基于ANSYS的熱板優(yōu)化設(shè)計(jì)

譚偉強(qiáng)，楊鐵牛

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基于ANSYS的熱板優(yōu)化設(shè)計(jì)

譚偉強(qiáng)，楊鐵牛

（五邑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 江門(mén) 529020）

結(jié)合熱板的設(shè)計(jì)實(shí)例，討論了熱管等間距等功率分布導(dǎo)致熱板表面溫差偏大的原因. 運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)熱管位置和功率同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，熱板表面溫差從降為，滿足工廠使用要求；進(jìn)一步分析了熱管三段式分布，并據(jù)此再進(jìn)行優(yōu)化，得到熱板表面溫差為，且優(yōu)化出來(lái)的間距和功率變化符合經(jīng)驗(yàn)，對(duì)三段式熱管功率的配比具有指導(dǎo)意義.

熱板；瞬態(tài)熱分析；ANSYS

在橡膠注射機(jī)、平板硫化機(jī)等機(jī)械設(shè)備中均存在熱板結(jié)構(gòu)，其主要功用是為模具或制品提供熱能和壓力，以保證制品在加工過(guò)程中的溫度和壓力. 因此，熱板設(shè)計(jì)的好壞直接決定了產(chǎn)品質(zhì)量的高低. 傳統(tǒng)的熱板設(shè)計(jì)采用熱管等間距等功率布置的方法，雖然簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)程序但由于忽略了熱板本身的傳熱特性，導(dǎo)致熱板表面溫差大而影響使用性能. 因此，根據(jù)熱板的結(jié)構(gòu)和傳熱特性優(yōu)化孔間距和管功率使其表面溫差最小，是熱板設(shè)計(jì)中面臨的難題. 花丹紅等[1]采用正交試驗(yàn)法對(duì)熱管功率和熱管位置進(jìn)行了優(yōu)化；李爽等[2]利用ISGHT與ANSYS集成的方法對(duì)熱管排布進(jìn)行了優(yōu)化，在一定程度上也得到了較好的結(jié)果. 本文采用ANSYS對(duì)熱管功率和熱管位置同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，并在此基礎(chǔ)上，針對(duì)熱板中間溫度高、兩端邊緣溫度低的特點(diǎn)，按照熱管功率三段分布的特性再進(jìn)行優(yōu)化，據(jù)此進(jìn)一步降低熱板的表面溫差.

1 ANSYS優(yōu)化過(guò)程

ANSYS瞬態(tài)熱分析能夠確定在某時(shí)間段內(nèi)變化的溫度分布和其他物理量，其載荷有溫度、熱流率、對(duì)流、熱流密度、生熱率等，本文以某工廠的熱板瞬態(tài)熱分析為例. 由于結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，取熱板的1/2建模，其側(cè)面有9個(gè)熱管孔，幾何模型如圖1所示.

圖1 熱板結(jié)構(gòu)圖

ANSYS優(yōu)化流程如圖2所示，其優(yōu)化的過(guò)程主要分兩大步：1）完成結(jié)構(gòu)分析，并生成一個(gè)輸入文件（不能采用GUI方式）；2）指定設(shè)計(jì)變量和狀態(tài)變量，完成優(yōu)化設(shè)計(jì)分析（可采用GUI方式）.

圖2 ANSYS優(yōu)化流程圖

因優(yōu)化分析過(guò)程中的熱板模型簡(jiǎn)單，編寫(xiě)代碼容易，這部分程序不詳述. 求解后根據(jù)優(yōu)化對(duì)象的要求，需要有提取后處理的結(jié)果程序，這直接關(guān)系到優(yōu)化的成敗. 有限元獲取表面參數(shù)值的方法有很多，比如逐點(diǎn)選取導(dǎo)出數(shù)值、遍歷比較等等. 由于目標(biāo)函數(shù)為表面溫差，可以看出，無(wú)需知道熱板表面每一節(jié)點(diǎn)的溫度是如何分布的，只需搜索到溫度最大值和最小值節(jié)點(diǎn)即可，采用ASEL、NSLA命令可完成對(duì)表面節(jié)點(diǎn)的搜索，NSORT、TEMP表明搜索的是節(jié)點(diǎn)溫度，通過(guò)GET函數(shù)獲取溫度的最大值和最小值，做差即可得到最大表面溫差值. 這種方法簡(jiǎn)化了程序、提高了優(yōu)化速度. 部分程序如下：

…

/POST1

ASEL，S，，，4

NSLA，S，1

CM，CE，NODE

NSORT，TEMP

*GET，MAX，SORT，0，MAX

*GET，MIN，SORT，0，MIN

TEMP=MAX-MIN

FINISH

2 傳熱的數(shù)學(xué)模型

在一般三維問(wèn)題中，根據(jù)傅里葉傳熱定律和能量守恒定律可以建立傳熱問(wèn)題的控制方程，即瞬態(tài)溫度場(chǎng)在直角坐標(biāo)中應(yīng)滿足如下的微分方程[3]：

由式（1），材料比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、材料密度必須是已知的.熱板的材料比熱，導(dǎo)熱系數(shù)，材料密度. 在ANSYS的Define Material Model Behavior 中輸入材料性能，模型網(wǎng)格劃分離散化后，通過(guò)節(jié)點(diǎn)傳遞溫度.

ANSYS加載過(guò)程中，需要確定溫度場(chǎng)的邊界條件，即以哪種形式加載. 假設(shè)熱板不考慮熱輻射和材料物性參數(shù)變化，不計(jì)熱管的熱量損失，認(rèn)為周?chē)諝鉁囟群愣?，那?/2模型熱板的邊界條件就只有熱管孔上的熱流量和熱板與周?chē)諝獾臒釋?duì)流. 因此，ANSYS施加載荷時(shí)，只需在熱板的上下表面、前后側(cè)面和右側(cè)面施加熱對(duì)流（CONV）面載荷，熱板所處的環(huán)境溫度初始值為；在熱管孔內(nèi)表面上加面載荷熱流量（可用熱流密度（HFLUX）來(lái)反映）. 根據(jù)熱流密度的定義，平均分配到每根熱管的熱流密度為：

ANSYS優(yōu)化過(guò)程中首先需要對(duì)孔間距和管功率進(jìn)行初始賦值，本文將傳統(tǒng)的等間距等功率熱管設(shè)為初始狀態(tài)（即，，）進(jìn)行優(yōu)化，以較快地找到最優(yōu)解. 第一次求解完后進(jìn)行循環(huán)迭代，根據(jù)聲明的設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量、孔間距和管功率參數(shù)通過(guò)零階、一階優(yōu)化方法不斷逼進(jìn)目標(biāo)函數(shù)，找到最優(yōu)解.

合理設(shè)計(jì)變量和狀態(tài)變量的約束范圍可以較快找到最優(yōu)解. 根據(jù)熱板的傳熱特性可知，熱板升溫過(guò)程中上下表面和右側(cè)面可以與周?chē)h(huán)境進(jìn)行對(duì)流換熱從而影響溫度分布，由于熱板是1/2模型，故左側(cè)面不加溫度載荷，等間距布局為初始位置，其余為，為避免功率分布差異太大，設(shè)定范圍約束熱管可以在初始位置左右移動(dòng)，即管間距最小值為、最大值為，離左側(cè)最小值應(yīng)有一個(gè)熱管孔的空間，即最小值為. 功率分配初始值均為，考慮到靠近左側(cè)部分熱管功率變化不是太大，變化范圍可設(shè)定小些；右側(cè)與空氣換熱多溫度變化明顯，可設(shè)置較大的變化范圍. 本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的參數(shù)如下：

目標(biāo)函數(shù)：TEMP=MAX-MIN

3 結(jié)果分析

本文對(duì)熱管位置和功率的不同分布形式做了分析. 其中，圖3是傳統(tǒng)等間距等功率分布的求解結(jié)果云圖，熱管表面最高溫度，最低溫度，溫差，最高溫度在中間，最低溫度在邊緣. 根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T2398—1992對(duì)熱板表面溫差的要求：優(yōu)等品，一等品，合格品[4]，傳統(tǒng)的熱管等間距等功率的分布不符合要求，主要原因是忽略了熱板的傳熱特性. 按圖2所示的ANSYS優(yōu)化流程對(duì)熱管間距和功率進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果見(jiàn)圖4：熱管不是等間距等功率分布的，表面最高溫度，最低溫度，優(yōu)化后表面溫差由降至，達(dá)到了一等品的標(biāo)準(zhǔn). 優(yōu)化后的孔位置和管功率很難是等間距等功率分布的，管間距分布為，，，，功率分布為，，，. ANSYS內(nèi)部的優(yōu)化函數(shù)考慮到了熱管孔位置和管功率對(duì)目標(biāo)函數(shù)（表面溫差）的影響，在表面溫差最小這一條件下，按照?qǐng)D2優(yōu)化流程圖，循環(huán)逼近找到最優(yōu)解，得出圖5循環(huán)曲線圖，該圖已除去循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的偏離目標(biāo)值較大的點(diǎn).

圖3 等間距等功率溫度云圖

圖4 優(yōu)化后變間距變功率云圖

圖5 變間距變功率循環(huán)曲線圖

實(shí)際上，同一個(gè)熱管孔可分布著3段不同的功率，如圖6所示，而這種分布符合吳文山等[5]關(guān)于熱管功率三段式分布的研究.

圖6 三段式熱管

三段式熱管的獲得過(guò)程：1）ANSYS先對(duì)熱管間距和功率進(jìn)行一次優(yōu)化，得到圖4結(jié)果云圖；2）固定一次優(yōu)化后熱管孔的位置，只進(jìn)行功率優(yōu)化，再將熱管孔分成三段加載，如圖7所示，保證中間高溫部分的熱管功率不變（功率分布與圖4一樣），讓兩端溫度向中間逼近（從圖4云圖可得出三段熱管的長(zhǎng)度即中間高溫部分，兩端低溫部分各）；3）以兩端低溫部分的熱管功率為設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行二次優(yōu)化，圖8是熱管功率三段式分布的優(yōu)化循環(huán)圖（該圖已除去循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的偏離目標(biāo)值較大的點(diǎn)），曲線最后趨于平緩表明函數(shù)收斂得到了最優(yōu)解. 圖9結(jié)果表明：熱管三段式分布優(yōu)化后進(jìn)一步減小了熱板表面溫差，其值為，優(yōu)化出來(lái)的間距和功率變化符合經(jīng)驗(yàn). 圓整后，最終間距和功率分配如下：

圖7 三段式熱管功率分配圖

圖8 熱管三段式循環(huán)圖

圖9 熱管三段式溫度云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

[1] 花丹紅，汪超，李金國(guó). 橡膠注射機(jī)模具加熱系統(tǒng)溫度場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 模具工業(yè)，2008, 34(10): 55-59.

[2] 李爽，董林福，李旭日，等. 電熱平板硫化機(jī)熱板溫度場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 橡膠工業(yè)，2006, 53(12): 747-749.

[3] 龔曙光，黃云清. 有限云分析與ANSYS APDL編程及高級(jí)運(yùn)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[4] 中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì). HG/T2398—1992中華人民共和國(guó)化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1992.

[5] 吳文山，林康，李金國(guó). 基于溫度場(chǎng)分析的熱板功率分布設(shè)計(jì)[J]. 輕工機(jī)械，2008, 26(4): 32-34.

[責(zé)任編輯：熊玉濤]

An Optimization Design for Hot Plates Based on ANSYS

TANWei-qiang, YANGTie-niu

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

Taking thehot plate as design example, the paper discusses too big surface temperature difference in hot plates caused by equal spacing and power distribution. This study optimizes simultaneously the position and power of the heat pipe using the ANSYS, and as a result, the hot plate’s surface temperature difference decreases fromto, which can meet the requirements of factory use. It further analyzes the three-step power distribution of the heat pipe and optimizes it and the hot plate’s surface temperature difference is reduced toand the optimized distance and power conforms to practical experience. The optimization is of guiding significance to the power matching of the three-section heat pipe.

hot plates; transient thermal analysis; ANSYS

1006-7302（2015）04-0062-05

TQ330.4

A

2015-04-30

譚偉強(qiáng)（1989—），男，湖南株洲人，在讀碩士生，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造；楊鐵牛，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，通信作者，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造、IC裝備壓力分布等研究.