COSMOS熱分析(四)

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(jì)驗(yàn)證熱傳導(dǎo)基本原理 COSMOSWorks熱分析能力 COSMOSWorks熱分析實(shí)際案例

作者: COSMOS 來源: COSMOS
關(guān)鍵字: COSMOS 熱傳導(dǎo) 實(shí)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(shí)際設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)中的案例。

散熱肋片的大小

散熱肋片的設(shè)計(jì) 散熱片的設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)。

對(duì)一個(gè)高度為20mm初始設(shè)計(jì)散熱肋運(yùn)行一個(gè)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(jì)要求(圖22),通過第三次設(shè)計(jì)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(jì)要求400K,這個(gè)散熱片的溫度結(jié)果是我們可以接受的(圖22)。

COSMOS熱分析(四)solidworks simulation技術(shù)圖片1

圖 22 帶有三個(gè)配置的散熱片

在這個(gè)分析中,對(duì)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(duì)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(dòng) 而帶走的熱量,必須使用COSMOSFloWorks進(jìn)行流體分析。

設(shè)計(jì)一個(gè)加熱元器件

一個(gè)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。

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圖 23 鋁盤內(nèi)一個(gè)簡(jiǎn)單的加熱元件設(shè)計(jì)

當(dāng)加熱線圈設(shè)計(jì)修改為螺旋形時(shí)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)

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圖 24 更改設(shè)計(jì)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(gè)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(yàn)證可以判斷鋁制燈罩的熱應(yīng)力是否會(huì)超過它的屈服強(qiáng)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(qiáng)度。應(yīng)力分析結(jié)果說明燈罩在工作的時(shí)候會(huì)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(qiáng)度如圖(下)

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注意:這個(gè)案例中熱應(yīng)力的產(chǎn)生不是因?yàn)闊粽值牟痪鶆驕囟确植?而是因?yàn)?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(gè)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(gè)波形管能夠自由變形,在其兩端分別施加不同的溫度,整個(gè)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(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。

使用穩(wěn)態(tài)的熱分析結(jié)果,計(jì)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(qiáng)度。

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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(qiáng)度

根據(jù)實(shí)際的一些需要,我們還可以施加一個(gè)結(jié)構(gòu)載荷到波紋管中計(jì)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)

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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(gè)恒溫器控制開關(guān),當(dāng)芯片溫度超過1200C時(shí)會(huì)切斷電源,當(dāng)溫度低于700C時(shí)會(huì)打開電源。然而由于熱慣性,芯片的溫度仍然可以超過1200C。

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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(gè)與咖啡壺的例子圖19很相似。當(dāng)定義完材料的屬性,對(duì)流系數(shù),初始溫度,功率,運(yùn)行分析,大概需要300秒的時(shí)間。芯片的溫度波動(dòng)曲線如圖29。

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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(dòng)變化,因?yàn)闊釕T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(jì)的過程中,恒溫器的溫度控制點(diǎn)必須低于1200C,來補(bǔ)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(gè)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(shí)它還承受一定的反作用力,這個(gè)軸承套的設(shè)計(jì)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(huì)松動(dòng)。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)。

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