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1、 CAD/CAM 实践性教学实践性教学 题目名称 CPU 散热器 CAD/CAE 综合 设计分析 学生学院 机电工程学院 组 员 指导教师 高伟强 卜研 2014 年 7 月 7 日 目录目录 1.设计选题概述1 1.1 设计选题目的和意义1 1.2 设计的总体构思1 1.3 主要内容及设计小组分工.2 2. CAD 零件建模和装配建模2 2.1 风扇叶片建模.2 2.2 底座建模 6 2.3 散热片建模 8 2.4 装配建模 9 3CAD 工程图纸设计.11 4CAE 工程分析12 4.1 CPU 散热器的运动仿真12 4.2CPU 散热器的 ansys 有限元分析 12 5主要零件 CAM
2、 数控编程及加工仿真分析.23 6设计总结及自我评价27 参 考 文 献28 1 1.设计选题概述设计选题概述 1.11.1 设计选题目的和意义设计选题目的和意义 1.1.1 目的 （1）学习 CAD 零件几何建模和产品装配建模的基本理论的基础。 （2）掌握 UG 系统线框建模、 曲面建模、 实体建模和装配建模的基本方法。 （3）学习 ANSYS 有限单元分析的基本理论和软件操作 （4）学习并掌握 CAD/CAM 数控自动编程的基本理论和软件操作 1.1.2 意义（1）CPU 散热器对电脑 CPU 的良好工作和使用寿命有很大的影响， 本文主要以 CPU 散热器为研究对象，通过 UG8.0 对其
3、进行了设计，利用 ANSYS 对风扇叶片的模态分析、散热片的热效应分析，使设计的结果更加完善。 （2）CAD/CAM 技术被视为 20 世纪最杰出的工程技术成就之一， 其应用水平 已成为衡量一个国家科学技术发展和工业现代化程度的重要标志，机械 CAD/CAM 技术开发研究和应用人才是社会大量急需专业人才。课程学习使我们 掌握机械 CAD/CAM 技术的基本理论知识，掌握 CAD/CAM 系统的学习方法，能 够较熟练地运用一种 CAD/CAM 系统进行三维参数化建模，进行一般的产品机械 结构设计， 开展结构力学的工程分析和仿真， 完成复杂零件的数控自动编程 和数控仿真。 在此基础上使我们具备进一
4、步提升设计知识、工程应用技能的自 学能力。并培养进行自主学习、项目组织、合作的能力，提高创新意识。 1.21.2 设计的总体构思设计的总体构思 此次造型设计及编程主要用到的是 Unigraphics NX8.0 软件。首先利用 UG 的 建模模块和外观造型模块，进行 CPU 散热器的三维造型进行设计，使用 UG8.0 中自带的运动仿真系统进行仿真，对作品进行运动仿真。再用 UG 的 CAM 模块 对设计好的主要部件的造型进行数控加工刀路的编制，最后用 UG 自带的仿真 系统进行模拟加工，进 一步提高 UG 软件进行零件造型设计和数控编程。在设 计过程中，使用 ansys12.1 对零部件进行分
5、析，如分析叶片的模态分析，散热 片的热分析。 1.31.3 主要内容及设计小组分工主要内容及设计小组分工 1.3.1 主要内容 2 CPU 散热风扇的设计内容包括部件建模、加工仿真、部件组装、整体渲染、 运动仿真、有限元分析等。CPU 散热器的造型主要以直线平面为主，用到的主 要命令有拉伸、合并、镜像、阵列、倒圆角等。其中扇叶为复杂曲面，需要通 过艺术样条曲线绘制曲线草图，通过投影命令剪切曲面，再通过加厚命令形成 叶片。 1.3.2 小组分工 2.2. CADCAD 零件建模和装配建模零件建模和装配建模 2.12.1 风扇叶片建模风扇叶片建模 画出风扇的中间部分 叶片曲线草图绘制，通过投影形成
6、叶片的形状 3 通过曲线组命令形成曲面 绘制艺术样条曲线对曲面进行剪切 加厚曲面 4 阵列叶片，形成如下效果 最终效果图 5 2.22.2 底座建模底座建模 建模过程如下 6 7 8 最终效果图 2.32.3 散热片建模散热片建模 散热片建模比较简单，过程就不一一列出，其最终效果图如下 9 2.42.4 装配建模装配建模 选择散热片为第一个部件，约束条件为绝对原点约束 选择底座，通过约束进行定位，约束命令分别是接触对齐和距离约束，如图所 示 10 最后选择风扇叶片，约束命令是接触对齐（自动判断中心轴）和距离距离约束 命令 11 最终装配效果图如下 最终的渲染效果图如下 3 3CADCAD 工程
7、图纸设计工程图纸设计 散热片、底座、风扇叶片的工程制图见附件。 12 4 4CAECAE 工程分析工程分析 4.14.1 CPUCPU 散热器的运动仿真散热器的运动仿真 由于 CPU 的运动仿真比较简单，其中把散热片作为一个连杆固定于大地， 底座也作为一个连杆，风扇叶片也作为一个连杆，再在底座和风扇两连杆建立 一个旋转副，给其加上恒定的周期旋转运动即可，具体的仿真文件和动画见附 件。 4.24.2CPUCPU 散热器的散热器的 ansysansys 有限元分析有限元分析 （1）风扇叶片的模态分析 前期参数设置 13 定义分析单元 定义材料属性 14 网格划分 施加载荷 15 求解结果 模型前五
8、阶振动频率 16 一阶模态 变形图 节点位移图 二阶模态 变形图 17 节点位移图 三阶模态 变形图 18 节点位移图 四阶模态 变形图 19 节点位移图 五阶模态 变形图 20 节点位移图 通过对风扇叶片的振动特性分析，在旋转离心力带来预应力的作用下，其 模态频率与对应振型会发生较大的改变，因此在生产设计中应予以考虑叶片固 有频率与振型的变化。可以通过调整叶片材料的密度、弹性模量、泊松比等参 21 数来调节叶片的激励频率，还可以合理调整叶片外形也可以达到调整激励频率 的目的。由于课程设计的时间比较紧，所以我们小组决定课后再对此问题进行 深入研究。 （2）散热片的热分析 假设纯铜的散热片底部初
9、始温度为 60，放在温度为 23的环境中,已知其 换热系数 542W/*K，纯铜的比热为 386J/kg*，密度为 8930kg/m，导热系 数为 398W/m*K，计算散热片 1800s 后的温度场分布。 1. 问题分析 此问题属于热瞬态分析（载荷随时间变化），选用 SOLID70 三维六面体单元进 行有限元分析。 SOLID70三维热实体，具有 8 各节点，每个节点一个温度自由度。该单元可 用于三维的稳态或瞬态的热分析问题。 2. 操作步骤 2.1 定义材料属性 22 2.2 划分单元 2.3 施加对流换热载荷 23 2.4 施加初始温度 选择散热片底部施加 60 度的温度载荷 2.5 设
10、置温度偏移 3 分钟后其温度场分布如图所示 24 由图可知，散热片底部靠近 cpu，将热量传递到其他地方，温度较高，散热也 较其他地方慢；中间薄片温度较低，散热效果好。在中间薄片上方吹风，加快 空气流动能有效提高散热效果。 5 5主要零件主要零件 CAMCAM 数控编程及加工仿真分析数控编程及加工仿真分析 平面铣和型腔铣是为精加工作准备的两种常用粗加工方法，适用于需大量切除 毛坯余量的场合。他们通过逐层切削零件的方式，来创建加工刀具路径，从而 粗切出零件的型腔或型芯。而本次数控加工主要对象为风扇底座，主要涉及平 面铣和型腔铣两个工序。 主要加工流程如下： 1.打开已建好的模型如图 5.1 所示
11、，进入加工模块，创建 mill_contour 加工方 式如图 5.2 所示，单击确定按钮完成加工方式创建。 25 图 5.1 图 5.2 2.建立加工坐标系，并设定安全高度（距离上表面 12mm）；设置加工工件和毛 胚。 图 5.3 图 5.4 3.单击创建刀具按钮如图 5.5 所示，刀具子类型选择圆柱形平底立铣刀，刀具 名称为 D5r0，单击确定按钮对刀具参数进行设定，如图 5.6 所示，刀具直径选 择 5mm，底圆角半径选择 0mm，其余参数保持不变。 26 图 5.5 图 5.6 4.建立加工工序。并进行如下图所述操作。 图 5.8 图 5.9 27 图 5.10 5. 单击生成刀轨按
12、钮，得到如图 5.11 所示的刀具轨迹 图 5.11 6.进行后处理工作，选择工具工序导航器输出 UX_postMILL_3_AXIS_TURBO确定可得到数控代码如下图所示。 28 6 6设计总结及自我评价设计总结及自我评价 由于使用的软件都是非正版的，所以一开始在对 UG 和 ANSYS 的安装上花了不少 时间，最后通过不同电脑尝试和网上查找资料还是基本解决了问题。本次小组 对于两个软件之前接触不多，尤其是 ansys 没有中文版，全英的界面给我们带 来一定的难度。 本次小组首先是通过 UG 完成实体建模部分，在此过程中加深了对 UG 的掌握， 小组通过讨论互相学习，网上查找资料，图书馆借
13、书查阅等，基本解决了遇到 的问题，这对于小组成员的团队分工，以及自学能力都有很大帮助。 完成实体建模以及运动仿真后，小组作品进行了 ansys 的有限元分析模块。相 对于 UG 来讲，ansys 网上的资料相对较少，因此我们更多的是借助网上的资料 来查阅学习，对于新的界面，再加上英语水平的限制，进展相对较慢。最后小 组还是基本完成了分析任务，但对于 ansys 这个软件也只是了解而已，还没有 完全熟悉掌握，尚有部分模块没有涉足。 29 参参 考考 文文 献献 1机械 CAD/CAE/CAM 技术 华中科技大学 高伟强等主编 2 UG NX6.0 入门与提高（中文版） 清华大学出版社 荣建刚等主编 3UG NX 8.0 快速入门教程展迪优主编 第 3 版 机械工业出版社，2012 4UG NX 8.0 典型实例解析江洪, 郦祥林等编著第 3 版 械工业出版社 2012 5UG NX 7.5 产品设计一体化解决方案模具设计+数控编程篇野火科技组 编；李锦标等编著机械工业出版社，2011 6ANSYS 工程应用范例入门与提高张朝晖主编清华大学出版社，2004 7 UG NX 6.0 数控加工教程/展迪优主编机械工业出版社 第 3 版 2013
