结构热设计基本理论.
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结构热设计
-----基础理论
2013年01月07日
结构热设计与有限元方法
目录
一、简介 二、 热分析基础知识
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
散热器介绍
提高表面积 提高换热系数
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
式中： Q —— 热量; W —— 作功; U ——系统内能; KE——系统动能； PE ——系统势能； 对于大多数工程传热问题： KE ＝ PE ＝ 0 通常考虑没有做功： W=0 , 则：Q U ； 对于稳态热分析：Q U 0 ，即流入系统的热量等于流出的热量； dU 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。 q dt 结构热设计与有限元方法
二、热分析基础知识
符号与单位
项目 长度 时间 质量 温度 力 能量（热量） 功率（热流率） 热流密度 生热速率 导热系数 对流系数 密度 比热 国际单位 m s Kg ℃ N J W W/m2 W/m3 W/m-℃ W/m2-℃ Kg/m3 J/Kg-℃ 英制单位 ft s lbm
oF
一、简介
ANSYS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。 ANSYS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。
Hale Waihona Puke Baidu
3. 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。
4. 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。 5. 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。 6. 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
TS 为固体表面的温度， TB 为周围流体的温度。
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。 结构热设计与有限元方法
二、热分析基础知识
三、自然冷却热设计
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。
dT dx
，q 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：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。
q h(TS TB )，h为对流换热系数, 自然对流和强制对流。热对流用牛顿冷却方程：
四、总结
结构热设计与有限元方法
目录（续）
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
单板级的热设计
元器件布局的热设计原则 导热介质的选取 PCB板的热设计原则
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
结构热设计与有限元方法
一、简介
1. 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。 2. 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 可以使用户精确模拟大型复杂结构的性能。
结构热设计与有限元方法
一、简介
主要模块
ANSYS/ Multiphysics
ANSYS/ LS-DYNA
ANSYS/ Emag
ANSYS/ Mechanical ANSYS/ FLOTRAN
ANSYS/ Thermal
ANSYS/ Structural
ANSYS/
LinearPlus
ANSYS代 号
lbf BTU BTU/sec BTU/sec-ft2 BTU/sec-ft3 BTU/sec-ft-oF BTU/sec-ft2-oF lbm/ft3 BTU/lbm-oF KXX HF DENS C
结构热设计与有限元方法
二、热分析基础知识
热传递的方式
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：q k
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〕
Q W U KE PE
-----基础理论
2013年01月07日
结构热设计与有限元方法
目录
一、简介 二、 热分析基础知识
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
散热器介绍
提高表面积 提高换热系数
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
式中： Q —— 热量; W —— 作功; U ——系统内能; KE——系统动能； PE ——系统势能； 对于大多数工程传热问题： KE ＝ PE ＝ 0 通常考虑没有做功： W=0 , 则：Q U ； 对于稳态热分析：Q U 0 ，即流入系统的热量等于流出的热量； dU 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。 q dt 结构热设计与有限元方法
二、热分析基础知识
符号与单位
项目 长度 时间 质量 温度 力 能量（热量） 功率（热流率） 热流密度 生热速率 导热系数 对流系数 密度 比热 国际单位 m s Kg ℃ N J W W/m2 W/m3 W/m-℃ W/m2-℃ Kg/m3 J/Kg-℃ 英制单位 ft s lbm
oF
一、简介
ANSYS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。 ANSYS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。
Hale Waihona Puke Baidu
3. 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。
4. 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。 5. 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。 6. 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
TS 为固体表面的温度， TB 为周围流体的温度。
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。 结构热设计与有限元方法
二、热分析基础知识
三、自然冷却热设计
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。
dT dx
，q 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：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。
q h(TS TB )，h为对流换热系数, 自然对流和强制对流。热对流用牛顿冷却方程：
四、总结
结构热设计与有限元方法
目录（续）
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
单板级的热设计
元器件布局的热设计原则 导热介质的选取 PCB板的热设计原则
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
结构热设计与有限元方法
一、简介
1. 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。 2. 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 可以使用户精确模拟大型复杂结构的性能。
结构热设计与有限元方法
一、简介
主要模块
ANSYS/ Multiphysics
ANSYS/ LS-DYNA
ANSYS/ Emag
ANSYS/ Mechanical ANSYS/ FLOTRAN
ANSYS/ Thermal
ANSYS/ Structural
ANSYS/
LinearPlus
ANSYS代 号
lbf BTU BTU/sec BTU/sec-ft2 BTU/sec-ft3 BTU/sec-ft-oF BTU/sec-ft2-oF lbm/ft3 BTU/lbm-oF KXX HF DENS C
结构热设计与有限元方法
二、热分析基础知识
热传递的方式
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：q k
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〕
Q W U KE PE