COSMOS热分析在热分析中使用设计验证

COSMOS热分析（一）在热分析中使用设计验证

介绍

在最近过去的十年当中，设计仿真已经逐渐取代了传统的物理样机，设计仿真可以减少昂贵费时的物理样机，因此可以降低新产品研发的成本和缩短开发的周期。并且允许工程师使用方便修改的电脑模型来准确地预测产品的机械性能(图1)

图1传统的设计方法和使用设计仿真验证设计方法的比较

设计验证在结构性问题，如位移，变形，应力或者自然频率领域的应用价值是无法衡量的。然而，结构性能方面的问题往往只是工程师在设计新产品的过程中所面临的许多挑战中的一个问题，还有其它在设计过程中普遍遇到遇到的设计挑战，如过热，热膨胀导致的变形，过热产生的热应力，以及其它的一些涉及到热传导、对流引起的设计问题。

热力学问题在电子产品设计中是十分普遍的.，例如冷却风扇和散热片必须在满足尺寸的要求同时，还需要满足一定的散热效果。同时，在设计电子产品的封装时候，必须要确保电路板有足够的空气流动，这样才能避免由于热应力而产生的变形和破裂(图2)。

图2电子封装的设计需要知道电子元器件产生的热量如何排放到环境中。

在传统的设备设计过程中都会遇到一些热力学的挑战.例如一些发动机，液压缸，电动机和抽气机等产品都需要进行温度，热耗散，热应力分析的-总之任何消耗能量的设备都需要进行热分析。

对于某些材料加工设备，热分析似乎不是很重要，而实际中它们的机械能转变的热能不仅会传递到到加工的工件，而且会影响到设备本身，因为热膨胀会导致加工的尺寸精度，研究这种情况不仅仅对一些精密加工设备很重要，而且对于一些承受由于过热而产生热应力的撕裂机也同样十分重要(图3)。

图3分析潜在的过热在设计工业撕裂机中的传动和承载能力是十分重要的

例3对于大多数医疗器械都应该分析其热力学性能。如药物分派系统必须确保其分派的药物保持在合适的温度，对于外科医疗设备必须避免使人体的组织承受热冲击，同时人体移植器官不能阻碍或者中断人体中的热流动，例如人体口腔的植牙齿必须要能承受一定的外部机械和热载荷(图4).

图4植牙不能影响口腔组织的温度和必并且能承受一定热应力。

图5为了充分冷却无线电设备中使用的高能电池，我们必须了解该设备的温度分布情况

图6热分析和结构分析的比较

另外，热跟结构分析一样都是直接对CAD模型进行分析，因此当CAD模型建立之后，只需要很少工作就可以进行热分析验证了。

热分析可以用来判断温度分布、温度梯度和模型中的热流,以及模型和环境之间的热交换。

图7热分析结果

分析热效应、温度很简单，但是测量起来却很困难,尤其是装配替或者零件的内部温度，或者是温度变化特别快的情况。这意味软件的设计验证对于某些工程师来说是唯一确定其产品热力学问题的方法。 传热原理

热传递有三种传热方式。这些方式分别是：传导，对流和辐射。热传导描述一个实体内的热传递，通常是在零件和装配体之间。对流和辐射通常涉及到固体和周围环境的热交换。

图8三种传热机理的主要特点

例如，通过热传导热量流过一个墙壁，传导的热量大小与墙壁两端的温度差和墙壁面积A成正比，与墙壁的厚度L成反比，比例因数K，叫做热导率，用来描述材料的导热能力(图9)。

图9热量从温度高的一面传导到另外一面。

不同材料的热导率K变化很大；在导体和绝缘体也有很大区别(图10)。

图10不同材料的热导率

热量在固体表面和附近移动的流体（或气体）如空气，水蒸汽或油之间的热交换叫做对流。对流热量交换的大小与固体表面温度TS和周围环境温度TF差的大小和热交换的表面积成正比（散热和吸热）。比例因子h叫做对流传热系数。固体表面和气周围环境的热交换需要流体的运动。(图11)。

图11对流产生的热量需要周围的流体运动才能产生。

对流系数很大程度上取决于介质（例如.，空气，水蒸汽，水，油）对流的种类分为：自然对流和强迫对流，自然对流只有在重力的情况下才能发生，因为流体的运动而是由于冷热流体的重力差而产生的。而强迫对流与重力的大小无关(图12，13)。

图12自然对流由于冷热流体不同的密度产生。强迫对流流体的运动是强迫的，例如风扇。

图13不同材料的对流系数。

图14陶瓷芯片产生热量，放在一个铝质散热片中，散热片周围的介质为空气。

为了更好的观察同时考虑热传导和对流的效果，我们来一起看一个散热片(图14)。

芯片产生热量，芯片通过热传导在其内部进行热量传递，然后同样通过热传导传递到铝制散热片中.在陶瓷芯片与铝制散热片中的热传导需要克服陶瓷与铝之间的界面缺陷产生的热阻层，最终热量通过对流扩散到散热片周围的空气中。

添加一个冷却风扇或者将散热片放入水中，都不会改变热传导的机理，散热片仍然通过对流进行散热，唯一不同的就是作为散热剂的水和空气对流系统数值大小。

散热片的温度场如图15所示。散热片的散热可以通过热流向量显示（图15，右）。热流向量离开散热片进入到周围的流体环境中.没有向量通过底部的表面，因为在模型中散热片的底面和芯片都是绝热的。

图15散热片中的温度场分布和热通量

我们注意到散热片和陶瓷芯片之间的界面产生的热阻层的建模，在某些设计验证的软件中这个热阻层必须建立模型，而在COSMOSWorks中，我们只需要输入热阻系数就可以实现了，而不需要建立热阻层的模型。

目前在这个散热片中热传导的讨论中我们只考虑了传导，对流，辐射中的两个机理，传导（仅仅在实体内部：芯片和散热片）和对流(散热片耗散到环境的空气中的热量).通过辐射的热交换可以忽略，因为在当前散热片的温度条件下，辐射量是非常小的，可以忽略。而在下面一个热传导的例子中的，辐射是不可以忽略的。

辐射可以在两个不同温度的物体之间进行也可以将物体的热量辐射到空间。由于辐射在真空中传播，因此不需要任何介质就可以发生辐射。

图16任何两个不同温度的物体通过辐射产生的热交换。而且一个物体也可以将热量辐射到环境中。 温度为T1，T2的两个物体间通过辐射产生的热交换大小与两个物体绝对温度的四次方差，参与辐射的表面积大小和辐射表面的发散率（辐射能力）成正比，辐射表面的发射率可以定义成在同一温度下表面的发射功率与黑体的发射功率之比。材料指定的发射率值介于0和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。由于通过辐射产生的热交换与绝对温度的四次方成正比，因此对于高温的热分析，辐射就显得非常重要。 一个带有真空灯罩的聚光灯，假设真空灯罩足够大，从真空罩反射回聚光灯泡的热量可以被忽略，灯泡和反射器都是在真空环境中，而铝制灯罩的外表面则暴露在空气中。(图17).

图17聚光灯模型中，反射面和灯泡都是在真空环境中，反射罩的外表面暴露在空气中。

灯泡产生的热量一部分辐射到空间，另一部分则辐射到反射器中，只有一小部分热量在灯泡和灯罩接触的部分通过热传导传递到灯罩中，辐射到灯罩的热量又被分为两部分T：一部分辐直接射掉，另一部分由反射面通过热传导传递到接触空气的外表面，然后通过对流耗散到空气中。

分析结果显示灯罩的温度比较均匀，因为铝的传导率很高，因此热量可以很好的在灯罩中进行传导。(图18)

图18聚光灯中温度的分布

注意，辐射只在高温才会显得比较重要。灯泡必须由足够高的温度才能辐射热量。 瞬态热分析

散热片和聚光灯的分析都是属于稳态问题，都是建立在有足够的时间使得热量趋于稳定，稳态热传导与热量趋于稳定的时间的长短有关，有可能是几秒，几个小时或者几天。

热量、温度随着时间的改变而改变的分析属于静态热分析问题，例如由一个有加热器加热的咖啡壶。加热器的温度由咖啡温度调节器（恒温器）所控制，当咖啡的温度低于设定最低温度的时候，恒温器就会打开，让咖啡温度高于设定的最高温度的时候恒温器就会关闭，如图19所示温度范围会随着时间的变化在某个范围内摆动。

图19热分析的结果可以直接输入到结构分析模块进行热盈利分析。

热应力

固体的温度会随着热量的传递改变，当温度改变的时候，就会伴随发生热涨和冷缩。由于热涨和冷缩而产生的应力叫做热应力。

当往一个杯子中倒入热咖啡时就会产生热应力，这样的热应力分析需要确定温度的分布；杯子的内表面温度就是咖啡的温度，而外表面则通过自定义的对流系数向外界空气中散热，由于冷却是个相对较慢的过程，因此可以通

过一个稳态热分析可以获得杯子的温度分布。温度的差异性会导致热应力，当我们使用COSMOSWorks的热分析的结果就可以建立一个静态算例获得杯子的热应力分布。(图20)

图20通过稳态热分析可以获得杯子不同位置的温度分布，（左）建立一个结构分析得到相应的应力分布（右） COSMOSWorks的热分析能力 理想的热分析验证软件

进行热分析的分析验证软件必须能够建模: 传导产生的热交换 对流产生的热交换 辐射产生的热交换 考虑热阻层的影响

与时间相关的瞬态热分析如冷却和加热

与温度相关的材料属性， 热功率, 对流系数和其它边界条件。

除了热分析以外，其它的一些类型问题同样需要分析验证，如结构、电 磁问题等，由于新产品都是由CAD设计的，因此要想高效使用分析验证 软件，进行设计验证，仿真验证必须具有以下CAD建模能力： CAD系统

基于特征的模型, 参数化驱动驱动,

能够创建所有参数, 包括制造尺寸和分析尺寸

能够在设计和分析模型之间转换，并且保证之间的几何关联性

为了满足上述的要求，分析软件需要与功能强大的CAD软件无缝集成， 例如COSMOSWorks与SolidWorks (一个主流的3D参数,特征驱动的CAD系统) COSMOSWorks与SolidWorks的完美结合，可以让工程师使用相同的 Solidworks界面进行热力和结构分析,这样就减少了学习软件的时间(图21)。

图21 例如使用与Solidworks相似的界面进行一个电路板的热分析，大大减少了使用者的培训要求。 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)。

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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