Тепловой анализ
Отметим также, что решение задачи нестационарной теплопроводности требует больше машинного времени по сравнению со стационарной теплопроводностью, так как в этом случае системы алгебраических уравнений решаются на каждом временном шаге, определённом пользователем.
Закладка [Результаты] позволяет определить типы отображаемых в дереве задач результатов после завершения теплового расчёта.
Закладка «Результаты» (слева) и диалог настройки результатов, отображаемых по умолчанию в дереве задач (справа)
Примеры тепловых расчётов
Тепловой расчёт радиатора охлаждения. Установившийся режим
Необходимо оценить эффективность пассивного радиатора охлаждения полупроводникового электронного устройства с максимальной рассеиваемой мощностью 15 Ватт. Допустимая температура корпуса микросхемы составляет 75°С в диапазоне температур эксплуатации окружающей среды от 25°С до 55°С. Для охлаждения устройства используется радиатор из алюминиевого сплава, закрепляемый на верхней части корпуса микросхемы. Корпус микросхемы для улучшения теплоотвода также выполнен из алюминия.
Шаг 1. Создание «Задачи», сетки, назначение материала. Используя команды «Анализ|Новая задача» создадим задачу типа «Тепловой анализ» на основе двух тел – микросхемы и радиатора. Построим конечно-элементную сетку. Также необходимо определить параметры материала изделия. По умолчанию, в расчёте используются характеристики материала «С операции», т.е. свойства материала автоматически берутся из твердотельной модели детали изделия. Этот режим особенно удобно использовать, если в расчёте участвуют тела из разных материалов в составе сборочных моделей. В нашем случае, при создании 3D модели радиатора и микросхемы был определен материал «Алюминий», физико-химические свойства которого содержатся в базе T-FLEX CAD 3D.
127
Руководство пользователя T-FLEX Анализ
Трёхмерная модель микросхемы с пассивным |
Созданная конечно-элементная сетка |
радиатором охлаждения |
|
Шаг 2. Наложение граничных условий. Зададим для нашей модели тепловые нагружения. К объёму микросхемы приложим нагрузку «Тепловая мощность» 15 Вт, а на внешних теплоотводящих поверхностях радиатора определим граничное условие «Конвективный теплообмен» с параметром конвекции 25 Вт/(м2 °C) и температурой окружающей среды (25°С). Учётом теплообмена за счёт взаимного и окружающего излучения в данной задаче можно пренебречь, т.к. вклад от излучения на ожидаемых температурах (десятки градусов) пренебрежимо мал. Выполнив команды построения конечно-элементной сетки и задания тепловых нагрузок, мы получаем готовую к расчёту конечноэлементную модель.
Задание нагрузки «Тепловая мощность» |
Задание нагрузки «Конвективный теплообмен» |
Шаг 3. Выполнение расчёта и анализ результатов. С
помощью команды «Анализ|Расчёт» запустим тепловой расчёт. В появившемся диалоге свойств задачи на закладке [Параметры] установим опцию «Установившийся режим». Для ускорения расчёта включаем режим «Производить расчёт линейным элементом» на закладке [Расчёт].
Список результатов расчёта отображается в окне «Задачи», и открывается с помощью контекстного меню в окне результатов расчёта. Максимальная температура по результатам теплового расчёта составляет 41,9 °С при температуре конвекции 25 °С. Используя команду «Изменить» контекстного меню дерева задач, отредактируем температуру конвективного теплообмена, установив для окружающей среды верхний предел заданный рабочей температуры (55°С), и осуществим повторный расчёт.
Температурные поля радиатора при температуре конвекции 25°С
128
Тепловой анализ
Получим максимальную температуру микросхемы 71,9 °С. Таким образом, радиатор обеспечивает требуемый температурный режим устройства во всем заданном режиме температур эксплуатации устройства. Расчёт закончен.
Расчёт времени нагревания радиатора охлаждения. Нестационарный режим
Оценим время, необходимое для выхода устройства на установившийся тепловой режим. Для этого осуществим нестационарный тепловой расчёт системы «микросхема+радиатор».
Шаг 1. Создание копии задачи. Используя команду контекстного меню дерева задач «Копия», создадим копию исходной задачи стационарного теплового расчёта. На закладке [Общие] свойств задачи изменим наименование задачи на «Нагрев».
Шаг 2. Задание параметров нестационарного расчёта. На закладке [Параметры] свойств теплового расчёта установим режим «Нестационарный процесс». Зададим параметры временного анализа – время моделирования 30 мин, шаг моделирования 0.5 минуты. В качестве начальной температуры модели установим равномерную температуру окружающей среды (25°С).
Задание расчётных параметров нестационарного теплового расчёта – времени и начальной температуры
Шаг 3. Выполнение расчёта и анализ результатов. После завершения расчёта для анализа доступны результаты на каждом временном шаге. Для просмотра таких результатов используем плавающую панель «Временной процесс», позволяющую при помощи ползунка быстро переключаться в интересующий момент времени. Используя эти инструменты, определяем, что практически полный прогрев радиатора произойдет примерно через 26 минут.
129
Руководство пользователя T-FLEX Анализ
Окно с результатом теплового расчёта в момент времени 1590 с (26 мин.)
Расчёт времени остывания радиатора охлаждения. Нестационарный режим
Оценим теперь время, необходимое для остывания радиатора охлаждения устройства после длительной работы.
Шаг 1. Создание копии задачи. Коррекция граничных условий. Создадим копию исходной задачи стационарного теплового расчёта. При создании копии задачи появляется диалог «Копия задачи». Снятие флажка «Копировать сетку» приведёт к тому, что в разных задачах будут использоваться одна и та же сетка. Такой режим копирования обеспечивает идентичность конечноэлементных сеток двух или нескольких задач. Назовём новую задачу «Охлаждение».
Откорректируем граничные условия задачи «Охлаждение». Для этого из контекстного меню дерева задач командой «Удалить» удаляем из задачи «Охлаждение» нагрузку «Тепловая мощность». Теперь задача «Охлаждение» готова к заданию параметров расчёта.
Шаг 2. Задание параметров нестационарного расчёта. На закладке свойств теплового расчёта установим режим «Нестационарный процесс». Зададим параметры временного анализа – время моделирования 30 мин, шаг моделирования 0.5 минуты. В качестве начальной температуры модели установим результат предыдущего стационарного расчёта радиатора.
130
Тепловой анализ
Настройка параметров задачи при расчёте процесса охлаждения (нестационарная теплопроводность)
Шаг 3. Анализ результатов расчёта. Осуществим расчёт и проанализируем полученные результаты. Используя панель «Временной процесс» определяем, что практически полное остывание радиатора произойдет примерно через 26 минут, после выключения устройства.
Расчёт охлаждения устройства.
Поле температур на 1590 секунде расчётного времени
131