传热问题有限元分析.docx

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传热问题有限元分析

【问题描述】本例对覆铜板模型进行稳态传热以及热应力分析，图I所示的是铜带以及基板的俯视图，铜带和基板之间由很薄的胶层连接，可以认为二者之间为刚性连接，这样的模型不包含胶层，只有长10mm的铜带（横截面2mm×0.1mm）和同样长10mm的基板（横截面2mm×0.2mm）。

材料性能参数如表1所示，有限元分析模型为实体——实体单元，单元大小0.05mm，边界条件为基板下表面温度为100℃，铜带上表面温度为20℃，通过二者进行传热。

图I铜带与基板的俯视图

表1材料性能参数

名称

弹性模量

泊松比

各向同性导热系数

基板

3.5GPa

0.4

300W/（m·℃）

铜带

110GPa

0.34

401W/（m·℃）

【要求】在ANSYSWorkbench软件平台上，对该铜板及基板模型进行传热分析以及热应力分析。

1.分析系统选择

（1）运行ANSYSWorkbench，进入工作界面，首先设置模型单位。

在菜单栏中找到Units下拉菜单，依次选择Units>Metric（kg,m,s,℃，A，N,V）命令。

（2）在左侧工具箱【Toolbox】下方“分析系统”【AnalysisSystems】中双击“稳态热分析”【Steady-StateThermal】系统，此时在右侧的“项目流程”【ProjectSchematic】中会出现该分析系统共7个单元格。

相关界面如图1所示。

图1Workbench中设置稳态热分析系统

（3）拖动左侧工具箱中“分析系统”【AnalysisSystems】中的“静力分析”【StaticStructural】系统进到稳态热分析系统的【Solution】单元格中，为之后热应力分析做准备。

完成后的相关界面如图2所示。

图2热应力分析流程图

2.输入材料属性

（1）在右侧窗口的分析系统A中双击工程材料【EngineeringData】单元格，进入工程数据窗口。

（2）在已有工程材料下方的单元格“点此添加新材料”【Clickheretoaddanewmaterial】中输入新材料名称base。

（3）在左侧工具箱下方双击“各项同性线弹性”选项：

【LinearElastic】>【IsotropicElasticity】。

（4）在弹出的材料属性窗口中输入基板的弹性模量以及泊松比的数值：

【Young’sModulus】=3.5e+9Pa,【Poisson’sRatio】=0.4。

（5）又在左侧工具箱下方双击“各向同性热传导率”选项：

【Thermal】>【IsotropicThermalConductivity】，之后在材料属性窗口中再输入基板的导热率：

【IsotropicThermalConductivity】=300W/（m·℃）。

具体操作流程如图3所示。

图3输入基板材料数据

（6）单击工具栏中的【EngineeringDataSources】选项卡，即

选项，进入工程材料库窗口。

（7）单击该窗口中的【GeneralMaterials】，在下方新弹出的【OutlineofGeneralMaterials】窗口中找到【CopperAlloy】材料，并点击旁边的“+”将该材料添加到当前项目中。

具体操作流程如图4所示。

图4调取铜材料

（4）再单击【EngineeringDataSources】选项卡回到【EngineeringData】界面，可以看到铜已被添加到工程材料中，此时再单击【Project】选

项卡回到项目流程界面。

3.创建几何模型

（1）双击分析系统A中的“几何”【Geometry】单元格。

（2）在菜单栏中依次选择Units>Millimeter，确认以“毫米”作为建模单位。

之后，单击树形目录中的【XYPlane】，再单击工具栏中的“创建草图”选项即

选项以创建草图，此时【XYPlane】分支下出现了名为“Sketch1”的草绘平面。

如图5所示。

图5创建草绘平面

（3）右键单击Sketch1，在弹出的选项卡中选择“正视于”【Lookat】选项，即

，切换视图以方便之后的建模。

（4）单击树形图下端的【Sketching】选项卡，打开草图绘制窗口。

之后按照给定的模型在草绘平面上绘图：

选取“矩形”【Rectangle】工具，即

，图形区点击鼠标左键，拖放鼠标画出矩形。

如图6所示。

图6图形区绘制草图

（5）单击草图工具箱中的【Dimensions】菜单栏，之后在图形区的矩形的边上拖放鼠标显示水平尺寸H1以及垂直尺寸V2。

之后在左下方的【DetailsView】中分别设置这些边的尺寸。

如图7所示。

图7尺寸参数设置

（6）回到【Modeling】选项卡，依次在菜单栏中选择Create>Extrude，之后在树形目录中选择已生成的草图【Sketch1】，再点击明细窗口中的【Geometry】中的【Apply】按钮，确认拉伸的草图，对基板的厚度进行编辑，在明细栏的【Depth（>0）】中输入两板总厚度0.3mm。

如图8所示。

图8拉伸设置

（7）点击工具栏中的【Generate】按钮，可以看到绘图窗口中的草图变成了一个实体。

（8）创建新平面。

单击树形目录中的【XYPlane】，再单击工具栏中的“创建新平面”选项即

选项以创建新平面，在明细栏窗口中将基准平面【BasePlane】设置为XY平面，将平移方向【Transform1】设置为沿Z轴平移【OffsetZ】，在平移量【FD1】中输入平移量0.2mm，之后点击【Generate】按钮生成新平面。

操作步骤如图9所示。

图9创建新平面

（9）分割实体。

在菜单栏中依次选择Create>Slice，之后在树形目录中选择刚创建的新平面【Plane4】，再点击明细窗口中的【BasePlane】后的【Apply】按钮，确认分割的基准平面，之后单击【Generate】按钮完成分割。

如图10所示。

图10分割实体

（10）点击【Generate】确认分割，可以在树形图中看到原本一个实体被分为两部分，显示为“2Parts，2Bodies”，我们同时选取其下的两个Solid并右键单击，选取“FromNewPart”将二者合并为一个体，以方便后边的处理；之后，右键单击树状图中的Solid可以进行重命名，我们将薄的部分重命名为“copper”，厚的一部分重命名为“base”以便于之后的区分。

至此，建模部分完成。

3.网格划分

（1）双击Workbench界面中系统A的第四个单元格，模型【Model】单元格，进入【Steady-StateThermal】的稳态热分析模块。

（2）为了给两块板分别分配材料，在树形图中展开【Geometry】，单击其下的【Solid】，在明细栏窗口中的【Material】的【Assignment】按要求分别给两板分配材料。

如图11所示。

图11为铜板分配材料（基板同理）

（3）在树形图中选择【Mesh】，此时活动工具栏变为了划分网格相关操作。

找到工具栏的【MeshControl】，依次选择【MeshControl】>【Sizing】以设置网格尺寸。

（4）在菜单栏中选定【选择体】，即

Body按钮。

然后单击选定视图栏中的两个体，此时选定的模型变成绿色。

在明细栏窗口中的【Geometry】后面选项中选择【Apply】，此时视图中选定的模型变为蓝色。

在【ElementSize】中可以设定要划分单元的大小，此处设置为0.05mm。

单击工具栏上的【Update】即

，等待网格划分结束。

如图12所示。

（5）至此，网格划分步骤完成。

图12网格划分

4.施加温度边界并求解温度场

（1）单击树形图中的【Steady-StateThermal】，进入稳态热分析环境。

（2）施加边界条件，问题中的铜板上表面温度为20℃。

选择工具栏中的【Temperature】选项，之后选择【Face】工具，即

选项，在右侧图形区中选择铜带上表面，之后在明细栏中的【Geometry】处选择【Apply】确认所选面；再更改【Magnitude】为20℃。

如图13所示。

图13设置温度边界

（3）类似地，设置基板下表面的温度边界为100℃，方法类似

（2）中所述，在此不再赘述。

（4）点击工具栏中【Solve】进行求解得到温度场结果。

（5）至此，温度边界设置以及温度场求解完成。

5.查看温度场结果

（1）单击树形图中的【Solution】，进入求解结果环境。

（2）依次选择工具栏中的【Thermal】>【Temperature】选项，以查看该结构温度分布结果。

（3）单击【Solve】以求解得到温度场结果，最终结果如图14所示。

图14两板温度场分布云图

6.热应力分析过程

（1）树形图中继续选择【StaticStructural】，进入静力分析环境。

（2）在图形区中选择基板底面，施加无摩擦约束。

在工具栏中依次选择【Supports】>【FrictionlessSupport】，之后选择【Face】工具，即

选项，选择箱盖的10个定位孔面以及箱盖的接触面，之后在明细栏中的【Geometry】处选择【Apply】确认所选面。

如图15所示。

图15为基板底部施加无摩擦约束

（3）展开树形图中的【ImportedLoad】，右键单击其下的【ImportedBodyTemperature】并选择【ImportLoad】选项将之前求解的温度导入静力分析模块。

（4）

（4）选择树形图中的【Solution】选项，右键单击鼠标，在Insert下拉菜单下插入结果【TotalDeformation】以及【ThermalStrain】选项。

（5）单击【Solve】以求解得到两板变形结果以及热应力结果，最终结果

如图16及图17所示。

图16总变形分布云图

图17热应力云图