ANSYS Workbench 瞬态热分析案例

这是 ANSYS 工程实战 第 39 篇文章

问题描述：

这章主要介绍电子枪通电加热到 1050℃ 需要时间；断电整个过程电子枪各部件温度与时间的关系；阴极温度降为 200℃ 左右需要时间。

1. 电子枪仿真模型及前期设置

枪的简化模型：这章枪的模型与文章 31 的模型相同，如图 1，模型主要包括控制极、控制极支撑件、外热屏、阴极支撑筒定位件、镍管、内热屏、阴极饼、钼筒、热丝及大枪壳等等 。

图 1  枪有限元模型

网格设置：有限元各部件网格大小及设置方法与文章 31 设置相似，模型划分网格后如图 2。

 图 2 枪有限元模型

part 和接触设置：我们先假设电子枪各部分是充分焊接的，所有体设置一个 part，不设置接触热阻。

辐射系数及设置：电子枪中封闭的空间进行面面辐射设置，裸 露的部分进行面环境辐射设置，各种零件在不同分析模型中辐射系数相同，具体辐射对设置如图 3。

图 3  各种辐射对辐射系数及辐射组

时间步设置：瞬态时间步的总步数 (NumberOfSteps) 为 20 步，每步设置自动时间步，最小子步（MinimumSubsteps）为 1，最大子步（MaximumSubsteps）设置为 5，时间步设置参数及方法，如图 4。

图 4  瞬态时间步设置

温度载荷及环境温度：电子枪工作的环境温度为 25℃ ，电子枪功耗以热生成方式加到热丝上，前 6400S 灯丝处于加电状态，之后灯丝断电，整个部件开始降温，如图 5。

图 5  不同时间点温度载荷

2. 仿真计算

仿真后，整个升降温过程中，阴极表面最高温度、阴极最高温度、内热屏最高温度、外热屏最高温度、控制极最高温度、阳极最高温度等随时间变化如图 6。

图 6  不同时间点各部件温度情况

加电6400S 时，阴极和枪上最高温度已经达到稳定，阴极表面最高温度达到1046.4℃，阴极最高温度为 1101.3℃，如图 7。

图 7  阴极温度分布

加电 6400S 时，内热屏筒上最高温度为 1047 ℃，最低温度 339.84 ℃，如图 8。

图 8 热屏筒温度分布

加电 6400S 时，外热屏筒上最高温度为 346.18 ℃，最低温度 277.85 ℃，如图 9。

图 9  外热屏筒温度分布

加电 6400S 时，控制极支撑件上最高温度为 246.44℃，最低温度 197.14℃，如图 10。

图 10  控制极支撑件温度分布

加电 6400S 时，控制极上最高温度为 246.68℃，最低温度 246.36℃，如图 11。

图 11  控制电极温度分布

加电 6400S 时，热屏支撑件的最高温度为 402.89 ℃，最低温度 256.1 ℃，如图 12。

图 12  阴极支撑筒温度分布

加电 6400S 时，阳极的最高温度为 179.51 ℃，最低温度 179.49 ℃，如图 13。

图 13  阳极温度分布

断电 169 S，即 6569 S 时，阴极表面最高温度降为 200.51℃，阴极最高温度降为200.52℃，如图 14。

图 14  阴极温度分布

断电 169 S，即 6569 S 时，内热屏筒上最高温度降为 200.5 ℃，最低温度 193.13 ℃，如图 15。

图 15 热屏筒温度分布

断电 169 S，即 6569 S 时，外热屏筒上最高温度降为 198.84 ℃，最低温度 192.65 ℃，如图 16。

图 16  外热屏筒温度分布

断电 169 S，即 6569 S 时，控制极支撑件上最高温度降为 194.27 ℃，最低温度 179.91 ℃，如图 17。

图 17  控制极支撑件温度分布

断电 169 S，即 6569 S 时，控制极上最高温度降为 194.28℃，最低温度 194.23℃，如图 18。

图 18  控制电极温度分布

断电 169 S，即 6569 S 时，热屏支撑件的最高温度降为 193.53 ℃，最低温度 191.84 ℃，如图 19。

图 19  阴极支撑筒温度分布

断电 169 S，即 6569 S 时，阳极的最高温度降为 173.62 ℃，最低温度 173.57 ℃，如图 20。

图 20  阳极温度分布

结论：

阴极温度降为 200℃ 后，随着时间的增加，阴极降温速度减慢，而且各部件温差会越来越小，实际计算时间和实际测量时间还会有一些差异，还需多次比对，进一步优化仿真。