浅谈电机热仿真1——Icepack模型前处理

综述

电机作为一种机电能量转换装置，其运行过程中伴随着能量的转换也就不可避免的产生能量的损耗。随着工业4.0的不断推进，制造业智能化、无人化不断发展，也就意味着越来越多的工业机器人参与到工业生产过程中。针对伺服电机的输出功率的要求越来越高，与此同时对于电机的尺寸需求越来越严格，这也就意味着散热正逐渐成为限制电机功率输出的重要影响因素。超过规格的温度不仅会降低电机的使用寿命，也会对整个电机的输出性能产生影响。从这篇文章开始，作者将总结Icepack、CFX、Fluent、StarCCM 四款CFD仿真计算软件以及当前使用频繁的热阻网络法Thermalnet软件的操作指导以及不同软件的仿真精度和实测结果进行比对。希望与大家多多交流并不断提高仿真的精度。

Icepack模型前处理

与常见的通信机房机柜采用的标准化电子设备不同，电机作为非标准化的机械设备其外形具有较为复杂的结构，这也就大大提升了网格的复杂程度和计算量。众所周知，Flotherm作为Siemens工业软件中针对电子设备散热分析的重要一环，广泛的应用于电子设备散热分析过程中，其网格划分较为简单，以六面体网格为主，针对立方体为主的电子设备单板有着良好的贴体性（后续在Flotherm专栏会提到）。而对于电机这种非标自动化机械而言，其网格不能准确反映电机的CAD模型，需要采用Icepack的软件进行网格划分。从这篇文章开始，作者将简单介绍使用icepack进行电机热仿真的操作，抛砖引玉，与大家交流讨论。

图1.CFD仿真流程图

如图1所示为CFD仿真的流程示意图，在进行CFD仿真设置前需要将CAD模型导入到Icepack中。在使用Icepack进行仿真时可以使用ANSYSWORKBENCH将CAD模型转化为Icepack可以识别的模型导入到Icepack中进行计算分析。

图2.ANSYS Workbech CAD模型导入

在CAD模型导入之前可以通过CAD软件对模型进行预处理，有以下几个原则：

1.不在传热路径上的结构件可以直接删除，以减少网格数量与计算量；

2.对传热影响较小的圆角和倒角可以删除，在网格划分过程中尽量以六面体网格为主以提高网格的贴体性；

3.在传热学中定义导热系数小于0.35W/mK的材料为保温材料，一些绝缘塑料件均可定义为保温材料，可酌情删除

图3.CAD模型简化

如图3所示为一些可以删除的特征，大家可以根据自己的需求合理简化模型。在经历了多次反复迭代后，对建模尚有余力的工程师可以根据自己的理解重新构造热仿真模型进行CFD计算，这样构造的模型一方面可以避免原有结构工程师建模过程中的干涉，另一方面也可以准确的反应CFD工程师关注的区域热仿真云图。

在CAD软件中处理结束后可另存为STEP格式的文件方便下一步导入，在Workbench中直接调用Geometry模块导入step格式模型，使用spaceclaim软件打开模型进行进一步的处理。这里要强调的是，使用spaceclaim软件进行模型的简化有时候会大大提升简化的效率，在使用CAD软件不能修改一些小的特征时可以采用spaceclaim软件进行进一步的处理。通常可以采用Delete face、Replace face、Offset face 等命令进行进一步的处理。

图4.Spaceclaim模型简化

如图4所示为CAD模型导入spaceclaim后，点击workbench模块选择icepacksimplify对模型进行简化，这里需要注意外部导入的CAD模型简化模式选择Level3，面质量拉满后框选整个模型进行简化。针对不同复杂程度的模型简化时间不同，通常5-10min即可完成简化，简化完成后可以直接保存spaceclaim文件通过ANSYSworkbench强大的数据流导入icepack模块进行计算。有的同学会遇到icepack未能嵌入workbench的情况，这样我们只需要将模型save as Icepackmodel后替换掉Icepack计算文件所在文件夹的model模型即可（如下图所示）。

图5.Spaceclaim模型导入Icepack

在完成上述的操作后下一步即可导入Icepack进行进一步的CFD仿真设置、网格划分与计算，接下来的文章会一步步详细介绍。

原创不易，转载需注明出处。有任何问题大家可以在评论区提出来，作者将尽力解答。多交流~