【文章內(nèi)容簡介】 些散熱器就各取所長，在鋁合金散熱器底座上嵌入一片銅板。 對于普通用戶而言，用鋁材散熱片已經(jīng)足以達(dá)到散熱需求了。 北方冬季取暖的暖氣片也叫散熱片。 散熱片在散熱器的構(gòu)成中占有重要的角色，除風(fēng)扇的主動散熱以外，評定一個散熱器的好壞，很大程度上取決于散熱片本身的吸熱能力和熱傳導(dǎo)能力 散熱片結(jié)構(gòu)的設(shè)計 1. 肋片的散熱量 肋基導(dǎo)入的熱量向肋端傳遞， 經(jīng)肋片傳給流體，因此肋片得熱平衡方程為： 肋基導(dǎo)入的熱量 ??? 流體帶走的熱量? 所以肋片向流體的傳熱量恒等于肋基截面上導(dǎo)入的熱量，根據(jù)傅立葉定律得 每片等截面直肋散熱量的計算式為： 換熱器熱應(yīng)力耦合分析 –5– )(1)(0mHthmhmhmHthmAHH???????? （ 2— 1） 式中： ? —— 散熱量， W； ? —— 肋片導(dǎo)熱率， W/（ ）； A —— 肋片的橫截面積， 2m ； 0? —— 肋基過余溫度， C0 ； m —— 肋片組合參數(shù)，Azm ??? Hh —— 肋端處的對流換熱系數(shù)， W/（ 2m K ）； H —— 肋高， m。 肋端換熱量固然較 小，但忽略不計會引入一些誤差。在計算時常將肋端的換熱表面A 并入沿肋高的換熱表面作為補(bǔ)償。實踐證明，對金屬材料來說，由此引起的誤差不超過 1%，完全能滿足工程計算的需要。 2. 肋高范圍的確定 在試驗范圍內(nèi)，流體沿平板流動屬于層流邊界層。平均換熱系數(shù) ? 為： 3/12/1 mmmm NuL ???? （ 2— 2） 式中： ? —— 平均對流換熱系數(shù)， )/( 2 KmW ? ； m? —— 空氣中的導(dǎo)熱系數(shù)， )( 2 KmW ?? ? ； mNu —— 平均努賽爾特數(shù)； mPr —— 普朗特數(shù)， ； 換熱器熱應(yīng)力耦合分析 –6– mt —— 定性溫度， Cttt fm 00 502/)( ??? 。 Azm ??? （ 2— 3） 式中： z—— 肋片的周邊長度， m； A—— 截面積 , 2m 。 對等截面直肋，當(dāng)肋基過余溫度 0? 及組合參數(shù) m 一定時，增加肋高 H 可使肋片的散熱量 ? 增大，但當(dāng) mH 后， th（ mH）的增勢減弱并趨近于 ，這說明肋片高度增加到一定程度后，散熱量 ? 就不再增加了。若要繼續(xù)增加肋高，則會導(dǎo)致肋片效率的急劇下降。所以在設(shè)計等截面直肋時，肋高不宜太大，根據(jù)經(jīng)驗一般要求 mH2 較為合理。根據(jù)公式（ 2— 3）確定 m 值，在滿足 mH2 的條件下，確定 H 的取值范圍。 3. 肋片間距和厚度。 肋片根據(jù)不同設(shè)計需要一般取 3—— 10mm，取整數(shù)； 在肋高相同的情況下，散熱器的總散熱率隨肋厚的增大而增大；總散熱量隨肋厚的增大而減小，因此肋厚不能取太大，這里取散熱片的厚度為 3mm。 有限元分析理論與 ANSYS 有限元分析理論 有限元的 基本思想是把連續(xù)的幾何結(jié)構(gòu)離散成有限個單元，并在每一個單元中設(shè)定有限個節(jié)點，從而將連續(xù)體看作僅在節(jié)點處相連接的一組單元的集合體，同時選定場函數(shù)的節(jié)點值作為基本未知量，并在每一單元中假設(shè)一個近似插值以表示單元中場函數(shù)的分布規(guī)律，再建立用于求解節(jié)點未知量的有限元方程組，從而將一個連續(xù)域中的無限自由度問題轉(zhuǎn)化為離散域中的有限自由度問題，求解得到節(jié)點值后就可以通過設(shè)定的插值函數(shù)確定單元上以至整個集合體上的場函數(shù)。有限元離散過程中，相鄰單元在同一節(jié)點上場變量相同達(dá)到連續(xù)，但未必在單元邊界上任何一點連續(xù)；在把載荷轉(zhuǎn)化為 節(jié)點載荷的過程中，只是考慮單元總體平衡，在單元內(nèi)部和邊界上不用保證每點都滿足控制方程。 有限元分析基本步驟： 換熱器熱應(yīng)力耦合分析 –7– ? 建立求解域并將其離散化為有限單元，即將連續(xù)體問題分解成節(jié)點和單元等個體問題； ? 假設(shè)代表單元物理行為的函數(shù)，即假設(shè)代表單元解的近似連續(xù)函數(shù)； ? 建立單元方程； ? 構(gòu)造單元整體剛度矩陣； ? 施加邊界條件、初始條件和載荷； ? 求解線性或非線性的微分方程組，得到節(jié)點求解結(jié)果； ? 得到其他重要信息。 有限元常用術(shù)語 ? 單元：有限元模型中每一個小的塊體稱為一個單元。根據(jù)形狀的不同，可以將單元劃分為以下幾種類型：線 段單元、三角形單元、四邊形單元、四面體單元和六面體單元等。由于單元是構(gòu)成有限元模型的基礎(chǔ)，因此單元類型對于有限元分析過程至關(guān)重要。 ? 節(jié)點：用于確定單元形狀、表述單元特征及連接相鄰單元的點稱為節(jié)點。節(jié)點是有限元模型中最小構(gòu)成元素。多個單元可以公用一個節(jié)點，節(jié)點起連接單元和實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞的作用。 ? 載荷：工程結(jié)構(gòu)所受到的外在施加的力或力矩稱為載荷，包括力、力矩及分布力等。 ? 邊界條件：邊界條件是指結(jié)構(gòu)在邊界上所受到的外加結(jié)束。在有限元分析過程中，施加正確的邊界條件是活的正確的分析結(jié)果和較高的分析精度的關(guān)鍵。 ? 初始條件 ：初始條件是結(jié)構(gòu)響應(yīng)前所施加的初始速度、初始溫度及預(yù)應(yīng)力等。 ANSYS 架構(gòu)及命令 ANSYS 構(gòu)架分為兩層，一是起始層（ Begin Level），二是處理層（ Processor Level）。這兩個層的關(guān)系主要是使用命令輸入時，要通過起始層進(jìn)入不同的處理器。處理器可視為解決問題步驟中的組合命令，它解決問題的基本流程敘述如下： 1. 前置處理（ General Preprocessor, PREP7） 1） 建立有限元模型所需輸入的資料，如節(jié)點、坐標(biāo)資料、元素內(nèi)節(jié)點排列次序 2） 材料屬性 3） 元 素切割的產(chǎn)生 2. 求解處理（ Solution Processor, SOLU） 1） 負(fù)載條件 換熱器熱應(yīng)力耦合分析 –8– 2） 邊界條件及求解 3. 后置處理（ General Postprocessor, POST1 或 Time Domain Postprocessor, POST26）POST1 用于靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析、屈曲分析及模態(tài)分析，將解題部分所得的解答如：變位、應(yīng)力、反力等資料，通過圖形接口以各種不同表示方式把等位移圖、等應(yīng)力圖等顯示出來。POST26 僅用于動態(tài)結(jié)構(gòu)分析，用于與時間相關(guān)的時域處理。 ANSYS 分析典型過 程與功能 ANSYS 分析過程中包含 3 個主要步驟，每個主要步驟及其子步驟如下提示： 1. 建立有限元模型 （ 1） 建立或?qū)霂缀文Ｐ? （ 2） 定義材料屬性 （ 3） 劃分網(wǎng)格或建立有限元模型 2. 施加載荷并求解 （ 1） 定義約束 （ 2） 施加載荷 （ 3） 設(shè)置分析選項并求解 3. 查看分析結(jié)果 （ 1） 查看分析結(jié)果 （ 2） 檢驗分析結(jié)果（驗證結(jié)果是否正確） ANSYS 的基本功能包括以下幾點： （ 1） 結(jié)構(gòu)靜力分析 （ 2） 結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析 （ 3） 結(jié)構(gòu)非線性分析 （ 4） 動力學(xué)分析 （ 5） 熱分析 （ 6） 電磁場分析 （ 7） 計算流體動力學(xué)分析 （ 8） 聲場分析 （ 9） 壓電分析 此外，它還有物理場耦合分析、優(yōu)化設(shè)計、拓?fù)鋬?yōu)化、單元生死、用戶可擴(kuò)展功能等的高級功 能。 換熱器熱應(yīng)力耦合分析 –9– 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 眾所周知，換熱器是傳熱工程必不可少的設(shè)備，幾乎一切工業(yè)領(lǐng)域都要使用?；?,冶金，動力，交遞，航空與航天部門應(yīng)用尤為廣泛 。目前國內(nèi)外普遍采用有限元法對換熱器進(jìn)行熱應(yīng)力偶和分析。 ANSYS 成立于 1970 年，致力于工程仿真軟件和技術(shù)的研發(fā)，在眾多行業(yè)被全球的工程師和設(shè)計師廣泛采用。公司重點開發(fā)開放靈活的、對設(shè)計直接進(jìn)行仿真的桌面級解決方案，提供從概念設(shè)計到最終測試產(chǎn)品研發(fā)全過程的統(tǒng)一平臺，同時追求快速、高效和經(jīng)濟(jì)。 而有限元建模和計算是基于 ANSYS 進(jìn)行有限元計算分析的，它融結(jié)構(gòu)、熱、流、電磁、聲學(xué)分析于一體，具有友好的前處理界面、高效精確的求解器和完善的后處理功能，目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究領(lǐng)域等。 ANSYS 軟件有效地把有限元分析數(shù)值分析技術(shù)和 CAD、 CAE 有機(jī)地結(jié)合在一起，使用戶可以直觀精確地分析可能出現(xiàn)的問題。 耦合分析考慮兩個或兩個以上的物理場之間的相互作用，這種分析包括直接和間接耦合分析。 直接法就是當(dāng)進(jìn)行直接耦合時，多個物理場的自由度同時進(jìn)行計算。此法適用于多個物理場各自的響應(yīng)互相依賴的情況，而且由于平 衡狀態(tài)要滿足多個準(zhǔn)則才能取得，因此在對耦合作用場的相互作用是高度非線性的情況下，直接法優(yōu)先，并且該方法在用耦合公式單一求解時是最好的。每個節(jié)點上的自由度越多，矩陣方程就越龐大，消耗的計算時間也就越多。 間接耦合分析以特定的順序求解單個物理場得模型，前一個分析的結(jié)果作為后續(xù)分析的邊界條件施加，有時候也稱為序貫耦合分析。間接偶合法主要用于場物理之間的單向耦合關(guān)系，例如一個場得響應(yīng)（如熱）講顯著影響到另外一個物理場（如結(jié)構(gòu)）的響應(yīng)，反之不成立。間接耦合法一般來說比直接偶合法效率高，而且不需要特殊的單元類型。 有限元熱分析原理 一、 ANSYS 熱分析的目的： ANSYS 熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計算各節(jié)點的溫度，并導(dǎo)出其他物理參數(shù)，如熱量的獲取和損失、熱梯度、熱流密度等。