广工CADCAM报告.docx

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广工CADCAM报告

CAD/CAM实践性教学

题目名称CPU散热器CAD/CAE综合

设计分析

学生学院机电工程学院

组员

指导教师高伟强卜研

2014年7月7日

1.设计选题概述

1.1设计选题目的和意义

1.1.1目的

（1）学习CAD零件几何建模和产品装配建模的基本理论的基础。

（2）掌握UG系统线框建模、曲面建模、实体建模和装配建模的基本方法。

（3）学习ANSYS有限单元分析的基本理论和软件操作

（4）学习并掌握CAD/CAM数控自动编程的基本理论和软件操作

1.1.2意义

（1）CPU散热器对电脑CPU的良好工作和使用寿命有很大的影响，本文主要以CPU散热器为研究对象，通过UG8.0对其进行了设计，利用ANSYS对风扇叶片的模态分析、散热片的热效应分析，使设计的结果更加完善。

（2）CAD/CAM技术被视为20世纪最杰出的工程技术成就之一，其应用水平已成为衡量一个国家科学技术发展和工业现代化程度的重要标志，机械CAD/CAM技术开发研究和应用人才是社会大量急需专业人才。

课程学习使我们掌握机械CAD/CAM技术的基本理论知识，掌握CAD/CAM系统的学习方法，能够较熟练地运用一种CAD/CAM系统进行三维参数化建模，进行一般的产品机械结构设计，开展结构力学的工程分析和仿真，完成复杂零件的数控自动编程和数控仿真。

在此基础上使我们具备进一步提升设计知识、工程应用技能的自学能力。

并培养进行自主学习、项目组织、合作的能力，提高创新意识。

1.2设计的总体构思

此次造型设计及编程主要用到的是UnigraphicsNX8.0软件。

首先利用UG的建模模块和外观造型模块，进行CPU散热器的三维造型进行设计，使用UG8.0中自带的运动仿真系统进行仿真，对作品进行运动仿真。

再用UG的CAM模块对设计好的主要部件的造型进行数控加工刀路的编制，最后用UG自带的仿真系统进行模拟加工，进一步提高UG软件进行零件造型设计和数控编程。

在设计过程中，使用ansys12.1对零部件进行分析，如分析叶片的模态分析，散热片的热分析。

1.3主要内容及设计小组分工

1.3.1主要内容

CPU散热风扇的设计内容包括部件建模、加工仿真、部件组装、整体渲染、运动仿真、有限元分析等。

CPU散热器的造型主要以直线平面为主，用到的主要命令有拉伸、合并、镜像、阵列、倒圆角等。

其中扇叶为复杂曲面，需要通过艺术样条曲线绘制曲线草图，通过投影命令剪切曲面，再通过加厚命令形成叶片。

1.3.2小组分工

2.CAD零件建模和装配建模

2.1风扇叶片建模

画出风扇的中间部分

叶片曲线草图绘制，通过投影形成叶片的形状

通过曲线组命令形成曲面

绘制艺术样条曲线对曲面进行剪切

加厚曲面

阵列叶片，形成如下效果

最终效果图

2.2底座建模

建模过程如下

最终效果图

2.3散热片建模

散热片建模比较简单，过程就不一一列出，其最终效果图如下

2.4装配建模

选择散热片为第一个部件，约束条件为绝对原点约束

选择底座，通过约束进行定位，约束命令分别是接触对齐和距离约束，如图所示

最后选择风扇叶片，约束命令是接触对齐（自动判断中心轴）和距离距离约束命令

最终装配效果图如下

最终的渲染效果图如下

3．CAD工程图纸设计

散热片、底座、风扇叶片的工程制图见附件。

4．CAE工程分析

4.1CPU散热器的运动仿真

由于CPU的运动仿真比较简单，其中把散热片作为一个连杆固定于大地，底座也作为一个连杆，风扇叶片也作为一个连杆，再在底座和风扇两连杆建立一个旋转副，给其加上恒定的周期旋转运动即可，具体的仿真文件和动画见附件。

4.2CPU散热器的ansys有限元分析

（1）风扇叶片的模态分析

前期参数设置

定义分析单元

定义材料属性

网格划分

施加载荷

求解结果

模型前五阶振动频率

一阶模态

变形图

节点位移图

二阶模态

变形图

节点位移图

三阶模态

变形图

节点位移图

四阶模态

变形图

节点位移图

五阶模态

变形图

节点位移图

通过对风扇叶片的振动特性分析，在旋转离心力带来预应力的作用下，其模态频率与对应振型会发生较大的改变，因此在生产设计中应予以考虑叶片固有频率与振型的变化。

可以通过调整叶片材料的密度、弹性模量、泊松比等参数来调节叶片的激励频率，还可以合理调整叶片外形也可以达到调整激励频率的目的。

由于课程设计的时间比较紧，所以我们小组决定课后再对此问题进行深入研究。

（2）散热片的热分析

假设纯铜的散热片底部初始温度为60℃，放在温度为23℃的环境中,已知其换热系数542W/㎡*K，纯铜的比热为386J/kg*℃，密度为8930kg/m³，导热系数为398W/m*K，计算散热片1800s后的温度场分布。

1. 问题分析 

此问题属于热瞬态分析（载荷随时间变化），选用SOLID70三维六面体单元进行有限元分析。

SOLID70——三维热实体，具有8各节点，每个节点一个温度自由度。

该单元可用于三维的稳态或瞬态的热分析问题。

2. 操作步骤 

2.1定义材料属性

2.2划分单元

2.3施加对流换热载荷

2.4施加初始温度

选择散热片底部施加60度的温度载荷 

2.5设置温度偏移

3分钟后其温度场分布如图所示

由图可知，散热片底部靠近cpu，将热量传递到其他地方，温度较高，散热也较其他地方慢；中间薄片温度较低，散热效果好。

在中间薄片上方吹风，加快空气流动能有效提高散热效果。

5．主要零件CAM数控编程及加工仿真分析

平面铣和型腔铣是为精加工作准备的两种常用粗加工方法，适用于需大量切除毛坯余量的场合。

他们通过逐层切削零件的方式，来创建加工刀具路径，从而粗切出零件的型腔或型芯。

而本次数控加工主要对象为风扇底座，主要涉及平面铣和型腔铣两个工序。

主要加工流程如下：

1.打开已建好的模型如图5.1所示，进入加工模块，创建mill_contour加工方式如图5.2所示，单击确定按钮完成加工方式创建。

图5.1图5.2

2.建立加工坐标系，并设定安全高度（距离上表面12mm）；设置加工工件和毛胚。

图5.3图5.4

3.单击创建刀具按钮如图5.5所示，刀具子类型选择圆柱形平底立铣刀，刀具名称为D5r0，单击确定按钮对刀具参数进行设定，如图5.6所示，刀具直径选择5mm，底圆角半径选择0mm，其余参数保持不变。

图5.5图5.6

4.建立加工工序。

并进行如下图所述操作。

图5.8图5.9

图5.10

5.单击生成刀轨按钮，得到如图5.11所示的刀具轨迹

图5.11

6.进行后处理工作，选择工具→工序导航器→输出→UX_post→MILL_3_AXIS_TURBO→确定可得到数控代码如下图所示。

6．设计总结及自我评价

由于使用的软件都是非正版的，所以一开始在对UG和ANSYS的安装上花了不少时间，最后通过不同电脑尝试和网上查找资料还是基本解决了问题。

本次小组对于两个软件之前接触不多，尤其是ansys没有中文版，全英的界面给我们带来一定的难度。

本次小组首先是通过UG完成实体建模部分，在此过程中加深了对UG的掌握，小组通过讨论互相学习，网上查找资料，图书馆借书查阅等，基本解决了遇到的问题，这对于小组成员的团队分工，以及自学能力都有很大帮助。

完成实体建模以及运动仿真后，小组作品进行了ansys的有限元分析模块。

相对于UG来讲，ansys网上的资料相对较少，因此我们更多的是借助网上的资料来查阅学习，对于新的界面，再加上英语水平的限制，进展相对较慢。

最后小组还是基本完成了分析任务，但对于ansys这个软件也只是了解而已，还没有完全熟悉掌握，尚有部分模块没有涉足。

参考文献

[1]机械CAD/CAE/CAM技术华中科技大学高伟强等主编

[2]UGNX6.0入门与提高（中文版）清华大学出版社荣建刚等主编

[3]UGNX8.0快速入门教程／展迪优主编第3版机械工业出版社，2012

[4]UGNX8.0典型实例解析／江洪,郦祥林等编著．第3版械工业出版社2012

[5]UGNX7.5产品设计一体化解决方案·模具设计+数控编程篇／野火科技组编；李锦标等编著．机械工业出版社，2011

[6]ANSYS工程应用范例入门与提高／张朝晖主编．清华大学出版社，2004

[7]UGNX6.0数控加工教程/展迪优主编机械工业出版社第3版2013