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1、武汉工程大学有限元课程设计（论 文）换热器热应力耦合分析学 院（系）： 机电工程学院 专 业： 过程装备与控制工程 学 生 姓 名： . 学 号： 指 导 教 师： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 2015.12.29 大连民族学院2007届机械设计制造及其自动化专业本科毕业论文摘 要换热器是传热工程必不可少的设备，几乎一切工业领域都要使用。化工,冶金，动力，交递，航空与航天部门应用尤为广泛。在底部有热源作用的散热片，主要通过传导与对流进行热交换。为保证散热片的散热性能达到设计的要求，从而避免电子产品因过热而造成损坏，就需要对其进行热分析，计算在实际工况下的温度分布，校核其散热性能。因此，
2、对换热器进行热应力耦合分析具有十分重要意义。传统方法的热分析其温度变化必须是非常的缓慢，而且在升降温过程中的不易控制，难以正确校核其散热性能。随着计算机技术的发展，使得有限元法有着突飞猛进的进展。结合计算机辅助设计技术，有限元法也被用于计算机辅助制造中。ANSYS的热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，正确模拟散热片的工况，通过有限元法计算各节点的温度分布，并由此导出其他热物理参数，为散热片的设计选材提供合理的参数，使产品的研发更加快速、高效和经济。关键词：换热器；有限元；ANSYS；散热片- I -大连民族学院2007届机械设计制造及其自动化专业本科毕业论文Heat exchangercoup
3、ledthermal stressanalysisAbstractHeat transfer engineering is essential equipment to be used almost all industrial fields. Chemical, metallurgical, power, handoff, application of aviation and aerospace sector is particularly extensive. In the bottom of the heat sink effect, mainly through conduction
4、 and convection heat exchange. To ensure the heat sink thermal performance to meet the design requirements, so as to avoid overheating of electronic products due to damage to its thermal analysis requiredto calculate the temperature distribution in the actual conditions, check the heat dissipation.
5、Therefore, thermal stress coupled heat exchanger analysis is of great significance. Traditional methods of thermal analysis the temperature change must be very slow, and in heating and cooling process difficult to control, difficult to properly check its thermal performance. With the development of
6、computer technology, finite element method has made rapidprogress. Combined with computer-aided design,finite element method is also used in computer-aided manufacturing. ANSYS thermal analysis is based on the principle of conservation of heat energybalance equation, the correct simulation of the he
7、at sink conditions, the finite elementmethod to calculate the temperature distribution of each node, and thus other thermalphysical parameters derived for the design of heat sink to provide a reasonableselection of parameters Make product development more rapid, efficient and economical.Key Words：He
8、atcontrol；Finite element；ANSYS；Heatsink- III -目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论.11.1 引言11.2 计算机仿真技术的发展11.3 热分析方法的选择2第二章 课题相关知识介绍42.1散热片知识42.1.1散热片的材质比较42.1.2散热片结构的设计42.2有限元分析理论与ANSYS62.2.1有限元分析理论62.2.2有限元常用术语72.2.3 ANSYS架构及命令72.2.4 ANSYS分析典型过程与功能82.2.5 国内外发展状况92.2.6有限元热分析原理9第三章 ANSYS三维模拟计算过程133.1 散热片模型及几何尺寸13
9、3.2 ANSYS有限元分析进程143.2.1 ANSYS环境简介143.2.2 ANSYS的建模过程153.2.3 操作条件的确定153.2.4 边界条件的确定153.2.5 计算结果与分析16第四章 结论21谢 辞22参考文献23附录：散热片模型建模程序24换热器热应力耦合分析第一章 绪论1.1 引言热分析主要用于计算一个系统或部件的温度分布及其他热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量）等。热分析在许多工程中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。第三次工业革命是以计算机的应用为代表的。计算机的应用使虚拟技术变为现实。目前，计算机仿真已应用于各个领域
10、，并带来了革命性的效果。它也将为热分析的发展做出贡献。 ANSYS热分析包括热传导、热对流、热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。1.2 计算机仿真技术的发展计算机仿真技术（Computer Imation Technology）又称虚拟样机技术（Virtual Prototype Technology），是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程（CAE）技术。计算机仿真技术是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综
11、合性技术。它集成了计算机技术、网络技术、图形图象技术、面向对象技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识。计算机仿真技术具有经济、安全、可重复和不受气候、场地、时间限制的优势，被称为除理论推导和科学试验之外的人类认识自然和改造自然的第三种手段。计算机仿真技术的发展与控制工程、系统工程及计算机工程的发展有着密切的联系。一方面，控制工程、系统工程的发展，促进了仿真技术的广泛应用；另一方面，计算机的出现以及计算机技术的发展，又为仿真技术的发展提供了强大的支撑。计算机仿真一直作为一种必不可少的工具，在减少损失、节约经费开支、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥着重要的作用。计算
12、机仿真的发展，经历了简单原型、物理模型、通用编程语言、仿真专用语言、仿真结果的动态显示及可视化交互式仿真等一系列阶段。计算机仿真发展与应用的历程，就是在实际应用需求的牵引下， 在不断涌现出与发展的相关新技术的推动下，融合新的建模与仿真方法学而不断发展起来的。随着计算机科学技术的飞速发展, 多媒体技术、虚拟现实、人工智能、面向对象方法、可视化与图形界面等方面皆取得了巨大进展，对系统建模与仿真技术的发展亦相应地产生了广泛与深刻的影响。因而，近年来在仿真方法研究、仿真技术研究、系统仿真应用等方面都取得了显著的成就和效益。我们完全有理由相信，计算机仿真技术在国防建设和国民经济建设中将发挥越来越重要的作
13、用。1.3 热分析方法的选择热分析是对一个具体设计方案的热场行为进行分析和计算，获取温度场分布情况，通过分析温度分布场极值点的情况，反馈至布局布线和热设计过程中，提供具体的改进方案，形成一种设计、分析、再设计、再分析的设计流程。热分析的研究方法主要有解析法、实验分折方法、数值计算法。解析法以数学分析为基础求解定解问题，并得出用数学函数形式表示的解，这个函数表示所在区域内一种连续的温度分布。解析法通常用于有规则边界的问题。主要优点是：整个求解过程中物理概念与逻辑推理都比较清晰、求解过程中所依据的数学基础犬都己有严格的证明、求得的精确解可靠，且能比较清楚地表示出各种因素(如坐标、时间、各定解条件)
14、对温度分布的影响。缺点是这种解法的适用范围非常有限，只能用于求解比较简单的问题。模拟法是根据电热类比原则，将热路问题转化为电路问题，热阻对应为电阻，温度对应为电势，电流对应为热流，然后用电路分析的方法对传热问题进行分析又称热阻热路法，是一种等效集总参数的计算方法，简便易行，但精度不高，多用于估算。数值计算法包括有限差分法和有限元法。有限差分法需要针对每一节点写微分方程，并且用差分方程代替导数。在热分析中，它从传热微分方程出发，将区域用网格离散处理后，用近似的差分商代替微分商，得到近似的数值解。这种方法忽视了节点单元的连续行，只能用于简单问题的求解。有限元法使用公式方法（直接公式法、最小总势能公
15、式法和加权余数法）而不是微分方程法建立系统的代数方程组，而且有限元法假设代表每个元素的近似函数是连续的，它吸取了差分法中对求解域迸行离散处理的启示，又继承了里兹法变分计算中选择试探函数并对区域积分的合理方法。从实质上看，有限元法与里兹法是等效的，它属于里兹法的范畴，多数问题的有限元方程都是利用变分原理来建立的。但是由于有限元法采用了离散处理，所以他它较里兹法的计算更为简单，处理的问题更为复杂，因而具有更广泛的实用价值。有限元与其他分析方法相比具有以下几个优越性：1) 能够分析形状复杂的结构。由于离散单元不限制为均匀的规则单元，单元形状有一定任意性，单元大小可以不同，且单元边界可以是曲线或曲面，因此分析结构可以具有非常复杂的形状，它不仅可以是复杂的平面结构或轴对称结构也可以是三维曲面结构或实体结构。2) 能够处理复杂的边界条件。在有限元法中，边界条件不需要引入每个单元的特性方程，而是在求得整个结构的代数方程后，对有关特性矩阵进行必要的处理，所以对内部和边界上的单元都采用相同的场变量函数。而当边界条件
