現(xiàn)代設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造技術(shù)·黃之華武宇顏肖龍多功能結(jié)構(gòu)的熱分析多功能結(jié)構(gòu)的熱分析黃之華,武宇,顏肖龍(東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇南京210096)摘要:為保證多功能結(jié)構(gòu)內(nèi)部電子元器件和設(shè)備的熱可靠性,以及對溫度變化的適應(yīng)能力,利用ANSYS中的熱分析模塊對多功能結(jié)構(gòu)中心程序器單元尋求最佳的建模及熱載荷加載方法,并模擬環(huán)境溫度條件進(jìn)行熱分析來驗(yàn)證模型設(shè)計(jì)的合理性,為電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)從理論上提供了更加準(zhǔn)確的方法。關(guān)鍵詞:多功能;熱分析;電子設(shè)備中圖分類號:TH13文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號:1672-1616(2008)19-0031-03熱設(shè)計(jì)是電子設(shè)備設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容,熱設(shè)熱分析、輻射和相變熱分析等。如果系統(tǒng)的溫度場計(jì)的好壞直接關(guān)系到產(chǎn)品運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性,不隨時(shí)間變化則系統(tǒng)處于穩(wěn)定的熱狀態(tài),稱為穩(wěn)在當(dāng)前電子產(chǎn)品日益小型化和功率逐漸增大的趨態(tài);如果系統(tǒng)的溫度場隨時(shí)間發(fā)生變化,則系統(tǒng)處勢下,很好地解決產(chǎn)品的散熱問題是設(shè)計(jì)人員應(yīng)充于瞬態(tài)。根據(jù)多功能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求溫度環(huán)境為分考慮和重視的內(nèi)容。產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)要達(dá)到的目的40℃~+55℃,整機(jī)進(jìn)行10次溫度循環(huán),考慮到就是在工作環(huán)境溫度下,保證設(shè)備內(nèi)的元器件溫度電腦計(jì)算速度,一次循環(huán)為4h。每次循環(huán)包括升不超過規(guī)定允許的額定溫度,保證設(shè)備的可靠溫、高溫保持、降溫、低溫保持、升溫。這里通過足性。電子設(shè)備散熱方式的選擇直接影響元器件夠長的循環(huán)時(shí)間來模擬變化的環(huán)境溫度,使分析結(jié)或設(shè)備的組裝設(shè)計(jì)、可靠性、重量和成本等。設(shè)備果與實(shí)際情況盡量吻合。多功能結(jié)構(gòu)的熱分析將的散熱方式包括自然冷卻、強(qiáng)迫空氣冷卻、液體冷用到穩(wěn)態(tài)熱分析、瞬態(tài)熱分析和輻射熱分析。然而卻和蒸發(fā)冷卻等。多功能結(jié)構(gòu)由于其具有質(zhì)量輕、不論是哪種狀態(tài)的熱分析,其分析過程都包括構(gòu)建體積小和元器件的功率低等特點(diǎn),其散熱方式選擇模型施加載荷、求解和后處理這幾個(gè)步驟。自然冷卻。與其他的冷卻方式相比較,自然冷卻的1.1多功能結(jié)構(gòu)在 ANSYS中的建模優(yōu)點(diǎn)是可靠性高、成本低。它不需要通風(fēng)機(jī)或泵之對于在ProE中建立的模型,由于設(shè)置了與類的冷卻驅(qū)動(dòng)裝置,避免了因機(jī)械部件的磨損或故 ANSYS的接口,所以可以直接導(dǎo)入到 ANSYS中。障影響系統(tǒng)可靠性的弊病2,同時(shí)也減輕了設(shè)備有幾點(diǎn)需要注意的是,第一,在Po中建立模型的體積和重量。自然冷卻是導(dǎo)熱、自然對流和輻射采用的是毫米制,而在 ANSYS中是沒有單位的,換熱的單獨(dú)作用或兩種以上換熱形式的組合。對也就是說 ANSYS中的1可以代表1m或者代表應(yīng)用于箭載設(shè)備的多功能結(jié)構(gòu)來說,自然冷卻的傳1cm,還可以是1mm。當(dāng)模型導(dǎo)入到 ANSYS后就熱途徑是設(shè)備內(nèi)部電子元器件通過導(dǎo)熱,對流和輻存在一個(gè)單位換算的問題如果模型的長度單位不射等傳向蓋板和基板再由蓋板和基板通過對流和進(jìn)行修正就會(huì)與隨后輸入的材料的彈性模量、密輻射將熱量傳至周圍的介質(zhì)中,使得設(shè)備達(dá)到冷卻度等單位發(fā)生不一致的情況,這在求解計(jì)算過程中的目的。會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤使得結(jié)果與實(shí)際情況的出入很大。因此,在這甲統(tǒng)一采用國際單位制。在 ANSYS中將1基于 ANSYS中的多功能結(jié)構(gòu)熱導(dǎo)入的模型縮小1000倍,然后再去測量會(huì)發(fā)現(xiàn)原來的100mm現(xiàn)在顯示為0.1了,說明現(xiàn)在模型尺分析寸統(tǒng)中國煤化工在進(jìn)行網(wǎng)格劃分ANSYS熱分析的類型包括穩(wěn)態(tài)熱分析、瞬態(tài)之前THCNMH和芯片都粘接收稿日期:2008-05-14作者簡介:黃之華(1978-),男,江蘇宿遷人,東南大學(xué)碩士研究生,主要研究方向?yàn)殡娮釉O(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2008年10月中國制造業(yè)信息化第37卷第19期起來,這樣劃分網(wǎng)格后的單元彼此才能夠關(guān)聯(lián),才路中其他的一些小的發(fā)熱元器件而言的,比如一些能由初始溫度得到整個(gè)模型的溫度分布。圖1是小的電阻電容。表1中提供的參數(shù)可以得到芯片中心程序器單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格之后的圖形。的體積,用芯片的功率除其體積,得到的就是芯片的生熱率。表1芯片的參數(shù)芯片名稱換算功耗mW長/mum寬高/mmDCIXC828032.020.311.2LM7805632.515.010.04.0TFS703587.96.6T]A1050發(fā)375.0做收6505.06.21.812.012.01.2圖1中心程序器單元16.01.01.2多功能結(jié)構(gòu)在 ANSYS中的加載與計(jì)算32.53212.0在 ANSYS中可以施加在實(shí)體模型或單元模熱輻射分析是一個(gè)較為復(fù)雜的過程在分析的型上的載荷包括5種,它們分別是:溫度、熱流率、過程中需要注意以下問題。第一,在模型劃分完網(wǎng)對流、熱流密度和生熱率。溫度作為第一類邊界施格之后,需要在模型的表面施加表面效應(yīng)單元。表加在溫度已知的邊界上。所謂第一類邊界條件是面效應(yīng)單元利用實(shí)體表面的節(jié)點(diǎn)形成單元,并且直指物體邊界上的溫度函數(shù)為已知。熱流率是一種接覆蓋在實(shí)體單元的表面,用它來模擬模型表面與節(jié)點(diǎn)集中載荷,主要用于線單元模型。需要強(qiáng)調(diào)的周圍環(huán)境的輻射換熱。它是計(jì)算輻射換熱時(shí)必須是,如果溫度與熱流率同時(shí)施加在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上則的。通常表面效應(yīng)單元有SURF19、SURF151、ANSYS讀取溫度值進(jìn)行計(jì)算。對流是一種面載SURF22和SURF152。其中SURF19和荷,它施加于實(shí)體的外表面,用于計(jì)算流體與實(shí)體SURF15用于2D分析;SURF22和SURF152用的熱交換。對流只能施加于實(shí)體和殼體模型上。于3D分析。對于多功能結(jié)構(gòu)模型釆用SURF152熱流密度又稱熱通量,是一種面載荷,表示通過單生成表面效應(yīng)單元。第二,由于多功能結(jié)構(gòu)是一個(gè)位面積的熱流率。當(dāng)通過單位面積的熱流率已知開放的系統(tǒng),必須定義一個(gè)空間節(jié)點(diǎn),用于吸收沒時(shí),可在模型相應(yīng)的外表面施加熱流密度。若輸入有被模型中其他輻射面所吸收的輻射能量,以保證值為正,則表示熱流流入單元;反之,則表示熱流流能量的守恒。第三,在 ANSYS中進(jìn)行熱輻射求解出單元3。注意:熱流密度與對流可以施加在同時(shí)溫度的單位對于分析有著重要的影響。由于是一外表面,但 ANSYS僅讀取最后施加的面載荷進(jìn)采用絕對溫度值,因此若使用攝氏度則應(yīng)指定溫度行計(jì)算。生熱率既可用作材料屬性賦予材料,又可偏移量為273。用作體載荷施加到單元上,用于模擬化學(xué)反應(yīng)生熱載荷加載好之后,采用循環(huán)的方法進(jìn)行計(jì)算用或電流生熱,其單位是單位體積的熱流率來模擬溫度的循環(huán),即分別編寫保存5個(gè)載荷文在對中心程序器單元模型進(jìn)行加載的過程中,件,分別是模擬升溫、模擬高溫保持、模擬降溫、模使用溫度載荷、對流載荷和生熱率載荷。其中,溫?cái)M低溫保持和模擬升溫。編寫載荷文件時(shí)設(shè)置載度載荷根據(jù)設(shè)計(jì)要求:-40℃~+55℃,整機(jī)進(jìn)行荷步時(shí)間為120,最大載荷步時(shí)間120,最小載荷步0次溫度循環(huán),一次循環(huán)為4h。每次循環(huán)包括升時(shí)間60。最后直接加載第1到第5個(gè)載荷文件進(jìn)溫20min、高溫保持1h0min、降溫40min、低溫保行計(jì)算。持h0min和升溫40min。由于模型表面是通過1.3多功能結(jié)構(gòu)熱分析結(jié)果分析與空氣的對流和輻射進(jìn)行散熱,因此在加載對流載溫度循環(huán)是一個(gè)過程,因此將結(jié)果以時(shí)間一溫荷時(shí)需要確定初始環(huán)境溫度和空氣的對流換熱系度值的形式表示出來,橫坐標(biāo)表示時(shí)間,縱坐標(biāo)表數(shù),在空氣自然對流的情況下,取環(huán)境溫度為示溫度值,這樣可以清楚地看到任意時(shí)刻芯片的溫25℃,對流換熱系數(shù)為10W/(m2℃)。度值中國煤化工心程序器單元在本文熱分析中生熱率是按照載荷的形式而不環(huán)境CNMHG布情況,這樣更是按照材料屬性的形式加載的,因此需要知道發(fā)熱能夠芬圳血萬。元器件的功率,表1列出了多功能結(jié)構(gòu)中所有大功圖2所示為中心程序器單元芯片溫度隨環(huán)境率的發(fā)熱元器件的參數(shù)所謂大功率是指相對于電溫度變化的情況。從圖中可以看到功率大的芯片·現(xiàn)代設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造技術(shù)·黃之華武宇顏肖龍多功能結(jié)構(gòu)的熱分析如MAX490,它的溫度相對其他芯片的溫度要高些。同時(shí)芯片溫度走勢大致是一致的,由于其自身的發(fā)熱,因此溫度變化不會(huì)是直線形式而是圖中所示的曲線形式。Max490LM78059017920893999495TPS70358c805F061圖4環(huán)境溫度最低時(shí)溫度分布aICM表2芯片工作溫度X(R3】28XL環(huán)境溫度55℃環(huán)境溫度-40℃DCDCLM7805TPs7035845.6℃9l℃圖2中心程序器單元芯片溫度圖45.5t89t圖3和圖4所示為中心程序器單元在環(huán)境溫46.It90℃度最高和最低時(shí)的溫度分布云圖。TA1050577℃20.I℃XCR3128XL46.2℃外,還可以通過在模型內(nèi)外表面涂漆來增加內(nèi)外表面的黑度用于提高散熱的效果。以往的實(shí)驗(yàn)證明這種方法不但可行,而且是降低設(shè)備內(nèi)部溫度一個(gè)很有效的途徑和措施。這種方法對于散熱的貢獻(xiàn)不亞于上面提到的3種散熱形式。由于表面涂漆45404565345.531即57-數(shù)m9的24s增加黑度這種方式對于散熱的貢獻(xiàn)多少只能通過環(huán)境溫度最高時(shí)溫度分布實(shí)際測試的方式來得到,而在計(jì)算過程中無法模擬芯片工作時(shí)的最高溫度和最低溫度見表2。這種散熱形式因此在本文中所有計(jì)算并未考慮在應(yīng)用于航天設(shè)備的芯片最高工作溫度為120℃,可模型內(nèi)外表面涂漆來提高散熱。見中心程序單元滿足溫度要求。參考文獻(xiàn)2結(jié)束語[1」李高寶.電力電子設(shè)備自然冷卻熱設(shè)計(jì)[J].質(zhì)量與可靠性本文中熱分析方法與以往相比更加完善,考慮2006(2):30-332]邱成悌趙殳,蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].南的因素更加全面。方法具有普遍意義,可用于其他京:東南大學(xué)出版社,2005電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)中。[3]唐興倫范群波張朝輝等. ANSYS工程應(yīng)用教程-熱與電除了自然對流、導(dǎo)熱和輻射這些散熱的方法之磁學(xué)篇[M].北京:中國鐵道出版社,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中國煤化工. 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