结构热设计基本理论

1、结构热设计与有限元方法 2013年年01月月07日日结构热设计 -基础理论结构热设计与有限元方法目录一、简介一、简介二、二、 热分析基础知识热分析基础知识n传热学基本理论传热学基本理论符号与单位热传递的方式热力学第一定律热分析的控制过程三、自然冷却热设计三、自然冷却热设计n散热器介绍散热器介绍 提高表面积提高换热系数n户外设备（机柜）的热设计户外设备（机柜）的热设计太阳辐射对户外设备的影响户外柜的传热设计四、总结四、总结结构热设计与有限元方法目录（续）n机箱热设计机箱热设计机箱热设计的选材模块的散热量的计算机箱辐射换热的考虑机箱的表面处理n单板级的热设计单板级的热设计元器件布局的热设计原则导热

2、介质的选取PCB板的热设计原则n散热器的选择与设计散热器的选择与设计 自然冷却方式的判别自然冷却散热器的设计要点强化自然冷却效果的措施结构热设计与有限元方法一、简介oANSYS是世界上著名的大型通用有限元计算软件，它包括热、电、磁、流体和结构等诸多模块，具有强大的求解器和前、后处理功能，为我们解决复杂、庞大的工程项目和致力于高水平的科研攻关提供了一个优良的工作环境，更使我们从繁琐、单调的常规有限元编程中解脱出来。ANSYS本身不仅具有较为完善的分析功能，同时也为用户自己进行二次开发提供了友好的开发环境。oANSYS程序自身有着较强的三维建模能力，仅靠ANSYS的GUI(图形界面)就可建立各种复

3、杂的几何模型；此外，ANSYS还提供较为灵活的图形接口及数据接口。因而，利用这些功能，可以实现不同分析软件之间的模型转换。 结构热设计与有限元方法一、简介o主要模块结构热设计与有限元方法一、简介o1. ANSYS/Mechanical：该模块提供了范围广泛的工程设计分析与优化功能，这些功能包括完整的结构、热、压电及声学分析。是一个功能强大的设计校验工具，可用来确定位移、应力、作用力、温度、压力分布以及其它重要的设计标准。o2. ANSYS/Structural：通过利用其先进的非线性功能，该模块可进行高目标的结构分析，具体包括：几何非线性、材料非线性、单元非线性及屈曲分析。该模块可以使用户精确

4、模拟大型复杂结构的性能。o3. ANSYS/Linear plus：该模块是从ANSYS/Structural派生出来的，一个线性结构分析选项，可用于线性的静态、动态及屈曲分析，非线性分析仅包括间隙元和板/梁大变形分析。o4. ANSYS/Thermal：该模块同样是从ANSYS/Mechanical中派生出来的，是一个可单独运行的热分析程序，可用于稳态及瞬态热分析。o5. ANSYS/Flotran：该程序是个灵活的CFD软件，可求解各种流体流动问题，具体包括：层流、紊流、可压缩流及不可压缩流等。o6. ANSYS/Emag：该程序是一个独立的电磁分析软件包，可模拟电磁场、静电学、电路及电流

5、传导分析。当该程序与其它ANSYS模块联合使用时，则具有了多物理场分析功能，能够研究流场、电磁场及结构力学间的相互影响。结构热设计与有限元方法二、热分析基础知识o符号与单位符号与单位项目国际单位英制单位ANSYS代号长度mft时间ss质量Kglbm温度oF力Nlbf能量（热量）JBTU功率（热流率）WBTU/sec热流密度W/m2BTU/sec-ft2生热速率W/m3BTU/sec-ft3导热系数W/m-BTU/sec-ft-oFKXX对流系数W/m2-BTU/sec-ft2-oFHF密度Kg/m3lbm/ft3DENS比热J/Kg-BTU/lbm-oFC结构热设计与有限元方法二、热分析基础知

6、识o热传递的方式热传递的方式传导：传导：两个良好接触的物体之间的能量交换或一个物体内由于温度梯度引起的内部能量交换。热传导遵循付里叶定律： ， 为热流密度（W/m2），k为导热系数（W/m-），“-”表示热量流向温度降低的方向。 对流：对流：在物体和周围介质之间发生的热交换。原因：主要发生在固体表面与周围接触的流体之间，由于温度差引起的能量交换。自然对流和强制对流。热对流用牛顿冷却方程： ，h为对流换热系数,为固体表面的温度， 为周围流体的温度。 辐射：辐射：一个物体或两个物体之间通过电磁波进行的能量交换。原因：物体发射电磁能，并被其他物体吸收转变为热量交换的过程。温度越高，则单位时间辐射的能

7、量越多。热传导和热对流都需要有传热介质，而热辐射无需任何介质。dxdTkq q)(BSTThq TSTB结构热设计与有限元方法二、热分析基础知识o热力学第一定律热力学第一定律 两能量既不能消失，也不能创造，但可以从一种形式转化为另一中形式，也可以从一种物质传递给另一种物质，在转化和传递过程中，能量的总和保持不变。这是自然界的一个普遍的基本规律，在热力学中称为热力学第一定律。对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出 式中： Q 热量; W 作功; 系统内能; 系统动能； 系统势能；对于大多数工程传热问题：通常考虑没有做功： W=0 , 则： ；对于稳态热分

8、析： ，即流入系统的热量等于流出的热量；对于瞬态热分析： ，即流入或流出的热传递速率q等于系统内能的变化。 PEKEUWQUKEPE0PEKEUQ0UQdtdUq 结构热设计与有限元方法三、自然冷却热设计o散热器介绍散热器介绍散热器即为一散热扩展面，热阻表征其散热性能的优劣。 热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了 1W热量所引起的温升大小，单位为/W或K/W。在传热学的工程应用中常常通过减小热阻以加强传热。 注：开氏温度等于摄氏温度加273。 结构热设计与有限元方法三、自然冷却热设计o提高散热能力的方法提高散热能力的方法（1）增加表面积 提高表面积A而言就是要在

9、相同空间内适当增大散热面积，新工艺散热器不断降低翅片厚度，提高翅片密度也主要是基于这方面考虑。结构热设计与有限元方法三、自然冷却热设计o提高散热能力的方法提高散热能力的方法（1）增加表面积 增加散热表面积应该综合考虑结构要求、成本、风压、散热效率和加工工艺等条件。散热器的肋片以薄为宜,但过薄则加工困难。在散热器外形尺寸一定时,肋片间距越小则热阻越小,但间距过小会增大风阻,反而影响散热。增大肋片高度可增大散热面积,也就是可增大散热量。但对于等截面直肋,肋片高度增加到一定程度后,传热量就不再增加了,若再继续增加肋高,则会导致肋片效率急剧下降,并且会增大风阻。结构热设计与有限元方法三、自然冷却热设计

10、（2）提高换热系数h 就提高换热系数而言，可以提高散热器表面流速，被动散热就是加大系统风速，主动散热就要提高板级风扇的流量；结构热设计与有限元方法三、自然冷却热设计（2）提高换热系数h 各种传热方式传热系数的大致范围如附表所示1。对空气而言，自然风冷时的传热系数是很低的，最大为10w/(m2k)，如果散热器表面与空气的温差为50，每平方厘米散热面积上空气带走的热量最多为0.05w。传热能力最强的传热方式是具有相变的换热过程，水的相变过程换热系数的量级为103104。热管的传热能力之所以很大，就是因为其蒸发段和冷凝段的传热过程都是相变传热。 结构热设计与有限元方法三、自然冷却热设计（3）提高发射

11、率 辐射散热能力提升主要通过提高散热器表面发射率来实现，常用方法是表面做涂漆、喷沙提高粗糙度、阳极氧化等措施。辐射对散热在自然散热条件下有一定影响，强迫空冷基本无变化，并且一般散热器发射率的差异不大，在产品中一般不作重点考虑。结构热设计与有限元方法三、自然冷却热设计o户外设备（机柜）的热设计户外设备（机柜）的热设计太阳辐射对户外设备的影响 户外柜由于处于室外，太阳辐射将是其热设计必须考虑的重要一环。当太阳射线照射到户外柜表面时，一部分被吸收，一部分被反射，二者的比例取决于表面材料的种类、粗糙度和颜色，表面愈粗糙、颜色愈深，吸收的太阳辐射热愈多。同一材料对于不同波长的辐射光的吸收率也是不同的，黑

12、色表面对各种波长的辐射几乎全部吸收，而白色表面对不同波长的吸收率不同，对于可见光几乎90%都反射回去，所以户外柜表面最好为白色和相近色，以减少进入户外柜内部的太阳辐射热。表面吸收率发射率抛光铝0.030.05喷涂表面白色0.20.9淡绿0.50.9淡灰0.750.9结构热设计与有限元方法三、自然冷却热设计o户外柜的传热计算户外柜的传热计算 户外柜的传热模型可以简化为如图2所示的热阻网络。 其传热路径包括两个部分： 路径一：路径一：户外柜内部生成的热量通过对流及辐射传给户外柜内表面，再通过夹层材料(如空气、海面、泡沫等)的导热传到户外柜外表面，最后通过对流及辐射传给周围的大气。 结构热设计与有限

13、元方法 路径二：路径二：户外柜外表面吸收了太阳辐射的热量，一部分通过对流及辐射传给周围大气，另一部分通过夹层材料(如空气、海面、泡沫等)的导热给户外柜内。 要保持户外柜内的温度Ti恒定，进入户外柜的热量加上内部生成的热量应等于户外柜表面的散热量。如果不能够平衡，则需要借助热交换器或空调来强制维持热量的平衡，保证内部温度达到设计要求并保持恒定。户外柜传热计算的目的就是要计算出需要依靠热交换器或空调来强制维持热量平衡的净热量。 依据热网络图依据热网络图2给出的传热方程式为：给出的传热方程式为： 户外柜内部产生的热量，户外柜内部产生的热量，W 户外柜吸收的太阳辐射的热量，户外柜吸收的太阳辐射的热量，

14、W， 太阳辐射的总热量，太阳辐射的总热量，W 户外柜内部允许的环境温度，户外柜内部允许的环境温度， 户外柜周围的外部环境温度，户外柜周围的外部环境温度， 三、自然冷却热设计radconvskyairradOiOiiairiRRRTTRRQRQRT/1/1/1/T0QsunsoaQQ1sunQairTiTiQ结构热设计与有限元方法 户外柜远处的环境温度， 户外柜外表面的总热阻，/W 户外柜外表面的对流热阻，/W 户外柜外表面向周围环境及大气的辐射热阻，/W 户外柜外内表面的热阻，/W 户外柜表面的太阳辐射吸收率 三、自然冷却热设计1soiRradRconvRoRskyT结构热设计与有限元方法三、

15、自然冷却热设计o 机箱热设计机箱热设计(1)机箱的选材 如果需利用模块的机箱作为散热器，则模块机箱必须选用铝合金材料，且模块内壁不得进行拉丝处理，材料的厚度不得低于1.5mm。 如果不利用机箱进行散热，则模块机箱选材不受限制。 (2)模块的散热量计算 对于密封机箱:如果计算出的散热量散热量QT需求散热量需求散热量Q，则必须选用通风机箱。 对于通风机箱:QT 模块的耗散功率，W Ss 机箱侧面内壁的有效面积，m2 St 朹机箱顶部面积，m2 bts3m1.25btsTSSS STTS4t/3)2S/34S1.86(SQT1000uATTS4t/3)2S/34S1.86(SQ3m1.25btsT结

16、构热设计与有限元方法三、自然冷却热设计 Sb机箱的底面积，m2 t风道进出口温差， 斯波尔兹曼常数，为5.6710-8W/m2.K 辐射系数 Tm（T+Ta）/2 T机箱的表面温度，K Ta环境温度，K U自然风速，一般取0.1-0.2m/s A通风面积， m2 机箱辐射情况：机箱辐射情况：对于自然冷却的机箱，大部分需承担散热器的功能，其表面温升一般较高，约25-40，其表面的辐射换热量在整个机箱的散热量中占有较大的比重，有些甚至成为主要的散热途径，所以，在进行机箱的散热计算时，不能忽略辐射换热，可按计算式(5)-(6)中提供的方法计算辐射换热，也可按下式进行计算： Q辐射4S(Ts4-Ta4

17、)S机箱的有效面积，m2 斯波尔兹曼常数，为5.6710-8W/m2.K 辐射系数 Ts机箱的表面温度，K Ta环境温度，K 结构热设计与有限元方法三、自然冷却热设计o单板级的热设计原则单板级的热设计原则 （1）电阻的散热一般是通过固定连接片或引线两端的传导以及本身的辐射，对流进行散热的，所以电阻表面应涂覆无光泽的粗糙漆，放置位置应便于对流散热并加大与其它元件之间的距离。 （2）对不加屏蔽罩的变压器，铁芯与支架、支架与固定面之间应有良好的接触，以使接触热阻最低; 对带屏蔽罩的变压器，外罩必须与固定面良好接触，把变压器的固定面用支架垫高，并在底板上开通风孔，以形成气流对流。 （3）对模块内部不能

18、够吹到风的PCB板，在布置元器件时，元器件之间、元器件与结构件之间应保持一定距离，以利空气流动，增强对流换热. 如下图所示。 结构热设计与有限元方法三、自然冷却热设计o单板级的热设计原则单板级的热设计原则 （1）电阻的散热一般是通过固定连接片或引线两端的传导以及本身的辐射，对流进行散热的，所以电阻表面应涂覆无光泽的粗糙漆，放置位置应便于对流散热并加大与其它元件之间的距离。 （2）对不加屏蔽罩的变压器，铁芯与支架、支架与固定面之间应有良好的接触，以使接触热阻最低; 对带屏蔽罩的变压器，外罩必须与固定面良好接触，把变压器的固定面用支架垫高，并在底板上开通风孔，以形成气流对流。 （3）对模块内部不能

19、够吹到风的PCB板，在布置元器件时，元器件之间、元器件与结构件之间应保持一定距离，以利空气流动，增强对流换热. 如下图所示。 结构热设计与有限元方法三、自然冷却热设计（4） 在PCB上布置各种元器件时，应将功率大、发热量大的元器件放在边沿和顶部，以利于散热。 （5）应将不耐热的元件(如电解电容)放在靠近进风口的位置，而将本身发热而又耐热的元件(如电阻,变压器等)放在靠近出风口的位置。 （6） 在PCB上布置各种元器件时，应将功率大、发热量大的元器件放在出风口的位置。 （7） 对热敏感元件，在结构上应采用“热屏蔽”方法解决。 结构热设计与有限元方法三、自然冷却热设计o导热介质的选取原则导热介质的

20、选取原则 为了解决功率器件与散热器间的电气绝缘问题，功率器件与散热器间应加导热绝缘材料，考虑到性价比，在散热条件不是很恶劣，如功率器件损耗较小或功率器件处于有利的通风位置时，可选用通用的导热绝缘材料SP400，其它条件下可选用散热性能较好的SP900S，只有在特殊情况下，才允许选用SP2000。其性能参数如下表所示。结构热设计与有限元方法三、自然冷却热设计o PCB的热设计原则的热设计原则PCB板热设计的主要任务是有效地把印制板上的热引导到外部(散热器和大气中)。 （1）印制线的载流容量和温升 设计印制板时要保证印制线的载流容量，印制线的宽度必须适于电流的传导，不能引起超过允许的温升和压降。

21、在实际应用中，常有较大电流流过输出端铜箔， 如果输出铜箔设计的过细，则会导致铜箔的温 度上升。印制电路板的材料、导电铜箔的厚度、 容许温升将影响到铜箔厚度应该多宽、能承受 多大电流。一般对1盎司的环氧玻璃板，如果允 许温升小于10(考虑到系统内部的环境温度可 能超过70) ，则一般可按1A电流取1mm宽铜 箔的经验数据进行铜箔设计。如假如流过的电流 为5A，对1盎司的环氧玻璃板，其铜箔宽度可取 5mm。实际可按照容许温升的大小按照右图进 行选择。结构热设计与有限元方法三、自然冷却热设计（2）印制板的散热 选用厚度大的印制线，以利于印制线的导热和自然对流散热。 减小元器件引线腿及元器件引线间的热

22、阻，增强元器件引线腿对印制线的热传导，增强导电性。 当元器件的发热密度超过0.6W/cm3，单靠元器件的引线腿及元器件本身不足充分散热，应采用散热网、汇流条器等措施。若发热密度非常高则元器件应安装散热器，在元器件和散热材料之间涂抹导热膏。 结构热设计与有限元方法三、自然冷却热设计o散热器的选择与设计散热器的选择与设计散热器需采用的自然冷却方式的判别 对通风条件较好的场合，散热器表面的热流密度小于0.039W/cm2可采用自然冷却。 对通风条件较恶劣的场合： 散热器表面的热流密度小于0.024W/cm2可采用自然强迫冷却。 自然冷却散热器的设计要点 （1）考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小，两个齿的热边界层易交叉，影响齿表面的对流，所以一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm，如果散热器齿高低于10mm，可按齿间