某雷达行波管散热的有限元分析方法

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摘 要：本文首先对某行波管的外形进行三维造型，然后通过数据转换载入ansys软件，形成ansys中的三维实体，进而对其进行热固体网格划分，确定发热功率和发热区域／散热区域／材料热导率／散热环境温度进行理想状态下稳态热分析．

关键词：行波管；三维造型；热网格；稳态分析

1.引言

行波管是雷达发射机中的关键器件，它的正常稳定的工作对整部雷达的正常工作有着至关重要的作用．由于行波管是中等发热器件．在保证它正常工作的情况下可以采用增加散热片面积，进行风冷来解决散热问题．

但是如何保证散热效果，如何保证行波管在散热系统中低于某一温度工作，必须进行散热问题的量化．我们可以通过做实际实验／数学计算／模拟分析来实现．做实际实验效果最好，但是需要很多客观的条件，需要做很多的实际工作；数学计算只对于较简单的散热问题方便适用，当系统复杂时数学计算显得更为复杂并且准确度不能保证；有限元分析也是解决这一问题的一种方法，但是为了确保计算的精度需要高密度的网格，这也会使计算量成倍增加，随着计算机运算速度的增加，有限元分析的这个问题得到较好的解决．

2．有限元法

有限元方法是用于各种实际问题的有效方法，应力分析中稳态的／瞬态的／线性的／非线性的问题以及热学的／流体力学／电磁学以及高速冲击力学问题都可以通过有限元的方法得到解决．本文的问题属于热学的稳态问题．

有限元分析的基本步骤为：

（１）建立求解区域并将其离散为有限单元，即将连续体问题分解成节点和单元等个体问题；

（２）建立代表单元物理行为的形函数，即假设代表单元解的近似连续函数；

（３）建立单元方程；

（４）构造单元整体刚度矩阵；

（５）施加边界条件／初时条件和载荷；

（６）求解线性或非线性的微分方程组，得到节点求解结果；

（７）得到其他重要信息；

本文采用有限元分析软件ansys10.0进行分析．

3．三维成型和热分析

本文的行波管的三维模型是根据行波管的实际尺寸进行的建模，使用的三维软件是Eolid Edge V14 ,V14包括零件／钣金／装配／工程图和焊接等5大模块．为了热分析处理方便，本文把行波管当作一个零件处理，只用零件模块对其进行建模．建模完成后以PAPR格式保存．建模的三维图形如图1.

将三维模型的PARA格式导入ansys10.0，作为分析的初时实体模型．在ansys的设置中将plotctrls／style／solid model facets中选项更改为normal faceting，取消线框显示，出现实体显示．如图2

行波管中的内部是很复杂的，系统很难描述，本文只是从热分析的角度来表述其中的状态．假设行波管材料是恒定的热导率，其热导系数是20，并且是不随温度变化的，各项同性的．在发热方面，假设只有灯丝是发热的，且功率恒定为80w．为了加载方便，本文在灯丝附近的面上增加生热率载荷．如图3中的A．实际实验中行波管的散热面是底面，在底面上增加散热片，其他各面于空气接触．本文中对此进行简化，假设底面是是理想散热面，其他各面不散热，散热面如图3中的B。

接下来需要对行波管进行三维立体热网格划分，本文中选择的热网格为Tharmal Solid 中的Brick 8node 70，由于行波管的形状比较复杂可以对其进行分块划分，也可以采用先用自由网格划分．分块儿划分时，其中标准形状的块儿可以采取sweep模式，对于不标准的块可以采取自由网格划分．自由网格划分时，可以使用网格划分工具直接划分，然后再细化网格．本文采用第二种方法划分网格．划分的网格图形如图4．

网格划分完成后，需要进入求解模块SOLUTION，本文的分析简化为稳态分析，刚开始加热时的瞬态过程不于考虑．热分析的三种类型是：传导／对流和辐射，在本文中的分析中只考虑传导，对流和辐射暂不于考虑． 设置完成后，在solve中点击current LS进行求解．

求解完成后，要查看求解结果，即查看各个节点温度值的分布情况．进入Main Menu| General Postproc| Plot Results| Contour Plot| Nodal Solu命令，出现Contour Nodal Solution Data对话框，选择Nodal Solution| DOF Solution| Nodal Temperature,单击＂OK＂按钮，ANSYS显示窗口显示如图5所示的温度场等值线图．

图5的下方是温度色条，根据温度色条，在三维图中可以知道稳态散热过程中行波管各个部分的温度分布情况．从灯丝发热部分到散热底面温度成梯度递减分布，在灯丝的远端温度基本没有变化，在理想散热面底面，温度也接近25度（初设的温度）．在灯丝附近的温度是29.8度．

4．结束语

行波管的散热设计关系到系统是不是能够正常的工作，对系统设计成型后进行仿真可以提前预知到系统是不是能够正常的温度范围下工作，本文采用ANSYS对行波管的散热进行了简单的分析，由于对散热系统进行了简化，并且假设底面的理想散热面，所以计算结果于实际稍有差别．要想获得更加真实的仿真结果，必须考虑更多的热传方式和更多的边界条件．这样就需要考虑散热片的大小／空气流动速度／空气中的热辐射，同时也需要更加精细的网格划分等等．

参考文献：

[1] 王富耻, 张朝辉. ANSYS10.0有限元分析理论与工程应用. 电子工业出版社

[2] 袁乐健,　Solid Edge实用教程.　清华大学出版社

[3] 吴宗泽. 机械设计使用手册. 化学工业出版社

[4] 濮良贵, 纪名刚. 机械设计. 高等教育出版社

[5] 木林森, 高峰霞, 罗丽琼. AUTOCAD14使用手册. 清华大学出版社