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2013-06-08 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
內(nèi)容介紹在熱分析中使用設(shè)計驗證熱傳導(dǎo)基本原理 COSMOSWorks熱分析能力 COSMOSWorks熱分析實際案例
作者: COSMOS 來源: COSMOS
關(guān)鍵字: COSMOS 熱傳導(dǎo) 實際案例 熱分析
COSMOSWorks熱分析案例介紹1
接下來介紹一些使用COSMOSWorks的熱分析和結(jié)構(gòu)分析解決實際設(shè)計挑戰(zhàn)中的案例。
散熱肋片的大小
散熱肋片的設(shè)計 散熱片的設(shè)計必須具備一定的冷卻效果,使得芯片的溫度保持在400K以下。散熱片下面有個固定板,由于散熱片和固定板之間存在熱阻層,因此固定版的冷卻 效果可以忽略不計。
對一個高度為20mm初始設(shè)計散熱肋運行一個熱分析,散熱肋片的溫度分為461K (圖22高)。增加散熱肋片的高度到40mm后其溫度減小為419K,同樣無法滿足設(shè)計要求(圖22),通過第三次設(shè)計修改,將散熱肋片高度增加到60mm,其分析結(jié)果可以滿足產(chǎn)品的設(shè)計要求400K,這個散熱片的溫度 結(jié)果是我們可以接受的(圖22)。
圖 22 帶有三個配置的散熱片
在這個分析中,對流系數(shù)是十分重要的,我們可以在材料庫中或者其它資料中查找到,不同材料的對流系數(shù),另外,如果想要研究散熱片同各國周圍空氣的流動 而帶走的熱量,必須使用COSMOSFloWorks進(jìn)行流體分析。
設(shè)計一個加熱元器件
一個內(nèi)部鑲嵌有熱線圈的鋁盤,m 型的加熱線圈(圖23所示)的成本比較低,但是 通過熱分析發(fā)現(xiàn),m 型加熱線圈它使得鋁盤的溫度分布十分不均勻如圖23所示。
圖 23 鋁盤內(nèi)一個簡單的加熱元件設(shè)計
當(dāng)加熱線圈設(shè)計修改為螺旋形時的分析結(jié)果如圖24所示, 分析結(jié)果說明螺旋形的加熱線圈使得鋁板的溫度比較均勻。(圖24)
圖 24 更改設(shè)計的加熱線圈溫度分布更加均勻
聚光燈罩的熱應(yīng)力分析
當(dāng)一個聚光燈(圖17)被完全固定住(圖25),由于受熱產(chǎn)生的膨脹被約束限制,因此在聚光燈的燈罩產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力。
熱應(yīng)力的分析需要將熱分析和結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來使用。將圖25的溫度分析結(jié)果輸入到結(jié)構(gòu)分析算例中進(jìn)行熱應(yīng)力分析。通過分析驗證可以判斷鋁制燈罩的熱應(yīng)力是否會超過它的屈服強度。圖25所示的應(yīng)力云圖顯示,燈罩紅色區(qū)域的應(yīng)力已經(jīng)超過了他的屈服強度。應(yīng)力分析結(jié)果說明燈罩在工作的時候會產(chǎn)生屈服變形。
熱分析案例介紹
圖 25 聚光燈被固定如圖(上),穩(wěn)態(tài)溫度分布如圖(中)紅色區(qū)域的應(yīng)力超過了屈服強度如圖(下)
注意:這個案例中熱應(yīng)力的產(chǎn)生不是因為燈罩的不均勻溫度分布,而是因為 固定約束限制了燈罩由于受熱而產(chǎn)生的自由膨脹,而且我們發(fā)現(xiàn)這個案例中 沒有施加任何外部載荷。
波紋管的熱應(yīng)力分析
假設(shè)一個波形管能夠自由變形,在其兩端分別施加不同的溫度,整個模型的溫度分布如圖26所示,我們感興趣的是在沒有外界約束和載荷條件下,模型的不均勻 溫度分布是否會產(chǎn)生熱應(yīng)力。
使用穩(wěn)態(tài)的熱分析結(jié)果,計算沒有外界載荷條件和約束條件下,由于不均勻的溫度所產(chǎn)成的靜態(tài)分析結(jié)果,通過靜態(tài)分析我們發(fā)現(xiàn)圖26顯示紅色 部位的應(yīng)力同樣超過了材料的屈服強度。
圖 26 由于溫度分布不勻均,波紋管產(chǎn)生的熱應(yīng)力超過了材料的屈服強度
根據(jù)實際的一些需要,我們還可以施加一個結(jié)構(gòu)載荷到波紋管中計算熱載荷和結(jié)構(gòu)載荷綜合作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力大小。(圖 27)
圖 27 波紋管承受拉伸載荷如圖(上)熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)載荷所產(chǎn)生的綜合效果如圖(下)
電路板的過熱保護(hù)
理想的電路板溫度為700C,并且不能超過1200C如圖28所示。為了防止過熱,有一個恒溫器控制開關(guān),當(dāng)芯片溫度超過1200C時會切斷電源,當(dāng)溫度低于700C時會打開電源。然而由于熱慣性,芯片的溫度仍然可以超過1200C。
圖 28 通過恒溫器控制開關(guān)防止電路板過熱。
觀察恒溫器開關(guān)控制的電路板瞬態(tài)溫度變化曲線,這個與咖啡壺的例子圖19很相似。當(dāng)定義完材料的屬性,對流系數(shù),初始溫度,功率,運行分析,大概需要300秒的時間。芯片的溫度波動曲線如圖29。
圖 29 當(dāng)恒溫器不斷的開啟和關(guān)閉,芯片的溫度也隨之波動變化,因為熱慣性,最大溫度超過了1200C
通過瞬態(tài)熱分析的結(jié)果,說明在設(shè)計的過程中,恒溫器的溫度控制點必須低于1200C,來補償由于熱慣性所產(chǎn)生的結(jié)果。那么可以通過另外的兩三個配置分析來獲得合理的控制溫度。
復(fù)合材料軸承套的變形分析
復(fù)合材料軸承套由于承受一定的工作摩擦力,而溫度不斷升高,同時它還承受一定的反作用力,這個軸承套的設(shè)計挑戰(zhàn)就是確定軸承底座的變形量(圖30,上),為 了確保軸承不會松動。需要進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析和結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析。
第一步獲得軸承到的溫度分布(圖30下)。
圖 30 由于軸承套在底部產(chǎn)生熱量因此導(dǎo)致溫度分布不均勻
根據(jù)上面的分析結(jié)果,運行一個靜態(tài)分析計算軸承套的變形量,靜態(tài)分析綜合考慮了熱載荷以及結(jié)構(gòu)載荷。如圖31所示軸承兩個孔的徑向位移。
圖 31 軸承兩端面邊線的徑向位移。
如果必要的話,我們還可以計算不同材料屬性的熱力和結(jié)構(gòu)分析(如熱導(dǎo)率,彈性模量)。
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