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2013-06-08 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
内容介绍在热分析中使用设计验证热传导基本原理 COSMOSWorks热分析能力 COSMOSWorks热分析实际案例
作者: COSMOS 来源: COSMOS
关键字: COSMOS 热传导 实际案例 热分析
COSMOSWorks热分析案例介绍1
接下来介绍一些使用COSMOSWorks的热分析和结构分析解决实际设计挑战中的案例。
散热肋片的大小
散热肋片的设计 散热片的设计必须具备一定的冷却效果,使得芯片的温度保持在400K以下。散热片下面有个固定板,由于散热片和固定板之间存在热阻层,因此固定版的冷却 效果可以忽略不计。
对一个高度为20mm初始设计散热肋运行一个热分析,散热肋片的温度分为461K (图22高)。增加散热肋片的高度到40mm后其温度减小为419K,同样无法满足设计要求(图22),通过第三次设计修改,将散热肋片高度增加到60mm,其分析结果可以满足产品的设计要求400K,这个散热片的温度 结果是我们可以接受的(图22)。
图 22 带有三个配置的散热片
在这个分析中,对流系数是十分重要的,我们可以在材料库中或者其它资料中查找到,不同材料的对流系数,另外,如果想要研究散热片同各国周围空气的流动 而带走的热量,必须使用COSMOSFloWorks进行流体分析。
设计一个加热元器件
一个内部镶嵌有热线圈的铝盘,m 型的加热线圈(图23所示)的成本比较低,但是 通过热分析发现,m 型加热线圈它使得铝盘的温度分布十分不均匀如图23所示。
图 23 铝盘内一个简单的加热元件设计
当加热线圈设计修改为螺旋形时的分析结果如图24所示, 分析结果说明螺旋形的加热线圈使得铝板的温度比较均匀。(图24)
图 24 更改设计的加热线圈温度分布更加均匀
聚光灯罩的热应力分析
当一个聚光灯(图17)被完全固定住(图25),由于受热产生的膨胀被约束限制,因此在聚光灯的灯罩产生一定的热应力。
热应力的分析需要将热分析和结构分析结合起来使用。将图25的温度分析结果输入到结构分析算例中进行热应力分析。通过分析验证可以判断铝制灯罩的热应力是否会超过它的屈服强度。图25所示的应力云图显示,灯罩红色区域的应力已经超过了他的屈服强度。应力分析结果说明灯罩在工作的时候会产生屈服变形。
热分析案例介绍
图 25 聚光灯被固定如图(上),稳态温度分布如图(中)红色区域的应力超过了屈服强度如图(下)
注意:这个案例中热应力的产生不是因为灯罩的不均匀温度分布,而是因为 固定约束限制了灯罩由于受热而产生的自由膨胀,而且我们发现这个案例中 没有施加任何外部载荷。
波纹管的热应力分析
假设一个波形管能够自由变形,在其两端分别施加不同的温度,整个模型的温度分布如图26所示,我们感兴趣的是在没有外界约束和载荷条件下,模型的不均匀 温度分布是否会产生热应力。
使用稳态的热分析结果,计算没有外界载荷条件和约束条件下,由于不均匀的温度所产成的静态分析结果,通过静态分析我们发现图26显示红色 部位的应力同样超过了材料的屈服强度。
图 26 由于温度分布不匀均,波纹管产生的热应力超过了材料的屈服强度
根据实际的一些需要,我们还可以施加一个结构载荷到波纹管中计算热载荷和结构载荷综合作用下所产生的应力大小。(图 27)
图 27 波纹管承受拉伸载荷如图(上)热应力和结构载荷所产生的综合效果如图(下)
电路板的过热保护
理想的电路板温度为700C,并且不能超过1200C如图28所示。为了防止过热,有一个恒温器控制开关,当芯片温度超过1200C时会切断电源,当温度低于700C时会打开电源。然而由于热惯性,芯片的温度仍然可以超过1200C。
图 28 通过恒温器控制开关防止电路板过热。
观察恒温器开关控制的电路板瞬态温度变化曲线,这个与咖啡壶的例子图19很相似。当定义完材料的属性,对流系数,初始温度,功率,运行分析,大概需要300秒的时间。芯片的温度波动曲线如图29。
图 29 当恒温器不断的开启和关闭,芯片的温度也随之波动变化,因为热惯性,最大温度超过了1200C
通过瞬态热分析的结果,说明在设计的过程中,恒温器的温度控制点必须低于1200C,来补偿由于热惯性所产生的结果。那么可以通过另外的两三个配置分析来获得合理的控制温度。
复合材料轴承套的变形分析
复合材料轴承套由于承受一定的工作摩擦力,而温度不断升高,同时它还承受一定的反作用力,这个轴承套的设计挑战就是确定轴承底座的变形量(图30,上),为 了确保轴承不会松动。需要进行稳态热分析和结构静态分析。
第一步获得轴承到的温度分布(图30下)。
图 30 由于轴承套在底部产生热量因此导致温度分布不均匀
根据上面的分析结果,运行一个静态分析计算轴承套的变形量,静态分析综合考虑了热载荷以及结构载荷。如图31所示轴承两个孔的径向位移。
图 31 轴承两端面边线的径向位移。
如果必要的话,我们还可以计算不同材料属性的热力和结构分析(如热导率,弹性模量)。
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