结构热设计基本理论

结构热设计与有限元方法 2013年 01月 07日 结构热设计 -基础理论 结构热设计与有限元方法 目录 一、简介 二、 热分析基础知识 n 传热学基本理论 符号与单位 热传递的方式 热力学第一定律 热分析的控制过程 三、自然冷却热设计 n 散热器介绍 提高表面积 提高换热系数 n 户外设备（机柜）的热设计 太阳辐射对户外设备的影响 户外柜的传热设计 四、总结 结构热设计与有限元方法 目录（续） n 机箱热设计 机箱热设计的选材 模块的散热量的计算 机箱辐射换热的考虑 机箱的表面处理 n 单板级的热设计 元器件布局的热设计原则 导热介质的选取 PCB板的热设计原则 n 散热器的选择与设计 自然冷却方式的判别 自然冷却散热器的设计要点 强化自然冷却效果的措施 结构热设计与有限元方法 一、简介 l ANSYS是世界上著名的大型通用有限元计算软件，它包括热、电、磁、流体和结 构等诸多模块，具有强大的求解器和前、后处理功能，为我们解决复杂、庞大的工 程项目和致力于高水平的科研攻关提供了一个优良的工作环境，更使我们从繁琐、 单调的常规有限元编程中解脱出来。 ANSYS本身不仅具有较为完善的分析功能， 同时也为用户自己进行二次开发提供了友好的开发环境。 l ANSYS程序自身有着较强的三维建模能力，仅靠 ANSYS的 GUI(图形界面 )就可建 立各种复杂的几何模型；此外， ANSYS还提供较为灵活的图形接口及数据接口。 因而，利用这些功能，可以实现不同分析软件之间的模型转换。 结构热设计与有限元方法 一、简介 l 主要模块 ANSYS/ FLOTRAN ANSYS/ Emag ANSYS/ Structural ANSYS/ Multiphysics ANSYS/LS-DYNA ANSYS/ Mechanical ANSYS/ LinearPlus ANSYS/ Thermal 结构热设计与有限元方法 一、简介 l 1. ANSYS/Mechanical：该模块提供了范围广泛的工程设计分析与优化功能，这 些功能包括完整的结构、热、压电及声学分析。是一个功能强大的设计校验工具， 可用来确定位移、应力、作用力、温度、压力分布以及其它重要的设计标准。 l 2. ANSYS/Structural：通过利用其先进的非线性功能，该模块可进行高目标的 结构分析，具体包括：几何非线性、材料非线性、单元非线性及屈曲分析。该模块 可以使用户精确模拟大型复杂结构的性能。 l 3. ANSYS/Linear plus：该模块是从 ANSYS/Structural派生出来的，一个线性 结构分析选项，可用于线性的静态、动态及屈曲分析，非线性分析仅包括间隙元和 板 /梁大变形分析。 l 4. ANSYS/Thermal：该模块同样是从 ANSYS/Mechanical中派生出来的，是一 个可单独运行的热分析程序，可用于稳态及瞬态热分析。 l 5. ANSYS/Flotran：该程序是个灵活的 CFD软件，可求解各种流体流动问题，具 体包括：层流、紊流、可压缩流及不可压缩流等。 l 6. ANSYS/Emag：该程序是一个独立的电磁分析软件包，可模拟电磁场、静电学 、电路及电流传导分析。当该程序与其它 ANSYS模块联合使用时，则具有了多物 理场分析功能，能够研究流场、电磁场及结构力学间的相互影响。 结构热设计与有限元方法 二、热分析基础知识 l 符号与单位 项 目 国 际单 位 英制 单 位 ANSYS代号长 度 m ft 时间 s s 质 量 Kg lbm 温度 oF 力 N lbf 能量（ 热 量） J BTU 功率（ 热 流率） W BTU/sec 热 流密度 W/m2 BTU/sec-ft2 生 热 速率 W/m3 BTU/sec-ft3 导热 系数 W/m- BTU/sec-ft-oF KXX 对 流系数 W/m2- BTU/sec-ft2-oF HF 密度 Kg/m3 lbm/ft3 DENS 比 热 J/Kg- BTU/lbm-oF C 结构热设计与有限元方法 二、热分析基础知识 l 热传递的方式 传导： 两个良好接触的物体之间的能量交换或一个物体内由于温度梯度引起的内部 能量交换。热传导遵循付里叶定律： ， 为热流密度（ W/m2）， k为 导热系数（ W/m- ）， “-”表示热量流向温度降低的方向。 对流： 在物体和周围介质之间发生的热交换。 原因：主要发生在固体表面与周围接触的流体之间，由于温度差引起的能量交换。 自然对流和强制对流。热对流用牛顿冷却方程： ， h为对流换热系数 , 为固体表面的温度， 为周围流体的温度。 辐射： 一个物体或两个物体之间通过电磁波进行的能量交换。 原因：物体发射电磁能，并被其他物体吸收转变为热量交换的过程。 温度越高，则单位时间辐射的能量越多。 热传导和热对流都需要有传热介质，而热辐射无需任何介质。 结构热设计与有限元方法 二、热分析基础知识 l 热力学第一定律 两能量既不能消失，也不能创造，但可以从一种形式转化为另一中形式，也可 以从一种物质传递给另一种物质，在转化和传递过程中，能量的总和保持不变 。这是自然界的一个普遍的基本规律，在热力学中称为热力学第一定律。 对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出 式中： Q 热量 ; W 作功 ; 系统内能 ; 系统动能； 系统势能； 对于大多数工程传热问题： 通常考虑没有做功： W=0 , 则： ； 对于稳态热分析： ，即流入系统的热量等于流出的热量； 对于瞬态热分析： ，即流入或流出的热传递速率 q等于系统内能的变化。 结构热设计与有限元方法 三、自然冷却热设计 l 散热器介绍 散热器即为一散热扩展面，热阻表征其散热性能的优劣。 热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了 1W 热量所引起的 温升 大小，单位为 /W或 K/W。在传热学的工程应用中常常通过减 小热阻以加强传热。 注 ：开氏温度等于摄氏温度加 273。 结构热设计与有限元方法 三、自然冷却热设计 l 提高散热能力的方法 （ 1）增加表面积 提高表面积 A而言就是要在相同空间内适当增大散热面积，新工艺散热器不断降低 翅片厚度，提高翅片密度也主要是基于这方面考虑。 结构热设计与有限元方法 三、自然冷却热设计 l 提高散热能力的方法 （ 1）增加表面积 增加散热表面积应该综合考虑结构要求、成本、风压、散热效率和加工工艺等条件 。散热器的肋片以薄为宜 ,但过薄则加工困难。在散热器外形尺寸一定时 ,肋片间距 越小则热阻越小 ,但间距过小会增大风阻 ,反而影响散热。增大肋片高度可增大散热 面积 ,也就是可增大散热量。但对于等截面直肋 ,肋片高度增加到一定程度后 ,传热量 就不再增加了 ,若再继续增加肋高 ,则会导致肋片效率急剧下降 ,并且会增大风阻。 结构热设计与有限元方法 三、自然冷却热设计 （ 2）提高换热系数 h 就提高换热系数而言，可以提高散热器表面流速，被动散热就是加大系统风速，主 动散热就要提高板级风扇的流量； 结构热设计与有限元方法 三、自然冷却热设计 （ 2）提高换热系数 h 各种传热方式传热系数的大致范围如附表所示 1。对空气而言，自然风冷时的传 热系数是很低的，最大为 10w/(m2k)，如果散热器表面与空气的温差为 50 ，每 平方厘米散热面积上空气带走的热量最多为 0.05w。传热能力最强的传热方式是具 有相变的换热过程，水的相变过程换热系数的量级为 103 104。热管的传热能力 之所以很大，就是因为其蒸发段和冷凝段的传热过程都是相变传热。 结构热设计与有限元方法 三、自然冷却热设计 （ 3）提高发射率 辐射散热能力提升主要通过提高散热器表面发射率来实现，常用方法是表面做涂漆 、喷沙提高粗糙度、阳极氧化等措施。辐射对散热在自然散热条件下有一定影响， 强迫空冷基本无变化，并且一般散热器发射率的差异不大，在产品中一般不作重点 考虑。 结构热设计与有限元方法 三、自然冷却热设计 l 户外设备（机柜）的热设计 太阳辐射对户外设备的影响 户外柜由于处于室外，太阳辐射将是其热设计必须考虑的重要一环。当太阳射线照 射到户外柜表面时，一部分被吸收，一部分被反射，二者的比例取决于表面材料的 种类、粗糙度和颜色，表面愈粗糙、颜色愈深，吸收的太阳辐射热愈多。同一材料 对于不同波长的辐射光的吸收率也是不同的，黑色表面对各种波长的辐射几乎全部 吸收，而白色表面对不同波长的吸收率不同，对于可见光几乎 90%都反射回去， 所以户外柜表面最好为白色和相近色，以减少进入户外柜内部的太阳辐射热。 表面 吸收率 发 射率 抛光 铝 0.03 0.05 喷 涂表面 白色 0.2 0.9 淡 绿 0.5 0.9 淡灰 0.75 0.9 结构热设计与有限元方法 三、自然冷却热设计 l 户外柜的传热计算 户外柜的传热模型可以简化为如图 2所示的热阻网络。 其传热路径包括两个部分： 路径一： 户外柜内部生成的热量通过对流及辐射传给户外柜内表面，再通过夹层材 料 (如空气、海面、泡沫等 )的导热传到户外柜外表面，最后通过对流及辐射传给周 围的大气。 结构热设计与有限元方法 路径二： 户外柜外表面吸收了太阳辐射的热量，一部分通过对流及辐射传给周围大 气，另一部分通过夹层材料 (如空气、海面、泡沫等 )的导热给户外柜内。 要保持户外柜内的温度 Ti恒定，进入户外柜的热量加上内部生成的热量应等于户外 柜表面的散热量。如果不能够平衡，则需要借助热交换器或空调来强制维持热量的 平衡，保证内部温度达到设计要求并保持恒定。户外柜传热计算的目的就是要计算 出需要依靠热交换器或空调来强制维持热量平衡的净热量。 依据热网络图 2给出的传热方程式为： 户外柜内部产生的热量， W 户外柜吸收的太阳辐射的热量， W， 太阳辐射的总热量， W 户外柜内部允许的环境温度， 户外柜周围的外部环境温度， 三、自然冷却热设计 结构热设计与有限元方法 户外柜远处的环境温度， 户外柜外表面的总热阻， /W 户外柜外表面的对流热阻， /W 户外柜外表面向周围环境及大气的辐射热阻， /W 户外柜外内表面的热阻， /W 户外柜表面的太阳辐射吸收率 三、自然冷却热设计 结构热设计与有限元方法 三、自然冷却热设计 l 机箱热设计 (1)机箱的选材 如果需利用模块的机箱作为散热器，则模块机箱必须选用铝合金材料，且模块 内壁不得进行拉丝处理，材料的厚度不得低于 1.5mm。 如果不利用机箱进行散热，则模块机箱选材不受限制。 (2)模块的散热量计算 对于密封机箱 : 如果计算出的 散热量 QT需求散热量 Q，则必须选用通风机箱。 对于通风机箱 : QT 模块的耗散功率， W Ss 机箱侧面内壁的有效面积， m2 St 朹机箱顶部面积， m2 结构热设计与有限元方法 三、自然冷却热设计 Sb 机箱的底面积， m2 t 风道进出口温差， 斯波尔兹曼常数，为 5.6710-8W/m2.K 辐射系数 Tm（ T+Ta） /2 T 机箱的表面温度， K Ta 环境温度， K U 自然风速，一般取 0.1-0.2m/s A 通风面积， m2 机箱辐射情况： 对于自然冷却的机箱，大部分需承担散热器的功能，其表面温升一般较高，约 25-40 ，其表面的辐射换热量在整个机箱的散热量中占有较大的比重，有些甚至成为主要的 散热途径，所以，在进行机箱的散热计算时，不能忽略辐射换热，可按计算式 (5)-(6)中提供 的方法计算辐射换热，也可按下式进行计算： Q辐射 4S(Ts4-Ta4) S机箱的有效面积， m2 斯波尔兹曼常数，为 5.6710-8W/m2.K 辐射系数 Ts 机箱的表面温度， K Ta 环境温度， K 结构热设计与有限元方法 三、自然冷却热设计 l 单板级的热设计原则 （ 1）电阻的散热一般是通过固定连接片或引线两端的传导以及本身的辐射，对流进 行散热的，所以电阻表面应涂覆无光泽的粗糙漆，放置位置应便于对流散热并加大 与其它元件之间的距离。 （ 2）对不加屏蔽罩的变压器，铁芯与支架、支架与固定面之间应有良好的接触，以 使接触热阻最低 ; 对带屏蔽罩的变压器，外罩必须与固定面良好接触，把变压器的固定面用支架垫高 ，并在底板上开通风孔，以形成气流对流。 （ 3）对模块内部不能够吹到风的 PCB板，在布置元器件时，元器件之间、元器件与 结构件之间应保持一定距离，以利空气流动，增强对流换热 . 如下图所示。 结构热设计与有限元方法 三、自然冷却热设计 l 单板级的热设计原则 （ 1）电阻的散热一般是通过固定连接片或引线两端的传导以及本身的辐射，对流进 行散热的，所以电阻表面应涂覆无光泽的粗糙漆，放置位置应便于对流散热并加大 与其它元件之间的距离。 （ 2）对不加屏蔽罩的变压器，铁芯与支架、支架与固定面之间应有良好的接触，以 使接触热阻最低 ; 对带屏蔽罩的变压器，外罩必须与固定面良好接触，把变压器的固定面用支架垫高 ，并在底板上开通风孔，以形成气流对流。 （ 3）对模块内部不能够吹到风的 PCB板，在布置元器件时，元器件之间、元器件与 结构件之间应保持一定距离，以利空气流动，增强对流换热 . 如下图所示。 结构热设计与有限元方法 三、自然冷却热设计 （ 4） 在 PCB上布置各种元器件时，应将功率大、发热量大的元器件放在边沿和顶 部，以利于散热。 （ 5）应将不耐热的元件 (如电解电容 )放在靠近进风口的位置，而将本身发热而又 耐热的元件 (如电阻 ,变压器等 )放在靠近出风口的位置。 （ 6） 在 PCB上布置各种元器件时，应将功率大、发热量大的元器件放在出风口的 位置。 （ 7） 对热敏感元件，在结构上应采用 “热屏蔽 ”方法解决。 结构热设计与有限元方法 三、自然冷却热设计 l 导热介质的选取原则 为了解决功率器件与散热器间的电气绝缘问题，功率器件与散热器间应加导热绝缘 材料，考虑到性价比，在散热条件不是很恶劣，如功率器件损耗较小或功率器件处 于有利的通风位置时，可选用通用的导热绝缘材料 SP400，其它条件下可选用散 热性能较好的 SP900S，只有在特殊情况下，才允许选用 SP2000。其性能参数如 下表所示。 结构热设计与有限元方法 三、自然冷却热设计 l PCB的热设计原则 PCB板热设计的主要任务是有效地把印制板上的热引导到外部 (散热器和大气中 )。 （ 1）印制线的载流容量和温升 设计印制板时要保证印制线的载流容量，印制线的宽度必须适于电流的传导， 不能引起超过允许的温升和压降。 在实际应用中，常有较大电流流过输出端铜箔， 如果输出铜箔设计的过细，则会导致铜箔的温 度上升。印制电路板的材料、导电铜箔的厚度、 容许温升将影响到铜箔厚度应该多宽、能承受 多大电流。一般对 1盎司的环氧玻璃板，如果允 许温升小于 10 (考虑到系统内部的环境温度可 能超过 70 ) ，则一般可按 1A电流取 1mm宽铜 箔的经验数据进行铜箔设计。如假如流过的电流 为 5A，对 1盎司的环氧玻璃板，其铜箔宽度可取 5mm。实际可按照容许温升的大小按照右图进 行选择。 结构热设计与有限元方法 三、自然冷却热设计 （ 2）印制板的散热 选用厚度大的印制线，以利于印制线的导热和自然对流散热。 减小元器件引线腿及元器件引线间的热阻，增强元器件引线腿对印制线的热传导， 增强导电性。 当元器件的发热密度超过 0.6W/cm3，单靠元器件的引线腿及元器件本身不足充分 散热，应采用散热网、汇流条器等措施。 若发热密度非常高则元器件应安装散热器，在元器件和散热材料之间涂抹导热膏。 结构热设计与有限元方法 三、自然冷却热设计 l 散热器的选择与设计 散热器需采用的自然冷却方式的判别 对通风条件较好的场合，散热器表面的热流密度小于 0.039W/cm2可采用自然冷却 。 对通风条件较恶劣的场合： 散热器表面的热流密度小于 0.024W/cm2可采用自然 强迫冷却。 自然冷却散热器的设计要点 （ 1）考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小，两个齿的热边界层易交 叉，影响齿表面的对流，所以一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于 12mm，如果散热器齿高低于 10mm，可按齿间距 1.2倍齿高来确定散热器