热电冷却器.docx

ANSYS课程设计 班级：工程力学08-1姓名：刘居蒙 学号：080107020002 日期：2011年1113周1.热电冷却器工作分析一、问题描述：此热电冷却器由两个边长为0.01m的正方体半导体元件和一个连接铜带组成，温度载荷=50，冷却温度为=0，电流强度I=20A。求冷却器中温度场和电场分布，模型如下所示。N型半导体元件材料参数：电阻系数；导热系数；热电系数；P型半导体元件材料参数：电阻系数；导热系数；热电系数；铜带材料参数：电阻系数；导热系数。二、问题分析：该问题属于热电耦合分析问题。选取整个热点冷却器建立几何模型，其中连接铜带的相关尺寸可任意选择，选择SOLID226热电耦合单元进行求解。三、求解步骤：第一步：定义工作文件名和工作标题（1） 选择Utility Menu/File/Change Jobname命令，在对话框的/FILNAMEnter new jobname输入栏中输入工作文件名LJM1，单击“OK”按钮关闭该对话框。（2） 选择Utility Menu/File/Change Title命令，在对话框的输入栏中输入HERMOELECTRIC COOLER，单击“OK”按钮关闭该对话框。（3） 选择Utility Menu/PlotCtrls/Direction命令，在对话框的XV，YV，ZV Coords of view point输入栏中依次输入1、1、1，在/VCPCoord axis orientation下拉选框中选择Z-axis up，单击“OK”按钮关闭该对话框。（4） 选择Utility Menu/Parameters/Scalar Parameters命令，在对话框的Selection输入栏中输入W=1E-2，单击“Accept”按钮；输入H=1E-3，单击“Accept”按钮；输入I=20，单击“Accept”按钮，单击“Close”按钮关闭该对话框。第二步：定义单元类型（1） 选择Main Menu/Preprocessor/Element Type/Add/Edit/Delete命令，出现Element Types对话框，单击“Add”按钮，在出现的对话框中第一个列表框中选择Coupled Field，第二个列表框中选择Brick 20node226，在Element type reference number输入栏中输入1，单击“OK”按钮关闭该对话框。（2） 选择Element Types对话框上的“Options”按钮，在 出现的对话框下拉选框中选择thermoelectric，单击“OK”关闭对话框。（3） 关闭对话框。第三步：定义材料性能参数（1） 选择Main Menu/Preprocessor/Material Props/Material Models命令，出现对话框。（2） 依次点击Thermal、Conductivity、Isotropic选项，在KXX栏中输入1.3，单击“OK”。（3） 依次点击Electromagnetics、Resisticity、Constant选项，在RSVX栏中输入1.05E-5，单击“”。（4） 依次点击Thermoelectricity、Isotropic选项，在SBKX栏中输入-1.68E-4，单击“OK”。（5） 单击New Model命令，输入2单击“OK”。（6） 用上面的方法输入KXX1.2、RSVX0.95E-5、SBKX2.15E-4。（7） 单击New Model命令，输入3单击“OK”。（8） 输入KXX400、RSVX1.65E-8。（9） 关闭总对话框。第四步：创建几何模型、划分网格（1） 选择Main Menu /Preprocessor /Modeling /Create / Volumes/Block/By Dimensions命令，在对话框的X1，X2 X-coordinates输入栏中舒服W/2,3*W/2，在Y1，Y2 Y-coordinates输入栏中输入0，W，在Z1，Z2 Z-coordinates输入栏中输入0，W。（2） 单击“Apply”按钮，仿照（1）依次输入-3*W/2，-W/2，0，W，0，W。（3） 单击“Apply”按钮，依次输入-3*W/2，3*2，0，W，W，W+H。（4） 单击“Apply”按钮，依次输入-2*W，-W/2，0，W，-H，0。（5） 单击“Apply”按钮，依次输入W/2，2*W，0，W，-H，0，关闭对话框。（6） 选择Select/Entities命令，在第一个下拉选框中选择Lines，第二个下拉选框中选择By Num/Pick，在第三栏中选择From Full，单击“Ok”，在出现的输入栏中输入33,34,35,36,45,46,47,47,57,58,59,60，单击“Ok”按钮。（7） 选择Main Menu/Preprocessor/Meshing/Size Cntrls/ManuaSize/Lines/Picked Line命令，选择Pick All按钮，在NDIV栏中输入1，单击“OK”。（8） 选择Utility Menu/Select/Entities命令，和（6）选择一样，单击“Incert”按钮，再点“Cancel”。（9） 选择Main Menu/Preprocessor/Meshing/Size Cntrls/ManuaSize/Lines/Picked Line命令，选择Pick All按钮，在SIZE栏中输入W/4，单击“OK”。（10） 选择Select/Everything命令。（11） 选择Preprocessor/Meshing/Mesh/Mesh Attribs命令，在MAT下拉选框中选择1，单击“Ok”。（12） 选择Preprocessor/Meshing/Mesh/Volumes/Mapped/4 to 6 sided命令，输入栏中输入1，单击“OK”。（13） 选择Preprocessor/Meshing/Mesh/Mesh Attribs命令，在MAT下拉选框中选择2，单击“Ok”。（14） 选择Preprocessor/Meshing/Mesh/Volumes/Mapped/4 to 6 sided命令，输入栏中输入2，单击“OK”。（15） 选择Preprocessor/Meshing/Mesh/Mesh Attribs命令，在MAT下拉选框中选择3，单击“Ok”。（16） 选择Preprocessor/Meshing/Mesh/Volumes/Mapped/4 to 6 sided命令，输入栏中输入3,4,5，单击“OK”。（17） 选择Plot/Elements命令，显示网格划分结果，如下图所示。（18） 选择Main Menu/Preprocessor/Numbering Ctrls/Merge Items命令，在Label Type下拉选框中选择All，单击“Ok”。（19） 选择Main Menu / Preprocessor / Material Props /Temperature Units命令，在TOFFST下拉选框中选择Celsius，单击“OK”。（20） 选择Select/Entities命令，在第一个下拉选框中选择Nodes，在第二个下拉选框中选择By Location，在第三栏中选择Z coordinates，在Min Max输入栏中输入W+H，第五栏中选择From Full，单击“OK”。（21） 选择Main Menu/preprocessor/Coupling/Ceqn/Couple DOFs命令，选择“Pick All”按钮，在NSET栏中输入1，单击“OK”。（22） 选择Parameters/Scalar Parameters命令，在Selection栏中输入nc=ndnext(0)，单击“Accept”按钮，单击“Close”结束。（23） 选择Select/Entities命令，在第一个下拉选框中选择Nodes，在第二个下拉选框中选择By Location，在第三栏中选择Z coordinates，在Min Max输入栏中输入-H，第五栏中选择From Full，单击“OK”。（24） 选择Main Menu/Preprocessor/Loads/Define Loads/ Apply/Thermal/Temperature/On Nodes命令，选择“Pick All”按钮，在出现的对话框Lab2列表框中选择TEMP，在VALUE栏中输入50，单击“OK”。（25） 选择Select/Entities命令，在第一个下拉选框中选择Nodes，在第二个下拉选框中选择By Location，在第三栏中选择X coordinates，在Min Max输入栏中输入-2*W，第五栏中选择From Full，单击“OK”。（26） 选择Main Menu/Preprocessor/Loads/Define Loads/ Apply/Thermal/Temperature/On Nodes命令，选择“Pick All”按钮，在出现的对话框Lab2列表框中选择VOLT，在VALUE栏中输入0，单击“OK”。（27） 选择Select/Entities命令，在第一个下拉选框中选择Nodes，在第二个下拉选框中选择By Location，在第三栏中选择X coordinates，在Min Max输入栏中输入2*W，第五栏中选择From Full，单击“OK”。（28） 选择Main Menu/preprocessor/Coupling/Ceqn/Couple DOFs命令，选择“Pick All”按钮，在NSET栏中输入2，在Lab Degree-of-freedom label下拉选框中选择VOLT，单击“OK”。（29） 选择Parameters/Scalar Parameters命令，在Selection栏中输入ni=ndnext(0)，单击“Accept”按钮，单击“Close”结束。（30） 选择Select/Everything命令。（31） 选择File/Save as命令保存操作过程。第五步：施加约束、加载求解（1） 选择Main Menu/Solution/Analysis Type/New Analysis命令，选择分析类型为Steady-State，单击“OK”。（2） 选择Main Menu/Preprocessor/Loads/Define Loads /Apply/Thermal/Temperature/On Nodes命令，输入栏中输入nc，单击“OK”按钮，在出现的对话框Lab2列表框中选择TEMP，在VALUE栏中输入0，单击“OK”按钮。（3） 选择Main Menu/Preprocessor/Loads/Define Loads /Apply/Electric/Excitation/Current/On Nodes命令，输入栏中输入ni，单击“OK”按钮，在出现的对话框VALUE输入栏中输入1，单击“OK”按钮。施加约束后的结果如下图所示。（4） 选择Main Menu/Solution/Solve/Current LS 命令，点击“OK”开始计算。（5） 保存求解结果。（6） 在命令栏中输入*get，Qc，node，nc，rf，heat，回车。（7） 选择Parameters/Scalar Parameters命令，在Selection栏中输入P=volt(ni)*I，单击“Accept”按钮，单击“Close”结束。（8） 选择Main Menu/Preprocessor/Loads/Define Loads /Delete/Thermal/Temperature/On Nodes命令，输入栏中输入nc，单击“OK”按钮，在出现的对话框Lab DOFs列表框中选择TEMP，单击“OK”按钮。（9） 选择Main Menu/Preprocessor/Loads/Define Loads /Apply/Thermal/Heat Flow/On Nodes命令，输入栏中输入nc，单击“OK”按钮，在出现的对话框Lab DOFs列表框中选择HEAT，在VALUE栏中输入QC，单击“OK”按钮。（10） 选择Main Menu/Solution/Solve/Current LS 命令，点击“OK”开始计算。（11） 保存求解结果。第六步：查看求解结果（1） 选择PlotCtrls/Style/Contous/Uniform Contours命令，在NCONT Numeber栏中输入18，单击“OK”按钮。（2） 选择Main Menu/General Postproc/Plot Result/Contour Plot/Nodal Solu命令，出现对话框，选择Nodal Solution/DOF Solution/Nodal Temperature，单击“OK”按钮，显示温度场等值线图，如下所示。（3） 选择Main Menu/General Postproc/Plot Result/Contour Plot/Nodal Solu命令，出现对话框，选择Nodal Solution/DOF Solution/Electric Potential，单击“OK”按钮，电势场等值线图，如下所示。2.模型飞机机翼模态分析一、问题描述：此问题为飞机机翼模型，其长度方向横截面形状一致，机翼的一端固定在机体上，另一端为悬空自由端，试对机翼进行模态分析并显示机翼的模态自由度。机翼材料参数：弹性模量EX=30GPa;泊松比PRXY=0.26;密度DENS= 1580kg/m3机翼几何参数：A(0,0); B(2,0); C(2.5,0.2); D(1.8,0.45);E(1.1,0.3)。二、问题分析：该问题属于动力学中的模态分析问题。在分析过程分别用直线段和样条曲线描述机翼的横截面形状，选择PLANE82和SOLID45单元进行求解。三、求解步骤：第一步：定义工作名和工作标题（1） 选择Utility Menu/File/Change Jobname命令，将工作文件名改为需要的名字，单击“OK”结束。（2） 选择Utility Menu/File/Change Title 命令，输入工作标题，单击“OK”结束对话框。第二步：定义单元类型（1） 选择Main Menu / Preprocessor / Element Type/ Add/Edit/ Delete命令，单击Add选择Structural Solid,Quad 8node 82，在输入栏中输入1，单击Apply 按钮添加第二个单元类型为Structural Solid,Brick 8node 45,输入栏中输入2，单击“OK”结束对话框。（2） 单击Close关闭对话框。第三步：定义材料性能参数（1） 选择Main Menu/Preprocessor/Material Props/Material Models命令，定义材料弹性模量EX为3E10，材料泊松比PRXY为0.26,单击“OK”。（2） 定义材料密度DENS为1.58E3，单击“OK”按钮关闭对话框。（3） 退出Define Material Model Behavior对话框。第四步：创建几何模型、划分网格（1） 选择Utility Menu/View Settings/Viewing Direction命令，输入栏中分别输入1,1,1，单击“OK”设置视图显示方向。（2） 创建关键点，分别为1（0,0,0）、2（2,0,0）、3（2.5,0.2,0）、4（1.8,0.45，0）、5（1.1，0.3,0）。（3） 由点生成线段，在Create Straight选择菜单中输入栏输入1,2，单击“OK”关闭菜单。（4） 生成样条曲线，在B-Spline菜单中输入栏输入2,3,4,5,1，单击“OK”关闭菜单。（5） 由线生成面，在Creat Area by L菜单中输入栏输入1,2，单击“OK”按钮关闭菜单。（6） 设置单元尺寸大小，在SIZE Element edge length输入栏中输入0.1，单击“OK”按钮关闭对话框。（7） 选择Utility Menu/Plot/Elements命令，显示窗口网格划分结果，如下图所示。（8） 设置单元等分数，在NDIV No.of element divisions输入栏中输入20，单击“OK”按钮关闭对话框。（9） 选择Main Menu/Preprocessor/Meshing/Mesh Attributes/ Default Attribs命令，在TYPEElement type number下拉选框中选择2 SOLID45，其余选项采用默认设置，单击“OK”关闭对话框。（10） 拖拉面生成体，在Extrude Area by菜单输入栏输入1，单击“OK”按钮，在出现的对话框DX,DY,DZ Offsets for extrusion输入栏中分别输入0,0,5，单击“OK”关闭对话框。（11） 选择Utility Menu/Plot/Elements命令，显示窗口显示拖拉面生成体结果，如下图所示。第五步：加载求解（1） 进入求解器，选择Main Menu/Solution/Analysis Type/New Analysis命令，选择分析类型为Modal，单击“OK”关闭对话框。（2） 选择Main Menu/Solution/Analysis Type/Analysis Options命令，参照下图进行设置，单击“OK”按钮，出现的对话框采用默认设置，单击“OK”关闭对话框。（3） 选择Utility Menu/Select/Entities命令，出现的对话框参照右图进行设置，点击“OK”结束。（4） 选择Utility Menu / Select/Entities命令，对话框中第一个下拉选框中选择 Nodes，第二个下拉选框中选择By Location，第三栏选择Z coordinates，Min,Max输入栏输入0，第五栏选择From Full，单击“OK”结束。（5） 选择Main Menu/ Solution / Define Loads /Apply / Structural /Displacement/On Nodes命令，出现的菜单选择“Pick All”按钮，出现对话框，在Lab2 DOFS to be contrained列表中选择ALL DOF ，在VALUE Displacement value输入栏中输入输入0，单击“OK”按钮关闭对话框。（6） 选择Utility Menu/Select/Everything命令，选择所有实体。（7） 保存操作过程。（8） 选择Solve Current LS 命令求解计算。（9） 保存求解结果。第六步：查看求解结果（1） 选择Main Menu/General Postproc/Results Summary命令，显示窗口显示结构5阶固有频率计算结果，如下图所示。（2） 选择Main Menu/General Postproc/Read Result/First Set命令。（3） 选择Main Menu/General Postproc/Plot Result/Deformed Shape命令，出现的对话框选择Def shape only选项，单击“OK”按钮关闭对话框，显示串口显示1阶模态图，如下图所示。（4） 选择Main Menu/General Postproc/Read Result/Next Set命令。（5） 选择Main Menu/General Postproc/Plot Result/Deformed Shape命令，出现的对话框选择Def shape only选项，单击“OK”按钮关闭对话框，显示串口显示2阶模态图，如下图所示。（6） 选择Main Menu/General Postproc/Read Result/Next Set命令。（7） 选择Main Menu/General Postproc/Plot Result/Deformed Shape命令，出现的对话框选择Def shape only选项，单击“OK”按钮关闭对话框，显示串口显示3阶模态图，如下图所示。（8） 选择Main Menu/General Postproc/Read Result/Next Set命令。（9） 选择Main Menu/General Postproc/Plot Result/Deformed Shape命令，出现的对话框选择Def shape only选项，单击“OK”按钮关闭对话框，显示串口显示4阶模态图，如下图所示。（10） 选择Main Menu/General Postproc/Read Result/Next Set命令。（11） 选择Main Menu/General Postproc/Plot Result/Deformed Shape命令，出现的对话框选择Def shape only选项，单击“OK”按钮关闭对话框，显示串口显示5阶模态图，如下图所示。3.边缘裂纹板构件断裂分析一：问题描述问题为一断裂试样结构示意图，厚度为5mm，试计算其应力强度因子。试样材料参数：弹性模量E=220GPa；泊松比v=0.25；载荷：p=0.12Mpa。图3-1 断裂试样结构示意图能利用对称条件。在许多情况下根据对称或反对称边界条件，只需要模拟裂纹区的一半。二：问题分析1如何建立二维断裂模型 对于二维断裂问题，使用PLANE183，他是一个8结点二次实体单元。围绕裂纹尖端第一行单元一定要是奇异的。利用前处理命令KSCON(Main Menu Preprocessor Meshing Size Cntrls Concentrat KPs Create)，这个命令会给围绕关键点划分单元，这个命令特别适用分析断裂力学问题。它可以在裂纹尖端自动产生奇异单元。并且可以利用命令可以控制围绕裂纹尖端第一排单元的半径，和圆周方向上单元的数量。 图3-2-1 二维断裂问题的模型示例2计算应力强度因子 利用后处理中KCALC命令计算混合型应力强度因子K，K和K。(Main MenuGeneral Postproc Nodal Calcs Stress Int Factr)。这个命令只能用于计算线弹性均匀各向同性材料的裂纹区域。为了使用KCALC必须按照以下步骤： （1）定义裂纹尖端或裂纹前缘局部坐标系X轴一定要平行于裂纹面。（3D中垂直于裂纹前缘）并且y轴垂直于裂纹面。图给出了示意。注意-当使用 KCALC 命令时，坐标系必须是激活的模型坐标系CSYS和结果坐标系RSYS。如图:图3-2-2 裂缝坐标系命令： Utility Menu WorkPlane Local Coordinate Systems Create Local CS At Specified Loc（2）定义沿着裂纹面的路径 定义沿裂纹面的路径，应以裂纹尖端作为路径的第一点。对于半个裂纹模型而言，沿裂纹面需有两个附加点，这两个点都沿裂缝面；对于整体裂纹模型，则应包括两个裂纹面，共需四个附加点，两个点沿一个裂纹面，其他两个点沿另一个裂纹面。如图：如图3-2-2典型路径定义(a)半个裂纹模型；(b)整个裂纹模型命令：Main MenuGeneral PostprocPath OperationsDefine Path（3）计算应力强度因子 KCALC命令中的KPLAN域用于指定模型是平面应变或平面应力。除了薄板的分析，在裂纹尖端附近或其渐近位置，其应力一般是考虑为平面应变。KCSYM 域用来指定半裂纹模型是否具有对称边界条件、反对成边界条件或是整体裂纹模型。命令：Main MenuGeneral PostprocNodal CalcsStress Int Factr三：求解步骤1 创建单元类型拾取菜单Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete。弹出“Element Type”对话框，单击“Add”按钮；弹出对话框，在左侧列表中选择“Structural solid”在右侧列表中选择“Quad 8node 183”，单击“OK”按钮；单击“Element Type”对话框的“Options”按钮，弹出“PLANE183 element type options”对话框，在“Element behavior K3”中选“Plane strs w/thk”， 单击“OK”按钮关闭。2定义实常数拾取菜单Main MenuPreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delete。弹出对话框，单击“Add”按钮，在列表中选择“Element Type For Real Constants”，单击“OK”按钮，弹出对话框，在“Real Constant Set No.”文本框中输入“1”，“Thickness THK”文本框中输入“5”，单击“OK”返回到上一级对话框，单击“Close”按钮。3 定义材料特性拾取菜单Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Modals。弹出对话框，在右侧列表中依次双击“Structural”、“Linear”、“Elastic”、“Isotropic”，弹出对话框，在“EX”文本框中输入2.2e5（弹性模量），在 “PRXY”文本框中输入0.25（泊松比），单击“OK”按钮，然后关闭对话框。4创建关键点拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingCreatekeypointsIn Active CS。弹出在“X，Y，Z”文本框中分别输入0，0，0，单击“Apply”按钮；在“X，Y，Z”文本框中分别输入75，0，0，单击“Apply”按钮；在“X，Y，Z”文本框中分别输入125，0，0，单击“Apply”按钮；在“X，Y，Z”文本框中分别输入125，60，0，单击“Apply”按钮；在“X，Y，Z”文本框中分别输入0，60，0，单击“OK”按钮。 5 创建面拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasArbitraryThrough KPs。弹出拾取窗口，分别拾取关键点1，2，3，4，5单击“OK”按钮。拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasCircleSolid Circle弹出在“WP X”输入25，在“WP Y”27.5，在“Radius”输入12.5，单击“OK”按钮。拾取菜单Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansSubtractAreas弹出在“Subtract Areas”中单击“Pick All”按钮，再选圆，单击“OK”按钮。6定义单元特性 拾取菜单Main MenuPreprocessorMeshingSize CtrlsConcentrat KPsCreate 出现“Concentrat Keypoints”输入2，单击“OK”按钮，弹出在“Concentrat Keypoints”对话框分别至上而下输入2，5，0.75，10，最后一个选”Skewed 1/4pt” 单击“OK”按钮。拾取菜单Main MeunPreprocessorMeshingMeshTool。弹出Meshtool对话框，在“Global Element Sizes”选择框中选择“SIZE element edg