表 面 积 A 比 例 系 数 称 为 对 流 系 数, 也 称 为 膜 系 数 实 体 表 面 及 其 周 围 流 体 之 间 的 热 交 换 要 求 流 体 的 运 动 ( 图 11) 锌 金 属 银 镍 合 金 铝 塑 料 冰 非 金 属 固 体 氧 化 物 泡 沫 油 绝 缘 体 水 液 体 纤 维 水 银 图 10: 不 同 材 料 的 传 导 系 数 热 导 率 ( 瓦 / 米. 开 尔 文 ) 图 11: 对 流 所 散 发 的 热 量 往 往 要 求 实 体 周 围 流 体 的 运 动 对 流 系 数 在 很 大 程 度 上 取 决 于 介 质 ( 例 如, 空 气 蒸 汽 水 油 ) 和 对 流 类 型 : 自 然 对 流 和 强 制 对 流 自 然 对 流 只 有 在 存 在 引 力 的 情 况 下 才 能 发 生, 因 为 流 体 运 动 依 赖 于 冷 流 体 和 热 流 体 之 间 特 定 的 引 力 差 强 制 对 流 则 对 引 力 没 有 依 赖 性 ( 图 12 13) 冷 空 气 冷 空 气 自 然 对 流 热 底 盘 强 制 对 流 热 底 盘 图 12: 自 然 对 流 是 由 热 流 体 和 冷 流 体 之 间 的 密 度 差 而 产 生 的 在 强 制 对 流 中, 流 体 运 动 是 强 制 的, 例 如, 由 冷 却 扇 强 制 的 流 体 运 动 热 分 析 6

介 质 传 热 系 数 h ( 瓦 / 平 方 米. 开 尔 文 ) 空 气 ( 自 然 对 流 ) 空 气 / 过 热 蒸 汽 ( 强 制 对 流 ) 油 ( 强 制 对 流 ) 水 ( 强 制 对 流 ) 水 ( 沸 腾 ) 蒸 汽 ( 冷 凝 ) 图 13: 不 同 介 质 和 不 同 对 流 类 型 的 热 对 流 系 数 让 我 们 以 散 热 器 装 配 体 ( 图 14) 为 例, 了 解 传 导 和 对 流 是 如 何 进 行 的 微 型 芯 片 在 其 整 个 体 积 内 产 生 热 量 然 后, 微 型 芯 片 的 热 量 传 导 到 铝 散 热 器, 在 铝 散 热 器 中 同 样 以 传 导 的 方 式 传 递 当 热 量 从 陶 瓷 微 型 芯 片 传 至 铝 散 热 器 时, 必 须 克 服 由 陶 铝 接 触 面 的 缺 陷 所 形 成 的 热 阻 层 最 后, 通 过 对 流 作 用, 热 量 从 散 热 器 的 外 表 面 释 放 到 周 围 的 空 气 中 散 热 器 微 型 芯 片 图 14: 产 生 热 量 的 陶 瓷 微 型 芯 片 嵌 入 在 铝 散 热 器 中 散 热 器 通 过 周 围 的 空 气 进 行 冷 却 热 流 量 向 量 从 实 体 中 出 来 以 向 量 图 解 表 示 的 热 流 量 以 剖 面 图 解 表 示 的 温 度 分 布 以 边 缘 图 解 表 示 的 热 流 量 图 15: 散 热 器 装 配 体 中 的 温 度 分 布 和 热 流 量 热 分 析 7

增 加 冷 却 扇 或 将 散 热 器 浸 在 水 中 都 不 会 改 变 传 热 机 制 热 量 还 是 会 通 过 对 流 从 散 热 器 的 表 面 排 出 在 起 冷 却 剂 作 用 的 空 气 和 水 之 间, 以 及 在 自 然 对 流 和 强 制 对 流 之 间, 唯 一 差 别 是 对 流 系 数 值 的 不 同 散 热 器 装 配 体 中 的 温 度 场 如 图 15 所 示 热 量 从 散 热 器 表 面 到 周 围 空 气 的 运 动 可 通 过 热 流 量 向 量 图 来 描 绘 ( 图 15, 右 侧 ) 从 散 热 器 表 面 出 来 的 热 流 量 向 量 形 象 地 显 示 了 散 发 到 周 围 流 体 的 热 量 没 有 向 量 穿 过 底 层 表 面, 因 为 在 模 型 中, 散 热 器 的 底 层 表 面 和 微 型 芯 片 是 隔 热 的 请 注 意, 要 为 散 热 器 装 配 体 中 的 热 流 建 模, 需 要 考 虑 瓷 制 微 型 芯 片 和 铝 散 热 器 之 间 接 触 面 的 热 流 阻 挡 特 性 在 某 些 设 计 验 证 程 序 中, 必 须 明 确 地 对 热 阻 层 进 行 建 模 ; 但 在 其 他 程 序 ( 例 如 SolidWorks) 中, 则 可 采 取 简 化 的 方 式, 输 入 热 阻 系 数 即 可 传 导 对 流 和 辐 射 到 目 前 为 止, 关 于 散 热 器 装 配 体 中 的 传 热 的 讨 论 仅 仅 考 虑 了 两 种 热 流 机 制 : 传 导 ( 负 责 在 实 体 内 部, 即 微 型 芯 片 和 散 热 器 间 传 递 热 量 ); 对 流 ( 将 散 热 器 外 表 面 的 热 量 释 放 到 周 围 空 气 中 ) 由 于 在 散 热 器 辐 射 的 工 作 温 度 下, 传 送 的 热 量 非 常 低, 所 以 辐 射 传 热 可 以 忽 略 不 计 接 下 来 的 例 子 将 重 点 介 绍 一 个 不 能 忽 略 辐 射 的 传 热 问 题 辐 射 可 以 在 两 个 温 度 不 同 的 实 体 间 传 递 热 量, 也 可 以 将 热 量 释 放 到 空 中, 不 管 实 体 是 处 于 流 体 中 还 是 真 空 中 ( 图 16) 真 空 真 空 热 量 通 过 辐 射 在 两 个 实 体 间 交 换 并 散 发 到 空 中 热 量 从 实 体 散 发 到 空 中 图 16: 在 任 意 两 个 温 度 不 同 的 实 体 间 通 过 辐 射 交 换 热 量 单 个 实 体 的 热 量 也 可 以 释 放 到 空 中 在 两 个 温 度 分 别 为 T1 和 T2 的 实 体 表 面 间, 通 过 辐 射 交 换 的 热 量 与 如 下 因 素 成 正 比 : 绝 对 温 度 的 四 次 方 之 差 参 与 传 热 的 表 面 积 A 以 及 辐 射 表 面 的 发 射 率 发 射 率 定 义 为 在 同 一 温 度 下 表 面 的 发 射 功 率 与 黑 体 的 发 射 功 率 之 比 为 材 料 指 定 的 发 射 率 值 介 于 0 到 1.0 之 间 因 此, 黑 体 的 发 射 率 为 1.0, 理 想 反 射 体 的 发 射 率 为 0 由 于 辐 射 传 热 与 绝 对 温 度 的 四 次 方 成 正 比, 所 以 在 温 度 较 高 时, 辐 射 传 热 的 作 用 就 变 得 尤 为 重 要 以 一 个 在 大 型 真 空 室 中 提 供 照 明 的 聚 光 灯 为 例 假 设 真 空 室 足 够 大, 以 至 于 从 室 壁 上 反 射 回 聚 光 灯 的 热 量 可 以 忽 略 不 计 灯 泡 和 反 射 体 暴 露 于 真 空 中, 而 铝 制 外 罩 的 背 面 被 空 气 包 围 ( 图 17) 热 分 析 8

真 空 一 侧 真 空 一 侧 空 气 一 侧 空 气 一 侧 灯 泡 图 17: 在 聚 光 灯 模 型 中, 反 射 体 和 灯 泡 都 暴 露 于 真 空 中, 外 罩 的 背 面 暴 露 于 空 气 中 灯 泡 所 产 生 的 热 量 部 分 辐 射 到 空 中, 剩 余 的 部 分 被 外 罩 的 抛 物 面 ( 反 射 器 ) 所 接 收 只 有 一 小 部 分 的 热 量 通 过 传 导 进 入 灯 泡 与 外 罩 连 接 的 部 分 由 外 罩 所 接 收 到 的 辐 射 热 量 又 分 为 两 个 部 分 : 第 一 部 分 散 发 出 去 了, 第 二 部 分 从 真 空 侧 的 外 罩 真 空 内 部 传 递 到 空 气 一 侧 一 旦 到 达 了 暴 露 于 空 气 中 的 表 面, 便 通 过 对 流 释 放 了 分 析 结 果 表 明, 铝 制 外 罩 的 温 度 实 际 上 是 均 匀 的, 因 为 热 量 在 铝 中 很 容 易 传 导 ( 由 于 铝 具 有 很 高 的 热 导 率 )( 图 18) 图 18: 聚 光 灯 中 的 温 度 分 布 请 注 意, 由 于 辐 射 传 热 仅 在 高 温 下 有 效, 所 以 灯 泡 必 须 在 很 热 的 情 况 下 才 能 释 放 其 所 产 生 的 所 有 热 量 瞬 态 热 分 析 对 散 热 器 和 聚 光 灯 的 分 析 都 是 稳 态 下 的 传 热 情 形, 而 且 假 设 已 经 过 足 够 长 的 时 间 来 让 热 流 稳 定 对 稳 态 传 热 的 分 析 没 有 考 虑 热 流 达 到 该 稳 定 状 态 所 需 的 时 间, 这 段 时 间 实 际 上 可 能 是 几 秒 几 个 小 时 也 可 能 是 几 天 对 随 时 间 发 生 变 化 的 热 流 进 行 的 分 析 叫 做 瞬 态 热 分 析, 例 如, 对 由 加 热 板 加 热 的 咖 啡 壶 进 行 分 析 加 热 板 的 温 度 由 读 取 咖 啡 温 度 的 恒 温 器 进 行 控 制 在 咖 啡 的 温 度 降 到 最 低 温 度 之 下 时, 恒 温 器 会 打 开 电 源, 当 温 度 超 过 预 设 上 限 值 时, 则 会 关 闭 电 源 指 定 时 间 段 内 的 温 度 波 动 情 况 如 图 19 所 示 热 分 析 9

温 度 ( 摄 氏 ) 时 间 [ 秒 ] 图 19: 咖 啡 壶 温 控 器 的 温 度 时 间 曲 线 热 应 力 通 过 实 体 的 热 流 将 导 致 实 体 内 温 度 的 变 化, 实 体 会 随 之 膨 胀 或 收 缩 导 致 膨 胀 或 收 缩 的 应 力 叫 做 热 应 力 将 热 咖 啡 倒 入 杯 子 时, 杯 子 中 就 会 发 生 热 应 力 要 对 此 应 力 进 行 热 分 析, 需 要 识 别 温 度 分 布 ; 杯 子 内 表 面 的 温 度 就 是 热 咖 啡 的 温 度, 而 在 杯 子 的 外 表 面, 使 用 者 定 义 的 对 流 系 数 控 制 着 热 量 向 周 围 空 气 的 散 失 由 于 冷 却 相 对 而 言 是 一 个 较 为 缓 慢 的 过 程, 所 以 应 用 了 稳 态 热 分 析 来 计 算 咖 啡 杯 中 的 综 合 温 度 分 布 温 度 分 布 的 非 均 匀 性, 导 致 了 热 应 力 的 产 生 使 用 来 自 热 分 析 的 温 度 结 果, 运 用 静 态 分 析, 可 以 轻 松 地 在 SolidWorks 中 计 算 出 热 应 力 ( 图 20) 温 度 分 布 热 应 力 分 布 图 20: 由 稳 态 热 分 析 ( 左 ) 得 出 的 非 均 匀 温 度 场 结 构 静 态 分 析 ( 右 ) 计 算 得 出 的 热 应 力 热 分 析 验 证 软 件 所 需 具 备 的 功 能 鉴 于 此 处 简 介 的 典 型 问 题, 产 品 设 计 流 程 中 使 用 的 热 分 析 设 计 验 证 软 件 必 须 能 够 对 以 下 几 项 进 行 建 模 : 传 导 热 流 对 流 热 流 辐 射 热 流 热 阻 层 的 效 应 依 赖 于 时 间 的 热 效 应, 例 如 加 热 或 冷 却 ( 瞬 态 热 分 析 ) 依 赖 于 温 度 的 材 料 属 性 热 量 对 流 系 数 和 其 他 边 界 条 件 热 分 析 10

用 作 设 计 工 具 的 验 证 程 序 还 应 满 足 一 些 其 他 要 求, 不 仅 可 以 应 用 于 热 分 析, 还 可 以 应 用 于 结 构 分 析 或 电 磁 分 析 由 于 新 产 品 一 般 都 是 在 CAD 上 进 行 设 计 的, 所 以 要 将 任 何 类 型 的 验 证 软 件 有 效 地 用 作 设 计 工 具,CAD 软 件 需 满 足 以 下 几 项 要 求 : CAD 系 统 应 该 : 是 基 于 特 征 的 参 数 化 的 完 全 关 联 的 实 体 建 模 工 具 能 够 创 建 所 有 几 何 体, 无 论 是 针 对 制 造 的 还 是 针 对 分 析 的 能 够 在 模 型 的 设 计 和 分 析 展 示 之 间 切 换, 同 时 保 持 几 何 体 的 关 联 上 述 要 求 需 要 一 个 高 级 的 模 拟 系 统, 该 系 统 需 同 时 具 备 易 于 使 用 和 计 算 能 力 高 的 特 点,SolidWorks 模 拟 程 序 就 是 这 样 一 个 系 统, 它 与 SolidWorks CAD ( 一 种 先 进 的 3D 参 数 化 基 于 特 征 的 CAD 系 统 ) 进 行 了 很 好 的 集 成 先 进 的 软 件 集 成 让 用 户 可 以 使 用 熟 悉 的 SolidWorks 界 面 执 行 热 分 析 和 结 构 分 析, 从 而 无 需 再 掌 握 新 的 专 门 针 对 分 析 的 任 务 和 菜 单 ( 图 21) 图 21: 对 于 诸 如 电 路 板 热 分 析 之 类 的 分 析, 可 以 使 用 熟 悉 的 SolidWorks 界 面 进 行, 大 大 降 低 了 对 用 户 进 行 培 训 的 必 要 利 用 SolidWorks 可 以 解 决 的 设 计 问 题 以 下 部 分 提 供 了 若 干 设 计 问 题 的 示 例, 这 些 问 题 都 可 以 使 用 SolidWorks 的 热 分 析 和 结 构 分 析 功 能 来 解 决 调 整 散 热 器 冷 却 翅 片 的 大 小 微 型 芯 片 散 热 器 的 设 计 必 须 能 够 提 供 足 够 的 冷 却 功 能, 以 将 微 型 芯 片 的 温 度 保 持 在 400 K 之 下 微 型 芯 片 位 于 底 盘 上 由 于 阻 热 层 将 底 盘 与 装 配 体 的 其 余 部 分 分 离 开 来, 所 以 底 盘 提 供 的 冷 却 可 以 忽 略 不 计 在 最 初 的 设 计 中, 冷 却 翅 片 高 度 为 20 毫 米, 执 行 热 分 析 后, 显 示 温 度 为 461 K( 图 22, 顶 部 ) 将 冷 却 翅 片 的 高 度 更 改 为 40 毫 米 会 提 高 冷 却 效 果, 但 是 尚 不 能 满 足 规 格 要 求 ; 微 型 芯 片 温 度 现 在 是 419 K( 图 22) 第 三 次 迭 代 取 得 了 成 功, 冷 却 翅 片 的 高 度 是 60 毫 米, 微 型 芯 片 的 温 度 是 400 K, 这 个 值 是 可 以 接 受 的 ( 图 22) 对 流 系 数 是 本 研 究 中 一 个 十 分 重 要 的 考 虑 因 素, 可 以 在 工 程 学 教 材 中 找 到, 也 可 以 使 用 基 于 网 络 的 求 解 器 来 进 行 计 算 另 外, 散 热 器 周 围 流 体 流 动 的 研 究 可 以 使 用 SolidWorks Flow Simulation 来 进 行, 从 而 确 定 这 些 值 热 分 析 11

图 22: 三 种 不 同 设 计 配 置 的 散 热 器 设 计 加 热 元 件 加 热 元 件 由 铝 板 和 一 个 内 嵌 的 加 热 线 圈 组 成 图 23 中 的 M 型 线 圈 设 计 因 成 本 低 廉 而 广 受 欢 迎 但 是, 热 分 析 显 示, 该 线 圈 在 铝 板 的 表 面 产 生 的 温 度 不 均 匀, 如 图 23 所 示 在 对 加 热 板 重 新 进 行 设 计 后, 加 热 元 件 的 形 状 采 用 螺 旋 形, 如 图 24 所 示 对 修 改 后 的 设 计 重 新 进 行 热 分 析 之 后, 表 明 温 度 分 布 几 乎 是 均 匀 的 ( 图 24) 图 23: 铝 板 中 嵌 入 加 热 元 件 的 简 单 设 计 图 24: 重 新 设 计 后 的 加 热 板 显 示 出 均 匀 的 温 度 分 布 确 定 聚 光 灯 外 罩 中 的 热 应 力 聚 光 灯 ( 图 17) 的 周 围 有 坚 固 的 支 撑, 如 图 25 所 示 由 于 温 度 上 升 时, 它 外 罩 不 能 自 由 膨 胀, 因 此 会 产 生 热 应 力 要 确 定 热 应 力, 需 要 综 合 进 行 热 分 析 和 结 构 分 析, 其 中 将 温 度 结 果 ( 图 25) 输 出 到 静 态 分 析, 以 便 计 算 热 应 力 要 检 查 热 应 力 是 否 超 出 了 铝 制 外 罩 的 屈 服 强 度, 需 要 进 行 设 计 验 证 在 图 25 的 应 力 图 解 中, 在 外 罩 的 红 色 区 域, 应 力 确 实 超 出 了 屈 服 强 度 这 些 应 力 结 果 证 明, 所 设 计 的 外 罩 将 无 法 承 受 应 力 请 注 意, 热 应 力 形 成 的 原 因 是 约 束 阻 止 了 外 罩 自 由 膨 胀, 而 不 是 外 罩 的 温 度 不 均 匀 另 请 注 意, 这 些 应 力 是 在 缺 乏 结 构 载 荷 的 情 况 下 形 成 的 热 分 析 12

固 定 支 撑 CAD 模 型 温 度 分 布 热 应 力 分 布 图 25: 如 顶 部 的 图 片 所 示, 聚 光 灯 被 固 定 中 间 的 图 片 展 示 了 稳 态 下 的 温 度 分 布, 底 部 的 图 片 以 红 色 展 示 了 应 力 超 出 屈 服 强 度 的 区 域 确 定 柔 性 管 道 中 的 热 应 力 假 设 有 一 个 可 以 自 由 变 形 的 波 纹 管, 两 端 受 到 不 同 温 度 的 作 用 温 度 场 结 果 如 图 26 所 示 我 们 所 关 注 的 问 题 是, 温 度 的 不 同 是 否 会 导 致 热 应 力 的 形 成 使 用 静 态 分 析 中 的 温 度 结 果, 软 件 计 算 了 在 缺 乏 任 何 结 构 载 荷 或 支 持 的 条 件 下, 非 均 匀 温 度 的 纯 效 应 图 26 以 红 色 显 示 了 应 力 超 出 管 道 材 料 的 屈 服 强 度 的 区 域 如 有 必 要, 可 能 会 将 结 构 载 荷 ( 图 27) 应 用 到 管 道, 来 计 算 热 应 力 和 结 构 应 力 的 综 合 效 应 温 度 分 布 热 应 力 分 布 图 26: 由 于 非 均 匀 的 温 度 场, 管 道 形 成 了 超 出 管 道 材 料 屈 服 强 度 的 应 力 热 分 析 13

结 构 载 荷 热 应 力 和 结 构 应 力 的 结 合 图 27: 波 纹 铝 管 受 到 张 力 载 荷 ( 顶 部 ) 和 热 应 力 的 作 用, 共 同 形 成 了 结 构 应 力 和 热 应 力 ( 底 部 ) 电 子 电 路 板 的 过 热 保 护 图 28 中 电 子 电 路 板 的 最 佳 温 度 是 700 C, 而 且 不 应 超 过 1200 C 为 防 止 过 热, 当 微 型 芯 片 的 温 度 超 过 1200 C 时, 控 制 器 会 切 断 电 源 而 当 温 度 降 到 700 C 以 下 时, 控 制 器 会 重 新 打 开 电 源 但 是, 由 于 热 惯 量 的 存 在, 微 型 芯 片 的 温 度 还 是 有 可 能 超 过 1200 C 微 型 芯 片 的 温 度 随 着 电 源 循 环 打 开 和 关 闭 而 波 动 该 终 端 的 温 度 被 传 到 电 源 控 制 器 合 图 28: 电 子 电 路 板 通 过 控 制 器 进 行 过 热 保 护 温 度 波 动 范 围 研 究 涉 及 到 进 行 无 热 瞬 态 分 析, 此 时 热 量 由 恒 温 器 功 能 进 行 控 制 这 与 图 19 中 的 咖 啡 壶 一 例 类 似, 定 义 了 材 料 属 性 对 流 系 数 初 始 温 度 和 热 量 之 后, 分 析 会 运 行 300 秒 的 时 间 微 型 芯 片 温 度 的 波 动 如 图 29 所 示 温 度 ( 华 氏 ) 允 许 范 围 时 间 [ 秒 ] 图 29: 微 型 芯 片 的 温 度 随 电 源 的 打 开 和 关 闭 处 于 波 动 状 态 由 于 热 惯 量 的 存 在, 温 度 值 超 出 了 允 许 的 上 限 1200 C 热 分 析 14

瞬 态 热 分 析 的 结 果 清 楚 地 表 明, 控 制 器 电 源 关 闭 后 的 温 度 必 须 低 于 1200 C 才 能 补 偿 系 统 的 热 惯 量 在 接 下 来 的 两 到 三 个 迭 代 中, 可 以 轻 松 找 到 所 需 的 设 置 复 合 轴 承 外 壳 的 变 形 分 析 由 于 轴 承 中 的 摩 擦, 复 合 轴 承 外 壳 受 温 度 升 高 的 作 用, 同 时 还 承 受 轴 承 的 反 作 用 力 载 荷 难 点 在 于 确 定 轴 承 所 在 的 内 孔 的 变 形 ( 图 30, 顶 部 ) 情 况, 以 确 保 轴 承 不 会 脱 离 保 护 支 撑 外 壳 这 需 要 综 合 进 行 稳 态 热 分 析 和 静 态 分 析 第 一 步 是 确 定 轴 承 外 壳 的 温 度 分 布 ( 图 30, 底 部 ) 轴 承 反 作 用 力 轴 承 反 作 用 力 温 度 分 布 图 30: 由 于 轴 承 ( 底 部 ) 中 所 产 生 的 热 量, 轴 承 外 壳 ( 顶 部 ) 受 非 均 匀 温 度 场 的 影 响 根 据 这 些 结 果, 可 以 执 行 静 态 分 析 以 计 算 热 变 形 和 结 构 载 荷 综 合 作 用 所 导 致 的 变 形 图 31 显 示 了 两 个 内 孔 的 半 径 位 移 分 量 位 移 图 31: 轴 承 外 壳 边 缘 变 形 的 半 径 位 移 分 量 热 分 析 15

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