1、大 连 民 族 学 院 本 科 毕 业 设 计（论 文）换热器热应力耦合分析学 院（系）： 机电信息工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 大连民族学院大 连 民 族 学 院 2007 届 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 专 业 本 科 毕 业 论 文- I -毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学 历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过
2、贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 大 连 民 族 学 院 2007 届 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 专 业 本 科 毕 业 论 文- II -学位论文原创性声明本人郑重声明
3、：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。
4、作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日大 连 民 族 学 院 2007 届 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 专 业 本 科 毕 业 论 文- III -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
5、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；散热片大 连 民 族 学 院 2007 届 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 专 业 本 科 毕 业 论 文- IV -Heat exchanger coupled thermal stress a
6、nalysisAbstractHeat transfer engineering is essential equipment to be used almost all industrial fields. Chemical, metallurgical, power, handoff, application of aviation and aerospace sector is particularly extensive. In the bottom of the heat sink effect, mainly through conduction and convection he
7、at exchange. To ensure the heat sink thermal performance to meet the design requirements, so as to avoid overheating of electronic products due to damage to its thermal analysis requiredto calculate the temperature distribution in the actual conditions, check the heat dissipation. Therefore, thermal
8、 stress coupled heat exchanger analysis is of great significance. Traditional methods of thermal analysis the temperature change must be very slow, and in heating and cooling process difficult to control, difficult to properly check its thermal performance. With the development of computer technolog
9、y, finite element method has made rapidprogress. Combined with computer-aided design,finite element method is also used in computer-aided manufacturing. ANSYS thermal analysis is based on the principle of conservation of heat energybalance equation, the correct simulation of the heat sink conditions
10、, the finite elementmethod to calculate the temperature distribution of each node, and thus other thermalphysical parameters derived for the design of heat sink to provide a reasonableselection of parameters Make product development more rapid, efficient and economical.Key Words：Heat control；Finite
11、element；ANSYS；Heatsink大 连 民 族 学 院 2007 届 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 专 业 本 科 毕 业 论 文- V -目 录摘 要 .IAbstract .II第一章 绪论. .11.1 引言.11.2 计算机仿真技术的发展.11.3 热分析方法的选择.2第二章 课题相关知识介绍 .42.1 散热片知识.42.1.1 散热片的材质比较.42.1.2 散热片结构的设计.42.2 有限元分析理论与 ANSYS .62.2.1 有限元分析理论.62.2.2 有限元常用术语.72.2.3 ANSYS 架构及命令 .72.2.4 ANSYS 分析典型过程与
12、功能 .82.2.5 国内外发展状况.92.2.6 有限元热分析原理.9第三章 ANSYS 三维模拟计算过程 .133.1 散热片模型及几何尺寸.133.2 ANSYS 有限元分析进程 .143.2.1 ANSYS 环境简介 .143.2.2 ANSYS 的建模过程 .153.2.3 操作条件的确定.153.2.4 边界条件的确定.153.2.5 计算结果与分析.16第四章 结论.21谢 辞.22参考文献.23附录：散热片模型建模程序.24换 热 器 热 应 力 耦 合 分 析1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
13、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（Computer Imation Technology）又称虚拟样机技术（Virtual Prototype Technology），是国际上 20 世纪 80 年代随着计算机技术的发展而迅速
14、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
15、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换 热 器 热 应
16、力 耦 合 分 析2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，
17、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
18、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
19、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：换 热 器 热 应 力 耦 合 分 析31) 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
20、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。换 热 器 热 应 力 耦 合 分 析4第二章 课题相关知识介绍2.1 散热
21、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
22、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2.1.2 散热片结构的设计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 流 体 带 走 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：
