使用Solidworks進行熱設計仿真

1、使用Solidworks進行熱設計仿真引言通常對電子設備進行熱分析主要有4個步驟：建模、確定邊界條件、網(wǎng)格劃分及計算、后處理。其中建模的工作量最大，要進行準確的熱分析，必須建立一個良好的熱分析模型，但在實際工程中模型往往非常復雜，很難精確建模。一般建模的流程是先由結構設計工程師建立設備的計算機輔助設計(CAD)模型，然后由熱設計工程師在該CAD模型上進行適合熱仿真軟件的二次建模。二次建模的方法可以是由熱仿真軟件自帶的轉換程序進行CAD模型導入，也可以在熱仿真軟件中手動重新建模。當模型熱設計優(yōu)化完成后還需要反饋CAD模型修正信息給結構設計工程師，由結構設計工程師對CAD模型進行更改，完成整個設計

2、閉環(huán)。在這個過程中，存在CAD模型的轉換，不能完全重新利用，CAD模型需要修改乃至重新建模，這些都會占用設計人員相當多的時間和精力，且限制于熱仿真軟件的建模能力，某些CAD模型需要簡化或變通才能使用，而這些改變往往會影響仿真精度。SolidWorks三維設計軟件具有結構建模和熱仿真分析同時進行的能力和優(yōu)點，能夠克服上述缺陷，簡化設計過程。FlOEFD流體分析工具Solidworks軟件是結構設計工程師們廣泛使用的三維設計軟件，其具有良好的人機操作界面，強大的在線幫助系統(tǒng)，同時還有數(shù)量眾多的設計插件，利用其中的FlOEFD流體分析工具能夠很方便地進行熱分析和仿真。FlOEFD流體分析工具是Flo

3、merics公司的產(chǎn)品，是可以無縫集成于主流CAD軟件中的通用計算流體動力學分析軟件，是針對工程師開發(fā)，因此工程師只需要很少的流體動力學以及熱傳導知識，無需更多理解數(shù)值分析方法，即可在熟悉的CAD軟件界面中完成熱仿真分析oFlOEFD流體分析工具在Solidworks軟件中的嵌入式版本為流體仿真(FlowSimulation)，是Solidworks軟件中的一款插件。FlOEFD流體分析工具的分析步驟包括CAD模型建立、自動網(wǎng)格劃分、邊界施加、求解和后處理等，這些都完全可以在CAD軟件界面下完成，整個過程快速高效。FlOEFD流體分析工具直接應用CAD實體模型，自動判定流體區(qū)域，自動進行網(wǎng)格劃

4、分，無需對流體區(qū)域再建模。在做CAD結構優(yōu)化分析時，對一個CAD模型進行一次分析定義，同類結構的CAD模型只需應用FlOEFD流體分析工具獨有的項目克隆ProjectClone)技術，即可馬上進行不同配置下的計算。應用實例下面給出一個用F10EFD流體分析工具實現(xiàn)的熱設計實例，并通過和lcepak軟件仿真結果做比較，來驗證設計的可行性。該實例含有芯片三維模型、射頻接插件、螺釘、墊圈等眾多模型細節(jié)，使用FlOEFD流體分析工具以外的熱仿真軟件不簡化建模是非常困難的任務。3.1問題的提出某飛行器用功率放大器(以下簡稱功放)工作環(huán)境溫度為+70C。功放內(nèi)部元件最高安全工作溫度不超過+85C,功放(含

5、散熱系統(tǒng))約束尺寸為120mm110mmx80mm。初始設計時功放與散熱器一體化加工，在功放底部銑出散熱肋片形成散熱器，功放外形尺寸：120mmX110mmx50mm，總耗散功率107w，功放盒體材料為硬鋁，散熱器肋片厚度2mm，肋片間距3mm，肋高25mm，肋片數(shù)24片，使用SolidWorks軟件建立的功放模型如圖1所示。為便于觀察熱源，圖1(a)隱藏了風機，只標示了進風口，圖1(b)隱藏了功放蓋板。圖1功放仿真模型其中，熱源1耗散功率10w，尺寸為27mmx20mmx2.5mm；熱源2耗散功率75w，尺寸為44mmX13.2mmX2.5mm；熱源3耗散功率22w，尺寸為44mmX8.8m

6、mX2.5mm；3個熱源總耗散功率107W，均處于功放內(nèi)部。直接與功放底座接觸。為了能在+70C環(huán)境條件下安全工作。必須采用高效的散熱方式，初始設計時選用風冷散熱方式，根據(jù)以往設計經(jīng)驗，該功放溫升條件苛刻，必須選用大口徑、高風量風機，為此選用了92mmX92mmX25mm某公司標準尺寸風機中風量最大的一款，最大風量為75CFM。分頁3.2模型建立圖1即為Solidworks軟件下的建模模型。使用Solidworks軟件進行設計仿真的一般步驟如下：模型建立，在Solidworks軟件環(huán)境下建立設備詳細的三維模型?？梢赃m當壓縮不顯著影響仿真結果的模型細節(jié)，以減少不必要的計算網(wǎng)格數(shù)量，加快后續(xù)熱仿真

7、速度；建立工程文件，根據(jù)FlOEFD流體分析工具子菜單下的工程向導一步步建立熱設計工程文件并進行一般性設置；設置工程文件，調(diào)整計算域的大小，設置邊界條件、物體的材料、定義熱源，選擇參與輻射的表面，設置收斂目標等等與具體問題相關的其它設置；用檢查幾何結構命令檢查模型，無誤后運行求解；求解完成后，建立后處理文件，得到切面云圖，表面云圖、粒子束示蹤等后處理報告；優(yōu)化分析，使用Solidworks軟件配置管理器添加Sofidworks軟件模型的不同配置，對應每個配置使用FlOEFD流體分析工具子菜單下的項目克隆(ProjectClone)選項重建與該配置相關的熱設計工程文件，進行不同的求解運算，從中選

8、取最佳設計結果。其中，步驟集中體現(xiàn)了HoEFD流體分析工具優(yōu)勢，由于是和Solidworks軟件模型共用，相比其他熱仿真軟件。FlOEFD流體分析工具具有最高建模精度，仿真模型即可用于實際加工。3.3仿真分析對應參數(shù)在FlOEFD流體分析工具中的設置如表1所示，其余參數(shù)保持缺省值，運行仿真。工桎配蓋當前設置系筑單住國際華位制：雖屢匚外部濾體物理特粧固隼期傳導：“重力皿方7向-PSIhl/s2空乩(乞體)“自定義材料；熱傳導205熱力狀蕊墾數(shù):溢度汕匸壓力Pa固休參數(shù)初儲固依溫度70V4級乙竺表1工程文件一般性設置仿真結果顯示功放最高溫度達到了99.3C，不能滿足使用要求，需要對其進行散熱優(yōu)化設

9、計。一般來說，肋片散熱器的肋片頂部和風機之間的間距為5mm，距離較小，可能存在回流區(qū)域，影響散熱效果，為此使用FLOEFD流體分析工具的參數(shù)學習(ParametricStuday)工具對肋片高度進行優(yōu)選。為加快優(yōu)選速度，設置仿真精度為4級抹去的溫度變化的大體趨勢即可。肋片高度初始值設為11mm，2mm遞增，知道允許的最大值為27mm(肋片頂端接觸到風機罩)，優(yōu)選結果如表2所示。肋片S/ehei仿真溫度代11114.0641310S.S7815104.82717102.192191啊16總1鉢22(223X.613725鉉298327L-13-7八JUU/表2散熱器肋片高度優(yōu)選優(yōu)選結果表明，肋片

10、高度在19mm27mm之間變化時，仿真溫度變化不大，且在當前的肋片厚度和肋片間距下，最佳肋片高度為21mm。使用Soliddworks軟件修改肋片高度為21mm，下一步優(yōu)選肋片厚度和肋片間距。分頁通常風冷散熱器肋片越薄，肋片數(shù)量越多，能提供的有效散熱面積就越大，散熱效果就越好，但也不是肋片越密越好，肋片太密會對風機產(chǎn)生很大的風阻，降低風速，散熱效果反而會下降，由于FL0EFD流體分析工具使用的是智能網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格時根據(jù)物體的幾何尺寸決定網(wǎng)格的大小，所以在肋片厚度較薄或間距較小時將會產(chǎn)生眾多的網(wǎng)格，降低仿真速度，此時可以降低仿真精度為3級，以期得到較少的網(wǎng)格，加快優(yōu)選速度。結合工程經(jīng)驗，考慮

11、到實際加工能力，取肋片厚度依次為0.5mm,0.8mm，1mm，最小肋片間距為1.5mm和2mm，肋片厚度和肋片間距優(yōu)選結果如表3所示。表3散熱器肋片厚度和肋片間距優(yōu)選從表3可以看出，取肋片厚度0.5mm，肋片間距1.5mm時仿真溫度最低，但是依然不能滿足使用要求，還需要采取其他措施。常用導熱材料中純銅的導熱系數(shù)為387.6W/mK。硬鋁的導熱系數(shù)為205w/mK，使用銅散熱器應該能改善散熱效果。把散熱器和功放分體設計，設置散熱器材料為純銅，依次設置功放材料為硬鋁、純銅和硬鋁嵌入熱管，保持肋片厚度0.5mm，肋片間距1.5mm，肋片高度21mm。功放嵌入熱管位置如圖2所示，圖中嵌入了2根熱管，

12、熱管處于熱源2、熱源3的正下方，為了便于觀察嵌入熱管，隱藏了功放樣板，更改功放盒體視圖為半透明顯示。圖2某發(fā)射機主要部件布局示意圖三種情況下仿真得到的功放最高溫度為88.4239C（硬鋁）、84.6595C（純銅）和84.1568C（嵌入熱管）。使用純銅和嵌入入熱管方式溫度均能滿足設計要求，但銅的密度近似是鋁的3倍，使用純銅將大大增加功率放大器的重量，有悖于飛行器上的設備重量盡可能輕的宗旨，所以只有嵌入熱管方式能夠滿足要求。3.4與Icepak軟件仿真對比驗證在Icepak軟件中重新建立圖2所示模型，保持等效的材料設置、風機風量設置、散熱器設置等，運動仿真，分析結果對比如圖3所示。圖3仿真分析結果對比在熱設計工程應用中，精確的建模和邊界條件描述都是相當困難的，為此仿真結果和實測結果誤差保持在兩度以內(nèi)就非常令人滿意，同一問題仿真軟件之間的誤差在兩度以內(nèi)都是可以接受的。圖3中所示溫度稍高的曲線為Icepak軟件仿真結果，最高溫度84.6441C；溫度稍低的曲線為FLOEFD流體分析工具仿真結果，最高溫度84.1568C；兩種結果相差0.5C，一