COSMOS熱分析(四)

2013-06-08  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

內(nèi)容介紹在熱分析中使用設計驗證熱傳導基本原理 COSMOSWorks熱分析能力 COSMOSWorks熱分析實際案例

作者: COSMOS 來源: COSMOS
關鍵字: COSMOS 熱傳導 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的熱分析和結構分析解決實際設計挑戰(zhàn)中的案例。

散熱肋片的大小

散熱肋片的設計 散熱片的設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,同樣無法滿足設計要求(圖22),通過第三次設計修改,將散熱肋片高度增加到60mm,其分析結果可以滿足產(chǎn)品的設計要求400K,這個散熱片的溫度 結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進行流體分析。

設計一個加熱元器件

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計

當加熱線圈設計修改為螺旋形時的分析結果如圖24所示, 分析結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 更改設計的加熱線圈溫度分布更加均勻

聚光燈罩的熱應力分析

當一個聚光燈(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)生一定的熱應力。

熱應力的分析需要將熱分析和結構分析結合起來使用。將圖25的溫度分析結果輸入到結構分析算例中進行熱應力分析。通過分析驗證可以判斷鋁制燈罩的熱應力是否會超過它的屈服強度。圖25所示的應力云圖顯示,燈罩紅色區(qū)域的應力已經(jīng)超過了他的屈服強度。應力分析結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)域的應力超過了屈服強度如圖(下)

注意:這個案例中熱應力的產(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。

波紋管的熱應力分析

假設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)生熱應力。

使用穩(wěn)態(tài)的熱分析結果,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)分析結果,通過靜態(tài)分析我們發(fā)現(xiàn)圖26顯示紅色 部位的應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構載荷到波紋管中計算熱載荷和結構載荷綜合作用下所產(chǎn)生的應力大小。(圖 27)

圖 27 波紋管承受拉伸載荷如圖(上)熱應力和結構載荷所產(chǎn)生的綜合效果如圖(下)

電路板的過熱保護

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,當芯片溫度超過1200C時會切斷電源,當溫度低于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防止電路板過熱。

觀察恒溫器開關控制的電路板瞬態(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 當恒溫器不斷的開啟和關閉,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)熱分析的結果,說明在設計的過程中,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。

復合材料軸承套的變形分析

復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。需要進行穩(wěn)態(tài)熱分析和結構靜態(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)生熱量因此導致溫度分布不均勻

根據(jù)上面的分析結果,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構載荷。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構分析(如熱導率,彈性模量)。

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