传热问题有限元分析.docx
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传热问题有限元分析
【问题描述】本例对覆铜板模型进行稳态传热以及热应力分析,图I所示的是铜带以及基板的俯视图,铜带和基板之间由很薄的胶层连接,可以认为二者之间为刚性连接,这样的模型不包含胶层,只有长10mm的铜带(横截面2mm×0.1mm)和同样长10mm的基板(横截面2mm×0.2mm)。
材料性能参数如表1所示,有限元分析模型为实体——实体单元,单元大小0.05mm,边界条件为基板下表面温度为100℃,铜带上表面温度为20℃,通过二者进行传热。
图I铜带与基板的俯视图
表1材料性能参数
名称
弹性模量
泊松比
各向同性导热系数
基板
3.5GPa
0.4
300W/(m·℃)
铜带
110GPa
0.34
401W/(m·℃)
【要求】在ANSYSWorkbench软件平台上,对该铜板及基板模型进行传热分析以及热应力分析。
1.分析系统选择
(1)运行ANSYSWorkbench,进入工作界面,首先设置模型单位。
在菜单栏中找到Units下拉菜单,依次选择Units>Metric(kg,m,s,℃,A,N,V)命令。
(2)在左侧工具箱【Toolbox】下方“分析系统”【AnalysisSystems】中双击“稳态热分析”【Steady-StateThermal】系统,此时在右侧的“项目流程”【ProjectSchematic】中会出现该分析系统共7个单元格。
相关界面如图1所示。
图1Workbench中设置稳态热分析系统
(3)拖动左侧工具箱中“分析系统”【AnalysisSystems】中的“静力分析”【StaticStructural】系统进到稳态热分析系统的【Solution】单元格中,为之后热应力分析做准备。
完成后的相关界面如图2所示。
图2热应力分析流程图
2.输入材料属性
(1)在右侧窗口的分析系统A中双击工程材料【EngineeringData】单元格,进入工程数据窗口。
(2)在已有工程材料下方的单元格“点此添加新材料”【Clickheretoaddanewmaterial】中输入新材料名称base。
(3)在左侧工具箱下方双击“各项同性线弹性”选项:
【LinearElastic】>【IsotropicElasticity】。
(4)在弹出的材料属性窗口中输入基板的弹性模量以及泊松比的数值:
【Young’sModulus】=3.5e+9Pa,【Poisson’sRatio】=0.4。
(5)又在左侧工具箱下方双击“各向同性热传导率”选项:
【Thermal】>【IsotropicThermalConductivity】,之后在材料属性窗口中再输入基板的导热率:
【IsotropicThermalConductivity】=300W/(m·℃)。
具体操作流程如图3所示。
图3输入基板材料数据
(6)单击工具栏中的【EngineeringDataSources】选项卡,即
选项,进入工程材料库窗口。
(7)单击该窗口中的【GeneralMaterials】,在下方新弹出的【OutlineofGeneralMaterials】窗口中找到【CopperAlloy】材料,并点击旁边的“+”将该材料添加到当前项目中。
具体操作流程如图4所示。
图4调取铜材料
(4)再单击【EngineeringDataSources】选项卡回到【EngineeringData】界面,可以看到铜已被添加到工程材料中,此时再单击【Project】选
项卡回到项目流程界面。
3.创建几何模型
(1)双击分析系统A中的“几何”【Geometry】单元格。
(2)在菜单栏中依次选择Units>Millimeter,确认以“毫米”作为建模单位。
之后,单击树形目录中的【XYPlane】,再单击工具栏中的“创建草图”选项即
选项以创建草图,此时【XYPlane】分支下出现了名为“Sketch1”的草绘平面。
如图5所示。
图5创建草绘平面
(3)右键单击Sketch1,在弹出的选项卡中选择“正视于”【Lookat】选项,即
,切换视图以方便之后的建模。
(4)单击树形图下端的【Sketching】选项卡,打开草图绘制窗口。
之后按照给定的模型在草绘平面上绘图:
选取“矩形”【Rectangle】工具,即
,图形区点击鼠标左键,拖放鼠标画出矩形。
如图6所示。
图6图形区绘制草图
(5)单击草图工具箱中的【Dimensions】菜单栏,之后在图形区的矩形的边上拖放鼠标显示水平尺寸H1以及垂直尺寸V2。
之后在左下方的【DetailsView】中分别设置这些边的尺寸。
如图7所示。
图7尺寸参数设置
(6)回到【Modeling】选项卡,依次在菜单栏中选择Create>Extrude,之后在树形目录中选择已生成的草图【Sketch1】,再点击明细窗口中的【Geometry】中的【Apply】按钮,确认拉伸的草图,对基板的厚度进行编辑,在明细栏的【Depth(>0)】中输入两板总厚度0.3mm。
如图8所示。
图8拉伸设置
(7)点击工具栏中的【Generate】按钮,可以看到绘图窗口中的草图变成了一个实体。
(8)创建新平面。
单击树形目录中的【XYPlane】,再单击工具栏中的“创建新平面”选项即
选项以创建新平面,在明细栏窗口中将基准平面【BasePlane】设置为XY平面,将平移方向【Transform1】设置为沿Z轴平移【OffsetZ】,在平移量【FD1】中输入平移量0.2mm,之后点击【Generate】按钮生成新平面。
操作步骤如图9所示。
图9创建新平面
(9)分割实体。
在菜单栏中依次选择Create>Slice,之后在树形目录中选择刚创建的新平面【Plane4】,再点击明细窗口中的【BasePlane】后的【Apply】按钮,确认分割的基准平面,之后单击【Generate】按钮完成分割。
如图10所示。
图10分割实体
(10)点击【Generate】确认分割,可以在树形图中看到原本一个实体被分为两部分,显示为“2Parts,2Bodies”,我们同时选取其下的两个Solid并右键单击,选取“FromNewPart”将二者合并为一个体,以方便后边的处理;之后,右键单击树状图中的Solid可以进行重命名,我们将薄的部分重命名为“copper”,厚的一部分重命名为“base”以便于之后的区分。
至此,建模部分完成。
3.网格划分
(1)双击Workbench界面中系统A的第四个单元格,模型【Model】单元格,进入【Steady-StateThermal】的稳态热分析模块。
(2)为了给两块板分别分配材料,在树形图中展开【Geometry】,单击其下的【Solid】,在明细栏窗口中的【Material】的【Assignment】按要求分别给两板分配材料。
如图11所示。
图11为铜板分配材料(基板同理)
(3)在树形图中选择【Mesh】,此时活动工具栏变为了划分网格相关操作。
找到工具栏的【MeshControl】,依次选择【MeshControl】>【Sizing】以设置网格尺寸。
(4)在菜单栏中选定【选择体】,即
Body按钮。
然后单击选定视图栏中的两个体,此时选定的模型变成绿色。
在明细栏窗口中的【Geometry】后面选项中选择【Apply】,此时视图中选定的模型变为蓝色。
在【ElementSize】中可以设定要划分单元的大小,此处设置为0.05mm。
单击工具栏上的【Update】即
,等待网格划分结束。
如图12所示。
(5)至此,网格划分步骤完成。
图12网格划分
4.施加温度边界并求解温度场
(1)单击树形图中的【Steady-StateThermal】,进入稳态热分析环境。
(2)施加边界条件,问题中的铜板上表面温度为20℃。
选择工具栏中的【Temperature】选项,之后选择【Face】工具,即
选项,在右侧图形区中选择铜带上表面,之后在明细栏中的【Geometry】处选择【Apply】确认所选面;再更改【Magnitude】为20℃。
如图13所示。
图13设置温度边界
(3)类似地,设置基板下表面的温度边界为100℃,方法类似
(2)中所述,在此不再赘述。
(4)点击工具栏中【Solve】进行求解得到温度场结果。
(5)至此,温度边界设置以及温度场求解完成。
5.查看温度场结果
(1)单击树形图中的【Solution】,进入求解结果环境。
(2)依次选择工具栏中的【Thermal】>【Temperature】选项,以查看该结构温度分布结果。
(3)单击【Solve】以求解得到温度场结果,最终结果如图14所示。
图14两板温度场分布云图
6.热应力分析过程
(1)树形图中继续选择【StaticStructural】,进入静力分析环境。
(2)在图形区中选择基板底面,施加无摩擦约束。
在工具栏中依次选择【Supports】>【FrictionlessSupport】,之后选择【Face】工具,即
选项,选择箱盖的10个定位孔面以及箱盖的接触面,之后在明细栏中的【Geometry】处选择【Apply】确认所选面。
如图15所示。
图15为基板底部施加无摩擦约束
(3)展开树形图中的【ImportedLoad】,右键单击其下的【ImportedBodyTemperature】并选择【ImportLoad】选项将之前求解的温度导入静力分析模块。
(4)
(4)选择树形图中的【Solution】选项,右键单击鼠标,在Insert下拉菜单下插入结果【TotalDeformation】以及【ThermalStrain】选项。
(5)单击【Solve】以求解得到两板变形结果以及热应力结果,最终结果
如图16及图17所示。
图16总变形分布云图
图17热应力云图
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