CFX/ANSYS在電路板上的流固耦合熱分析

2013-07-13 by:廣州Ansys培訓(xùn)部門來源:仿真在線

1 前言

高溫對(duì)大多數(shù)電子元器件將產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,它會(huì)導(dǎo)致電子元器件的失效,熱應(yīng)力容易使元器件過早失效。電路板上熱應(yīng)力的存在是電子設(shè)備工作過程中的普遍現(xiàn)象。無論采取什么方式的散熱手段,只要電路板存在著功率器件,在熱力耦合的作用下電路板都有一定的熱應(yīng)力。嚴(yán)重的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致電路板破裂、脫落或者使電路基板發(fā)生形變,直接影響電路板的電學(xué)性能。某電路板的工作溫度為 27℃,電路板的發(fā)熱器件多,體積小,功率密度較大,必須對(duì)其進(jìn)行熱設(shè)計(jì)和熱應(yīng)力分析計(jì)算。

基于 CFX/ANSYS 兩款軟件的流固耦合熱分析技術(shù)可以處理復(fù)雜的含有流體和固體的研究對(duì)象。CFX/ANSYS 流固耦合技術(shù)將系統(tǒng)的流體和固體部分分開,分別用CFX 軟件計(jì)算流體區(qū)域,用ANSYS 計(jì)算固體區(qū)域。流體和固體之間的相互作用,分別作為流體軟件和固體軟件的邊界條件進(jìn)行施加,達(dá)到模擬被研究對(duì)象的流場(chǎng)-溫度場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)的目的。

本文以電路板、電路板上的電子元器件和周圍的空氣流體為研究對(duì)象,利用 CFX 和ANSYS 兩款軟件的流固耦合聯(lián)合求解熱分析技術(shù),對(duì)電路板通電發(fā)熱過程中的散熱、溫升、熱應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算與分析,獲得了電路板上熱應(yīng)力、熱變形大小和分析情況,保障了電路板能夠在規(guī)定的工作溫度下正常工作。

2 模型描述與理論分析

電路板、電路板上的電子元器件和周圍的空氣流體為本文的研究對(duì)象。電路板上的電子元器件通電發(fā)熱,熱量通過空氣對(duì)流,傳導(dǎo)等方式進(jìn)行傳遞,引起電路板、電子元器件的溫度變化,進(jìn)而產(chǎn)生了熱應(yīng)力。

空氣部分用 CFX 軟件進(jìn)行計(jì)算,固體部分用ANSYS 進(jìn)行計(jì)算。它們之間的交接面有熱量和溫度的載荷傳遞。

3 模型建立

某電路板結(jié)構(gòu)主要由電路板基板、電源模塊、運(yùn)放、功率管、三極管等組成。電源模塊、運(yùn)放、功率管、三極管均布置在基板上。

3.1 模型基本條件

電路板上元器件發(fā)熱,基板上的四個(gè)圓洞為安裝螺釘固定面。初始溫度為室溫27℃的電路板,放置在27℃的大空間中,通電后的熱應(yīng)力情況。

計(jì)算域:電路板兩倍高度的立體空間

計(jì)算時(shí)間:3600 秒

流動(dòng)條件:自然對(duì)流

耦合情況:電路板通電后元器件發(fā)熱,由此產(chǎn)生自然對(duì)流換熱。元器件以及電路板基板溫度隨時(shí)間變化,其內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。

3.2 網(wǎng)格劃分及有限元模型

將CAD 模型文件導(dǎo)入到ICEM 前處理軟件中去,進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

3.3 熱分析參數(shù)

電路板上的元器件發(fā)熱功率如。

電路板上的各個(gè)部件材料參數(shù)。

3.4 耦合面設(shè)置

兩款軟件的流固耦合聯(lián)合計(jì)算需要分別在兩款軟件中進(jìn)行分別設(shè)置。在CFX 流體軟件中,需要在交互面上設(shè)置熱流和溫度的載荷傳遞。在ANSYS 固體軟件中,需要激活MFX 模式,設(shè)置耦合時(shí)間的控制、迭代次數(shù)等。

4 計(jì)算結(jié)果

環(huán)境溫度為27℃,自然對(duì)流環(huán)境。元器件發(fā)熱功率如表1 所示,分析各電路板的溫度。圖分別給出了電路板基板、電源模塊、運(yùn)放、功率管、三極管板的溫度分布云圖?？梢姯h(huán)境溫度27℃,經(jīng)過3600 秒后,電路板上電源模塊的溫度為49℃,三級(jí)管的溫度為52℃。

電路板基板、電源模塊、運(yùn)放、功率管、三極管板的應(yīng)力分布云圖,應(yīng)力集中在電路板的安裝螺釘位置,需要注意。

電路板基板、電源模塊、運(yùn)放、功率管、三極管板的網(wǎng)格變形分布云圖,最大位移量是3.233×10-5 米,屬于可以材料接受的范圍。

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