高热流密度下热电器件的热应力分析毕业设计答辩答辩人：吴永佳学号：u200911666指导老师：明廷臻专业：热能与动力工程方向：工程热物理2013/6/8CompanyLogo研究概述高热流密度下热电器件的热应力分析能源短缺，环境污染，生态恶化等问题日益加深热电模块的热学、电学和热应力特性分析，改进热电模块工作性能数学分析，数值计算，ANSYS有限元分析使热电技术成为一种极具竞争力的能源供应技术热电数学分析，热-电耦合分析，热-结构耦合分析2013/6/8研究框架CompanyLogo传热基本原理热电发电和制冷原理热应力产生原理热电耦合热电发电数学模型热电耦合有限元模型ANSYS热电计算结果和分析热结构耦合热结构耦合有限元模型ANSYS热结构计算结果和分析热电原理高热流密度下热电器件的热应力分析2013/6/8研究综述CompanyLogo（5）热电模块热应力分析，提高使用寿命（4）研究收集器，提高能源的收集效率（3）热电器件在特定环境下的应用（2）热电发电器件的优化结构设计（1）提高热电发电器件材料的转化效率目前热电研究的主要
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2013/6/8研究方法与过程2013/6/8根据得到较准确的汤姆逊系数热电数学分析分析汤姆逊和接触电阻对热电模块的影响，得到更精确的结果经典一维热电模块考虑接触电阻和汤姆逊效应的热电模块得到经典热电模块的P和η的计算公式，分析提高热电模块P和η的方法耦合塞贝克系数随温度变化函数2013/6/8热-电耦合模型，热-结构耦合模型参考标准热电模块单对热电模块结构应用：热电分析标准模型，热结构分析中非均匀热流分析应用：热电分析中锡焊层影响分析，热结构分析标准模型2013/6/8热-电耦合计算结果和分析不同电偶臂对数对功率输出的影响result：电偶臂对数增加可以提高断路电压输出，但最大功率输出和最大效率值均有减少物性参数变化对断路电压输出的影响result：和不考虑物性参数变化时相比，电压输出差值小于6%2013/6/8热-电耦合计算结果和分析加热集中度对热电模块的影响result：热流加载位置对热电效率的影响很小，几乎可以忽略不计。聚热层厚度太大，削弱了温度分布不均的影响不同聚热层厚度情况下断路电压输出情况result：聚热层厚度对热电模块的影响并不明显，变化都在2%以内。可以在热端布置PCM材料2013/6/8热-电耦合计算结果和分析锡焊层厚度下热电模块的断路电压和最大输出功率曲线result：增加焊接锡焊材料厚度在一定范围内可以提高发电效率，利用便宜的材料达到提高热电效率的效果数学分析，很难用来分析形状复杂的几何结构、处理温度对物性参数的困难在ANSYS计算中很难处理物理上无形的接触热阻和接触电阻的问题我们可以把接触热阻和电阻利用假设的薄层材料处理进数值计算中Lρ=RA/Lλ=KL/A得到假定材料参数一种处理接触热阻和电阻的方法result：利用薄层就可以较准确的模拟考虑热电模块接触热阻和电阻的情况2013/6/8热-结构耦合计算结果和分析2013/6/8聚热层厚度对热电模块热应力的影响result：2.0mm厚的聚热层厚度会较大增加热电模块内应力分布，其他情况下应力差别并不明显不同聚热层厚度时linethree上最大热应力分布result：2.0mm厚的聚热层厚度会显著增加热电模块内应力分布，其他情况下应力差别并不明显不同聚热层厚度时lineone上最大热应力分布2013/6/8电偶臂间距对热电模块热应力的影响不同电偶臂间距时lineone上最大热应力分布result：随着电偶臂间距的增加，lineone上应力值逐渐增加不同电偶臂间距时linethree上最大热应力分布result：随着电偶臂间距的增加，linethree上应力值逐渐增加2013/6/8铜片厚度对热电模块热应力的影响不同铜片厚度时lineone上最大热应力分布result：铜片0.25mm时存在最小的热应力;在铜片厚度0.5mm时，存在最大热应力，且远远高于其他情况不同铜片厚度时linethree上最大热应力分布result：随着铜片厚度的增加，linethree上应力分布越来越平坦，铜片厚度0.5mm时，存在最大热应力，且远远高于其他情况2013/6/8焊接材料厚度对热电模块热应力的影响不同锡焊材料厚度时lineone上最大热应力分布result：锡焊材料有效地减小了聚热层和铜片接触处应力的影响，有利于延长热电模块使用寿命不同锡焊材料厚度时linethree上最大热应力分布result：锡焊层有效地减小了热电模块linethree上应力分布；选择适当的锡焊厚度，既能够减小最大热应力，又能够提高热电模块最大输出功率2013/6/8多层结构布置对热电模块热应力的影响result：linethree上温度梯度差别不大，但应力分布差别却较大，效率和应力综合考虑result：双层的情况比单层的情况lineone上应力要大,双层结构热电模块热应力分布单层和双层结构lineone最大热应力分布point：热流2w，只用在多层分析中，用上下层都用Al2O3材料单层和多层结构linethree最大热应力分布2013/6/8多对电偶臂情况非均匀热流时热应力分布result：非均匀与均匀情况相比，热电模块的应力只是稍稍增加，差别并不大result：可以看出热电模块lineone上最大应力分布差别并不大多对电偶臂的热电模块不同热流分布时lineone最大热应力分布point：采用热电分析中的标准模块不同热流分布时linethree最大热应力分布2013/6/8致谢特别感谢我的导师明廷臻教授、课题组的徐国良教授、沈文庆和彭柯源两位兄弟在我课题研究期间给予的帮助。答辩人：吴永佳2013/6/8
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