機器人云臺在太陽輻射下溫度隨時間的瞬態變化

熱設計 2021-11-23

0 前言

機器人是最典型的機電一體化、數字化裝備，技術附加值很高，應用范圍很廣，作為先進制造業的支撐技術和信息化社會的新興產業，將對未來生產和社會發展起越來越重要的作用。有專家預測，機器人產業會成為繼汽車、計算機之后出現的新的大型高技術產業。

機器人能在惡劣、危險及重復等特殊、不宜于人工作的環境中工作，但由于機器人所處工作環境惡劣，為保證機器人長期穩定工作，就需要在設計前期綜合考慮惡劣環境工況。

業界領先的熱設計軟件ICEPAK，可以指定待計算工況的發生時間、地理位置、陰晴天氣及產品的擺放朝向，自動將太陽熱輻射代入計算流程，實現了在工業設計階段即可相對準確的把握整機熱流分布，對后續設計提供參考。

本文以集成紅外相機的云臺外殼為例，通過熱仿真軟件ICEPAK模擬室外工作的云臺在受相同太陽輻射情況下不同顏色的涂層對紅外機芯和整體部件溫度的影響。通過此文讀者可以學習怎樣利用熱仿真軟件完成太陽輻射情況下的瞬態仿真，亦可同步了解可見光和熱輻射的相關知識。

1 模型介紹

1.1可見光吸收率和熱輻射

發射率是一種物理現象，這一點可以通過在一個高度拋光的金屬表面上涂上油漆進行驗證。在涂覆拋光的銅表面之前，發射率約為0.03.但是，只要在其表面噴上0.0005in厚的薄涂層，同一表面的發射率就急劇地增加到0.8左右。

在紅外范圍內，或在長波范圍內，色彩對吸收率沒有影響，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，或在短波范圍內，物體吸收的輻射能量受到它的色彩的強烈影響。

2 太陽輻射熱仿真分析

2.1模型介紹

模型同《機器人云臺結構對紅外相機散熱的影響》，見圖2.1示，整個紅外云臺包括下殼體、上殼體、紅外相機、透光PEEk玻璃、安裝支架組成；下殼體、上殼體均為開模件，材質為鎂鋁合金。

紅外相機的產熱部件為紅外機芯，整體傳熱路徑為①紅外機芯→腔內空氣（輻射）→上下殼體→殼外空氣；②紅外機芯→安裝支架→下殼體→殼外空氣；③紅外機芯→下殼體→殼外空氣。

2.2 前處理&網格劃分&模型設定

前處理及網格網格劃分模型同《機器人云臺結構對紅外相機散熱的影響》，此處不再贅述。

各模型的物性參數見下表，本文擬針對殼體表面噴涂白色漆和黑色漆為例探究兩種涂層顏色對紅外機芯溫度的影響。

2.3求解設置

白色漆面和黑色漆面設定，在ICEPAK內自建表面材料，黑漆設定如圖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。

太陽輻射的設置如圖2.3，工況發生時間取8月1日凌晨0點至8月2日凌晨0點，共24小時，發生地區為深圳（時區GMT+8，北緯22.32度，東經114.03度)，Y軸正向，晴天指數(Sunshine fraction)取1，地面反射（Ground reflectance）取0.2。

瞬態求解，總時間86400s（24h），每隔600s（10分鐘）迭代計算一次，瞬態求解設置見圖2.4示。

2.4 后處理

經過漫長的計算后，軟件可以計算各個時刻的溫度變化，黑漆和白漆殼體的溫度云圖分別見圖2.5和圖2.6示，觀察溫度云圖發現，在0h-6h和20h-24h時刻，兩種漆面云臺各部分溫度差別較小，因為這兩個時間段無陽光照射，整體溫度很穩定。

將紅外相機的中心點作為參考點畫出其溫度隨時間的變化曲線見圖2.7和圖2.8示。6點以后兩種漆面對應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10分達到最高溫度，白色漆面殼體的部件約在接近12點的時候達到最高溫度，隨后出現下降。此處是因為白漆可見光吸收率為0.14，12點以后外殼吸收的可見光能量小于整個殼體散發的熱量，導致溫度隨時間降低，而黑漆的可見光吸收率為0.14,12點以后外殼吸收的可見光能量大于整個殼體散發的熱量，因此最高點溫度出現的時間不一致。