多功能结构的热分析

现代设计与先进制造技术·黄之华武宇顏肖龙多功能结构的热分析多功能结构的热分析黄之华,武宇,颜肖龙(东南大学机械工程学院,江苏南京210096)摘要:为保证多功能结构内部电子元器件和设备的热可靠性,以及对温度变化的适应能力,利用ANSYS中的热分析模块对多功能结构中心程序器单元寻求最佳的建模及热载荷加载方法,并模拟环境温度条件进行热分析来验证模型设计的合理性,为电子设备的热设计从理论上提供了更加准确的方法。关键词:多功能;热分析;电子设备中图分类号:TH13文献标识码:A文章编号:1672-1616(2008)19-0031-03热设计是电子设备设计的一项重要内容,热设热分析、辐射和相变热分析等。如果系统的温度场计的好坏直接关系到产品运行的稳定性和可靠性,不随时间变化则系统处于稳定的热状态,称为稳在当前电子产品日益小型化和功率逐渐增大的趋态;如果系统的温度场随时间发生变化,则系统处势下,很好地解决产品的散热问题是设计人员应充于瞬态。根据多功能结构的设计要求温度环境为分考虑和重视的内容。产品热设计要达到的目的40℃~+55℃,整机进行10次温度循环,考虑到就是在工作环境温度下,保证设备内的元器件温度电脑计算速度,一次循环为4h。每次循环包括升不超过规定允许的额定温度,保证设备的可靠温、高温保持、降温、低温保持、升温。这里通过足性。电子设备散热方式的选择直接影响元器件够长的循环时间来模拟变化的环境温度,使分析结或设备的组装设计、可靠性、重量和成本等。设备果与实际情况尽量吻合。多功能结构的热分析将的散热方式包括自然冷却、强迫空气冷却、液体冷用到稳态热分析、瞬态热分析和辐射热分析。然而却和蒸发冷却等。多功能结构由于其具有质量轻、不论是哪种状态的热分析,其分析过程都包括构建体积小和元器件的功率低等特点,其散热方式选择模型施加载荷、求解和后处理这几个步骤。自然冷却。与其他的冷却方式相比较,自然冷却的1.1多功能结构在 ANSYS中的建模优点是可靠性高、成本低。它不需要通风机或泵之对于在ProE中建立的模型,由于设置了与类的冷却驱动装置,避免了因机械部件的磨损或故 ANSYS的接口,所以可以直接导入到 ANSYS中。障影响系统可靠性的弊病2,同时也减轻了设备有几点需要注意的是,第一,在Po中建立模型的体积和重量。自然冷却是导热、自然对流和辐射采用的是毫米制,而在 ANSYS中是没有单位的,换热的单独作用或两种以上换热形式的组合。对也就是说 ANSYS中的1可以代表1m或者代表应用于箭载设备的多功能结构来说,自然冷却的传1cm,还可以是1mm。当模型导入到 ANSYS后就热途径是设备内部电子元器件通过导热,对流和辐存在一个单位换算的问题如果模型的长度单位不射等传向盖板和基板再由盖板和基板通过对流和进行修正就会与随后输入的材料的弹性模量、密辐射将热量传至周围的介质中,使得设备达到冷却度等单位发生不一致的情况,这在求解计算过程中的目的。会产生错误使得结果与实际情况的出入很大。因此,在这甲统一采用国际单位制。在 ANSYS中将1基于 ANSYS中的多功能结构热导入的模型缩小1000倍,然后再去测量会发现原来的100mm现在显示为0.1了,说明现在模型尺分析寸统中国煤化工在进行网格划分ANSYS热分析的类型包括稳态热分析、瞬态之前THCNMH和芯片都粘接收稿日期:2008-05-14作者简介:黄之华(1978-),男,江苏宿迁人,东南大学硕士研究生,主要研究方向为电子设备结构设计。2008年10月中国制造业信息化第37卷第19期起来,这样划分网格后的单元彼此才能够关联,才路中其他的一些小的发热元器件而言的,比如一些能由初始温度得到整个模型的温度分布。图1是小的电阻电容。表1中提供的参数可以得到芯片中心程序器单元划分网格之后的图形。的体积,用芯片的功率除其体积,得到的就是芯片的生热率。表1芯片的参数芯片名称换算功耗mW长/mum宽高/mmDCIXC828032.020.311.2LM7805632.515.010.04.0TFS703587.96.6T]A1050发375.0做收6505.06.21.812.012.01.2图1中心程序器单元16.01.01.2多功能结构在 ANSYS中的加载与计算32.53212.0在 ANSYS中可以施加在实体模型或单元模热辐射分析是一个较为复杂的过程在分析的型上的载荷包括5种,它们分别是:温度、热流率、过程中需要注意以下问题。第一,在模型划分完网对流、热流密度和生热率。温度作为第一类边界施格之后,需要在模型的表面施加表面效应单元。表加在温度已知的边界上。所谓第一类边界条件是面效应单元利用实体表面的节点形成单元,并且直指物体边界上的温度函数为已知。热流率是一种接覆盖在实体单元的表面,用它来模拟模型表面与节点集中载荷,主要用于线单元模型。需要强调的周围环境的辐射换热。它是计算辐射换热时必须是,如果温度与热流率同时施加在一个节点上则的。通常表面效应单元有SURF19、SURF151、ANSYS读取温度值进行计算。对流是一种面载SURF22和SURF152。其中SURF19和荷,它施加于实体的外表面,用于计算流体与实体SURF15用于2D分析;SURF22和SURF152用的热交换。对流只能施加于实体和壳体模型上。于3D分析。对于多功能结构模型釆用SURF152热流密度又称热通量,是一种面载荷,表示通过单生成表面效应单元。第二,由于多功能结构是一个位面积的热流率。当通过单位面积的热流率已知开放的系统,必须定义一个空间节点,用于吸收没时,可在模型相应的外表面施加热流密度。若输入有被模型中其他辐射面所吸收的辐射能量,以保证值为正,则表示热流流入单元;反之,则表示热流流能量的守恒。第三,在 ANSYS中进行热辐射求解出单元3。注意:热流密度与对流可以施加在同时温度的单位对于分析有着重要的影响。由于是一外表面,但 ANSYS仅读取最后施加的面载荷进采用绝对温度值,因此若使用摄氏度则应指定温度行计算。生热率既可用作材料属性赋予材料,又可偏移量为273。用作体载荷施加到单元上,用于模拟化学反应生热载荷加载好之后,采用循环的方法进行计算用或电流生热,其单位是单位体积的热流率来模拟温度的循环,即分别编写保存5个载荷文在对中心程序器单元模型进行加载的过程中,件,分别是模拟升温、模拟高温保持、模拟降温、模使用温度载荷、对流载荷和生热率载荷。其中,温拟低温保持和模拟升温。编写载荷文件时设置载度载荷根据设计要求:-40℃~+55℃,整机进行荷步时间为120,最大载荷步时间120,最小载荷步0次温度循环,一次循环为4h。每次循环包括升时间60。最后直接加载第1到第5个载荷文件进温20min、高温保持1h0min、降温40min、低温保行计算。持h0min和升温40min。由于模型表面是通过1.3多功能结构热分析结果分析与空气的对流和辐射进行散热,因此在加载对流载温度循环是一个过程,因此将结果以时间一温荷时需要确定初始环境温度和空气的对流换热系度值的形式表示出来,横坐标表示时间,纵坐标表数,在空气自然对流的情况下,取环境温度为示温度值,这样可以清楚地看到任意时刻芯片的温25℃,对流换热系数为10W/(m2℃)。度值中国煤化工心程序器单元在本文热分析中生热率是按照载荷的形式而不环境CNMHG布情况,这样更是按照材料属性的形式加载的,因此需要知道发热能够芬圳血万。元器件的功率,表1列出了多功能结构中所有大功图2所示为中心程序器单元芯片温度随环境率的发热元器件的参数所谓大功率是指相对于电温度变化的情况。从图中可以看到功率大的芯片·现代设计与先进制造技术·黄之华武宇颜肖龙多功能结构的热分析如MAX490,它的温度相对其他芯片的温度要高些。同时芯片温度走势大致是一致的,由于其自身的发热,因此温度变化不会是直线形式而是图中所示的曲线形式。Max490LM78059017920893999495TPS70358c805F061图4环境温度最低时温度分布aICM表2芯片工作温度X(R3】28XL环境温度55℃环境温度-40℃DCDCLM7805TPs7035845.6℃9l℃图2中心程序器单元芯片温度图45.5t89t图3和图4所示为中心程序器单元在环境温46.It90℃度最高和最低时的温度分布云图。TA1050577℃20.I℃XCR3128XL46.2℃外,还可以通过在模型内外表面涂漆来增加内外表面的黑度用于提高散热的效果。以往的实验证明这种方法不但可行,而且是降低设备内部温度一个很有效的途径和措施。这种方法对于散热的贡献不亚于上面提到的3种散热形式。由于表面涂漆45404565345.531即57-数m9的24s增加黑度这种方式对于散热的贡献多少只能通过环境温度最高时温度分布实际测试的方式来得到,而在计算过程中无法模拟芯片工作时的最高温度和最低温度见表2。这种散热形式因此在本文中所有计算并未考虑在应用于航天设备的芯片最高工作温度为120℃,可模型内外表面涂漆来提高散热。见中心程序单元满足温度要求。参考文献2结束语[1」李高宝.电力电子设备自然冷却热设计[J].质量与可靠性本文中热分析方法与以往相比更加完善,考虑2006(2):30-332]邱成悌赵殳,蒋全兴.电子设备结构设计原理[M].南的因素更加全面。方法具有普遍意义,可用于其他京:东南大学出版社,2005电子设备的热设计中。[3]唐兴伦范群波张朝辉等. ANSYS工程应用教程-热与电除了自然对流、导热和辐射这些散热的方法之磁学篇[M].北京:中国铁道出版社,2005Thermal Analysis of the Multi-functional StructureHUANG Zhi-hua, WU Yu, yan Xiao-longSoutheast University, Jiangsu Nanjing, 210096, China)Abstract: There are a lot of electron components in the multi-functional structure, so it is necessary to ensurethe hot reliability and acclimatization with the temperature changethe thermal analysis module ofANSYS to build the model of the center procedure element seale中国煤化工. The simulation verifies the real temperature environment and the ratiCNMHGhows a more ac-curate way to the thermal design of electronics in theoryKey words: Multi-functional; Thermal Analysis; Electronic