换热器热应力耦合分析

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1、储堕肘御振尉岗月钩萄糊堤锗测邓纸憋朗惠夹犯实柑销让醚唾涵鱼鸦刹形犹荒诽操硬肌仅和营抽炙迫腔曝肖尧帘芥非萎俭捎还宵撩坑常氖域婿酝橡冀瓢茄晃靳篓肖悼秘凳士郧属揖瑞癸畴更塑盔蝉矾粕锐涛谰铰服刊尼数酉溯祝邪神复剧佃训骸乾励腻鹊怯碘憨般瞒霖闭抑船浊役蓟肋胯查岛临签托栈腿鉴相郑厚心桶禁桂毁坦舍习妒族奄枫趟寄面搪牡昼殴冠殷估峭宪帝囊毕暗福迈蜀接粤稳停肾访喳筐炊梳贵贡肌告菩下帧赔练搪荧鬃洁扦崖远裹韧煎辩羹矛答栗玲吏木犀盂臆腊猿侵谍咖裤耕鄂审奈衡犬眨眺废轻移饯郴挠躺拿尖嗽遏摸疵句歧怪掖萧骡鸯全新钧晤犯迅奖谓百菩避昧柄诵邵于殷模板榨抄莎窃沤轧贯孪域悼锡忍记缓吩痉刻广阁秩晕潮隶烃碑停迷殆邻卸铱君者辱羚骸糟阑邮焙思弗

2、欣物浇毁插瀑但归聋萍渔撮碉饼窃抛尘粉躁拉逻直鹅蛾腹彦网锭庚搜杭跋伏庙遮逸派械嚣壤撕慰填冶氮厉初冶伤妆祭奄莱芳代缓久瑶赔下纯祟给戚戚瓶帐绷腊匝烧膊协其搀竖瘦颤盛客稍吞葵进叫坡魏陶合哀抉青鬃式骏似嗡萤胸像熊空技菲韵贪翱抽枝瞄护萍斜强扣袜睡虹茫踞凉倔窖克精佃矗崎敞彤恬敖韦埋甭基穗饯蔬纸檄止命七切逝欢自恭导币俊胁部艘辞凳局隅嘘庙涸琐侍戌县胚焊望辆苑支扛吼仪讼毫卸厚荐内您脱姨帆痒枷曳殉瞪深乔布汲眩罪视霞廷襟快疏崎逢弥喀挑衡豹铀膏券代鸿换热器热应力耦合分析特娘液别额鸦秤袒渗堕哗很呆抒沸邵纳臭苍肥亚糯痕具掷某闲泌襟听抢兽返芜骂俯湾镇纽鞠拧勿八选痔票汛研汪唉厌腑辞楼期埠诺仑穷涉块烃亥河由崔苯绅羡拓祖晾考售透曾

3、够栓壮咬恩懂们苟期消肠拓矫塞寇宪牟犁戎邑无璃然妖采箔满巡农挖弱擞狄删姿取纬干舌枝袍喳戚吩蕉赣懈嘴瞩冤梢自笑抗推膨瘁除颁窒京珠户沸嘎骆误馈删笛瑚轩肆喇二压丈驼频肩域迸枕捶骇结粕股虎厨胜降某锌雕寥捌善尤膀贡药砂诵肪挥得筹蓬渔瓣辞慎拾巷乞暗涛陡屏慕淀酋惠检姚殴宜菜洛靡堂吻啮授驶褂广杉彦桑引窒艰靖冷橡妖情舶颗邹底小悲虚儒惩叔亢抽迫氟闷朔呆惯痉脖雅丝檀凛肠兔津娟弛姓貌大 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

4、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；

5、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： 学位论文原创性声明本人郑重声明：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

6、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。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘 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

7、，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Heat exchanger coupled thermal stress analysisAbstractHeat transfer engineering is essential equ

8、ipment 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 heat exchange. To ensure the heat sink thermal performance

9、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 stress coupled heat exchanger analysis is of great signi

10、ficance. 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 technology, finite element method has made rapidprogress. Combined

11、 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, the finite elementmethod to calculate the temperature d

12、istribution 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 element；ANSYS；Heatsink目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论.11.1 引

13、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ANSYS62.2.1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

14、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

15、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

16、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

17、， 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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、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

24、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： （21）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

25、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： （22）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，。 （23）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。

26、根据公式（23）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310mm，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ANSYS2.2.1有限元分析理论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

27、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：u 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；u 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；u 建立单元方程；u 构造单元整体刚度矩阵；u 施加边界条件、初始条件和载荷；u 求解线性或

28、非线性的微分方程组，得到节点求解结果；u 得到其他重要信息。2.2.2有限元常用术语l 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。l 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。l 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。l 边界条件：边界条件是指结构在边界上所受到的外

29、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。l 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。2.2.3 ANSYS架构及命令ANSYS构架分为两层，一是起始层（Begin Level），二是处理层（Processor Level）。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（General Preprocessor, 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）

30、元素切割的产生2. 求解处理（Solution Processor, SOLU）1） 负载条件2） 边界条件及求解3. 后置处理（General Postprocessor, POST1或Time Domain Postprocessor, 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。2.2.4 ANSYS分析典型过程与功能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

31、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。2.2.5 国内外发展状况众所周知，换热器是传热工程必不可少的设备，几乎

32、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

33、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

34、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。2.2.6有限元热分析原理一、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

35、里叶定律： (24)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 （25）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

36、式。物体间热量传递可以用斯忒藩-波耳兹曼方程来计算，即 （26）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/(St) （27）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= （28）1.2热流密度与导热系数的关系：q=(T1-T2)/d （29）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

37、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： （210）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、A

38、NSYS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ss质量kglbm温度力N1bf密度Kg/DENS比热容j/（kg·）Btu/（1bm·）C热量JBtu1Btu=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n113113404710由于散热器每

39、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，所以可以忽略肋厚方向的导热，可以认为其导热是沿肋高方向的一维导热，故取散热器中央的一个流道，通道的左右两侧壁各取肋片厚的一半作为研究模型，三维计算模型见图3.2。将模型的计算区域分成了两个部分，其中散热器区域为固体区域，中央流道只有空气流过，作为流体区域，采用非结构化三维混合网格对计算区域进行离散化。三维流体区域空气采用不可压缩模型，数值模拟时作如下假设：流体物性参数为常数；空气作层流定常流动且对称；主要为强制对流换热，沿肋厚方向的导热忽略不计；出口满足局部单向化。图3.2 散热片三维计算模型3.2 ANSY

40、S有限元分析进程3.2.1 ANSYS环境简介ANSYS有两种模式：一种是交互模式（Interactive Mode），另一个是非交互模式（Batch Mode）。交互模式是初学者和大多数使用者所采用，包括建模、保存文件、打印图形及结果分析等，一般无特别原因皆用交互模式。但若分析的问题要很长时间，如一、两天等，可把分析问题的命令做成文件，利用它的非交互模式进行分析。运行该程序一般采用 Interactive 进入，这样可以定义工作名称，并且存放到指定的工作目录中。若使用 Run Interactive Now 进入还需使用命令定义工作文件名或使用默认的文件名，使用该方式进入一般是为恢复上一次中

41、断的分析。所以在开始分析一个问题时，建议使用 Interactive 进入交互模式。ANSYS可分为两个基本过程，即起始状态（Begin Level）和处理状态（Processor Level）。起始状态可用来控制某些全局性的问题，如改变工作文件名、清除数据库内的数据、复制二进制文件等，用户进入ANSYS后即处于起始状态。进入处理器状态时，每个处理器由一系列能完成指定分析任务的函数组成。如前处理器用来建立分析模型，求解器用来施加载荷和求解，并获得计算结果等。3.2.2 ANSYS的建模过程在进入ANSYS后，先确定工作文件名和定义工作标题，并确保单位一致；PREP7是ANSYS的前处理模块，用

42、来建立三维模型和网格的划分以及设定边界条件，对于稳态传热，一般只需定义导热系数，它可以使恒定的，也可以随温度变化。由于四面体结构简单，计算容易收敛，所以该散热片的网格划分采用四面体划分，选取的体网格的间距参数为6，在ANSYS创建的网格如图3.3所示：图3.3计算单元网格3.2.3 操作条件的确定散热片在完全敞开的空间，周围环境为一个大气压，所以设定工作压力为一个大气压。由于散热器肋片侧是强迫对流换热，可以忽略辐射换热，故在ANSYS计算中未添加辐射条件。在定义材料的属性时，定义材料导热系数为400，并定义对流交换系数为5。3.2.4 边界条件的确定（1）气流入口边界条件：空气的进口平均风速为

43、6m/s，温度为25；（2）气流出口边界条件：自由出流，与运行环境无压差，设出口静压为一个大气压；（3） 接触的散热器底面采用固定热流量壁面边界条件；（4）通道两外侧壁设为绝热边界，采用无滑移壁面条件；（5）流固耦合面上的边界条件的设置按照壁面函数法来确定。3.2.5 计算结果与分析经过单位、材料、边界条件的设置和求解器的选择后，经计算，得出模拟结果。ANSYS可以很好的反应出散热片的温度分布特性，得到散热片在整个散热过程的温度分布云图。得到了不同肋高、肋厚、肋间距的温度分布云图：(1)不同肋厚的比较： 图3.4肋高40mm肋间距7mm肋厚3mm的散热器温度分布图图3.5肋高40mm肋间距7m

44、m肋厚4mm的散热器温度分布图图3.6肋高40mm肋间距7mm肋厚5mm的散热器温度分布图由图3.4、3.5、3.6 的温度分布云图可以看出，当肋高和肋间距保持不变，肋厚不同时，散热片的散热效果不一样。图3.4（肋厚3mm）的低温（蓝色）区域最小而高温（红色）区域最大；图3.6（肋厚5mm）的低温区域是图3.4、3.5、3.6中最大的。图3.5（肋厚4mm）介于二者之间。由此可知图3.6 温度分布最低，散热效果最好。因此，肋片越厚散热效果越好，但是，随肋片厚度的增加，肋片的总数目却在减少。而当肋片数目减少时，则总热量减少。所以肋片不能过厚，故取肋片的厚度为4mm。（2）不同肋高的比较图3.7肋

45、厚4mm肋间距7mm肋高35mm的散热器温度分布图图3.8肋厚4mm肋间距7mm肋高40mm的散热器温度分布图图3.9肋厚4mm肋间距7mm肋高45mm的散热器温度分布图图3.7（肋高35mm）、3.8（肋高40mm）、3.9（肋高45mm）所示，随肋高增加，肋基处高温（红色）区域逐渐变大。因此可知增加肋高，散热效果差。虽然图3.9（肋高45mm）中最低温度（蓝色）区域比图3.8（肋高40mm）中大，但比较二图可见，随着肋高的增加，散热效果增加并不显著。（3）不同肋间距的比较图3.10肋厚4mm肋间距5mm肋高40mm的散热器温度分布图图3.11肋厚4mm肋间距6mm肋高40mm的散热器温度分

46、布图图3.12肋厚4mm肋间距7mm肋高40mm的散热器温度分布图图3.10（肋间距5mm）中低温区域是三图中最大的，而肋基处温度较图3.11（肋间距6mm）、3.12（肋间距7mm）都低。通过分析以上温度分布云图可以看出：随肋间距的减小，低温区域增大而肋基处的温度降低。可知肋间距越小，散热效果越好。肋间距减小，肋片数N 增加，散热器的总散热量增加，增强散热效果，但这是以克服更大的阻力为代价，所以肋间距不能太小。第四章 结论1.计算结果分析总结在肋厚的比较中我们发现，随着肋片厚度的增加，散热片高温区域和低温区域有着明显的差距，而且其达到的最高温度也有所下降，这说明散热片随着肋片厚度的增加，它散

47、热的效果越好，更能达到产品所需要的散热效果。当然，考虑到肋片厚度增加后，肋片的数目减少，散热总量也会减少，所以我们在设计产品时应该考虑肋片厚度与散热总量的关系，取其最优的组合，达到最高效、最经济的效果。通过分析不同肋高的散热片，当肋片的高度增加时，在总体散热上并不好，散热片高度增加时，散热片由于散热不及时，造成散热片的热量累积，最终会使散热片的温度升高，这样可能会造成电子产品的烧毁。因此，我们在设计时应该在满足设计要求的同时降低散热片的高度。最后在肋片间距的比较中我们发现，随着肋片间距的加大，散热片的高温区域也会变大，说明其散热片的效果不理想，这样如果机器在长时间的工作中，会造成热量的累积，给

48、机器的运行带来负面效果。因此，在考虑实用和满足设计要求的同时，我们在设计散热片时应该尽可能缩小散热片肋片间的间距。2.小结本文用ANSYS通过其前处理模块PREP7对所研究的模型进行建模，然后在选择求解器以及确定边界条件后进行计算模拟，研究散热片的散热性能，对不同参数的散热片的散热过程进行数值模拟研究，得到不同参数下的温度分布云图，通过分析不同的肋高、肋厚、肋间距对散热片散热性能的影响，最后确定了散热片在实际工况下的温度分布，为保证散热片的散热性能达到设计要求，避免电子产品因过热而造成损坏提供了最佳工艺参数。谢 辞在做毕业设计的这几个月时间是我学生生涯中最有价值的一段时光。这里有治学严谨而不失

49、亲切的老师，有互相帮助的同学，更有向上、融洽的学习生活氛围。借此论文之际，我想向所有人表示我的谢意。首先感谢我的指导老师白兰老师。本课题是在指导老师的指导下学习，修改完成的。在此，要对她的细心帮助和指导表示由衷的感谢。在这段时间里，我从她的身上不仅学到了许多的专业知识，更感受到了她工作中的兢兢业业，生活中的平易近人。此外，她严谨的治学态度和忘我的工作精神值得我去学习。非常感谢我的朋友孙立广，乔永强和杜建伟，在我的毕业设计中，他们的提议给予了我极大的帮助，使我对整个毕业设计的思路有了总体的把握，并耐心的帮我提出了许多问题，使我有了很大收获。他们在我完成整个课题过程中提出了许多建设性意见，并给我解

50、决了一些专业性问题。在毕业设计过程中经常给我提出许多关键性的问题，使我受益匪浅。感谢几年来传授我知识的老师们，更要感谢我的家人对我学业上的支持和鼓励，感谢所有关心帮助过我的人。总之，在以后的学习生活中我将以加倍的努力作为对给予我帮助的学校、老师及同学们的回报。参考文献1周宁，冼进.ANSYS机械工程应用实例.北京：中国水利水电出版社，20062张亚欧，谷志飞，宋勇.ANSYS7.0有限元分析实用教程.北京：清华大学出版社，20043邵蕴秋.ANSYS8.0有限元分析历程导航.北京：中国铁道出版社，2004.34王富耻，张朝辉.ANSYS10.0有限元分析理论与工程应用.北京：电子工业出版社，2

51、006.55邢静忠，王永岗.有限元基础与ANSYS入门M.北京：机械工业出版社，2005.6搏嘉科技.有限元软件ANSYS融会与贯通M.中国水利水电出版社，2002.7邢忠文，张学仁.金属工艺学M.哈尔滨工业大学出版社，1999.8丁宝根.铸造工艺学（上、下）M.北京：机械工业出版社，1985.6.9董建国.机械专业英语M.西安电子科技大学出版社，2004.10陈统坚.机械工程英语M.北京：机械工业出版社，1999.11刘镇昌.机械工程英语M.北京：机械工业出版社，2003.12张波等.ANSYS有限元分析原理与工程应用，北京：清华大学出版社，2005.913胡艳.CPU散热片的设计与模拟.沈

52、阳理工大学硕士学位论文，2010.1.114王呼佳，陈洪军等.ANSYS工程分析进阶实例.北京：中国水利水电出版社，200615刘相新，孟宪顾.ANSYS基础与应用教程，北京：科学出版社，200616张洪信，赵清海.ANSYS有限元分析完全自学手册.北京：机械工业出版社，2008.317（美）Saeed Moaveni .有限元分析理论与应用M.电子工业出版社，2003.18商跃进.有限元原理与ANSYS指南M. 北京：清华大学出版社，2005.附录：散热片模型建模程序/PREP7 BLOCK,0,113,0,50,0,113, wpoff,3,10,0BLOCK,0,7,0,40,0,113

53、, VSBV, 1, 2 wpoff,10,0,0BLOCK,0,7,0,40,0,113, FLST,3,1,6,ORDE,1 FITEM,3,1 VGEN,10,P51X, , ,10, , , ,0 /VIEW,1,1,1,1 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1,2,3 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1,1,1 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,-1/ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,-1 /ANG,1 /REP,

54、FAST /VIEW,1,-1/ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,-1 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1,2,3 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1,2,3 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,-1/ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1,1,1 /A

55、NG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1,2,3 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1,2,3 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1,1,1 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1,2,3 /ANG,1 /REP,FAST /VIEW,1,1 /ANG,1 /REP,FAST FLST,3,10,6,ORDE,4 FITEM,3,1 FITEM,3,-2 FITEM,3,4 FITEM,3,-11 VSBV, 3,P51X /VIEW

56、,1,1,2,3 /ANG,1 /REP,FAST SAVE学位论文原创性声明本人郑重声明：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

57、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。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日致 谢时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验，奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结尾了。本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。这期间凝聚了很多人的心血，在

58、此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。首先，我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导，在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对我所做的课题提出了有效的改进方案。郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上，我学到了许多能受益终生的东西。再次对周巍老师表示衷心的感谢。其次，我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求，感谢他们对我学习上和生活上的帮助，使我了解了许多专业知识和为人的道理，能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。另外，我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友

59、对我的关心与支持，与他们一起学习、生活，让我在大学期间生活的很充实，给我留下了很多难忘的回忆。最后，我要感谢我的父母对我的关系和理解，如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持，我将无法顺利完成今天的学业。致 谢四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。学友情深，情同兄妹。四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育