1、热分析白皮书inspiration摘要在本白皮书中，我们针对产品设计有关的热分析概念进行了定义和概要阐述。我们以实际产品为例，对传导、对流和辐射的原理进行了讨论。我们还将阐释开展热分析的方式和方法，特别介绍如何使用设计验证软件来模拟热力环境。同时，我们还将列出热力设计验证软件所需具备的功能，并通过实例展示如何使用SolidWorks 产品来解决设计难题。热分析简介20 世纪90 年代，为了降低产品开发所需的成本和时间，传统的原型制造和测试在很大程度上已被模拟驱动的设计流程所取代。有了这一流程，工程师对昂贵而又耗时的物理原型的需求大大减少，只需使用易于修改的计算机模型即可成功预测产品的性能（图1
2、）。热分析第 1 页图1：传统产品设计流程与模拟驱动的产品设计流程图2：要进行电子封装，需要对如何排出电子零部件所产生的热量进行仔细分析。在研究缺陷、变形、应力或自然频率等结构问题时，设计验证工具的价值是不可估量的。但是，新产品的结构性能仅仅是设计工程师所面临的诸多难题之一。还有许多其他常见问题是与热力相关的，其中包括过热、缺乏尺寸稳定性、过高的热应力，以及与产品的热流和热力特征相关的其他难题。热力问题在电子产品中普遍存在。在设计冷却扇和散热器时，必须权衡小体积与足够的散热能力这两方面的需求。同时，紧凑的组装还必须确保空气的充分流动，以防印刷电路板在过高的热应力下变形或断裂（图2）。设计设计流
3、程的变化原型制造测试生产生产测试原型制造模拟多次传统的产品 设计流程模拟驱动的产品 设计流程只需一次！只需一次！多次CAD图3：在设计工业破碎机的传动和载荷时，潜在过热问题是一个十分重要的考虑因素。图4：种植牙必须不影响周围组织的热力状况，而且必须能够承受热应力。图5：要对无线工具上的高容量电池进行充分冷却，就需要对热力状况有所了解。在传统的机器设计中，也大量存在热力问题。有很多产品必须进行温度、散热和热应力分析，其中一些十分明显的示例包括：引擎、液压缸、电机或电动泵。简而言之，任何消耗能量来执行某种实用工作的机器都不例外。或许材料加工机器不太需要进行热分析，但这些机器的机械能转化成热能，不仅
4、影响机器零件还影响机器本身。这种情况不仅存在于精密的机器设备中，还存在于破碎机等大功率机器中。在精密机器设备中，热膨胀可能影响切割工具的尺寸稳定性；在大功率的机器中，零部件可能因高温和热应力而受到损坏（图3）。这里涉及到的第三个示例，是为了说明大多数医疗设备应该进行热力性能分析。给药系统必须确保所给药物的温度合适，而手术设备必须确保组织免遭过度热冲击。同样，体移植物不得干扰体内的热流，而种植牙也必须承受剧烈的外部机械载荷与热载荷（图4）。最后，所有的家用电器产品，例如电热炉、电冰箱、搅拌器、电熨斗和咖啡机（任何需要靠电力才能运行的设备），都应进行热力性能分析以避免过热现象。这不仅适用于使用交流
5、电源的消费类产品，还适用于由电池供电的设备，例如遥控玩具和无线电动工具（图5）。热分析第 2 页利用设计验证来进行热分析上述所有热分析问题以及其他更多问题都可以使用设计验证软件来进行模拟。大多数设计工程师对这种结构分析方法都已经十分熟悉，所以将其应用范围扩展到热分析基本上不需要更多培训。结构模拟和热模拟基于完全相同的理念，遵循定义清晰的相同步骤，并具有很多的相似性（图6）。此外，与结构分析的运行方式一样，热分析也是使用CAD 模型进行的，所以，一旦创建了CAD 模型，无需太多额外的努力，即可完成热力验证。通过运行热分析，可以在模型中观察温度分布、温度梯度和热流，以及模型及其周围环境之间交换的热
6、量。温度等热力效应很容易模拟，但是测量起来可能非常困难，对于内部零件或装配体尤为如此，在温度剧烈变化的情况下也是这样。这往往意味着，如果工程师有兴趣了解其产品的具体热力状况，基于软件的设计验证可能是唯一可用的方法。传热的基础知识传导和对流有三种传热机制：传导、对流和辐射。传导描述的是实体内的热量流动，实体经常作为CAD 零件或装配体建模。对流和辐射都涉及实体和环境之间的热量交换。图7：热力设计验证提供的典型结果热分析第 3 页图6：结构和热力设计验证之间的相似性图8：三种传热机制的主要特征温度温度梯度热流量结构分析热分析位移温度温度应变温度梯度热流量负责实体内的热量流动。负责热量进入实体和从实
7、体中释放。负责热量进入实体和从实体中释放。主要特征对流传热要求实体周围是流体，例如空气、水、油等。辐射传热不需要实体周围有任何流体，在流体中和真空中都能进行。辐射传热始终存在，但是仅在温度较高的情况下才比较明显。传热机制传导对流辐射传导传热的一个示例是通过壁体的热量流动。传递的热量与诸多因素成正比：壁体热的一侧THOT 和冷的一侧TCOLD 之间的温差；壁体的面积A；壁体厚度L 的倒数。比例系数K（称为热导率）是众所周知的材料属性（图9）。图9：热量通过壁体从温度高的一侧向温度低的一侧传导图10：不同材料的传导系数图11：对流所散发的热量往往要求实体周围流体的运动。热导率K 随材料不同而有很大
8、的差异，该系数将热导体与绝缘体区别开来（图10）。实体的外表面和周围流体（例如空气、蒸汽、水或油）之间的热交换机制叫做对流。对流所传递的热量与如下因素成正比：实体表面TS 和周围流体TF 之间的温差；交换（散发或获得）热量的表面积A。比例系数称为对流系数，也称为膜系数。实体表面及其周围流体之间的热交换要求流体的运动（图11）。热分析第 4 页锌银镍铝塑料冰油水泡沫纤维金属合金非金属固体液体绝缘体氧化物水银热导率（瓦/米.开尔文）对流系数在很大程度上取决于介质（例如，空气、蒸汽、水、油）和对流类型：自然对流和强制对流。自然对流只有在存在引力的情况下才能发生，因为流体运动依赖于冷流体和热流体之间特
9、定的引力差。强制对流则对引力没有依赖性（图12、13）。图12：自然对流是由热流体和冷流体之间的密度差而产生的。在强制对流中，流体运动是强制的，例如，由冷却扇强制的流体运动。图13：不同介质和不同对流类型的热对流系数。让我们以散热器装配体（图14）为例，了解传导和对流是如何进行的。微型芯片在其整个体积内产生热量。图14：产生热量的陶瓷微型芯片嵌入在铝散热器中。散热器通过周围的空气进行冷却。热分析第 5 页自然对流强制对流散热器微型芯片介质传热系数h （瓦/平方米.开尔文）空气（自然对流）空气/过热蒸汽（强制对流）油（强制对流）水（强制对流）水（沸腾）蒸汽（冷凝）冷空气热底盘热底盘冷空气图15：
10、散热器装配体中的温度分布和热流量然后，微型芯片的热量传导到铝散热器，在铝散热器中同样以传导的方式传递。当热量从陶瓷微型芯片传至铝散热器时，必须克服由陶铝接触面的缺陷所形成的热阻层。最后，通过对流作用，热量从散热器的外表面释放到周围的空气中。增加冷却扇或将散热器浸在水中都不会改变传热机制。热量还是会通过对流从散热器的表面排出。在起冷却剂作用的空气和水之间，以及在自然对流和强制对流之间，唯一差别是对流系数值的不同。散热器装配体中的温度场如图15 所示。热量从散热器表面到周围空气的运动可通过热流量向量图来描绘（图15，右侧）。从散热器表面“出来”的热流量向量形象地显示了散发到周围流体的热量。没有向量
11、穿过底层表面，因为在模型中，散热器的底层表面和微型芯片是隔热的。请注意，要为散热器装配体中的热流建模，需要考虑瓷制微型芯片和铝散热器之间接触面的热流阻挡特性。在某些设计验证程序中，必须明确地对热阻层进行建模；但在其他程序（例如SolidWorks）中，则可采取简化的方式，输入热阻系数即可。热分析第 6 页热流量向量从实体中“出来”以向量图解表示的热流量以剖面图解表示的温度分布以边缘图解表示的热流量温度（开尔文）传导、对流和辐射到目前为止，关于散热器装配体中的传热的讨论仅仅考虑了两种热流机制：传导（负责在实体内部，即微型芯片和散热器间传递热量）；对流（将散热器外表面的热量释放到周围空气中）。由于
12、在散热器辐射的工作温度下，传送的热量非常低，所以辐射传热可以忽略不计。接下来的例子将重点介绍一个不能忽略辐射的传热问题。辐射可以在两个温度不同的实体间传递热量，也可以将热量释放到空中，不管实体是处于流体中还是真空中（图16）。图16：在任意两个温度不同的实体间通过辐射交换热量。单个实体的热量也可以释放到空中。在两个温度分别为T1 和T2 的实体表面间，通过辐射交换的热量与如下因素成正比：绝对温度的四次方之差、参与传热的表面积A 以及辐射表面的发射率。发射率定义为在同一温度下表面的发射功率与黑体的发射功率之比。为材料指定的发射率值介于0 到1.0 之间。因此，黑体的发射率为1.0，理想反射体的发
13、射率为0。由于辐射传热与绝对温度的四次方成正比，所以在温度较高时，辐射传热的作用就变得尤为重要。热分析第 7 页热量通过辐射在两个实体间交换并散发到空中热量从实体散发到空中真空真空以一个在大型真空室中提供照明的聚光灯为例。假设真空室足够大，以至于从室壁上反射回聚光灯的热量可以忽略不计。灯泡和反射体暴露于真空中，而铝制外罩的背面被空气包围（图17）。图17：在聚光灯模型中，反射体和灯泡都暴露于真空中，外罩的背面暴露于空气中。灯泡所产生的热量部分辐射到空中，剩余的部分被外罩的抛物面（反射器）所接收。只有一小部分的热量通过传导进入灯泡与外罩连接的部分。由外罩所接收到的辐射热量又分为两个部分：第一部分
14、散发出去了，第二部分从真空侧的外罩真空内部传递到空气一侧。一旦到达了暴露于空气中的表面，便通过对流释放了。分析结果表明，铝制外罩的温度实际上是均匀的，因为热量在铝中很容易传导（由于铝具有很高的热导率）（图18）。请注意，由于辐射传热仅在高温下有效，所以灯泡必须在很热的情况下才能释放其所产生的所有热量。图18：聚光灯中的温度分布热分析第 8 页真空一侧空气一侧灯泡空气一侧真空一侧温度（华氏）瞬态热分析对散热器和聚光灯的分析都是稳态下的传热情形，而且假设已经过足够长的时间来让热流稳定。对稳态传热的分析没有考虑热流达到该稳定状态所需的时间，这段时间实际上可能是几秒、几个小时也可能是几天。对随时间发生
15、变化的热流进行的分析叫做瞬态热分析，例如，对由加热板加热的咖啡壶进行分析。加热板的温度由读取咖啡温度的恒温器进行控制。在咖啡的温度降到最低温度之下时，恒温器会打开电源，当温度超过预设上限值时，则会关闭电源。指定时间段内的温度波动情况如图19 所示。热应力通过实体的热流将导致实体内温度的变化，实体会随之膨胀或收缩。导致膨胀或收缩的应力叫做热应力。将热咖啡倒入杯子时，杯子中就会发生热应力。要对此应力进行热分析，需要识别温度分布；杯子内表面的温度就是热咖啡的温度，而在杯子的外表面，使用者定义的对流系数控制着热量向周围空气的散失。由于冷却相对而言是一个较为缓慢的过程，所以应用了稳态热分析来计算咖啡杯中
16、的综合温度分布。温度分布的非均匀性，导致了热应力的产生。使用来自热分析的温度结果，运用静态分析，可以轻松地在SolidWorks 中计算出热应力（图20）。图19：咖啡壶温控器的温度时间曲线图20：由稳态热分析（左）得出的非均匀温度场结构静态分析（右）计算得出的热应力。热分析第 9 页时间 秒温度（摄氏）热应力分布温度分布热分析验证软件所需具备的功能鉴于此处简介的典型问题，产品设计流程中使用的热分析设计验证软件必须能够对以下几项进行建模： 传导热流 对流热流 辐射热流 热阻层的效应 依赖于时间的热效应，例如加热或冷却（瞬态热分析） 依赖于温度的材料属性、热量、对流系数和其他边界条件用作设计工具
17、的验证程序还应满足一些其他要求，不仅可以应用于热分析，还可以应用于结构分析或电磁分析。由于新产品一般都是在CAD 上进行设计的，所以要将任何类型的验证软件有效地用作设计工具，CAD 软件需满足以下几项要求：CAD 系统应该： 是基于特征的、参数化的、完全关联的实体建模工具 能够创建所有几何体，无论是针对制造的还是针对分析的 能够在模型的设计和分析展示之间切换，同时保持几何体的关联上述要求需要一个高级的模拟系统，该系统需同时具备易于使用和计算能力高的特点，SolidWorks 模拟程序就是这样一个系统，它与SolidWorks CAD（一种先进的3D 参数化、基于特征的CAD 系统）进行了很好的
18、集成。先进的软件集成让用户可以使用熟悉的SolidWorks 界面执行热分析和结构分析，从而无需再掌握新的专门针对分析的任务和菜单（图21）。图21：对于诸如电路板热分析之类的分析，可以使用熟悉的SOLIDWORKS 界面进行，大大降低了对用户进行培训的必要。热分析第 10 页利用Solidworks 可以解决的设计问题以下部分提供了若干设计问题的示例，这些问题都可以使用SolidWorks 的热分析和结构分析功能来解决。调整散热器冷却翅片的大小微型芯片散热器的设计必须能够提供足够的冷却功能，以将微型芯片的温度保持在400 K 之下。微型芯片位于底盘上。由于阻热层将底盘与装配体的其余部分分离开
19、来，所以底盘提供的冷却可以忽略不计。在最初的设计中，冷却翅片高度为20 毫米，执行热分析后，显示温度为461 K （图22，顶部）。将冷却翅片的高度更改为40 毫米会提高冷却效果，但是尚不能满足规格要求；微型芯片温度现在是419 K（图22）。第三次迭代取得了成功，冷却翅片的高度是60 毫米，微型芯片的温度是400 K，这个值是可以接受的（图22）。图22：三种不同设计配置的散热器对流系数是本研究中一个十分重要的考虑因素，可以在工程学教材中找到，也可以使用基于网络的求解器来进行计算。另外，散热器周围流体流动的研究可以使用SolidWorks Flow Simulation 来进行，从而确定这些
20、值。设计加热元件加热元件由铝板和一个内嵌的加热线圈组成。图23 中的M 型线圈设计因成本低廉而广受欢迎。但是，热分析显示，该线圈在铝板的表面产生的温度不均匀，如图23 所示。图23：铝板中嵌入加热元件的简单设计热分析第 11 页温度（开尔文）温度（开尔文）温度（开尔文）在对加热板重新进行设计后，加热元件的形状采用螺旋形，如图24 所示。对修改后的设计重新进行热分析之后，表明温度分布几乎是均匀的（图24）。图24：重新设计后的加热板显示出均匀的温度分布图25：如顶部的图片所示，聚光灯被固定。中间的图片展示了稳态下的温度分布，底部的图片以红色展示了应力超出屈服强度的区域。确定聚光灯外罩中的热应力聚
21、光灯（图17）的周围有坚固的支撑，如图25 所示。由于温度上升时，它外罩不能自由膨胀，因此会产生热应力。要确定热应力，需要综合进行热分析和结构分析，其中将温度结果（图25）输出到静态分析，以便计算热应力。要检查热应力是否超出了铝制外罩的屈服强度，需要进行设计验证。在图25 的应力图解中，在外罩的红色区域，应力确实超出了屈服强度。这些应力结果证明，所设计的外罩将无法承受应力。请注意，热应力形成的原因是约束阻止了外罩自由膨胀，而不是外罩的温度不均匀。另请注意，这些应力是在缺乏结构载荷的情况下形成的。热分析第 12 页CAD 模型固定支撑温度分布热应力分布确定柔性管道中的热应力假设有一个可以自由变形
22、的波纹管，两端受到不同温度的作用。温度场结果如图26 所示。我们所关注的问题是，温度的不同是否会导致热应力的形成。使用静态分析中的温度结果，软件计算了在缺乏任何结构载荷或支持的条件下，非均匀温度的纯效应。图26 以红色显示了应力超出管道材料的屈服强度的区域。图26：由于非均匀的温度场，管道形成了超出管道材料屈服强度的应力。图27：波纹铝管受到张力载荷（顶部）和热应力的作用，共同形成了结构应力和热应力（底部）。如有必要，可能会将结构载荷（图27）应用到管道，来计算热应力和结构应力的综合效应。热分析第 13 页温度分布热应力分布热应力和结构应力的结合结构载荷电子电路板的过热保护图28 中电子电路板
23、的最佳温度是700C，而且不应超过1200C。为防止过热，当微型芯片的温度超过1200C 时，控制器会切断电源。而当温度降到700C 以下时，控制器会重新打开电源。但是，由于热惯量的存在，微型芯片的温度还是有可能超过1200C。图28：电子电路板通过控制器进行过热保护图29：微型芯片的温度随电源的打开和关闭处于波动状态。由于热惯量的存在，温度值超出了允许的上限1200C。温度波动范围研究涉及到进行无热瞬态分析，此时热量由恒温器功能进行控制。这与图19 中的咖啡壶一例类似，定义了材料属性、对流系数、初始温度和热量之后，分析会运行300 秒的时间。微型芯片温度的波动如图29 所示。瞬态热分析的结果
24、清楚地表明，控制器电源关闭后的温度必须低于1200C 才能补偿系统的热惯量。在接下来的两到三个迭代中，可以轻松找到所需的设置。热分析第 14 页该终端的温度被传到电源控制器合微型芯片的温度随着电源循环打开和关闭而波动时间 秒温度（华氏）允许范围复合轴承外壳的变形分析由于轴承中的摩擦，复合轴承外壳受温度升高的作用，同时还承受轴承的反作用力载荷。难点在于确定轴承所在的内孔的变形（图30，顶部）情况，以确保轴承不会脱离保护支撑外壳。这需要综合进行稳态热分析和静态分析。第一步是确定轴承外壳的温度分布（图30，底部）。图30：由于轴承（底部）中所产生的热量，轴承外壳（顶部）受非均匀温度场的影响。图31：
25、轴承外壳边缘变形的半径位移分量根据这些结果，可以执行静态分析以计算热变形和结构载荷综合作用所导致的变形。图31 显示了两个内孔的半径位移分量。热分析第 15 页轴承反作用力温度分布温度（开尔文）轴承反作用力UX（英寸）位移UX（英寸）UX（英寸）参数距离参数距离结论对于任何靠电力运行的设备，都应该进行热力性能分析，以避免潜在的过热危险。产品设计流程中使用的热分析设计验证软件必须能够为传导、对流和辐射传递的热量进行建模。此类软件还必须能够对热阻层效应、依赖于时间的热效应（例如加热或冷却）、依赖于温度的材料属性、热量、对流系数和其他边界条件进行建模。由于新产品一般都是在CAD 中进行设计，所以任何
26、用作设计工具的验证软件都必须是基于特征的、参数化的、完全关联的实体建模工具，能够创建所有几何体，并在模型的设计和分析展示间进行切换，同时保持几何体的关联。SolidWorks Simulation 以一个高级模拟系统中满足了上述所有要求，是易用性与高计算能力的完美结合。Solidworks 是 Dassault Systmes SolidWorks Corp. 的注册商标。所有其他公司和产品名称均是其各自所有者的商标或注册商标。2008 Dassault Systmes。保留所有权利 MKTHERMWPCHS0808公司总部 Dassault Systmes SolidWorks Corp.300 Baker AvenueConcord, MA 01742 USA电话：+1-978-371-5011电子邮件：亚太地区总部电话：+65-6511-9188电子邮件：中国北方分部 电话：+86-10-65215900电子邮件：中国华东分部电话：+86-21-61375238电子邮件：中国南方分部电话：+86-20-38860668电子邮件：
