4-47  ProE在模拟负载结构设计中的应用

潘文武  王国亮

为了测试高电压直流电源和大电流交流电源的承载能力，要求假负载在结构上要实现交流负载和直流负载的切换以及根据不同的线路接法得到不同的电压、电流、功率等电性能参数。基于以上的要求，利用Pro/Engineer的3D建模功能，不仅可以设计和分析负载结构布局是否合理，而且可以分析其力学及热性能是否满足要求。该假负载的关键是功率消耗的设计，它由3组主要模块组成，3组既可以连接成三相四线供大电流交流电源用，也可以连接成单根电阻丝供电压直流电源用，其中单相结构布局如图1。

根据假负载的使用条件可知该负载属于静态结构问题和稳态热传递问题，因此解决了的稳态热传递后就可确定热载荷和热应力。进行热结构仿真的电热丝物理性能参数如下：密度r = 7.1´10^{-6 kg/mm3}；泊松比n =0.27；弹性模量E=199 948 MPa；热膨胀系数a =1.6´10^-5/℃；比热容c= 4.98´10⁸ mm²/(s²℃)；热导率l=45.2 N/(s²℃)。在仿真过程中，假设没有吹风，只考虑空气的自然对流，因此可取环境温度在T₀=50 ℃时对流导热系数l=1 N/(s²℃)，这样就计算出通电前后的温度变化，进而得到风机风量计算时的温升参数。电热丝的加载情况：通过电流产生的热量是5 225 W；对流只在螺旋圈外面存在对流导热系数取1 J/(ms℃)。

图2是电热丝工作温度为50，150，300，450，700 ℃时电热丝在考虑重力作用下的最大变形，从图中可知，温度高的电热丝的重力方向下的变形大，特别是700 ℃时，其变形达到了7.5 mm，由于负载实际工作时，风机对每根电热丝的送风温度不可能相同，离风机远的电热丝的送风是其前面电热丝加热过的热空气，考虑安全及装配加工等因素，拟为电热丝留出15~20 mm的伸长空间。表1是不同工作温度条件下的热分析结果。

从表1中可以看出，随着电热丝表面温度的增加，电热丝通电后的表面温度也随着增大，但是温升却几乎不变，这主要是电热丝消耗的功率是一定的，因此在选择风机时可取温升为80 ℃。

表 1  不同工作温度条件下的最高、最低温度及温升