超簡單模擬:熱分析

更新於 發佈於 閱讀時間約 6 分鐘

本文的來源,是在進行長時間燒機時,馬達本體的溫度為45度,但在遠離馬達的機台組裝面上,反而量到50度,因此進行模擬確認;最終也確認是機台本體有其它的機械磨擦產生熱源所造成的。

步驟1:開啟Simulation功能

開啟圖檔後,點選SolidWorks Simulation的圖示。因Simulation為附加功能,在初始設定的系統中非常態掛載,需要額外啟動,才會跳出對應的功能列。跳出後,再點選Simulation功能列,才能開始設定新研究。

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步驟2:新研究設定

在Simulation中,其實有很多種不同的模擬分析種類。而本專案的題目是熱分析,選擇"熱"模擬種類後,點選綠色勾勾,即可進行下一步。

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研究建立完成後,會產出研究列表,其中包括零件、連接、熱負載、網格,這四項參數。只需要依序設定與執行,即可得到模擬成果。

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步驟3:填入參數

在物件上要做的工作,其實就是幫它選材料。於物件名稱上,點滑鼠右鍵,就會跳出材料選項。SolidWorks本身已內建許多材料庫,可以直接選用。以本案來說,主要是鋁與矽鋼片。一但材料設定完成後,就會在物件名稱旁邊,多了材料名稱,方便使用者辨識。

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在來需要確認各零件的連接狀態,於零組件接觸上,點選滑鼠右件,即可填寫接觸組參數。接觸組即是要定義兩零件的接觸面及熱阻力,需於藍色及粉紅色框中分別點選兩零件的接觸面,之後於下方的熱阻力中填寫數值。由於本案一開始的描述十分特別,最熱處是遠離熱源的,因此筆者假設零件間完美接觸無熱阻力,熱能直接傳遞給週邊的零件,因此熱阻力值都填"零"。這樣唯一影響熱傳導的只有材料因素,還有體積轉化的熱容量。筆者本來是懷疑前蓋有較大的體積及熱容量,因此造成熱累積在前蓋,才產生比較高的溫度。

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在選則接觸面時,可能會被其它零件遮住,則可將滑鼠移到零件上,點選右鍵將其隱藏。而要再次顯示時,無法直接從圖形中找到零件,必須直接到零件列表中一樣使用滑鼠右鍵跳出選項,使零件重新顯示。

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熱負載是此Simulation最重要的部份,除了給定熱源外,主要是針對熱傳的型式做設定。基本熱傳的設定有三種 1. 熱傳導 2. 熱對流 3.熱輻射。基本上前面的選擇材質及接觸面,填寫熱阻力值,這些工作就是在處理"熱傳導";而熱對流及熱輻射都在此設定。此外,熱輻射雖然存在,但佔比太低,基本上不是特別高溫的情境,大多可以忽略。

在此時您可在某一零件或是某一面設定溫度,做為熱源給定的方式。但由於筆者模擬的標地是馬達,它是用功率來定義溫度的影響,因此在這是用熱功率於矽鋼片處設定,並給定12W的熱功率值。

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熱源給定後,再來就是熱對流,最基本的想法,就是零件有接觸到空氣的部份都可以設定。於藍色框中點選圖中會與外部空氣接觸的面,給定對流系數,若是一般的自然對流,大約是20 W/m^2.K;若是有外部風扇在吹,則會應在200 W/m^2.K 以內。另外要注意,K為溫度符號,是指克耳文(Kelvin,K),基本上就是從絕對零度(-273度)開始計數的描述方式。因此室溫25度時,若用K表示,就是273 +25 = 298。

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如此,熱源、熱傳導及熱對流的部份都設定完成,熱輻射先忽略,就可進入網格設定。用滑鼠右鍵,點選產生網格即可。老實說,網格的設定很關鍵,會直接影響數據的正確性,也影響模擬的時間。因此在簡單物件上,就把網格設定密一點,也不會耗費太多模擬時間。複雜的物件,就要針對主受力區域,設定較密的網格,而遠離受力位置,就盡量鬆散,可簡少運算的時間。

SolidWorks提供了簡化的設定辦法,用拖拉的方式設應,基本上就是拉到細就對了;因對應到Ansys這類更專門的軟體來說,SolidWorks的細,仍然太粗。設定好後,同樣點選綠色勾勾,此時電腦就會開始產生網格。

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步驟4:執行模擬運算

當網格完成後,點選執行此研究,就會開始進行模擬分析。完成後即會產出模擬成果。由結果可得知,雖然前蓋有較大的體積,但鋁材是更為容易將熱對流至空氣當中,而與空氣的接觸面積又大,不會造成龐大的熱堆積,因此前蓋的溫度仍會低於熱源處的溫度。

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步驟5:成果展示

可挑選不同的物理量來顯示模擬成果,僅需於想看的物理量上使用滑鼠右鍵,點選顯示即可。若對於圖表內的單位、數字表示方式、顏色及範圍想要更改的話,都可於圖表選項中進行修改。

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重點整理:

本模擬實際耗費的時間,在10分鐘以內;但之所以能如此簡化,是因模擬的目標是針對前蓋是否有可能堆積較高的溫度,而非真實物理狀態現象。

模擬只是工具,重要的仍是使用者的知識背景。



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