文档介绍：白皮书热分析摘要在本白皮书中,我们针对产品设计有关的热分析概念进行了定义和概要阐述。我们以实际产品为例,对传导、对流和辐射的原理进行了讨论。我们还将阐释开展热分析的方式和方法,特别介绍如何使用设计验证软件来模拟热力环境。同时,我们还将列出热力设计验证软件所需具备的功能,并通过实例展示如何使用SolidWorks产品来解决设计难题。热分析简介20世纪90年代,为了降低产品开发所需的成本和时间,传统的原型制造和测试在很大程度上已被模拟驱动的设计流程所取代。有了这一流程,工程师对昂贵而又耗时的物理原型的需求大大减少,只需使用易于修改的计算机模型即可成功预测产品的性能(图1)。设计流程的变化传统的产品模拟驱动的产品设计流程设计流程设计CAD模拟多次只需一次!原型制造原型制造多次只需一次!测试测试生产生产图1:传统产品设计流程与模拟驱动的产品设计流程在研究缺陷、变形、应力或自然频率等结构问题时,设计验证工具的价值是不可估量的。但是,新产品的结构性能仅仅是设计工程师所面临的诸多难题之一。还有许多其他常见问题是与热力相关的,其中包括过热、缺乏尺寸稳定性、过高的热应力,以及与产品的热流和热力特征相关的其他难题。热力问题在电子产品中普遍存在。在设计冷却扇和散热器时,必须权衡小体积与足够的散热能力这两方面的需求。同时,紧凑的组装还必须确保空气的充分流动,以防印刷电路板在过高的热应力下变形或断裂(图2)。图2:要进行电子封装,需要对如何排出电子零部件所产生的热量进行仔细分析。热分析第1页在传统的机器设计中,也大量存在热力问题。有很多产品必须进行温度、散热和热应力分析,其中一些十分明显的示例包括:引擎、液压缸、电机或电动泵。简而言之,任何消耗能量来执行某种实用工作的机器都不例外。或许材料加工机器不太需要进行热分析,但这些机器的机械能转化成热能,不仅影响机器零件还影响机器本身。这种情况不仅存在于精密的机器设备中,还存在于破碎机等大功率机器中。在精密机器设备中,热膨胀可能影响切割工具的尺寸稳定性;在大功率的机器中,零部件可能因高温和热应力而受到损坏(图3)。图4:种植牙必须不影响周围组织的热力状况,而且必须能够承受热应力。图3:在设计工业破碎机的传动和载荷时,潜在过热问题是一个十分重要的考虑因素。这里涉及到的第三个示例,是为了说明大多数医疗设备应该进行热力性能分析。给药系统必须确保所给药物的温度合适,而手术设备必须确保组织免遭过度热冲击。同样,体移植物不得干扰体内的热流,而种植牙也必须承受剧烈的外部机械载荷与热载荷(图4)。最后,所有的家用电器产品,例如电热炉、电冰箱、搅拌器、电熨斗和咖啡机(任何需要靠电力才能运行的设备),都应进行热力性能分析以避免过热现象。这不仅适用于使用交流电源的消费类产品,还适用于由电池供电的设备,例如遥控玩具和无线电动工具(图5)。图5:要对无线工具上的高容量电池进行充分冷却,就需要对热力状况有所了解。热分析第2页利用设计验证来进行热分析上述所有热分析问题以及其他更多问题都可以使用设计验证软件来进行模拟。大多数设计工程师对这种结构分析方法都已经十分熟悉,所以将其应用范围扩展到热分析基本上不需要更多培训。结构模拟和热模拟基于完全相同的理念,遵循定义清晰的相同步骤,并具有很多的相似性(图6)。此外,与结构分析的运行方式一样,热分析也是使用CAD模型进行的,所以,一旦创建了CAD模型,无需太多额外的努力,即可完成热力验证。通过运行热分析,可以在模型中观察温度分布、温度梯度和热流,以及模型及其周围环境之间交换的热量。结构分析热分析位移温度温度温度梯度温度温度梯度热流量应变热流量图7:热力设计验证提供的典型结果图6:结构和热力设计验证之间的相似性温度等热力效应很容易模拟,但是测量起来可能非常困难,对于内部零件或装配体尤为如此,在温度剧烈变化的情况下也是这样。这往往意味着,如果工程师有兴趣了解其产品的具体热力状况,基于软件的设计验证可能是唯一传热机制主要特征可用的方法。传导负责实体内的热量流动。对流负责热量进入实体和从实体中释放。传热的基础知识对流传热要求实体周围是流体,例如空气、水、油等。传导和对流辐射负责热量进入实体和从实体中释放。有三种传热机制:传导、对流和辐射。传导描述的是实体内的热量流动,实辐射传热不需要实体周围有任何流体,在流体中和真空中都能进行。体经常作为CAD零件或装配体建模。对流和辐射都涉及实体和环境之间的热辐射传热始终存在,但是仅在温度较高的情况下才比较明显。量交换。图8:三种传热机制的主要特征热分析第3页传导传热的一个示例是通过壁体的热量流动。传递的热量与诸多因素成正比:壁体热的一侧THOT和冷的一侧TCOLD之间的温差;壁体的面积A;壁体厚度L的倒数。比例系数K(称为热导率)是众所周知的材料属性(图9)。锌银金属镍铝