使用Solidworks进行热设计仿真

2020/6/28 17:26:56 人评论 次浏览 分类:散热分析

1 引言

    通常对电子设备进行热分析主要有4个步骤:建模、确定边界条件、网格划分及计算、后处理。其中建模的工作量最大,要进行准确的热分析,必须建立一个良好的热分析模型,但在实际工程中模型往往非常复杂,很难精确建模。

    一般建模的流程是先由结构设计工程师建立设备的计算机辅助设计(CAD)模型,然后由热设计工程师在该CAD模型上进行适合热仿真软件的二次建模。二次建模的方法可以是由热仿真软件自带的转换程序进行CAD 模型导入,也可以在热仿真软件中手动重新建模。当模型热设计优化完成后还需要反馈CAD 模型修正信息给结构设计工程师,由结构设计工程师对CAD模型进行更改,完成整个设计闭环。在这个过程中,存在CAD模型的转换,不能完全重新利用,CAD模型需要修改乃至重新建模,这些都会占用设计人员相当多的时间和精力,且限制于热仿真软件的建模能力,某些CAD模型需要简化或变通才能使用,而这些改变往往会影响仿真精度。SolidWorks三维设计软件具有结构建模和热仿真分析同时进行的能力和优点,能够克服上述缺陷,简化设计过程。

2 FlOEFD流体分析工具

   Solidworks软件是结构设计工程师们广泛使用的三维设计软件,其具有良好的人机操作界面,强大的在线帮助系统,同时还有数量众多的设计插件,利用其中的FlOEFD流体分析工具能够很方便地进行热分析和仿真。

   FlOEFD流体分析工具是Flomerics公司的产品,是可以无缝集成于主流CAD 软件中的通用计算流体动力学分析软件,是针对工程师开发,因此工程师只需要很少的流体动力学以及热传导知识,无需更多理解数值分析方法,即可在熟悉的CAD 软件界面中完成热仿真分析。FlOEFD 流体分析工具在Solidworks软件中的嵌入式版本为流体仿真(FlowSimulation),是Solidworks软件中的一款插件。FlOEFD流体分析工具的分析步骤包括CAD模型建立、自动网格划分、边界施加、求解和后处理等,这些都完全可以在CAD软件界面下完成,整个过程快速高效。FlOEFD流体分析工具直接应用CAD 实体模型,自动判定流体区域,自动进行网格划分,无需对流体区域再建模。在做CAD 结构优化分析时,对一个CAD 模型进行一次分析定义,同类结构的CAD 模型只需应用FlOEFD流体分析工具独有的项目克隆Project Clone)技术,即可马上进行不同配置下的计算。

3 应用实例

  下面给出一个用FlOEFD流体分析工具实现的热设计实例,并通过和lcepak软件仿真结果做比较,来验证设计的可行性。该实例含有芯片三维模型、射频接插件、螺钉、垫圈等众多模型细节,使用FlOEFD 流体分析工具以外的热仿真软件不简化建模是非常困难的任务。

 3.1 问题的提出

   某飞行器用功率放大器(以下简称功放)工作环境温度为+70℃ 。功放内部元件最高安全工作温度不超过+85℃ ,功放(含散热系统)约束尺寸为120mm~110mmx80mm。初始设计时功放与散热器一体化加工,在功放底部铣出散热肋片形成散热器,功放外形尺寸:120mmX110mmx50mm,总耗散功率107w,功放盒体材料为硬铝,散热器肋片厚度2mm,肋片间距3mm,肋高25mm,肋片数24片,使用SolidWorks软件建立的功放模型如图1所示。为便于观察热源,图1(a)隐藏了风机,只标示了进风口,图1(b)隐藏了功放盖板。

图1 功放仿真模型

图1 功放仿真模型

图1 功放仿真模型

    其中,热源1耗散功率10w ,尺寸为27mmx20mmx2.5mm ;热源2耗散功率75w ,尺寸为44mmX13.2 mmX2.5mm;热源3耗散功率22w ,尺寸为44mmX8.8mmX2.5mm ;3个热源总耗散功率107W ,均处于功放内部。直接与功放底座接触。为了能在+70℃ 环境条件下安全工作。必须采用高效的散热方式,初始设计时选用风冷散热方式,根据以往设计经验,该功放温升条件苛刻,必须选用大口径、高风量风机,为此选用了92mmX92mmX25mm 某公司标准尺寸风机中风量最大的一款,最大风量为75CFM。

3.2 模型建立

    图1即为Solidworks软件下的建模模型。使用Solidworks软件进行设计仿真的一般步骤如下:
① 模型建立,在Solidworks软件环境下建立设备详细的三维模型。可以适当压缩不显著影响仿真结果的模型细节,以减少不必要的计算网格数量,加快后续热仿真速度;
② 建立工程文件,根据FlOEFD流体分析工具子菜单下的工程向导一步步建立热设计工程文件并进行一般性设置;
③ 设置工程文件,调整计算域的大小,设置边界条件、物体的材料、定义热源,选择参与辐射的表面,设置收敛目标等等与具体问题相关的其它设置;
④ 用检查几何结构命令检查模型,无误后运行求解;
⑤ 求解完成后,建立后处理文件,得到切面云图,表面云图、粒子束示踪等后处理报告;
⑥ 优化分析,使用Solidworks软件配置管理器添加Sofidworks软件模型的不同配置,对应每个配置使用FlOEFD流体分析工具子菜单下的项目克隆(Project Clone)选项重建与该配置相关的热设计工程文件,进行不同的求解运算,从中选取最佳设计结果。
    其中,步骤①集中体现了HoEFD流体分析工具优势,由于是和Solidworks软件模型共用,相比其他热仿真软件。FlOEFD流体分析工具具有最高建模精度,仿真模型即可用于实际加工。

    3.3 仿真分析

    对应参数在FlOEFD 流体分析工具中的设置如表1所示,其余参数保持缺省值,运行仿真。

表1工程文件一般性设置

表1工程文件一般性设置

    仿真结果显示功放最高温度达到了99.3°C ,不能满足使用要求,需要对其进行散热优化设计。一般来说,肋片散热器的肋片顶部和风机之间的间距为5mm,距离较小,可能存在回流区域,影响散热效果,为此使用FLOEFD流体分析工具的参数学习(Parametric Studay)工具对肋片高度进行优选。为加快优选速度,设置仿真精度为4级抹去的温度变化的大体趋势即可。肋片高度初始值设为11mm,2mm递增,知道允许的最大值为27mm(肋片顶端接触到风机罩),优选结果如表2所示。

表2 散热器肋片高度优选

表2 散热器肋片高度优选

    优选结果表明,肋片高度在19 mm~27mm之间变化时,仿真温度变化不大,且在当前的肋片厚度和肋片间距下,最佳肋片高度为21mm。使用Soliddworks软件修改肋片高度为21mm,下一步优选肋片厚度和肋片间距。分页通常风冷散热器肋片越薄,肋片数量越多,能提供的有效散热面积就越大,散热效果就越好,但也不是肋片越密越好,肋片太密会对风机产生很大的风阻,降低风速,散热效果反而会下降,由于FLOEFD流体分析工具使用的是智能网格划分,划分网格时根据物体的几何尺寸决定网格的大小,所以在肋片厚度较薄或间距较小时将会产生众多的网格,降低仿真速度,此时可以降低仿真精度为3级,以期得到较少的网格,加快优选速度。结合工程经验,考虑到实际加工能力,取肋片厚度依次为0.5mm,0.8mm,1mm,最小肋片间距为1.5mm和2mm,肋片厚度和肋片间距优选结果如表3所示。

表3 散热器肋片厚度和肋片间距优选

表3 散热器肋片厚度和肋片间距优选

    从表3可以看出,取肋片厚度O.5mm,肋片间距1.5mm时仿真温度最低,但是依然不能满足使用要求,还需要采取其他措施。常用导热材料中纯铜的导热系数为387.6W/m·K。硬铝的导热系数为205 w/m·K,使用铜散热器应该能改善散热效果。把散热器和功放分体设计,设置散热器材料为纯铜,依次设置功放材料为硬铝、纯铜和硬铝嵌入热管,保持肋片厚度0.5mm,肋片间距1.5mm,肋片高度21mm。功放嵌入热管位置如图2所示,图中嵌入了2根热管,热管处于热源2、热源3的正下方,为了便于观察嵌入热管,隐藏了功放样板,更改功放盒体视图为半透明显示。

图2 某发射机主要部件布局示意图

图2 某发射机主要部件布局示意图

    三种情况下仿真得到的功放最高温度为88.4239°C(硬铝)、84.6595°C(纯铜)和84.1568°C(嵌入热管)。使用纯铜和嵌入入热管方式温度均能满足设计要求,但铜的密度近似是铝的3倍,使用纯铜将大大增加功率放大器的重量,有悖于飞行器上的设备重量尽可能轻的宗旨,所以只有嵌入热管方式能够满足要求。

    3.4 与Icepak软件仿真对比验证

    在Icepak软件中重新建立图2所示模型,保持等效的材料设置、风机风量设置、散热器设置等,运动仿真,分析结果对比如图3所示。

图3 仿真分析结果对比

图3 仿真分析结果对比

    在热设计工程应用中,精确的建模和边界条件描述都是相当困难的,为此仿真结果和实测结果误差保持在两度以内就非常令人满意,同一问题仿真软件之间的误差在两度以内都是可以接受的。图3中所示温度稍高的曲线为Icepak软件仿真结果,最高温度84.6441°C;温度稍低的曲线为FLOEFD流体分析工具仿真结果,最高温度84.1568°C;两种结果相差0.5°C,一致性相当好。

4 结束语

    SolidWorks软件中的FLOEFD流体分析工具相比于传统计算流体动力学(CFD)分析软件,对工程师的要求大大降低,不具备专业热流体与数值计算知识背景的结构设计工程师也能快速掌握使用,整个设计过程快速高效,直接应用CAD实体模型,无需再建模。通过和专业热设计软件对比,仿真结果吻合,证明FLOEFD流体分析工具具有较高的仿真准确度,能够用来指导工程设计工作,提高研发效率。

 

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