基于ANSYS的热板优化设计

谭伟强，杨铁牛



基于ANSYS的热板优化设计

谭伟强，杨铁牛

（五邑大学 机电工程学院，广东 江门 529020）

结合热板的设计实例，讨论了热管等间距等功率分布导致热板表面温差偏大的原因. 运用ANSYS软件对热管位置和功率同时进行优化，热板表面温差从降为，满足工厂使用要求；进一步分析了热管三段式分布，并据此再进行优化，得到热板表面温差为，且优化出来的间距和功率变化符合经验，对三段式热管功率的配比具有指导意义.

热板；瞬态热分析；ANSYS

在橡胶注射机、平板硫化机等机械设备中均存在热板结构，其主要功用是为模具或制品提供热能和压力，以保证制品在加工过程中的温度和压力. 因此，热板设计的好坏直接决定了产品质量的高低. 传统的热板设计采用热管等间距等功率布置的方法，虽然简化了设计程序但由于忽略了热板本身的传热特性，导致热板表面温差大而影响使用性能. 因此，根据热板的结构和传热特性优化孔间距和管功率使其表面温差最小，是热板设计中面临的难题. 花丹红等[1]采用正交试验法对热管功率和热管位置进行了优化；李爽等[2]利用ISGHT与ANSYS集成的方法对热管排布进行了优化，在一定程度上也得到了较好的结果. 本文采用ANSYS对热管功率和热管位置同时进行优化，并在此基础上，针对热板中间温度高、两端边缘温度低的特点，按照热管功率三段分布的特性再进行优化，据此进一步降低热板的表面温差.

1 ANSYS优化过程

ANSYS瞬态热分析能够确定在某时间段内变化的温度分布和其他物理量，其载荷有温度、热流率、对流、热流密度、生热率等，本文以某工厂的热板瞬态热分析为例. 由于结构具有对称性，取热板的1/2建模，其侧面有9个热管孔，几何模型如图1所示.

图1 热板结构图

ANSYS优化流程如图2所示，其优化的过程主要分两大步：1）完成结构分析，并生成一个输入文件（不能采用GUI方式）；2）指定设计变量和状态变量，完成优化设计分析（可采用GUI方式）.

图2 ANSYS优化流程图

因优化分析过程中的热板模型简单，编写代码容易，这部分程序不详述. 求解后根据优化对象的要求，需要有提取后处理的结果程序，这直接关系到优化的成败. 有限元获取表面参数值的方法有很多，比如逐点选取导出数值、遍历比较等等. 由于目标函数为表面温差，可以看出，无需知道热板表面每一节点的温度是如何分布的，只需搜索到温度最大值和最小值节点即可，采用ASEL、NSLA命令可完成对表面节点的搜索，NSORT、TEMP表明搜索的是节点温度，通过GET函数获取温度的最大值和最小值，做差即可得到最大表面温差值. 这种方法简化了程序、提高了优化速度. 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 传热的数学模型

在一般三维问题中，根据傅里叶传热定律和能量守恒定律可以建立传热问题的控制方程，即瞬态温度场在直角坐标中应满足如下的微分方程[3]：

由式（1），材料比热、导热系数、材料密度必须是已知的.热板的材料比热，导热系数，材料密度. 在ANSYS的Define Material Model Behavior 中输入材料性能，模型网格划分离散化后，通过节点传递温度.

ANSYS加载过程中，需要确定温度场的边界条件，即以哪种形式加载. 假设热板不考虑热辐射和材料物性参数变化，不计热管的热量损失，认为周围空气温度恒定，那么1/2模型热板的边界条件就只有热管孔上的热流量和热板与周围空气的热对流. 因此，ANSYS施加载荷时，只需在热板的上下表面、前后侧面和右侧面施加热对流（CONV）面载荷，热板所处的环境温度初始值为；在热管孔内表面上加面载荷热流量（可用热流密度（HFLUX）来反映）. 根据热流密度的定义，平均分配到每根热管的热流密度为：

ANSYS优化过程中首先需要对孔间距和管功率进行初始赋值，本文将传统的等间距等功率热管设为初始状态（即，，）进行优化，以较快地找到最优解. 第一次求解完后进行循环迭代，根据声明的设计变量、状态变量、孔间距和管功率参数通过零阶、一阶优化方法不断逼进目标函数，找到最优解.

合理设计变量和状态变量的约束范围可以较快找到最优解. 根据热板的传热特性可知，热板升温过程中上下表面和右侧面可以与周围环境进行对流换热从而影响温度分布，由于热板是1/2模型，故左侧面不加温度载荷，等间距布局为初始位置，其余为，为避免功率分布差异太大，设定范围约束热管可以在初始位置左右移动，即管间距最小值为、最大值为，离左侧最小值应有一个热管孔的空间，即最小值为. 功率分配初始值均为，考虑到靠近左侧部分热管功率变化不是太大，变化范围可设定小些；右侧与空气换热多温度变化明显，可设置较大的变化范围. 本文优化设计的参数如下：

目标函数：TEMP=MAX-MIN

3 结果分析

本文对热管位置和功率的不同分布形式做了分析. 其中，图3是传统等间距等功率分布的求解结果云图，热管表面最高温度，最低温度，温差，最高温度在中间，最低温度在边缘. 根据行业标准HG/T2398—1992对热板表面温差的要求：优等品，一等品，合格品[4]，传统的热管等间距等功率的分布不符合要求，主要原因是忽略了热板的传热特性. 按图2所示的ANSYS优化流程对热管间距和功率进行优化，结果见图4：热管不是等间距等功率分布的，表面最高温度，最低温度，优化后表面温差由降至，达到了一等品的标准. 优化后的孔位置和管功率很难是等间距等功率分布的，管间距分布为，，，，功率分布为，，，. ANSYS内部的优化函数考虑到了热管孔位置和管功率对目标函数（表面温差）的影响，在表面温差最小这一条件下，按照图2优化流程图，循环逼近找到最优解，得出图5循环曲线图，该图已除去循环过程中产生的偏离目标值较大的点.

图3 等间距等功率温度云图

图4 优化后变间距变功率云图

图5 变间距变功率循环曲线图

实际上，同一个热管孔可分布着3段不同的功率，如图6所示，而这种分布符合吴文山等[5]关于热管功率三段式分布的研究.

图6 三段式热管

三段式热管的获得过程：1）ANSYS先对热管间距和功率进行一次优化，得到图4结果云图；2）固定一次优化后热管孔的位置，只进行功率优化，再将热管孔分成三段加载，如图7所示，保证中间高温部分的热管功率不变（功率分布与图4一样），让两端温度向中间逼近（从图4云图可得出三段热管的长度即中间高温部分，两端低温部分各）；3）以两端低温部分的热管功率为设计变量，进行二次优化，图8是热管功率三段式分布的优化循环图（该图已除去循环过程中产生的偏离目标值较大的点），曲线最后趋于平缓表明函数收敛得到了最优解. 图9结果表明：热管三段式分布优化后进一步减小了热板表面温差，其值为，优化出来的间距和功率变化符合经验. 圆整后，最终间距和功率分配如下：

图7 三段式热管功率分配图

图8 热管三段式循环图

图9 热管三段式温度云图

4 结束语

[1] 花丹红，汪超，李金国. 橡胶注射机模具加热系统温度场优化设计[J]. 模具工业，2008, 34(10): 55-59.

[2] 李爽，董林福，李旭日，等. 电热平板硫化机热板温度场优化设计[J]. 橡胶工业，2006, 53(12): 747-749.

[3] 龚曙光，黄云清. 有限云分析与ANSYS APDL编程及高级运用[M]. 北京：机械工业出版社，2009.

[4] 中华人民共和国国家发展和改革委员会. HG/T2398—1992中华人民共和国化工行业标准[S]. 北京：化学工业出版社，1992.

[5] 吴文山，林康，李金国. 基于温度场分析的热板功率分布设计[J]. 轻工机械，2008, 26(4): 32-34.

[责任编辑：熊玉涛]

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

谭伟强（1989—），男，湖南株洲人，在读硕士生，主要从事机械设计制造；杨铁牛，教授，博士，硕士生导师，通信作者，主要从事机械设计制造、IC装备压力分布等研究.