Рассказываем о роли конечно-элементного анализа на этапе проверки концепции и перед запуском нового продукта.
Крайне важно учитывать все существующие риски для будущего устройства, а также неблагоприятные воздействия окружающей среды до его серийного производства. Чтобы предотвратить воздействие внешних и внутренних угроз на продукт, информация об опасности обычно указываются в руководстве по эксплуатации. Если пользователь добросовестно следует инструкциям, то устройство будет отлично ему служить. В то же время пользователь может ожидать некоторый "запас прочности" и будет приятно удивлен, увидев, что выбранный продукт работает в сложных условиях гораздо эффективнее, чем ожидалось.
Эта статья сосредоточена на исследовании внутренних факторов, влияющих на перегрев маршрутизатора, и их значимости в рамках конечно-элементного анализа, в частности метода конечных элементов.
Зачем проводить тепловые расчеты?
Стоит ли проводить тепловые расчеты?
Ответ — да. Тепловые расчеты являются гарантией безопасного и комфортного использования любого устройства, так как они позволяют производителю предвидеть участки устройства, которые будут перегреваться. В результате, производитель может быть уверен, что пользователь будет защищен от коротких замыканий и даже пожара, и не столкнется с деформацией внутренних и внешних компонентов устройства.
Тепловые расчеты являются огромной помощью для производителя, так как они помогают найти оптимальное соотношение между тепловыми входами и выходами в устройстве. Это позволяет выбрать наиболее подходящие размеры устройства, а также самые эффективные и безопасные варианты размещения системы охлаждения, нагревательных элементов и других компонентов устройства.
Тепловые расчеты: этапы
Системы CAE и CAD являются основными инструментами для проведения расчетов. Реальные эксперименты на фактических объектах значительно сократились с изобретением технологий автоматизированного проектирования, таких как анализ методом конечных элементов (FEA) в ANSYS. В наши дни тепловые расчеты больше не требуют создания многочисленных прототипов устройства и проверки того, как добавление того или иного компонента повлияет на фактическое устройство.
Тепловые расчеты начинаются с рассмотрения требований к моделированию. На этом этапе мы должны решить, какие входные данные нам нужны и каких результатов мы хотим достичь. Затем модель, созданная в CAD-системе, должна быть подготовлена к расчету. Геометрия устройства должна быть упрощена с учетом влияния характеристик различных элементов на результат расчетов.
Такое решение ускоряет обработку расчетов и облегчает создание расчетной сетки. Однако упрощения должны быть выполнены корректно, чтобы сохранить разумный уровень точности вычислений.
Следующий этап — настройка среды для модели. Необходимо настроить как расчетную сетку, так и контактные поверхности. Затем переходим к параметрам конвективной и радиационной передачи тепла компонентов продукта, контактных поверхностей всех компонентов, температуры корпуса и окружающей среды, а также нагревателей. В конце мы определяем физические параметры, необходимые для расчета.
После создания и настройки модели можно запускать расчет в CAE! Если результаты не удовлетворяют законам физики, модель можно скорректировать, указать новые параметры и изменить материалы, из которых изготовлены элементы.
Способы предотвращения перегрева устройства с помощью метода конечных элементов
Прежде чем рассматривать возможные решения, важно отметить, что перегрев может быть нормальной реакцией устройства на внешние факторы. Любое устройство уязвимо для перегрева, если внешняя температура выше, чем нормальная для этого продукта. Его температура также может быть напрямую связана с эффективностью потока воздуха от продукта к окружающей среде и обратно. Поэтому критически важно устанавливать условия, близкие к реальным, при моделировании, чтобы конвективная передача тепла точно отражала реальные сценарии использования и иногда даже экстремальные. Например, если вы оставите телефон в чехле с работающими в фоновом режиме программами и в кармане джинсов, гаджет заметно и быстро нагреется.
Как упоминалось выше, проблема перегрева устройства и ее решение будут описаны на примере типичного маршрутизатора. Маршрутизатор имеет 5 антенн, каждая из которых производит сильный сигнал. Другими словами, антенны потребляют много энергии, которая рассеивается наружу. Устройство также поддерживает сигнал LTE Cat 4. Модуль на плате потребляет максимальную мощность 5,5 Вт. В целом маршрутизатор использует 20 Вт мощности. Разработчики электроники, которые знакомы с тепловыделением используемых компонентов, обычно предоставляют эту информацию до начала моделирования методом конечных элементов.
Необходимо упростить геометрию устройства для быстрой и точной калькуляции. Рекомендуется избавиться от любых частей, которые используют менее 0,5 Вт мощности, так как это ускорит расчеты, обеспечив при этом высокую точность результатов. Вентиляционные отверстия следует сделать заранее, не учитывая дизайн маршрутизатора. Далее мы устанавливаем тепловыделение компонентов платы. Внешняя температура составляет 30 градусов. Статическое давление — 0,101325 МПа.
Первый шаг в расчетах — создание модели устройства в CAD-системе. Модель маршрутизатора показана на рисунке 1 после внесения всех вышеупомянутых изменений.
Вы можете проследить поток воздуха в маршрутизаторе на рисунке 2. Горячий воздух устремляется вверх.
Холодный воздух поступает в отверстия на передней панели маршрутизатора (рис. 3).
Отверстия, через которые горячий воздух поступает в окружающую среду, показаны на рисунке 4. Помните, что каждое вентиляционное отверстие меняет внешний вид устройства, поэтому лучше всего привлечь промышленного дизайнера на этапе проверки изделия в системе CAD или CAE. Таким образом, устройство будет не только надежным, но и удобным в использовании.
Согласно тепловым расчетам, модуль LTE является компонентом, который перегревается больше всего. В приведенных ниже технических характеристиках указано, что рабочий температурный диапазон для модуля LTE составляет от -40°C до +85°C. Но во время моделирования его температура была выше допустимой.
Крайне важно перепроверить температурные измерения каждого компонента, участвующего в расчете. Это позволит нам определить, какой из них представляет конкретную угрозу для нормальной работы устройства.
Компоненты, которые перегреваются больше всего, требуют системы охлаждения. В нашем случае целесообразно использовать радиатор, так как вентилятор потребляет больше энергии и создает больше шума.
Установка радиатора не повлияла на высоту корпуса. Однако часто требуется изменить внешний вид продукта во время проектирования, например, изменить высоту для размещения нового компонента или изменить расположение существующих.
Таким образом, элемент, нагрев которого негативно влияет на работу маршрутизатора, можно определить с помощью тепловых расчетов. Применение этих данных и анализа методом конечных элементов позволит минимизировать риск и предотвратить повреждение оборудования.
Помните, что любые значительные изменения в конструкции электроники и корпуса должны сопровождаться параллельными тепловыми расчетами. В результате этого потребуется меньше доработок, сократится цикл тестирования и будет меньше производственных дефектов.