对于在高温环境下工作的零件,在设计时要保证零件的工作温度不超过其最高允许工作温度,这时就考虑零件之间的热传递问题,比如发动机的活塞的冷却、电子元器件的冷却、新能源电池的热管理等等。

问题引入

在某个400度的高温零件上,焊接一个支架,在支架上安装一个传感器,由于传感器是塑料件外壳只能耐温120度,如果超温那么传感器就会融化,需要通过计算确认传感器是否在合适的温度范围内工作。

模型建立

这里使用下面的结构做为例子,在支架和传感器之间使用隔热棉阻隔热量的传递,并使用螺栓将传感器固定在支架上。

热力学计算

solidworks热力学计算

新建一个simulation算例,使用热力学计算。

热力学计算

材料设置

将支架和螺栓的材料设置为合金刚,传感器的材料设置为ABS。

热力学计算

新建一个隔热棉的材料,热导率设置为0.15W/(m.k)。

热力学计算

连接设置

在热力学中零件和零件之间的连接方式有三种:热阻、结合、绝缘。

热阻允许对零件和零件的结合面之间添加热阻,在实际中由于接触面的粗糙度以及接触面的平面度,在面和面之间存在一定的热阻。

结合表示零件和零件之间的热阻为0。

绝缘表示零件和零件之间不发生热量传递。

由于接触面之间的热阻难以获得,这里零件和零件之间的连接均设置为结合关系。

热载荷添加

对支架的焊件面添加400度的温度载荷。

热力学计算

根据对流换热系数大致数值,选择零件的所有外部面,将对流系数设置为20,同时我们将零件所处的环境温度设置为50度。

热力学计算

热力学计算

计算结果与分析

完成温度场的计算,在结果云图中隔热棉能够很好的阻隔热量的传递,但是螺栓头处的温度较高,热量由螺栓直接传递给传感器,螺栓头周围传感器的温度超过了150度,传感器已经失效。

热力学计算

为了对比螺栓传递的热量对传感器的影响,下面我们将这两个螺栓排除在分析范围外,再来计算一次。

通过计算结果的比对,传感器的损坏是由于螺栓传递的热量造成,在没有螺栓的情况下,传感器的表面温度不超过100度能够满足需求,在后续的改进中需要对整体结构进一步优化。

热力学计算

总结:

在实际情况中零件表面的对流系数是一个变化量,随着空气流动速度的不同对流系数时刻在发生变化,我们无法得到准确的对流系数。solidworks simulation中的热力学分析需要准确的边界条件才能得到准确的结果。

因此,solidworks simulation中的热力学分析应用较少,对于这种对流换热的分析一般在folw simulation中完成,在folw simulation中对流换热系数会根据流体的流动情况自动计算出来。