换热器热应力耦合有限元讲述.doc

课题相关知识介绍 2.1散热片知识 散热片是一种给电器中的易发热电子元件散热的装置，多由铝合金，黄铜或青铜做成板状，片状，多片状等，如电脑中CPU中央处理器要使用相当大的散热片，电视机中电源管，行管，功放器中的功放管都要使用散热片。一般散热片在使用中要在电子元件与散热片接触面涂上一层导热硅脂，使元器发出的热量更有效的传导到散热片上，在经散热片散发到周围空气中去。就散热片材质来说，每种材料其导热性能是不同的，按导热性能从高到低排列，分别是银，铜，铝，钢。不过如果用银来作散热片会太昂贵，故最好的方案为采用铜质。虽然铝便宜得多，但显然导热性就不如铜好（大约只有铜的50%左右）。　　目前常用的散热片材质是铜和铝合金，二者各有其优缺点。铜的导热性好，但价格较贵，加工难度较高，重量过大（很多纯铜散热器都超过了CPU对重量的限制），热容量较小，而且容易氧化。而纯铝太软，不能直接使用，都是使用的铝合金才能提供足够的硬度，铝合金的优点是价格低廉，重量轻，但导热性比铜就要差很多。有些散热器就各取所长，在铝合金散热器底座上嵌入一片铜板。 　　对于普通用户而言，用铝材散热片已经足以达到散热需求了。 　　北方冬季取暖的暖气片也叫散热片。 散热片在散热器的构成中占有重要的角色，除风扇的主动散热以外，评定一个散热器的好坏，很大程度上取决于散热片本身的吸热能力和热传导能力 所以肋片向流体的传热量恒等于肋基截面上导入的热量，根据傅立叶定律得 每片等截面直肋散热量的计算式为： （2—1） 式中： ——散热量，W； ——肋片导热率，W/（m.K）； A ——肋片的横截面积，； ——肋基过余温度，； m —— 肋片组合参数， ——肋端处的对流换热系数，W/（·K）； H ——肋高，m。 肋端换热量固然较小，但忽略不计会引入一些误差。在计算时常将肋端的换热表面A 并入沿肋高的换热表面作为补偿。实践证明，对金属材料来说，由此引起的误差不超过1%，完全能满足工程计算的需要。 2. 肋高范围的确定 在试验范围内，流体沿平板流动属于层流边界层。平均换热系数为： （2—2） 式中：——平均对流换热系数，； ——空气中的导热系数，； ——平均努赛尔特数； ——普朗特数，0.698； ——定性温度，。 （2—3） 式中：z——肋片的周边长度，m； A——截面积,。 对等截面直肋，当肋基过余温度及组合参数m 一定时，增加肋高H 可使肋片的散热量 增大，但当mH1.5 后，th（mH）的增势减弱并趋近于1.0，这说明肋片高度增加到一定程度后，散热量 就不再增加了。若要继续增加肋高，则会导致肋片效率的急剧下降。所以在设计等截面直肋时，肋高不宜太大，根据经验一般要求mH2 较为合理。根据公式（2—3）确定m 值，在满足mH2 的条件下，确定H 的取值范围。 3. 肋片间距和厚度。 肋片根据不同设计需要一般取3——10mm，取整数； 在肋高相同的情况下，散热器的总散热率随肋厚的增大而增大；总散热量随肋厚的增大而减小，因此肋厚不能取太大，这里取散热片的厚度为3mm。 2.2有限元分析理论与ANSYS 2.2.1有限元分析理论 有限元的基本思想是把连续的几何结构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，从而将连续体看作仅在节点处相连接的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一个近似插值以表示单元中场函数的分布规律，再建立用于求解节点未知量的有限元方程组，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题，求解得到节点值后就可以通过设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数。有限元离散过程中，相邻单元在同一节点上场变量相同达到连续，但未必在单元边界上任何一点连续；在把载荷转化为节点载荷的过程中，只是考虑单元总体平衡，在单元内部和边界上不用保证每点都满足控制方程。 有限元分析基本步骤： 建立求解域并将其离散化为有限单元，即将连续体问题分解成节点和单元等个体问题； 假设代表单元物理行为的函数，即假设代表单元解的近似连续函数； 建立单元方程； 构造单元整体刚度矩阵； 施加边界条件、初始条件和载荷； 求解线性或非线性的微分方程组，得到节点求解结果； 得到其他重要信息。 2.2.2有限元常用术语 单元：有限元模型中每一个小的块体称为一个单元。根据形状的不同，可以将单元划分为以下几种类型：线