毕业设计论文换热器热应力耦合及有限元ansys分析.docx

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毕业设计论文换热器热应力耦合及有限元ansys分析

摘要

换热器是传热工程必不可少的设备，几乎一切工业领域都要使用。

化工,冶金，动力，交递，航空与航天部门应用尤为广泛。

在底部有热源作用的散热片，主要通过传导与对流进行热交换。

为保证散热片的散热性能达到设计的要求，从而避免电子产品因过热而造成损坏，就需要对其进行热分析，计算在实际工况下的温度分布，校核其散热性能。

因此，对换热器进行热应力耦合分析具有十分重要意义。

传统方法的热分析其温度变化必须是非常的缓慢，而且在升降温过程中的不易控制，难以正确校核其散热性能。

随着计算机技术的发展，使得有限元法有着突飞猛进的进展。

结合计算机辅助设计技术，有限元法也被用于计算机辅助制造中。

ANSYS的热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，正确模拟散热片的工况，通过有限元法计算各节点的温度分布，并由此导出其他热物理参数，为散热片的设计选材提供合理的参数，使产品的研发更加快速、高效和经济。

关键词：

换热器；有限元；ANSYS；散热片

Heatexchanger coupled thermalstress analysis

Abstract

Heattransferengineeringisessentialequipmenttobeusedalmostallindustrialfields.Chemical,metallurgical,power,handoff,applicationofaviationandaerospacesectorisparticularlyextensive.Inthebottomoftheheatsinkeffect,mainlythroughconductionandconvectionheatexchange.Toensuretheheatsinkthermalperformancetomeetthedesignrequirements,soastoavoidoverheatingofelectronicproductsduetodamagetoitsthermalanalysisrequiredtocalculatethetemperaturedistributionintheactualconditions,checktheheatdissipation.Therefore,thermalstresscoupledheatexchangeranalysisisofgreatsignificance.Traditionalmethodsofthermalanalysisthetemperaturechangemustbeveryslow,andinheatingandcoolingprocessdifficulttocontrol,difficulttoproperlycheckitsthermalperformance.Withthedevelopmentofcomputertechnology,finiteelementmethodhasmaderapidprogress.Combinedwithcomputer-aideddesign,finiteelementmethodisalsousedincomputer-aidedmanufacturing.ANSYSthermalanalysisisbasedontheprincipleofconservationofheatenergybalanceequation,thecorrectsimulationoftheheatsinkconditions,thefiniteelementmethodtocalculatethetemperaturedistributionofeachnode,andthusotherthermalphysicalparametersderivedforthedesignofheatsinktoprovideareasonableselectionofparametersMakeproductdevelopmentmorerapid,efficientandeconomical.

KeyWords：

Heat control；Finiteelement；ANSYS；Heatsink

第一章绪论

1.1引言

热分析主要用于计算一个系统或部件的温度分布及其他热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量）等。

热分析在许多工程中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。

第三次工业革命是以计算机的应用为代表的。

计算机的应用使虚拟技术变为现实。

目前，计算机仿真已应用于各个领域，并带来了革命性的效果。

它也将为热分析的发展做出贡献。

ANSYS热分析包括热传导、热对流、热辐射三种热传递方式。

此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。

1.2计算机仿真技术的发展

计算机仿真技术（ComputerImationTechnology）又称虚拟样机技术（VirtualPrototypeTechnology），是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程（CAE）技术。

计算机仿真技术是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。

它集成了计算机技术、网络技术、图形图象技术、面向对象技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识。

计算机仿真技术具有经济、安全、可重复和不受气候、场地、时间限制的优势，被称为除理论推导和科学试验之外的人类认识自然和改造自然的第三种手段。

计算机仿真技术的发展与控制工程、系统工程及计算机工程的发展有着密切的联系。

一方面，控制工程、系统工程的发展，促进了仿真技术的广泛应用；另一方面，计算机的出现以及计算机技术的发展，又为仿真技术的发展提供了强大的支撑。

计算机仿真一直作为一种必不可少的工具，在减少损失、节约经费开支、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥着重要的作用。

计算机仿真的发展，经历了简单原型、物理模型、通用编程语言、仿真专用语言、仿真结果的动态显示及可视化交互式仿真等一系列阶段。

计算机仿真发展与应用的历程，就是在实际应用需求的牵引下，在不断涌现出与发展的相关新技术的推动下，融合新的建模与仿真方法学而不断发展起来的。

随着计算机科学技术的飞速发展,多媒体技术、虚拟现实、人工智能、面向对象方法、可视化与图形界面等方面皆取得了巨大进展，对系统建模与仿真技术的发展亦相应地产生了广泛与深刻的影响。

因而，近年来在仿真方法研究、仿真技术研究、系统仿真应用等方面都取得了显著的成就和效益。

我们完全有理由相信，计算机仿真技术在国防建设和国民经济建设中将发挥越来越重要的作用。

1.3热分析方法的选择

热分析是对一个具体设计方案的热场行为进行分析和计算，获取温度场分布情况，通过分析温度分布场极值点的情况，反馈至布局布线和热设计过程中，提供具体的改进方案，形成一种设计、分析、再设计、再分析的设计流程。

热分析的研究方法主要有解析法、实验分折方法、数值计算法。

解析法以数学分析为基础求解定解问题，并得出用数学函数形式表示的解，这个函数表示所在区域内一种连续的温度分布。

解析法通常用于有规则边界的问题。

主要优点是：

整个求解过程中物理概念与逻辑推理都比较清晰、求解过程中所依据的数学基础犬都己有严格的证明、求得的精确解可靠，且能比较清楚地表示出各种因素（如坐标、时间、各定解条件）对温度分布的影响。

缺点是这种解法的适用范围非常有限，只能用于求解比较简单的问题。

模拟法是根据电——热类比原则，将热路问题转化为电路问题，热阻对应为电阻，温度对应为电势，电流对应为热流，然后用电路分析的方法对传热问题进行分析．又称热阻热路法，是一种等效集总参数的计算方法，简便易行，但精度不高，多用于估算。

数值计算法包括有限差分法和有限元法。

有限差分法需要针对每一节点写微分方程，并且用差分方程代替导数。

在热分析中，它从传热微分方程出发，将区域用网格离散处理后，用近似的差分商代替微分商，得到近似的数值解。

这种方法忽视了节点单元的连续行，只能用于简单问题的求解。

有限元法使用公式方法（直接公式法、最小总势能公式法和加权余数法）而不是微分方程法建立系统的代数方程组，而且有限元法假设代表每个元素的近似函数是连续的，它吸取了差分法中对求解域迸行离散处理的启示，又继承了里兹法变分计算中选择试探函数并对区域积分的合理方法。

从实质上看，有限元法与里兹法是等效的，它属于里兹法的范畴，多数问题的有限元方程都是利用变分原理来建立的。

但是由于有限元法采用了离散处理，所以他它较里兹法的计算更为简单，处理的问题更为复杂，因而具有更广泛的实用价值。

有限元与其他分析方法相比具有以下几个优越性：

1）能够分析形状复杂的结构。

由于离散单元不限制为均匀的规则单元，单元形状有一定任意性，单元大小可以不同，且单元边界可以是曲线或曲面，因此分析结构可以具有非常复杂的形状，它不仅可以是复杂的平面结构或轴对称结构．也可以是三维曲面结构或实体结构。

2）能够处理复杂的边界条件。

在有限元法中，边界条件不需要引入每个单元的特性方程，而是在求得整个结构的代数方程后，对有关特性矩阵进行必要的处理，所以对内部和边界上的单元都采用相同的场变量函数。

而当边界条件改变时，场变量函数不需要改变，因此边界条件的处理和程序编制非常简单。

3）能够保证规定的精度。

当单尺寸减小或插值函数的阶次增加时，有限元解收敛于实际问题的精确解。

因此有限元法可以通过网格加密或采用高阶插值函数来提高解的精度，从而使分析解具有一定的使用价值。

4）能够处理不同类型的材科。

有限元法可用于各向同性、正交各向同性、各向异性及复合材料等多种类型材料的分析，也可以分析由不同材料组成的组合结构。

此外，有限元法还可以处理随时间或温度变化的材料以及非均匀分布的材料。

因此，在众多热分析方法中，有限元方法是热分析的最近选择。

第二章课题相关知识介绍

2.1散热片知识

散热片是一种给电器中的易发热电子元件散热的装置，多由铝合金，黄铜或青铜做成板状，片状，多片状等，如电脑中CPU中央处理器要使用相当大的散热片，电视机中电源管，行管，功放器中的功放管都要使用散热片。

一般散热片在使用中要在电子元件与散热片接触面涂上一层导热硅脂，使元器件发出的热量更有效的传导到散热片上，在经散热片散发到周围空气中去。

2.1.1散热片的材质比较

就散热片材质来说，每种材料其导热性能是不同的，按导热性能从高到低排列，分别是银，铜，铝，钢。

不过如果用银来作散热片会太昂贵，故最好的方案为采用铜质。

虽然铝便宜得多，但显然导热性就不如铜好（大约只有铜的50%左右）。

　　目前常用的散热片材质是铜和铝合金，二者各有其优缺点。

铜的导热性好，但价格较贵，加工难度较高，重量过大（很多纯铜散热器都超过了CPU对重量的限制），热容量较小，而且容易氧化。

而纯铝太软，不能直接使用，都是使用的铝合金才能提供足够的硬度，铝合金的优点是价格低廉，重量轻，但导热性比铜就要差很多。

有些散热器就各取所长，在铝合金散热器底座上嵌入一片铜板。

　　对于普通用户而言，用铝材散热片已经足以达到散热需求了。

　　北方冬季取暖的暖气片也叫散热片。

散热片在散热器的构成中占有重要的角色，除风扇的主动散热以外，评定一个散热器的好坏，很大程度上取决于散热片本身的吸热能力和热传导能力

1.肋片的散热量

肋基导入的热量向肋端传递，经肋片传给流体，因此肋片得热平衡方程为：

肋基导入的热量

所以肋片向流体的传热量恒等于肋基截面上导入的热量，根据傅立叶定律得

每片等截面直肋散热量的计算式为：

（2—1）

式中：

——散热量，W；

——肋片导热率，W/（m.K）；

A——肋片的横截面积，

；

——肋基过余温度，

；

m——肋片组合参数，

——肋端处的对流换热系数，W/（

·K）；

H——肋高，m。

肋端换热量固然较小，但忽略不计会引入一些误差。

在计算时常将肋端的换热表面A并入沿肋高的换热表面作为补偿。

实践证明，对金属材料来说，由此引起的误差不超过1%，完全能满足工程计算的需要。

2.肋高范围的确定

在试验范围内，流体沿平板流动属于层流边界层。

平均换热系数

为：

（2—2）

式中：

——平均对流换热系数，

；

——空气中的导热系数，

；

——平均努赛尔特数；

——普朗特数，0.698；

——定性温度，

。

（2—3）

式中：

z——肋片的周边长度，m；

A——截面积,

。

对等截面直肋，当肋基过余温度

及组合参数m一定时，增加肋高H可使肋片的散热量

增大，但当mH>1.5后，th（mH）的增势减弱并趋近于1.0，这说明肋片高度增加到一定程度后，散热量

就不再增加了。

若要继续增加肋高，则会导致肋片效率的急剧下降。

所以在设计等截面直肋时，肋高不宜太大，根据经验一般要求mH<2较为合理。

根据公式（2—3）确定m值，在满足mH<2的条件下，确定H的取值范围。

3.肋片间距和厚度。

肋片根据不同设计需要一般取3——10mm，取整数；

在肋高相同的情况下，散热器的总散热率随肋厚的增大而增大；总散热量随肋厚的增大而减小，因此肋厚不能取太大，这里取散热片的厚度为3mm。

2.2有限元分析理论与ANSYS

有限元的基本思想是把连续的几何结构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，从而将连续体看作仅在节点处相连接的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一个近似插值以表示单元中场函数的分布规律，再建立用于求解节点未知量的有限元方程组，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题，求解得到节点值后就可以通过设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数。

有限元离散过程中，相邻单元在同一节点上场变量相同达到连续，但未必在单元边界上任何一点连续；在把载荷转化为节点载荷的过程中，只是考虑单元总体平衡，在单元内部和边界上不用保证每点都满足控制方程。

有限元分析基本步骤：

◆建立求解域并将其离散化为有限单元，即将连续体问题分解成节点和单元等个体问题；

◆假设代表单元物理行为的函数，即假设代表单元解的近似连续函数；

◆建立单元方程；

◆构造单元整体刚度矩阵；

◆施加边界条件、初始条件和载荷；

◆求解线性或非线性的微分方程组，得到节点求解结果；

◆得到其他重要信息。

●单元：

有限元模型中每一个小的块体称为一个单元。

根据形状的不同，可以将单元划分为以下几种类型：

线段单元、三角形单元、四边形单元、四面体单元和六面体单元等。

由于单元是构成有限元模型的基础，因此单元类型对于有限元分析过程至关重要。

●节点：

用于确定单元形状、表述单元特征及连接相邻单元的点称为节点。

节点是有限元模型中最小构成元素。

多个单元可以公用一个节点，节点起连接单元和实现数据传递的作用。

●载荷：

工程结构所受到的外在施加的力或力矩称为载荷，包括力、力矩及分布力等。

●边界条件：

边界条件是指结构在边界上所受到的外加结束。

在有限元分析过程中，施加正确的边界条件是活的正确的分析结果和较高的分析精度的关键。

●初始条件：

初始条件是结构响应前所施加的初始速度、初始温度及预应力等。

ANSYS构架分为两层，一是起始层（BeginLevel），二是处理层（ProcessorLevel）。

这两个层的关系主要是使用命令输入时，要通过起始层进入不同的处理器。

处理器可视为解决问题步骤中的组合命令，它解决问题的基本流程叙述如下：

1.前置处理（GeneralPreprocessor,PREP7）

1）建立有限元模型所需输入的资料，如节点、坐标资料、元素内节点排列次序

2）材料属性

3）元素切割的产生

2.求解处理（SolutionProcessor,SOLU）

1）负载条件

2）边界条件及求解

3.后置处理（GeneralPostprocessor,POST1或TimeDomainPostprocessor,POST26）POST1用于静态结构分析、屈曲分析及模态分析，将解题部分所得的解答如：

变位、应力、反力等资料，通过图形接口以各种不同表示方式把等位移图、等应力图等显示出来。

POST26仅用于动态结构分析，用于与时间相关的时域处理。

ANSYS分析过程中包含3个主要步骤，每个主要步骤及其子步骤如下提示：

1.建立有限元模型

（1）建立或导入几何模型

（2）定义材料属性

（3）划分网格或建立有限元模型

2.施加载荷并求解

（1）定义约束

（2）施加载荷

（3）设置分析选项并求解

3.查看分析结果

（1）查看分析结果

（2）检验分析结果（验证结果是否正确）

ANSYS的基本功能包括以下几点：

（1）结构静力分析

（2）结构动力学分析

（3）结构非线性分析

（4）动力学分析

（5）热分析

（6）电磁场分析

（7）计算流体动力学分析

（8）声场分析

（9）压电分析

此外，它还有物理场耦合分析、优化设计、拓扑优化、单元生死、用户可扩展功能等的高级功能。

众所周知，换热器是传热工程必不可少的设备，几乎一切工业领域都要使用。

化工,冶金，动力，交递，航空与航天部门应用尤为广泛。

目前国内外普遍采用有限元法对换热器进行热应力偶和分析。

ANSYS成立于1970年，致力于工程仿真软件和技术的研发，在众多行业被全球的工程师和设计师广泛采用。

公司重点开发开放灵活的、对设计直接进行仿真的桌面级解决方案，提供从概念设计到最终测试产品研发全过程的统一平台，同时追求快速、高效和经济。

而有限元建模和计算是基于ANSYS进行有限元计算分析的，它融结构、热、流、电磁、声学分析于一体，具有友好的前处理界面、高效精确的求解器和完善的后处理功能，目前广泛应用于工业生产及科学研究领域等。

ANSYS软件有效地把有限元分析数值分析技术和CAD、CAE有机地结合在一起，使用户可以直观精确地分析可能出现的问题。

耦合分析考虑两个或两个以上的物理场之间的相互作用，这种分析包括直接和间接耦合分析。

直接法就是当进行直接耦合时，多个物理场的自由度同时进行计算。

此法适用于多个物理场各自的响应互相依赖的情况，而且由于平衡状态要满足多个准则才能取得，因此在对耦合作用场的相互作用是高度非线性的情况下，直接法优先，并且该方法在用耦合公式单一求解时是最好的。

每个节点上的自由度越多，矩阵方程就越庞大，消耗的计算时间也就越多。

间接耦合分析以特定的顺序求解单个物理场得模型，前一个分析的结果作为后续分析的边界条件施加，有时候也称为序贯耦合分析。

间接偶合法主要用于场物理之间的单向耦合关系，例如一个场得响应（如热）讲显著影响到另外一个物理场（如结构）的响应，反之不成立。

间接耦合法一般来说比直接偶合法效率高，而且不需要特殊的单元类型。

一、ANSYS热分析的目的：

ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其他物理参数，如热量的获取和损失、热梯度、热流密度等。

二、热传递的三种方式

1）热传导：

热传导简称导热，它属于接触传热，是连续介质依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递，并没有各部分物质之间宏观的相对位移。

在密实不透明的固体内部，只能依靠导热方式传递热量。

热传导遵循傅里叶定律：

（2—4）

式中：

q——热流密度矢量；

——导热系数；

2）热对流：

热对流是指流体中温度不同的各部分相互混合的宏观运动引起热量传递的现象。

热对流总与流体的导热同时发生，可以看做是流体流动时的导热。

热对流用牛顿冷却方程来描述，即

（2—5）

式中，h表示表面传热系数；

为固体表面温度；

为周围流体温度。

3）热辐射：

热辐射是物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。

一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多。

热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播。

由于电磁波的传播无需任何介质，所以热辐射是在真空中唯一的传热方式。

物体间热量传递可以用斯忒藩-波耳兹曼方程来计算，即

（2—6）

式中

为热流量；

为系统发射率（系统黑度）；

为斯忒藩-波耳兹曼常量，约为5.67X

；

为辐射面1的面积；

为辐射面1热力学温度；

为辐射面2的热力学温度。

三、热分析的经典理论

1.热流密度：

热流密度又名热通量，它表示单位时间内通过单位面积的热量。

热流密度是考察器件或设备散热性能的重要指标。

其公式为：

q=Q/（S

t）（2—7）

其中：

Q为热量；t表示时间；S为截面面积

1.1热流密度与热流的关系：

热流密度q=

（2—8）

1.2热流密度与导热系数的关系：

q=∧（T1-T2）/d（2—9）

其中：

∧表示材料导热系数；T1表示热表面温度；T2表示冷表面温度；d表示材料厚度；（T1-T2）/d为材料温度梯度。

2.导热系数：

导热系数是指在单位梯度作用下物体内所产生的热流密度，单位为W/（m

）。

传热系数与材料的组成结构、密度、含水率、温度等因素有关。

非晶体结构、密度较低的材料，导热系数较小。

材料的含水率、温度较低时，导热系数较小。

3.能量守恒定律：

（2—10）

式中，Q为热量；W为系统所作的功；

为系统内能变化；

为系统动能变化：

为系统势能变化；对于大多数工程问题，

；通常考虑系统没有作功，即w=0，则

。

对于瞬态传热分析，

，即流入或流出的热流量等于系统的内能。

四、热分析的分类：

稳态传热：

系统的温度场不随时间变化。

瞬态传热：

系统的温度场随时间明显变化。

五、ANSYS热分析常用符号与单位如下表2.1：

表2.1

量的名称

SI单位

英制单位

ANSYS代号

长度

m

时间

s

s

质量

kg

lbm

温度

力

N

1bf

密度

Kg/

DENS

比热容

j/（kg·

）

Btu/（1bm

·

）

C

热量

J

Btu

1Btu=1055.056J

热流量

W

热流密度

导热系数

KXX

表面传热系数

HF

焓

ENTH

第三章ANSYS三维模拟计算过程

3.1散热片模型及几何尺寸

散热片模型如下图：

图3.1散热片模型

散热片表面筋板相当于肋片，其散热相当于等截面直肋的导热过程，几何尺寸见表3.1：

表3.1散热片几何尺寸单位：

mm

肋长L

肋宽D

肋高H

肋厚w

肋间距k

肋基厚n

113

113

40

4

7

10

由于散热器每个肋片的散热过程都相同，而且每个肋片都是对称的，又因为肋高远大于肋厚，毕渥数远小于1，所以可以忽