Optistruct实例：散热器的稳态热传导分析

本案例通过散热器散热分析展示了OptiStruct 稳态热传导分析流程。模型如图27-2a所示，在散热器的一端有恒定的热通量 0.3W/mm'，如图 27-2b 所示，另外一端的散热翅片浸在 10℃的水中该区域可设置为自然对流边界条件，如图27-2c所示。在散热器的孔洞位置保持20℃的温度，如图 27-2d 所示。下面通过稳态热传导分析，仿真散热片上稳定状态的温度分布。初始模型仅包含网格需要设置相应的材料、属性、热边界条件及热分析工况，散热片中三种材料的热相关参数见表 27-16。

 

 

图27-2 散热片有限元模型

a）散热片模型b）热通量边界 c）热对流边界d）温度边界

 

表27-16材料参数

 

 

Step 01导人模型 SteadyState_base.fem 文件，并创建材料及单元属性。创建材料时，其参数见表 27-16。直接在 HyperMesh 模型浏览器中创建三种 MAT4 材料即可，如图 27-3 所示。

 

 

图27-3 材料创建

 

根据材料属性及单元类型直接创建单元属性即可。Outer Part 组件对应的属性为P Aluminum,Inner_Pat 组件对应的属性为 P_Copper，Isolant 组件对应的属性为 P_Isolant，如图 27-4 所示。

 

 

图27-4 单元属性创建

 

Step 02 创建热通量边界。

在模型浏览器中右击并创建 Group，命名为 Imnner_Face，并且设置 Card Image 为 CONDUC-TION。然后激活 elements 选择器用于创建热源表面。在窗口下面的设置面板中选择 add solid faces 和 elems。选择 Inner Pant 中的一圈单元，并且在 nodes 选择器中选择三个表面上的点，最后单击 add 按钮，创建完毕。设置界面如图 27-5 所示。

 

 

图 27-5创建热通量边界

 

Step 03在 Inner _Face 的单元上创建热通量。

-在模型浏览器中右击并创建 Load Collector，命名为 Hux。

-进人 Analysis->flux 面板。

-单击 elems 选择器，激活高级选择面板，以 by group 方式选择 Inner_Face，最后单击 select 按钮完成对象选择。在 fux 面板上设置 value 为0.3,load types 为 QBDY1，最后单击 create 按钮完成热通量创建

 

Step 04 在自由节点上设置散热器参考流体温度。

-在 Geom 面板上，单击 nodes 按钮进入节点创建面板，并且在该面板上创建坐标为(0,0,0)的节点。

-在模型浏览器中右击并创建 Load Collector，命名为 Imposed_Temperature。

-进人Analysis->constraints 面板。

-取消勾选所有 DOF 复选框，设置 load types为 SPC，选择刚刚创建的自由节点，单击 create/edit 按钮后设置 D 值为 10，即可完成该步设置。

 

Step 05 在 Isolant 的冷却通道上创建温度约束。

进入 constraints 面板，取消勾选所有 DOF 复选框，设置load types为 SPC，选择 Isolant 组件中内表面的全部节点，单击 create/edit 按钮后设置D值为 20，即可完成该步设置。

 

Step 06 为散热器创建对流边界。

-在模型浏览器中右击并创建 Group，命名为 Cooling_Fins，：并且设置 Card lmage 为CONVECTION。

-激活 Elements 对象选择框，选择 add solid faces 和 elems。选择散热器单元，并且在 nodes 选择器中选择全部散热器表面节点，单击 add 按钮，完成Group 的选择和创建。

-设置 Cooling Fins 的 MID 为 Aluminum，完成最终创建。设置界面如图 27-6 所示。

 

Step 07 更新 CONV 卡片以反映正确的环境温度。

-在底部面板上方的工具条中，单击 Card Editor 按钮，设置对象选择类型为 elems，config 为slave4，type为CHBDYE。

-在elems 选择器中选择全部 Cooling_Fins 单元，然后单击 edit 按钮后设置 TA1、选择环境参考温度点，即 Step 04 创建的(0，0，0)点，完成更新。

 

Step 08创建稳态热传导工沉并设置输出。

-在模型浏览器中右击并创建 Load Steps，命名为 Thermal。

-设置Analysis type 为Heat transfer (steady state),SPC 为Imposed_Temperature, LOAD 为Flux，完成工沉创建，如图 27-7 所示。

 

 

图27-6 对流边界创建

 

 

图27-7 分析工沉创建

 

在 Analysis 面板上，单击 control cards 按钮进入输出设置面板，在该面板上单击 GLOBALOUTPUT REOUEST 按钮，打开全局输出设置面板，勾选 THERMAL 和 FLUX 复选框，设置FORMAT(1)的参数为H3D，OPTION(1)的参数为ALL。

 

Step 09 保存模型并提交计算。

结果查看

计算完成后，在 HyperView 中打开.h3d结果文件，节点温度分布云图如图 27-8所示，在热量流入的一端温度最高，沿着散热片温度逐步降低，散热片上最低温度为边界条件上设置的 20℃在自然对流区域，虽然环境温度为10℃，但是散热翅片的温度并不会达到 10℃，只有散热翅片的温度高于 10℃时，热量才会不停地从散热片内流出，达到散热的目的。

 

 

图27-8 节点温度分布云图

 

本篇内容取自HyperWorks进阶教程系列的《OptiStruct结构分析与工程应用》，版权归原作者所有，如有侵犯您的权益，请及时联系我们，我们将立即删除。