Solidworks 基础及其教程- 4

Solidworkssimulation仿真教程本章主要介绍传热学的基本理论、传热学中的基本概念、传热分析的属性设置。分别建立稳态散热案例、瞬态散热案例和辐射分析案例。有限元的传热分析是指使用有限元方法（FEM）来模拟和计算物体内部以及物体与外界环境之间的热量传递过程。它通过数值计算的方式，求解控制热传递的偏微分方程，从而得到我们关心的温度、热流等物理量的详细分布第8章 传热学分析8.1传热学的基础知识Solidworkssimulation仿真教程第7章 优化分析热传导热对流热辐射传热学分析的应用领域1.热传导热量通过媒介在两个相邻物体之间传递，或者穿过单个物体，并且传递过程不经过任何形式的流体，则称该热量传递为热传导。（1）基本概念傅里叶热传导定律的定义为：在热传导过程中，单位时间内通过给定截面的热量（热流量）与垂直于该截面方向上的温度变化率（温度梯度）及截面面积成正比，且热量传递方向与温度升高方向相反。（2）热传导基本定律1.热传导一个圆柱，其长度为Δx，两个端面的面积为A；侧面绝热，即热量不会通过侧面散失；将两个端面分别置于温度为T1、T2的环境中，由于温度不同导致x方向上发生热传导，测量热流量值q。分析热流量q，端面面积A，两端温度T1、T2，以及圆柱长度Δx之间的关系。（2）热传导基本定律1.热传导（2）热传导基本定律当材料更换成另一种物质时（例如由金属改成塑料），可以发现上述关系仍然成立，但相同的A、Δx、T1、T2情况下，通过的热流量q变得更小。由此可以引入一个参数来表示不同材料的导热性能，即导热系数k，单位为W/（m·℃）求上式在Δx→0时的极限，可得到傅里叶热传导定律的表达式：2.热对流（1）基本概念流体中，温度不同的各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程叫热对流。流体温度为tf，流速为vf，固体壁面的面积为A，温度为tw，由于固体壁面和流体之间温度不同（假设固体壁面温度tw高于流体温度tf，温差Δt=tw–tf），因此会发生对流换热，流体和固体之间对流换热的热流量为q。（2）牛顿冷却公式2.热对流则上述物理量之间的关系，可根据牛顿冷却公式写成如下形式：式中，对流换热的面积A和温差Δt是比较容易确定的；h是对流换热系数，W/(m2·℃)。（2）牛顿冷却公式3.热辐射热辐射是处于一定温度下的物质所发射的能量。虽然固体表面的辐射较为常见，但可以确定的是液体和气体也会发射能量。不论物质处于何种形态，只要温度高于0K，都会向周围发射能量，这种发射是组成物质的原子或分子中电子排列位置的改变所造成的。热辐射的概念。物体发生辐射的原因有多种，但因为热的原因，物体的内能转化成了电磁波的能量，进而进行的辐射被称为热辐射。例如寒冷的冬天，到太阳下晒太阳感到暖和，是因为接收到了高温的太阳以热辐射的形式所散发的热量，而且任何有温度的物体都在辐射热量，对于同一个物体，温度越高的物体，向外辐射的能力也越大；温度相同的条件下，不同的物体，其辐射能力也不同，黑体的辐射能力最强。（1）基本概念3.热辐射黑体辐射热量与其表面温度的关系式可用斯蒂芬-玻尔兹曼定律来表示，其表达式为：（2）热辐射定律式中：1） T为黑体表面温度，单位为K。2） A为黑体的辐射表面积，单位为m2。3） σb为黑体辐射常数，其值为5.67×10-8W/(m2·K4)。3.热辐射黑体辐射热量与其表面温度的关系式可用斯蒂芬-玻尔兹曼定律来表示，其表达式为：（2）热辐射定律式中：1） T为黑体表面温度，单位为K。2） A为黑体的辐射表面积，单位为m2。3） σb为黑体辐射常数，其值为5.67×10-8W/(m2·K4)。4.传热学分析的应用领域（1）能源动力与电力工业（2）航空航天与交通运输（3）汽车工业（4）电子电气与信息科技（5）建筑与环境工程（6）材料与制造加工8.2传热分析属性设置Solidworkssimulation仿真教程第7章 优化分析8.2传热分析属性设置传热分析属性设置的根本目的是建立符合实际物理现象的热模型，通过正确定义材料热特性、边界条件和求解参数，使仿真结果能够真实反映产品的热行为。8.2传热分析属性设置项目名称内容求解类型瞬态复选此按钮可运行瞬态热力算例总的时间指定瞬态分析的关注总时间(T)。默认值为1.0秒时间增量指定瞬态解算步骤的时间增量(Δt)。默认值为0.1秒。该程序将计算Δt、2(Δt)、3(Δt)、4(Δt)...和T，其中Δt是时间增量，而T是指定的总时间热力算例的初始温度使用根据热力算例（稳态或瞬态）计算的温度作为瞬态热力算例的初始条件。选择所需的“热力”算例，然后指定想要使用温度曲线的时间步长作为初始条件（对于稳态热力算例，应将“时间步长字段”设定为1）稳态稳态复选此选项可指定稳态传热分析8.2传热分析属性设置项目名称内容求解类型瞬态复选此按钮可运行瞬态热力算例液对流选项包括SOLIDWORKSFlowSimulation中的液体对流效应复选该选项可读取根据从文件的同一配置完成的FlowSimulation算例而计算的对流系数。选择所需的由FlowSimulation生成的FlowSimulation结果文件(*.fld)。屏幕上将显示与指定的文件相关联的模型名称、配置名称及流动迭代数。此选项不可用于2D简化算例解算器选项自动复选此选项将允许该软件选择要使用的解算器IntelDirectsparse选中此选项可在运行算例时使用IntelDirectSparse解算器FFEPlus复选此选项可以在运行算例时使用FFEPlus解算器Results文件夹接受默认的文件夹，或者通过浏览为结果选择另一个位置8.3实例：芯片板翅式散热器稳态散热仿真Solidworkssimulation仿真教程第7章 优化分析建立模型稳态传热仿真参数设置后处理及结果分析建立模型本案例为芯片板翅式散热仿真，仿真使用的模型为芯片零件和散热器零件组成的装配体。其草图为长24mm、宽16mm的长方形，而后左凸台拉伸，拉伸尺寸为3mm。（1）创建芯片零件模型建立模型散热器零件模型草图底板长32mm，高5mm，底板上方均布8个相同尺寸的散热翅片，每个翅片高度为15mm，宽度为2mm，翅片顶端转角处做了圆角，圆角半径为0.5mm，相邻翅片间的空隙宽度为2mm。而后进行凸台拉伸，拉伸尺寸为20mm。（2）创建板翅式散热器零件模型建立模型底面切割：首先建立矩形草图，该草图尺寸与芯片草图尺寸相同，长24mm，宽16mm，而后退出草图；（2）创建板翅式散热器零件模型建立模型单击①【插入】，在下拉列表中选择②【曲线】，然后选择③【分割线】，弹出如图813所示的界面。（2）创建板翅式散热器零件模型建立模型底面切割操作如下图六个步骤所示（2）创建板翅式散热器零件模型建立模型装配完成的零件如下图所示（3）零件装配2.稳态传热仿真参数设置模型建立完成后，即可建立散热算例，步骤如图819散热算例建立方法所示，依次单击①【Simulation】、②【新算例】、③【热力】按钮，然后输入算例名称，可自己随意命名，最后单击⑤【对号】确定。（1）建立稳态散热算例2.稳态传热仿真参数设置首先找到所新建算例的设计树中，找到芯片和散热结构两个零件，然后如步骤一所示：右键单击①散热结构零件，在弹出的下拉列表中左键单击②【应用/编辑材料】选项，即可打开材料编辑对话框。（2）材料设置2.稳态传热仿真参数设置打开的【材料】编辑对话框中，根据各部分所用材料在左侧选择相应的材料，在下方列表中进一步选择①【6063-T1】，单击②【应用】按钮。同样的方式可进行芯片材料的选择（2）材料设置2.稳态传热仿真参数设置打开的【材料】编辑对话框中，根据各部分所用材料在左侧选择相应的材料，在下方列表中进一步选择①【6063-T1】，单击②【应用】按钮。同样的方式可进行芯片材料的选择（2）材料设置2.稳态传热仿真参数设置首先在稳态传热算例的设计树中找到【连接】，单击打开其中的【零部件交互】，右键单击①【全局交互】，并在打开的下拉列表中，选择②【删除】选项。（3）连接设置2.稳态传热仿真参数设置新建交互设置，首先右键单击算例设计树中的【连接】，在打开的下拉列表中选择【本地交互】选项，打开如图825所示的界面，开始本地交互设置。①选择交互类型，此处选择【热阻】，假定芯片和散热器贴合面之间是存在热阻的；然后单击②所在输入框，再选择散热器底面上与芯片贴合的矩形面，即③所在区域；同理，按照④和⑤选定另一个交互面，即芯片上与散热器贴合的面；然后单击⑥【分布】，并在⑦位置处输入数值1e-5，表示热阻为10-5。（3）连接设置2.稳态传热仿真参数设置（3）连接设置2.稳态传热仿真参数设置首先右键单击【热载荷】，在下拉列表中选择【热量】选项；单击【所选实体】下的选择框①；然后打开设计树，选择②【芯片】实体；注意此处不要用鼠标在模型上单击芯片来选择，因为在模型上选择，只会选中芯片实体的表面，而非将芯片实体作为发热源。在③位置处输入热量数值为40，并单击④【对号】。（4）设置热源2.稳态传热仿真参数设置（4）设置热源2.稳态传热仿真参数设置首先打开对流散热设置框。步骤：在传热算例的设计树中找到【热载荷】，右键单击【热载荷】，在打开的下拉框中选择【对流】。①【所选实体】下的选择框；第二步：在模型上左键单击芯片上的各个对流散热面②，此处芯片的前后左右和上表面均是对流散热面，芯片下表面属于热传导，因此不要选芯片下表面；第三步：设置对流换热系数，输入值为100；读者应注意：不同工况下的对流换热系数的值是不同的，读者应根据实际情况进行设置，该数值通常需要实验测定或结合流体仿真来获取。第四步：设置总体环境温度，单位为K时，输入293，表示芯片周围空气温度为20℃；最后单击⑤【对号】，确认设置。（5）设置对流散热2.稳态传热仿真参数设置（5）设置对流散热2.稳态传热仿真参数设置设置散热器的对流散热。左键单击①位置，激活【所选实体】，单击②【选取所有敞开面】，此时芯片和散热器模型中所有面均被选中。但芯片上的六个面和散热器底面上的中心矩形区域均不属于散热器的对流散热面，因此需要像③和④所示，取消这几个面的选择；【选取所有敞开面】这种选择方式能够很好地解决这个问题，但需要注意的是，使用这种方式时，一定要在模型上取消选择不需要的面。步骤五：设置对流换热系数，输入值为230；步骤六：设置环境温度，输入值293，单位K；第七步，单击⑤【对号】，完成设置。（5）设置对流散热2.稳态传热仿真参数设置（5）设置对流散热2.稳态传热仿真参数设置右键单击稳态传热算例的设计树中的①【网格】选项，在下拉列表中选择②【生成网格】选项，即可打开图829b所示网格设置界面进行网格设置。步骤一：如果想要提高网格密度，即减少单个网格尺寸，增加网格数量，可简单将①【网格密度】滑块向右滑动。如果滑块划到最右边之后，还想要进一步缩小网格尺寸，增加网格数量，可按照步骤二所示，修改②网格尺寸，包括修改最大网格尺寸和最小网格尺寸；最后单击③【对号】，确认设置，即可自动划分网格（6）网格划分2.稳态传热仿真参数设置（6）网格划分2.稳态传热仿真参数设置首先右键