校核大功率设备热设计，瞬态热分析你应该这样做

#校核大功率设备热设计，瞬态热分析你应该这样做| 来源: 网络整理| 查看: 265

导读：去年的任务实在是有点忙，熬了无数的夜，就一直没有时间和大家交流。今年感觉稍微好了一些，没有那么紧张，就继续分享一些工作中的有限元分析心得，推荐大家查看文末的相关阅读，绝大多数是笔者先前发布在仿真秀平台的有限元分析干货文章。

在短时工作的大功率设备热设计中，经常使用的校核热设计的方法是瞬态热分析。大家都知道瞬态热分析的目的是计算设备的温度时间历程的，那么就会遇到两个热力学相关的物性参数热阻和热容，这两个参数对瞬态热分析到底有什么影响？谁对抑制温升的效果更好？该如何选取相关材料达到更好的热设计效果？

一、典型设备

这是一个典型的短时工作的大功率设备，该设备基本为圆柱体，中间为大功率热源，顶部覆盖均温冷板，四周为储能单元，其中热源由多个片状的发热单元组成，如下图所示。

二、物性对比分析

先介绍下工况，每个发热单元热耗均为100W，工作3分钟，初始温度30度。首先热源、冷板、储能单元我们都采用铝合金，计算下结果。结果如图2所示。

最高温度70.6℃。温升曲线如下所示。

可以看出温升基本是线性的,如果初始温度增加30℃,最高温度也会增加30℃。

我们将材料变为紫铜，再计算下。

最高温度58.8℃.温升曲线如下所示。

通过对比分析看出，铜确实比铝的温升要低11.8℃。但是各个零件之间的接触热阻没有设置，如果设置了接触热阻结果会不会有变化。

三、接触热阻

在ansys workbench中，接触热阻是以接触传热系数定义的，如下所示。

当涂抹导热硅脂后接触传热系数，可以设为，如果不设置这个数值，默认的值为无穷大，即接触热阻为0。

在接触传热系数为，材料设为铝合金，计算结果如下。

最高温度为78.2℃，同未设置接触热阻相比，温度增加了7.6℃。通过云图可以看出在接触面的温度明显不连续。

接触传热系数为，材料设为紫铜，计算结果如下。

最高温度为66.1℃，同未设置接触热阻相比，温度增加了7.3℃。

四、理论对比

我们采用简单的温升计算公式，来计算下温升。

c为比热容，q为热耗， t为时间， m为质量。铝合金和紫铜的相关物性如下所示。

将铝合金和紫铜的物性参数带入计算：

这个温度计算出来应该是模型的平均温度。究竟是不是平均温度，需要用仿真分析的结果验证下。首先模型平均温度计算公式如下。

为节点总数，要计算平均温度，需要读出模型中的节点温度，在workbench中需要插入命令流来完成。在这里主要采用APDL语言中的＊get命令来完成，具体命令及设置方式如下图所示。

图 11命令流

计算结果从这里读取，如下所示。

五、对比分析结果

对以上计算结果进行总结，总结结果如下所示。

表 1物性对比表

通过上表中的计算结果，可以看出理论计算值和仿真值的平均温度误差较小，但是随着接触热阻的变大，理论计算值和仿真得出的平均温度的差距也在变大。紫铜在抑制温升方面要比铝合金更好，虽然铝合金的比热容较高，但是铜的密度要比铝合金的密度大得多，综合下来，同等体积下，铜的热容更大，但是这是以牺牲重量的代价得到的，在航空航天领域，重量往往是决定项目成败的关键因素，因此不能盲目采用铜作为储能材料。目前经常使用的是相变材料作为储能单元，关于相变材料的相关特性及仿真分析方法在将下篇介绍。