基于ANSYS Workbench的梯形散热器形状优化设计

1、基于ANSYS Workbench的梯形散热器形状优化设计摘要：散热器优化设计要求在减少材料使用的前提下提高散热器的散热效果。本文首先以Design Modeler建立散热器三维参数化模型，将需要优化的尺寸定义为变量参数，划分了合适的网格并加载约束后进行求解，对散热器温度分布和热流率进行了分析，根据分析结果进行了目标参数设定。然后通过six sigma优化分析了设计参数对目标参数的影响，作出了关于散热器性能提高的优化猜想，以此为依据采用Direct Optimization展开了对散热器的最佳设计点的迭代优化设计。关键词：散热器； ANSYS Workbench；形状优化0 引言由于散热器散热

2、效果差而引起的零件失效时有发生。大到汽车，小到电子设备，散热器的性能好坏对其整个系统能否正常工作起着一定程度的决定性作用。因为，有效地散热是保证散热结构及其相关零件正常工作所必须考虑的重要方面。良好的散热能减缓零件的失效、改善性能、提高经济效益。有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域-飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。采用现代有限元分析技术，使得散热器的热传导分析可以在计算机中完成，通过对分析结果中参变量关系的研究，可以为散热器形状优化提供思路，而形状

3、优化的过程也可以通过有限元软件完成，将迭代出的最优点作为设计点，可以观察到优化后的散热效果。1 优化目标通过散热器的形状优化，观察温度场分布和热流率分布的变化。对于温度场分布，要求在散热器的各个点之间的温差不是很大，最大值与最小值之间相差不能太大，这样才能保证散热的均匀性。2 分析步骤1）参数化建模首先我们在workbench中加载Steady-State Thermal模块，进入Design Modeler进行三维建模。如图1所示散热器模型建立过程，该散热器是由半径25mm的散热管和间距12mm的10个梯形散热片组成。初始散热片的高度H=40mm，散热片截面的梯形上底宽度为3mm，下底宽度为

4、6mm。散热管内有50的气体流过，而整个散热管的外壁环境温度是25。图1 模型的建立散热器形状优化设计中的设计参数为散热片的梯形上底和下底宽度、散热片的高度，在模型的建立过程中，以上述参数来建立封闭几何图形，通过旋转、镜像、阵列建立完整模型，如图2所示。将上述尺寸定义为设计变量，分别命名为ds_u（梯形上底宽度的一半），ds_d（梯形下底宽度的一半）和ds_h（散热片高度）。如图2所示。图2 模型建立和设计变量定义模型建立完毕之后，定义散热器的材料属性。就拿现代汽车设计来说，汽车散热器一般采用铝合金作为材料。铝散热器以其在材料轻量化上的明显优势，在轿车与轻型车领域逐步取代铜散热器的同时，铜散热

5、器制造技术和工艺有了长足的发展，铜硬钎焊散热器在客车、工程机械、重型卡车等发动机散热器方面优势明显。国外轿车配套的散热器多为铝散热器，主要是从保护环境的角度来考虑（尤其是欧美国家）。在欧洲新型的轿车中，铝散热器占有的比例平均为64%。在材料库中添加铝合金材料后，将散热器材料定义为铝合金，如图3所示。图3 模型材料定义2）划分有限元网格为了保证计算精度与计算速度，通过Sizing控制网格大小，整个散热器网格尺寸定义为0.005mm，如图4所示。然后通过六面体占优方法划分网格，如图5所示。网格划分结果如图6所示。图4 网格尺寸定义图5网格划分方法为六面体占优图6 网格划分结果3）施加载荷以及约束相

6、对高温的气体从散热管中流过，由于向空气散热而变冷，冷空气则因为吸收管内气体散出的热量而升温，所以散热器是一个热交换器。散热管内流过的高温气体温度为50，其内表面对流换热系数为12.5W/(m2)。散热器外壁环境温度为25，对流换热系数为8.5 W/(m2)。添加功率heat flow为500W。载荷施加如图7、图8和图9所示。图6 内表面对流载荷施加图7 外表面对流载荷施加图8 内表面热流功率4）求解进入求解器，选择Temperature，Total Heat Flux和Reaction Probe进行求解。图9是初始形状下散热器温度分布图，从图中可以看出温度在散热片上的散热效果比较均匀。 图

7、10是初始形状下散热器的热流率分布图，从图中可以看出热流率在散热片端面的分布相对于高流率部分偏低，起不到有效的散热效果。图9 温度分布图图10 热流率分布图3 散热器优化设计1）设计目标参数选择散热器的质量和散热量的最大值为目标参数，如图11和图12所示。图11 设定散热器质量为目标参数图12 设定散热量的最大值为目标参数2）参数敏感度分析从工具箱Design Exploration中加载Six Sigma Optimization模块，进入DOE对试验和样本类型进行设置，如图13所示。对响应曲面更新后得到敏感度分析图表如图14所示。从图中可以看出，散热片的高度对散热器的热流率影响最大，而散热

8、片的梯形截面上下底宽度对其影响几乎为0。进入六西格玛分析进行更新，样本类型为LHS，样本点100，如图15所示。图13 DOE设置图14 设置设计目标参数图15 六西格玛分析3）目标函数和约束条件设置从工具箱中选择Direct Optimization，如图16所示。对目标函数和约束条件进行设置，如图17所示。图16 采用直接优化图17 目标函数和约束条件4）迭代计算选择Screening优化方法，样本点设置为20个，更新开始迭代，如图18所示。计算结果如图19所示。图18 优化方法图19 候选点4 结论（1）经过优化分析，在满足散热效果要求的前提下，得到多组满足条件的优化结果，当散热片高度H=41mm，散热片梯形上底宽度为5.6550mm，散热片梯形下底宽度为2.8038mm时, 其质量1.4556kg，散热量为6.3863W，达到了预期保证散热性能节约材料的要求。（2）运用ANSYS Workbench对散热器形状进行优化分析，得到了散热器结构参数对散热器性能影响的敏感性图表。在其他优化方法和样本类型下的优化效果有待进一步验证。5 参考文献1 李兵，何正嘉，陈雪峰. ANSYS Workbench设计、仿真与优化M.北京：清华大学出版社，2008.2 吕建国，康士廷. ANSYS W