0 前言
機(jī)器人是最典型的機(jī)電一體化、數(shù)字化裝備，技術(shù)附加值很高，應(yīng)用范圍很廣，作為先進(jìn)制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化社會(huì)的新興產(chǎn)業(yè)，將對(duì)未來生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展起越來越重要的作用。有專家預(yù)測(cè)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)會(huì)成為繼汽車、計(jì)算機(jī)之后出現(xiàn)的新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。
機(jī)器人能在惡劣、危險(xiǎn)及重復(fù)等特殊、不宜于人工作的環(huán)境中工作，但由于機(jī)器人所處工作環(huán)境惡劣，為保證機(jī)器人長期穩(wěn)定工作，就需要在設(shè)計(jì)前期綜合考慮惡劣環(huán)境工況。
業(yè)界領(lǐng)先的熱設(shè)計(jì)軟件ICEPAK，可以指定待計(jì)算工況的發(fā)生時(shí)間、地理位置、陰晴天氣及產(chǎn)品的擺放朝向，自動(dòng)將太陽熱輻射代入計(jì)算流程，實(shí)現(xiàn)了在工業(yè)設(shè)計(jì)階段即可相對(duì)準(zhǔn)確的把握整機(jī)熱流分布，對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)提供參考。
本文以集成紅外相機(jī)的云臺(tái)外殼為例，通過熱仿真軟件ICEPAK模擬室外工作的云臺(tái)在受相同太陽輻射情況下不同顏色的涂層對(duì)紅外機(jī)芯和整體部件溫度的影響。通過此文讀者可以學(xué)習(xí)怎樣利用熱仿真軟件完成太陽輻射情況下的瞬態(tài)仿真，亦可同步了解可見光和熱輻射的相關(guān)知識(shí)。
1 模型介紹
1.1可見光吸收率和熱輻射
發(fā)射率是一種物理現(xiàn)象，這一點(diǎn)可以通過在一個(gè)高度拋光的金屬表面上涂上油漆進(jìn)行驗(yàn)證。在涂覆拋光的銅表面之前，發(fā)射率約為0.03.但是，只要在其表面噴上0.0005in厚的薄涂層，同一表面的發(fā)射率就急劇地增加到0.8左右。
在紅外范圍內(nèi)，或在長波范圍內(nèi)，色彩對(duì)吸收率沒有影響，而黑色表面將同白色表面一樣吸收大約相同的輻射能量。在可見光范圍內(nèi)，或在短波范圍內(nèi)，物體吸收的輻射能量受到它的色彩的強(qiáng)烈影響。
2 太陽輻射熱仿真分析
2.1模型介紹
模型同《機(jī)器人云臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)紅外相機(jī)散熱的影響》，見圖2.1示，整個(gè)紅外云臺(tái)包括下殼體、上殼體、紅外相機(jī)、透光PEEk玻璃、安裝支架組成；下殼體、上殼體均為開模件，材質(zhì)為鎂鋁合金。
紅外相機(jī)的產(chǎn)熱部件為紅外機(jī)芯，整體傳熱路徑為①紅外機(jī)芯→腔內(nèi)空氣（輻射）→上下殼體→殼外空氣；②紅外機(jī)芯→安裝支架→下殼體→殼外空氣；③紅外機(jī)芯→下殼體→殼外空氣。
2.2 前處理&網(wǎng)格劃分&模型設(shè)定
前處理及網(wǎng)格網(wǎng)格劃分模型同《機(jī)器人云臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)紅外相機(jī)散熱的影響》，此處不再贅述。
各模型的物性參數(shù)見下表，本文擬針對(duì)殼體表面噴涂白色漆和黑色漆為例探究兩種涂層顏色對(duì)紅外機(jī)芯溫度的影響。
2.3求解設(shè)置
白色漆面和黑色漆面設(shè)定，在ICEPAK內(nèi)自建表面材料，黑漆設(shè)定如圖2.2左示，輻射率為0.97，太陽直接熱輻射載荷（Solar absorptance-normal incidence）和漫輻射熱載荷吸收率（hemispherical diffuse absorptance）均取0.97；白漆設(shè)定如圖2.2右示，輻射率為0.93，太陽直接熱輻射載荷和漫輻射熱載荷吸收率均取0.14。
太陽輻射的設(shè)置如圖2.3，工況發(fā)生時(shí)間取8月1日凌晨0點(diǎn)至8月2日凌晨0點(diǎn)，共24小時(shí)，發(fā)生地區(qū)為深圳（時(shí)區(qū)GMT+8，北緯22.32度，東經(jīng)114.03度)，Y軸正向，晴天指數(shù)(Sunshine fraction)取1，地面反射（Ground reflectance）取0.2。
瞬態(tài)求解，總時(shí)間86400s（24h），每隔600s（10分鐘）迭代計(jì)算一次，瞬態(tài)求解設(shè)置見圖2.4示。
2.4 后處理
經(jīng)過漫長的計(jì)算后，軟件可以計(jì)算各個(gè)時(shí)刻的溫度變化，黑漆和白漆殼體的溫度云圖分別見圖2.5和圖2.6示，觀察溫度云圖發(fā)現(xiàn)，在0h-6h和20h-24h時(shí)刻，兩種漆面云臺(tái)各部分溫度差別較小，因?yàn)檫@兩個(gè)時(shí)間段無陽光照射，整體溫度很穩(wěn)定。
將紅外相機(jī)的中心點(diǎn)作為參考點(diǎn)畫出其溫度隨時(shí)間的變化曲線見圖2.7和圖2.8示。6點(diǎn)以后兩種漆面對(duì)應(yīng)的溫度變化有很大不同，黑色漆面殼體的部件約在下午1點(diǎn)10分達(dá)到最高溫度，白色漆面殼體的部件約在接近12點(diǎn)的時(shí)候達(dá)到最高溫度，隨后出現(xiàn)下降。此處是因?yàn)榘灼峥梢姽馕章蕿?/span>0.14，12點(diǎn)以后外殼吸收的可見光能量小于整個(gè)殼體散發(fā)的熱量，導(dǎo)致溫度隨時(shí)間降低，而黑漆的可見光吸收率為0.14,12點(diǎn)以后外殼吸收的可見光能量大于整個(gè)殼體散發(fā)的熱量，因此最高點(diǎn)溫度出現(xiàn)的時(shí)間不一致。
3 總結(jié)
考慮到機(jī)器人（電子設(shè)備同樣適用）的輻射散熱，對(duì)于白天需要暴露在陽光下的的外殼表面，ID設(shè)計(jì)時(shí)需盡可能的選擇可見光吸收率低的顏色，如白色和其它淺顏色。這樣外殼表面吸收的太陽輻射就會(huì)降到最小，同時(shí)自身表面發(fā)射的輻射熱近似黑體的輻射熱，其內(nèi)部電子器件的溫度會(huì)相對(duì)較低。
Ps：本文旨在展示考慮太陽輻射情況下設(shè)備溫度的瞬態(tài)變化，其中紅外機(jī)芯未建立芯片模型&云臺(tái)未考慮運(yùn)動(dòng)造成對(duì)流散熱的情況；但系統(tǒng)仿真中依然建議根據(jù)模型復(fù)雜程度及網(wǎng)格數(shù)量選擇是否對(duì)模型詳細(xì)建立。在考慮太陽輻射的實(shí)際應(yīng)用中建議通過熱仿真指導(dǎo)設(shè)計(jì)，但具體數(shù)據(jù)以實(shí)測(cè)為主。
作者：王志強(qiáng)
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