【正文】 TX=TLq*x/λ =*x/45(見表 ) 表 鐵塊溫度分布 x(mm) 0 10 20 30 40 Tx(℃ ) x(mm) 50 60 70 80 90 100 Tx(℃ ) IDEAS 一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析 例子參照 （ 1）建模：截面為 10mm 10mm，長度為 100mm 圖 3－ 1 建模 （ 2）劃分網(wǎng)格：類型一次六面體；材料為默認材料（鐵）；尺寸 10mm 鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 圖 3－ 2 網(wǎng)格參數(shù) （ 3）加載邊界條件：左端面環(huán)境溫度 100℃，對流換熱系數(shù)為 10[N/(m?s?k)] 右端面環(huán)境溫度 0℃，對流換熱系數(shù)為 20[N/(m?s?k)] 圖 3－ 3 左端熱載荷條件 圖 3－ 4 右端熱載荷條件 鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 （ 4）計算： 圖 3－ 5 設(shè)定完成的計算模型 （ 5）計算結(jié)果讀?。? 圖 3－ 6 IDEAS溫度分布圖 鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 圖 3－ 7 IDEAS熱流密度分布圖 理論計算與 IDEAS 計算結(jié)果對比 從表 、表 ， IDEAS計 算值與理論計算值完全吻合， IDEAS軟件在熱分析模塊的計算結(jié)果是非常值得信任的，能夠滿足工程需要。 表 溫度分布對比 溫度分布 理論計算值 IDEAS 結(jié)果 0mm 10mm 20mm 30mm 40mm 50mm 60mm 鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 70mm 80mm 90mm 100mm 表 熱流密度對比 熱流密度 理論計算值 IDEAS 結(jié)果 0mm 10mm 20mm 30mm 40mm 50mm 60mm 70mm 80mm 90mm 100mm 鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 基于 IDEAS ESC 的微波芯片散熱仿真 ESC 熱分析理論 ESC熱分析采用的是集總熱容有限差分法。這種方法基于局部和總體能量平衡的原則將目標劃分為多個控制區(qū)域，對每一控制區(qū)域用集總參數(shù)法建立平衡方程，對一控制區(qū)域的熱平衡方程如下： ? ?? ???? V Vb n dvtTcdvqdbq )(0 ? 式中： b 控制體邊界； v 控制體體積； qn 流過控制邊界的熱流； q0 控制體內(nèi)的熱生成流；ρ密度； c比熱 ； T溫度 ； t時間。 （ 1）式又可表示為： 式中： Qb:流進控制體積的熱量； Q0控制體內(nèi)的生成熱； U控制體內(nèi)的能量存儲。 對于密度與比熱為常數(shù)的材料： 相鄰控制容積處的熱交換為 : Qij = Gij f (Ti, Tj) 式中： Gij 為相鄰控制容積處的熱交換系數(shù)； Ti ， Tj 分別為 I,j區(qū)域差分點的溫度。則相鄰區(qū)域熱交換體現(xiàn)在傳熱系數(shù) G上。因此，邊界條件的建立就是確定各相鄰區(qū)域的傳熱系數(shù) G。 對某一控制容積 I 熱平衡方程可表示為 : 對穩(wěn) 態(tài)熱分析則 在 IDEAS ESC中把每一幾何單元作為控制體積，則創(chuàng)建的有限元網(wǎng)格可直接作為有限差分分析模型，這樣避免了對復(fù)雜結(jié)構(gòu)難以劃分有限差分網(wǎng)格的麻煩。我們可以用有限元法靈活的建立模型，再用有限差分法進行計算，這也是IDEAS軟件熱分析最突出的優(yōu)點。 微波芯片散熱計算的有限元模型 （ 1） 鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 某微波發(fā)生器工作時環(huán)境溫度高達 50攝氏度。芯片所耗散的全部電能中（每只 ），只有一小部轉(zhuǎn)換為有用的能量，而絕大部分都變成熱能，使儀器的內(nèi)部和周圍發(fā)熱。電子元件能夠正常工作的溫度范圍為芯片結(jié)溫≤ 175℃。 采用強迫冷卻，風(fēng)扇通風(fēng)量為每只 ，共三只，芯片布置及風(fēng)扇位置如圖 41示。 圖 4－ 1 微波機箱結(jié)構(gòu) 圖 4－ 2 芯片位置溫度分布 有限元網(wǎng)格 建模時分別建立散熱器與箱體模型，最后將二者裝配 ]起來，其中散熱器材料為紫銅，箱體材料為空氣。網(wǎng)格劃分均采用四面體四節(jié)點單元，劃分單元時根據(jù)結(jié)構(gòu)特點首先將模型分區(qū)，然后對不同的區(qū)域采用不同的單元長度進行網(wǎng)格劃分。 由于芯片與機箱相比尺寸很小，為避免網(wǎng)格尺寸相差懸殊而引起的畸變與誤差，散熱器采用與實際尺寸吻合的實體建模，用 solid單 元。芯片用附著在散熱器對應(yīng)位置上的表面代替，采用 shell單元。散熱器單元與芯片單元之間采用傳導(dǎo)熱耦合 最終有限元模型包含 18642個單元， 4579個節(jié)點。 鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 邊界條件 邊界條件的合理簡化與加載決定了熱分析的可靠性與精確性，據(jù)機箱實際散熱狀況，對模型邊界條件作了如下分類處理。 （ 1）芯片 芯片是微波發(fā)生器發(fā)熱的熱源。該熱源以集中熱載荷方式加載在散熱器對應(yīng)位置上的表面上，數(shù)值為芯片的總功率。 （ 2）機箱內(nèi)部空氣與散熱器表面 采用分區(qū)處理的方法對空氣區(qū)域采用較大尺寸劃分為 solid單元，用 ESC中的Blockeg將空氣與散熱器之間處理為內(nèi)部熱傳導(dǎo)。 （ 3）風(fēng)扇與進風(fēng)口 風(fēng)扇無須建立實體模型，只要在機箱表面相應(yīng)位置用 SPLIT SURFACE命令建立與風(fēng)扇直徑大小相等的進風(fēng)區(qū)域即可，并劃分為 shell單元。在該區(qū)域上加載風(fēng)扇參數(shù)。風(fēng)扇參數(shù)預(yù)先用 fancurve定義，包括進風(fēng)方式、鼓風(fēng)或抽風(fēng)（本算例為抽風(fēng)方式）、進風(fēng)量、風(fēng)扇功率等。 （ 4）進、出風(fēng)口設(shè)置 在強迫冷卻中風(fēng)扇進、出風(fēng)口的布置應(yīng)避免出現(xiàn)空氣短路，在位置尺寸允許的情況下應(yīng)使空氣在機箱內(nèi)形成最大程度的擾流以增加散熱效果。出風(fēng)口的設(shè)置用 VENT命令進 行，通過計算可確定出風(fēng)口的大小及最佳位置。 （ 5）機箱與環(huán)境 機箱與環(huán)境空氣之間的傳熱為自然對流方式，本算例通過指定環(huán)境溫度及重力加速度方向確定。 計算時按最惡劣熱狀況進行分析，假設(shè)芯片發(fā)出的所有功率全部變?yōu)闊崮?，所處環(huán)境的溫度為最高即 50℃。 計算結(jié)果與分析 IDEAS ESC可根據(jù)需要顯示不同部位的計算結(jié)果，本例中芯片位置處的溫度較高，其溫度分布是我們最關(guān)心的。在環(huán)境溫度 50℃時，圖 42為芯片位置溫度場計算云圖，圖 43為機箱內(nèi)空氣流動矢量圖。 根據(jù)計算結(jié)果，中間芯片熱狀況較為惡劣，最高溫度 也位于該芯片上，其值為 ℃，由于采用紫銅散熱器，各個芯片之間溫差較小，最大溫差僅 ℃，是比較理想的狀況，芯片上各點溫度均 175℃ ,芯片可以正常工作。 對本算例進行了實驗測試，設(shè)置了 10個測溫點。提取計算模型中與測點位置對應(yīng)的計算點，二者的結(jié)果對比如表 。 從表 ，計算值與實測值非常吻合，計算最大誤差 %，最小誤鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 差 %，大部分為正誤差，即實測溫度低于計算溫度。此計算精度滿足工程需要。 圖 4－ 3 機箱內(nèi)空氣流動圖 表 計算結(jié)果與實測值對比 測點 計算模型節(jié)點號 計算值 （℃） 實測值 （℃） 誤差 Δ T % 1 20487 165 2 20483 170 3 20451 170 4 26800 164 5 36484 168 6 37191 164 7 37093 164 8 36545 155 鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 9 36903 156 10 36850 153 8 結(jié)論 (1) IDEAS ESC是有效并且非常實用的電子系統(tǒng)冷卻數(shù)值仿真法，該方法可大大減小計算規(guī)模且計算精度較高。 (2) 本文所用建模方法可廣泛用于各類電子設(shè)備的熱分析中。 鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 32 5 總結(jié)與展望 新的世紀已經(jīng)來臨，在這信息化和網(wǎng)絡(luò)化的時代，隨著計算機技術(shù)、 CAE 軟件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進步，計算機輔助工程將得到極大的發(fā)展。 硬件方面，計算機將在高速化、小型化和大容量方面取得更 大進步?？梢灶A(yù)見，不久的將來 PC 機將在運行速度和存儲容量方面得到大幅度的提高，使許多CAE 分析軟件都能在 PC 機上運行。這將為 CAE 技術(shù)的普及創(chuàng)造更好的硬件基礎(chǔ)，促進 CAE 技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。 軟件方面，現(xiàn)有的計算機仿真分析軟件將得到進一步的完善。大型通用分析軟件的功能將愈來愈強大，界面也將愈來愈友好，涵蓋的工程領(lǐng)域?qū)⒂鷣碛毡?。同時，適用于某些專門用途的專用分析軟件也將受到重視并被逐步開發(fā)完善起來。各行各業(yè)都將會具有適于各自領(lǐng)域的計算機仿真分析軟件。 網(wǎng)絡(luò)化時代的到來也將對 CAE 技術(shù)的發(fā)展帶來不可 估量的促進作用。現(xiàn)在許多大的軟件公司已經(jīng)采用互聯(lián)網(wǎng)對用戶在其分析過程中遇到的困難提供技術(shù)支持。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，通過網(wǎng)絡(luò)信息傳遞，不僅對某些技術(shù)難題，甚至對于全面的 CAE 分析過程都有可能得到專家的技術(shù)支持，這必將在CAE技術(shù)的推廣應(yīng)用方面發(fā)揮極為重要的作用。 中國加入 WTO 后，我國的產(chǎn)品已不再可能依靠政府來保護自己的市場，必須與國際接軌，面對國際市場。工業(yè)界必須對市場需求做出迅速反應(yīng)，縮短工程設(shè)計周期，優(yōu)化產(chǎn)品和節(jié)省造價，保證產(chǎn)品質(zhì)量，才能贏得市場。為此，在產(chǎn)品的設(shè)計制造過程中應(yīng)用 CAD、 CAE 和 CAM 等技術(shù)是最好的選擇，這已經(jīng)成為國際上科技界和工業(yè)界的共識。過去長期沿用的那些靜態(tài)的、孤立的、繁雜的、不準確的、甚至有時只能憑經(jīng)驗進行的設(shè)計和分析方法必然將處于被淘汰的地位。我國的工業(yè)界要想在激烈的國際市場競爭中占有一席之地，就必須跟上現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，從現(xiàn)在起就應(yīng)該對 CAE 技術(shù)予以足夠的重視。 作為世界上發(fā)展速度最快的一個發(fā)展中國家， CAE 技術(shù)水平的提高將對增強我國工業(yè)界的市場競爭能力，發(fā)展國民經(jīng)濟發(fā)揮重要作用。因此，我們必須加大對 CAE 技術(shù)的投入，加快開發(fā)自己的計算機分析軟件，培 養(yǎng)一批掌握 CAE 技術(shù)的人才。針對我國工業(yè)界，特別是中小企業(yè)的 CAE 技術(shù)還較為落后，缺乏專門人才的實際情況，如何利用飛速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將我們的人才和技術(shù)資源充分發(fā)揮出來為企業(yè)服務(wù)，是在 CAE 技術(shù)的發(fā)展中值得重視的一個問題。我國科技界、教育界和工業(yè)界應(yīng)該攜起手來為 CAE 技術(shù)的研究開發(fā)、人才培養(yǎng)和工業(yè)化應(yīng)用而共同努力。 鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 33 參考文獻 [1]張洪武 ,關(guān)振群，李云鵬，顧云憲 . 有限元分析與 CAE基礎(chǔ) [M]. 北京：清華大學(xué)出版社， 2021. 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