基于SolidWorks Flow Simulation的控制柜的热分析

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机械手控制柜，国外采用高度集成化 、小型化的元器件，而对于中国只提供低端且体积较 大的元 器件，造成国产机械手控 制柜体积较大。虽然在价格上有-定优势 ，却难以在控制柜的外形尺寸上替换国外机械手的控制柜，使国产机械手在国际产品的竞争上处于劣势。

随 着洁净行 业的快 速发 展，近年 来越来越多的客户对机械手控制柜提出小型化的需求 。机械手控制柜小型化后，受到本身耗散的热量作用使得机械手控制柜内部的温 度有可能超出元器件允许的范围，会降低元器件的性能以及寿命，进而导致故障 ，降低整个系统 的稳 定性 甚至造成重大安全 事故。机械手控制柜为系统设备的主要载体 ，其安全性和可靠性 是必不 可少的。因此 ，在机械手控制柜中如何控制好内部的温度，给 机械手 提供良好的运 行环境 ，是 机械手控制柜设计及系统稳定运行的关键所在。

鉴于控制柜散热分析在实际工程中的重要作用，很多单位和学者对其展开了研究。顾忠仁对典型控制柜散热方法的比较分析，得出了每种控 制柜所适应的条件和工况，此方法只针对于散热部件的计算 ，缺乏整柜分析〉虹桥 对防爆电梯电气控制柜进行散 热分析与计算 ，通 过对元器件传 热和散热 途径的分析，建立平衡方程 ，得出了柜体最高表面温度 ，其方法复杂，不便于数值计算。张洋 对户外控制柜的散热进行了数值仿真研究，对 比了不同的散热方案∩以控制内部温度，适合于户外大型控制柜，对 于小型化机械手控 制柜还需深入研 究。

在机械手控制柜的产品开发中，由于受外 形尺寸、洁净要求 、风道要求、元器件尺寸、元器件使用温度等因素的限制，产品设计难度大，所以需要 -种适合于机 械手控制柜 的热设 计分析方法。该 文以热 力学为理论 基础，基于SolidWorks Flow Simulation软件，建立了机械手控制柜热设计模 型，分析了温度场随时间的变化规律，为机械手控制柜稳定运行建立了理论依据。

1热力学理论基窗软件介绍1.1热力学理论基础控制柜的热分析主要涉及的是热传递的相关知识。热 传递机理主要有3种：传导、对流和 辐射。传导是固体 中热传递最图1 机械手控制柜结构重要的方 式，通过分子 间的碰 撞来 传递热量 。热 量的传导方式 是从高温 区传 递到低温区。传递热量大小与介质热导 率、温 度梯度和通过面积成正比，与介质厚度成反比。

其表达式如下：e传导： (1)式中，九为介质热导率； - 为温度梯度，A为热传 递通过的面 积 ；L为介质的厚度。

对流是 -种传 热模 式，即固体表 面与附近流体间的传热。固体表面与附近流体对 流 传热 的 大 小 与对 流 系数 、表面 积 和表面 与周 围流体之 间的温 度差 。其表 达式如下：Q对流 ( -Tr) (2)式 中，h为对流系数 ；A为表面 积；· Tf为表面与周围流体之间的温度差。

1.2 SolidWo rks FIOW Simutation软件介绍 -SolidW orks Flow Simulation [41是-款功能强大的计算流体力学 (CFD)工具，这款流体仿真软件去除了计算流体力学的复杂性，可以轻松快捷地仿真流体流动、传热和流体作用力等流体与传热内容。其完全集成在SolidWorks 3D CAD软件内，86 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald在产品开发的任何阶段都能够从流体仿真中获益，借助更完善的仿真结果实现更好的设计。这样就可以使用熟 悉的工作流程、命令和 配置在 熟悉的SolidWorks设计环境中运行虚拟流体测试。

2机械手控制柜的热仿真2.1机械手控制柜结构机械手控制柜结构如图1所示，图l标出各元器件的位置及其热功耗。1号控制柜是按照传统方法设计 的控制柜其体积较大，2号控制柜是经过热分析优化后的小型化控制柜。

2.2机械手控制柜材料模型应用SolidWorks建立几何实体模型。

外壳采用304不锈钢拉丝板，元器件安装板采用Q235A电镀锌板，散热器采用铝材质，元器件塑料外壳由于导热性差，对流场有影响所以采用绝热件模拟。

2.3机械手控制柜有限元模型应用SolidWorks建立几何实体模型，用SolidWoks Flow Simulation将模型划分网格。得流体网格12148个；固体网格6741个。

2.4机械手控制柜边界及初始条件1号 风 机 压 差 峰 值 7 8 P a，流 量工 业 技 术型 ! Q： iScience and Technology Innovation Herald0.011 m /s，2号风机压差峰值25 Pa，流量0.006l m /s，为控制柜出风口的边界条件。具体工况还会受过 滤棉 、多孔板、内部材料摩擦系数等因素的影响。工作环境温度为20 ℃。

2.5仿真结果分析经过SolidWorks Flow Simulation软件 分析 ，得控 制柜 入风 口和 出风 口流体热力学分析数值。如图2所示，图中的线1为人风口温度随时间的变化线，其值恒为20 ℃，与工作环境温度相-致；线2为1号控制柜出风口温度随时间的变化曲线，稳态值为27.3 ℃；线3为2号控制柜出风口温度随时间的变化曲线，稳 态值为38.6 ℃；l号 控 制 柜按 照传 统 方法 设 计 温 度 上升7.3 ℃，2号 控制 柜温 度 上升 1 8.6 ℃l 2号控制柜 按照外形尺寸的 目标 优化设计，其风 机数 量减 少，元 器件功 率高 ，流场体积小 ，所 以导 致 其温 度 比1号 控 制柜 多升高l1.3 ℃。本优 化设计 以控 制柜 外形尺寸小 型化为主要 优化 目标 ，元 器件 的长期稳定 工作温度小于65 ℃即可。2号控制柜外形尺寸长438.5 mm x宽 235 mm x高177 mm，较控制柜1号外形尺寸长600 minx宽436 mmx高212 mm，体积缩467%。

图3控制柜从入风口到出风口流场，可以看出l号控制柜流诚为均匀；2号控制柜内部汇流到 出风 口对关 键元器件集中制冷，流场布局更为合理。

45352515 0 5O l00图2 流体热力学分析数值图3 控制柜从入风口到出风口流场2.6试验验证l号 控制 柜 在恒 温 2 0 ℃的洁 净间 ，连 续 运 行 8 h后 出 风 口实 测 的平 均 温 度 值 为 2 5.0 ℃ 。软 件 分 析值 与 实 验 的 误 差 ，(2 7.3～2 5.0 ℃)/27.3 ℃Xl00%8.4%

3结语(1)使用流体有 限元工具 ，不仅可以成功求解机械手控制柜热分析问题，而且方法简单，模型精确，结论可信。

(2)机械手控制柜的热分析结果表明，机械手控制柜温升值与实验值相-致。

(3)机械手控制柜的热分析结果表明，经过对控制柜内部元器件优化布置，机械手控制柜 外形尺寸得到优化，达到小型化的目的。