結(jié)構(gòu)熱設(shè)計基本理論

1、結(jié)構(gòu)熱設(shè)計與有限元方法 2013年年01月月07日日結(jié)構(gòu)熱設(shè)計 -基礎(chǔ)理論結(jié)構(gòu)熱設(shè)計與有限元方法目錄一、簡介一、簡介二、二、 熱分析基礎(chǔ)知識熱分析基礎(chǔ)知識n傳熱學基本理論傳熱學基本理論符號與單位熱傳遞的方式熱力學第一定律熱分析的控制過程三、自然冷卻熱設(shè)計三、自然冷卻熱設(shè)計n散熱器介紹散熱器介紹 提高表面積提高換熱系數(shù)n戶外設(shè)備（機柜）的熱設(shè)計戶外設(shè)備（機柜）的熱設(shè)計太陽輻射對戶外設(shè)備的影響戶外柜的傳熱設(shè)計四、總結(jié)四、總結(jié)結(jié)構(gòu)熱設(shè)計與有限元方法目錄（續(xù)）n機箱熱設(shè)計機箱熱設(shè)計機箱熱設(shè)計的選材模塊的散熱量的計算機箱輻射換熱的考慮機箱的表面處理n單板級的熱設(shè)計單板級的熱設(shè)計元器件布局的熱設(shè)計原則導熱

2、介質(zhì)的選取PCB板的熱設(shè)計原則n散熱器的選擇與設(shè)計散熱器的選擇與設(shè)計 自然冷卻方式的判別自然冷卻散熱器的設(shè)計要點強化自然冷卻效果的措施結(jié)構(gòu)熱設(shè)計與有限元方法一、簡介oANSYS是世界上著名的大型通用有限元計算軟件，它包括熱、電、磁、流體和結(jié)構(gòu)等諸多模塊，具有強大的求解器和前、后處理功能，為我們解決復雜、龐大的工程項目和致力于高水平的科研攻關(guān)提供了一個優(yōu)良的工作環(huán)境，更使我們從繁瑣、單調(diào)的常規(guī)有限元編程中解脫出來。ANSYS本身不僅具有較為完善的分析功能，同時也為用戶自己進行二次開發(fā)提供了友好的開發(fā)環(huán)境。oANSYS程序自身有著較強的三維建模能力，僅靠ANSYS的GUI(圖形界面)就可建立各種復

3、雜的幾何模型；此外，ANSYS還提供較為靈活的圖形接口及數(shù)據(jù)接口。因而，利用這些功能，可以實現(xiàn)不同分析軟件之間的模型轉(zhuǎn)換。 結(jié)構(gòu)熱設(shè)計與有限元方法一、簡介o主要模塊結(jié)構(gòu)熱設(shè)計與有限元方法一、簡介o1. ANSYS/Mechanical：該模塊提供了范圍廣泛的工程設(shè)計分析與優(yōu)化功能，這些功能包括完整的結(jié)構(gòu)、熱、壓電及聲學分析。是一個功能強大的設(shè)計校驗工具，可用來確定位移、應(yīng)力、作用力、溫度、壓力分布以及其它重要的設(shè)計標準。o2. ANSYS/Structural：通過利用其先進的非線性功能，該模塊可進行高目標的結(jié)構(gòu)分析，具體包括：幾何非線性、材料非線性、單元非線性及屈曲分析。該模塊可以使用戶精確

4、模擬大型復雜結(jié)構(gòu)的性能。o3. ANSYS/Linear plus：該模塊是從ANSYS/Structural派生出來的，一個線性結(jié)構(gòu)分析選項，可用于線性的靜態(tài)、動態(tài)及屈曲分析，非線性分析僅包括間隙元和板/梁大變形分析。o4. ANSYS/Thermal：該模塊同樣是從ANSYS/Mechanical中派生出來的，是一個可單獨運行的熱分析程序，可用于穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)熱分析。o5. ANSYS/Flotran：該程序是個靈活的CFD軟件，可求解各種流體流動問題，具體包括：層流、紊流、可壓縮流及不可壓縮流等。o6. ANSYS/Emag：該程序是一個獨立的電磁分析軟件包，可模擬電磁場、靜電學、電路及電流

5、傳導分析。當該程序與其它ANSYS模塊聯(lián)合使用時，則具有了多物理場分析功能，能夠研究流場、電磁場及結(jié)構(gòu)力學間的相互影響。結(jié)構(gòu)熱設(shè)計與有限元方法二、熱分析基礎(chǔ)知識o符號與單位符號與單位項目國際單位英制單位ANSYS代號長度mft時間ss質(zhì)量Kglbm溫度oF力Nlbf能量（熱量）JBTU功率（熱流率）WBTU/sec熱流密度W/m2BTU/sec-ft2生熱速率W/m3BTU/sec-ft3導熱系數(shù)W/m-BTU/sec-ft-oFKXX對流系數(shù)W/m2-BTU/sec-ft2-oFHF密度Kg/m3lbm/ft3DENS比熱J/Kg-BTU/lbm-oFC結(jié)構(gòu)熱設(shè)計與有限元方法二、熱分析基礎(chǔ)知

6、識o熱傳遞的方式熱傳遞的方式傳導：傳導：兩個良好接觸的物體之間的能量交換或一個物體內(nèi)由于溫度梯度引起的內(nèi)部能量交換。熱傳導遵循付里葉定律： ， 為熱流密度（W/m2），k為導熱系數(shù)（W/m-），“-”表示熱量流向溫度降低的方向。 對流：對流：在物體和周圍介質(zhì)之間發(fā)生的熱交換。原因：主要發(fā)生在固體表面與周圍接觸的流體之間，由于溫度差引起的能量交換。自然對流和強制對流。熱對流用牛頓冷卻方程： ，h為對流換熱系數(shù),為固體表面的溫度， 為周圍流體的溫度。 輻射：輻射：一個物體或兩個物體之間通過電磁波進行的能量交換。原因：物體發(fā)射電磁能，并被其他物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃拷粨Q的過程。溫度越高，則單位時間輻射的能

7、量越多。熱傳導和熱對流都需要有傳熱介質(zhì)，而熱輻射無需任何介質(zhì)。dxdTkq q)(BSTThq TSTB結(jié)構(gòu)熱設(shè)計與有限元方法二、熱分析基礎(chǔ)知識o熱力學第一定律熱力學第一定律 兩能量既不能消失，也不能創(chuàng)造，但可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一中形式，也可以從一種物質(zhì)傳遞給另一種物質(zhì)，在轉(zhuǎn)化和傳遞過程中，能量的總和保持不變。這是自然界的一個普遍的基本規(guī)律，在熱力學中稱為熱力學第一定律。對于一個封閉的系統(tǒng)（沒有質(zhì)量的流入或流出對于一個封閉的系統(tǒng)（沒有質(zhì)量的流入或流出 式中： Q 熱量; W 作功; 系統(tǒng)內(nèi)能; 系統(tǒng)動能； 系統(tǒng)勢能；對于大多數(shù)工程傳熱問題：通常考慮沒有做功： W=0 , 則： ；對于穩(wěn)態(tài)熱分

8、析： ，即流入系統(tǒng)的熱量等于流出的熱量；對于瞬態(tài)熱分析： ，即流入或流出的熱傳遞速率q等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化。 PEKEUWQUKEPE0PEKEUQ0UQdtdUq 結(jié)構(gòu)熱設(shè)計與有限元方法三、自然冷卻熱設(shè)計o散熱器介紹散熱器介紹散熱器即為一散熱擴展面，熱阻表征其散熱性能的優(yōu)劣。 熱量在熱流路徑上遇到的阻力，反映介質(zhì)或介質(zhì)間的傳熱能力的大小，表明了 1W熱量所引起的溫升大小，單位為/W或K/W。在傳熱學的工程應(yīng)用中常常通過減小熱阻以加強傳熱。 注：開氏溫度等于攝氏溫度加273。 結(jié)構(gòu)熱設(shè)計與有限元方法三、自然冷卻熱設(shè)計o提高散熱能力的方法提高散熱能力的方法（1）增加表面積 提高表面積A而言就是要在

9、相同空間內(nèi)適當增大散熱面積，新工藝散熱器不斷降低翅片厚度，提高翅片密度也主要是基于這方面考慮。結(jié)構(gòu)熱設(shè)計與有限元方法三、自然冷卻熱設(shè)計o提高散熱能力的方法提高散熱能力的方法（1）增加表面積 增加散熱表面積應(yīng)該綜合考慮結(jié)構(gòu)要求、成本、風壓、散熱效率和加工工藝等條件。散熱器的肋片以薄為宜,但過薄則加工困難。在散熱器外形尺寸一定時,肋片間距越小則熱阻越小,但間距過小會增大風阻,反而影響散熱。增大肋片高度可增大散熱面積,也就是可增大散熱量。但對于等截面直肋,肋片高度增加到一定程度后,傳熱量就不再增加了,若再繼續(xù)增加肋高,則會導致肋片效率急劇下降,并且會增大風阻。結(jié)構(gòu)熱設(shè)計與有限元方法三、自然冷卻熱設(shè)計

10、（2）提高換熱系數(shù)h 就提高換熱系數(shù)而言，可以提高散熱器表面流速，被動散熱就是加大系統(tǒng)風速，主動散熱就要提高板級風扇的流量；結(jié)構(gòu)熱設(shè)計與有限元方法三、自然冷卻熱設(shè)計（2）提高換熱系數(shù)h 各種傳熱方式傳熱系數(shù)的大致范圍如附表所示1。對空氣而言，自然風冷時的傳熱系數(shù)是很低的，最大為10w/(m2k)，如果散熱器表面與空氣的溫差為50，每平方厘米散熱面積上空氣帶走的熱量最多為0.05w。傳熱能力最強的傳熱方式是具有相變的換熱過程，水的相變過程換熱系數(shù)的量級為103104。熱管的傳熱能力之所以很大，就是因為其蒸發(fā)段和冷凝段的傳熱過程都是相變傳熱。 結(jié)構(gòu)熱設(shè)計與有限元方法三、自然冷卻熱設(shè)計（3）提高發(fā)射

11、率 輻射散熱能力提升主要通過提高散熱器表面發(fā)射率來實現(xiàn)，常用方法是表面做涂漆、噴沙提高粗糙度、陽極氧化等措施。輻射對散熱在自然散熱條件下有一定影響，強迫空冷基本無變化，并且一般散熱器發(fā)射率的差異不大，在產(chǎn)品中一般不作重點考慮。結(jié)構(gòu)熱設(shè)計與有限元方法三、自然冷卻熱設(shè)計o戶外設(shè)備（機柜）的熱設(shè)計戶外設(shè)備（機柜）的熱設(shè)計太陽輻射對戶外設(shè)備的影響 戶外柜由于處于室外，太陽輻射將是其熱設(shè)計必須考慮的重要一環(huán)。當太陽射線照射到戶外柜表面時，一部分被吸收，一部分被反射，二者的比例取決于表面材料的種類、粗糙度和顏色，表面愈粗糙、顏色愈深，吸收的太陽輻射熱愈多。同一材料對于不同波長的輻射光的吸收率也是不同的，黑

12、色表面對各種波長的輻射幾乎全部吸收，而白色表面對不同波長的吸收率不同，對于可見光幾乎90%都反射回去，所以戶外柜表面最好為白色和相近色，以減少進入戶外柜內(nèi)部的太陽輻射熱。表面吸收率發(fā)射率拋光鋁0.030.05噴涂表面白色0.20.9淡綠0.50.9淡灰0.750.9結(jié)構(gòu)熱設(shè)計與有限元方法三、自然冷卻熱設(shè)計o戶外柜的傳熱計算戶外柜的傳熱計算 戶外柜的傳熱模型可以簡化為如圖2所示的熱阻網(wǎng)絡(luò)。 其傳熱路徑包括兩個部分： 路徑一：路徑一：戶外柜內(nèi)部生成的熱量通過對流及輻射傳給戶外柜內(nèi)表面，再通過夾層材料(如空氣、海面、泡沫等)的導熱傳到戶外柜外表面，最后通過對流及輻射傳給周圍的大氣。 結(jié)構(gòu)熱設(shè)計與有限

13、元方法 路徑二：路徑二：戶外柜外表面吸收了太陽輻射的熱量，一部分通過對流及輻射傳給周圍大氣，另一部分通過夾層材料(如空氣、海面、泡沫等)的導熱給戶外柜內(nèi)。 要保持戶外柜內(nèi)的溫度Ti恒定，進入戶外柜的熱量加上內(nèi)部生成的熱量應(yīng)等于戶外柜表面的散熱量。如果不能夠平衡，則需要借助熱交換器或空調(diào)來強制維持熱量的平衡，保證內(nèi)部溫度達到設(shè)計要求并保持恒定。戶外柜傳熱計算的目的就是要計算出需要依靠熱交換器或空調(diào)來強制維持熱量平衡的凈熱量。 依據(jù)熱網(wǎng)絡(luò)圖依據(jù)熱網(wǎng)絡(luò)圖2給出的傳熱方程式為：給出的傳熱方程式為： 戶外柜內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，戶外柜內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，W 戶外柜吸收的太陽輻射的熱量，戶外柜吸收的太陽輻射的熱量，

14、W， 太陽輻射的總熱量，太陽輻射的總熱量，W 戶外柜內(nèi)部允許的環(huán)境溫度，戶外柜內(nèi)部允許的環(huán)境溫度， 戶外柜周圍的外部環(huán)境溫度，戶外柜周圍的外部環(huán)境溫度， 三、自然冷卻熱設(shè)計radconvskyairradOiOiiairiRRRTTRRQRQRT/1/1/1/T0QsunsoaQQ1sunQairTiTiQ結(jié)構(gòu)熱設(shè)計與有限元方法 戶外柜遠處的環(huán)境溫度， 戶外柜外表面的總熱阻，/W 戶外柜外表面的對流熱阻，/W 戶外柜外表面向周圍環(huán)境及大氣的輻射熱阻，/W 戶外柜外內(nèi)表面的熱阻，/W 戶外柜表面的太陽輻射吸收率 三、自然冷卻熱設(shè)計1soiRradRconvRoRskyT結(jié)構(gòu)熱設(shè)計與有限元方法三、

15、自然冷卻熱設(shè)計o 機箱熱設(shè)計機箱熱設(shè)計(1)機箱的選材 如果需利用模塊的機箱作為散熱器，則模塊機箱必須選用鋁合金材料，且模塊內(nèi)壁不得進行拉絲處理，材料的厚度不得低于1.5mm。 如果不利用機箱進行散熱，則模塊機箱選材不受限制。 (2)模塊的散熱量計算 對于密封機箱:如果計算出的散熱量散熱量QT需求散熱量需求散熱量Q，則必須選用通風機箱。 對于通風機箱:QT 模塊的耗散功率，W Ss 機箱側(cè)面內(nèi)壁的有效面積，m2 St 朹機箱頂部面積，m2 bts3m1.25btsTSSS STTS4t/3)2S/34S1.86(SQT1000uATTS4t/3)2S/34S1.86(SQ3m1.25btsT結(jié)

16、構(gòu)熱設(shè)計與有限元方法三、自然冷卻熱設(shè)計 Sb機箱的底面積，m2 t風道進出口溫差， 斯波爾茲曼常數(shù)，為5.6710-8W/m2.K 輻射系數(shù) Tm（T+Ta）/2 T機箱的表面溫度，K Ta環(huán)境溫度，K U自然風速，一般取0.1-0.2m/s A通風面積， m2 機箱輻射情況：機箱輻射情況：對于自然冷卻的機箱，大部分需承擔散熱器的功能，其表面溫升一般較高，約25-40，其表面的輻射換熱量在整個機箱的散熱量中占有較大的比重，有些甚至成為主要的散熱途徑，所以，在進行機箱的散熱計算時，不能忽略輻射換熱，可按計算式(5)-(6)中提供的方法計算輻射換熱，也可按下式進行計算： Q輻射4S(Ts4-Ta4

17、)S機箱的有效面積，m2 斯波爾茲曼常數(shù)，為5.6710-8W/m2.K 輻射系數(shù) Ts機箱的表面溫度，K Ta環(huán)境溫度，K 結(jié)構(gòu)熱設(shè)計與有限元方法三、自然冷卻熱設(shè)計o單板級的熱設(shè)計原則單板級的熱設(shè)計原則 （1）電阻的散熱一般是通過固定連接片或引線兩端的傳導以及本身的輻射，對流進行散熱的，所以電阻表面應(yīng)涂覆無光澤的粗糙漆，放置位置應(yīng)便于對流散熱并加大與其它元件之間的距離。 （2）對不加屏蔽罩的變壓器，鐵芯與支架、支架與固定面之間應(yīng)有良好的接觸，以使接觸熱阻最低; 對帶屏蔽罩的變壓器，外罩必須與固定面良好接觸，把變壓器的固定面用支架墊高，并在底板上開通風孔，以形成氣流對流。 （3）對模塊內(nèi)部不能

18、夠吹到風的PCB板，在布置元器件時，元器件之間、元器件與結(jié)構(gòu)件之間應(yīng)保持一定距離，以利空氣流動，增強對流換熱. 如下圖所示。 結(jié)構(gòu)熱設(shè)計與有限元方法三、自然冷卻熱設(shè)計o單板級的熱設(shè)計原則單板級的熱設(shè)計原則 （1）電阻的散熱一般是通過固定連接片或引線兩端的傳導以及本身的輻射，對流進行散熱的，所以電阻表面應(yīng)涂覆無光澤的粗糙漆，放置位置應(yīng)便于對流散熱并加大與其它元件之間的距離。 （2）對不加屏蔽罩的變壓器，鐵芯與支架、支架與固定面之間應(yīng)有良好的接觸，以使接觸熱阻最低; 對帶屏蔽罩的變壓器，外罩必須與固定面良好接觸，把變壓器的固定面用支架墊高，并在底板上開通風孔，以形成氣流對流。 （3）對模塊內(nèi)部不能

19、夠吹到風的PCB板，在布置元器件時，元器件之間、元器件與結(jié)構(gòu)件之間應(yīng)保持一定距離，以利空氣流動，增強對流換熱. 如下圖所示。 結(jié)構(gòu)熱設(shè)計與有限元方法三、自然冷卻熱設(shè)計（4） 在PCB上布置各種元器件時，應(yīng)將功率大、發(fā)熱量大的元器件放在邊沿和頂部，以利于散熱。 （5）應(yīng)將不耐熱的元件(如電解電容)放在靠近進風口的位置，而將本身發(fā)熱而又耐熱的元件(如電阻,變壓器等)放在靠近出風口的位置。 （6） 在PCB上布置各種元器件時，應(yīng)將功率大、發(fā)熱量大的元器件放在出風口的位置。 （7） 對熱敏感元件，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)采用“熱屏蔽”方法解決。 結(jié)構(gòu)熱設(shè)計與有限元方法三、自然冷卻熱設(shè)計o導熱介質(zhì)的選取原則導熱介質(zhì)的

20、選取原則 為了解決功率器件與散熱器間的電氣絕緣問題，功率器件與散熱器間應(yīng)加導熱絕緣材料，考慮到性價比，在散熱條件不是很惡劣，如功率器件損耗較小或功率器件處于有利的通風位置時，可選用通用的導熱絕緣材料SP400，其它條件下可選用散熱性能較好的SP900S，只有在特殊情況下，才允許選用SP2000。其性能參數(shù)如下表所示。結(jié)構(gòu)熱設(shè)計與有限元方法三、自然冷卻熱設(shè)計o PCB的熱設(shè)計原則的熱設(shè)計原則PCB板熱設(shè)計的主要任務(wù)是有效地把印制板上的熱引導到外部(散熱器和大氣中)。 （1）印制線的載流容量和溫升 設(shè)計印制板時要保證印制線的載流容量，印制線的寬度必須適于電流的傳導，不能引起超過允許的溫升和壓降。

21、在實際應(yīng)用中，常有較大電流流過輸出端銅箔， 如果輸出銅箔設(shè)計的過細，則會導致銅箔的溫 度上升。印制電路板的材料、導電銅箔的厚度、 容許溫升將影響到銅箔厚度應(yīng)該多寬、能承受 多大電流。一般對1盎司的環(huán)氧玻璃板，如果允 許溫升小于10(考慮到系統(tǒng)內(nèi)部的環(huán)境溫度可 能超過70) ，則一般可按1A電流取1mm寬銅 箔的經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行銅箔設(shè)計。如假如流過的電流 為5A，對1盎司的環(huán)氧玻璃板，其銅箔寬度可取 5mm。實際可按照容許溫升的大小按照右圖進 行選擇。結(jié)構(gòu)熱設(shè)計與有限元方法三、自然冷卻熱設(shè)計（2）印制板的散熱 選用厚度大的印制線，以利于印制線的導熱和自然對流散熱。 減小元器件引線腿及元器件引線間的熱

22、阻，增強元器件引線腿對印制線的熱傳導，增強導電性。 當元器件的發(fā)熱密度超過0.6W/cm3，單靠元器件的引線腿及元器件本身不足充分散熱，應(yīng)采用散熱網(wǎng)、匯流條器等措施。若發(fā)熱密度非常高則元器件應(yīng)安裝散熱器，在元器件和散熱材料之間涂抹導熱膏。 結(jié)構(gòu)熱設(shè)計與有限元方法三、自然冷卻熱設(shè)計o散熱器的選擇與設(shè)計散熱器的選擇與設(shè)計散熱器需采用的自然冷卻方式的判別 對通風條件較好的場合，散熱器表面的熱流密度小于0.039W/cm2可采用自然冷卻。 對通風條件較惡劣的場合： 散熱器表面的熱流密度小于0.024W/cm2可采用自然強迫冷卻。 自然冷卻散熱器的設(shè)計要點 （1）考慮到自然冷卻時溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個齒的熱邊界層易交叉，影響齒表面的對流，所以一般情況下，建議自然冷卻的散熱器齒間距大于12mm，如果散熱器齒高低于10mm，可按齒間