Друзья приветствую Вас!
Продолжаем знакомиться с Solid Works и в этой статье я расскажу Вам как делать тепловой расчет.
Нередко, проектируя какой-либо электронное устройство, можно столкнуться с ситуацией, когда необходимо рассеивать очень много тепловой мощности, измеряемой единицами, десятками, а иногда и сотнями ватт. Электротермические процессы связаны с преобразованием электрической энергии в тепловую с переносом тепловой энергии внутри тела (твердого, жидкого, газообразного) или из одного объема в другой по законам теплопередачи. Теплопередачей (теплообменом) называется переход тепла из одной части пространства к другой, от одного тела к другому или внутри тела от одной его части к другой. Непременным условием теплообмена является наличие разности температур отдельных тел или участков тел. Различают стационарный и нестационарный теплообмен, рисунок 1.
Существуют три вида теплообмена, три различных способа передачи тепла, рисунок 2.
Теплопроводность обусловлена тепловым движением и энергетическим взаимодействием микрочастиц (молекул, атомов, электронов), частицы с большей энергией (более нагретые и, следовательно, более подвижные) отдают часть своей энергии менее нагретым (менее подвижным). Скорость теплопередачи в этом случае зависит от физических свойств вещества, в частности от его плотности. У плотных тел (металл) скорость теплопередачи больше, у пористых (пенопласт) – меньше. Конвекция возможна только в текучей среде, в которой перенос теплоты связан с переносом самой среды. Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью, так как при движении жидкости или газа неизбежно происходит соприкосновение отдельных частиц, имеющих различные температуры. Совместный перенос теплоты путем конвекции и теплопроводности называют конвективным теплообменом.
Коэффициент теплоотдачи (в SolidWorks Simulation коэффициент конвективной теплоотдачи) – характеризует интенсивность теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой. Коэффициент теплоотдачи показывает, какое количество тепла передается от единицы поверхности стенки к жидкости в единицу времени при разности температур между стенкой и жидкостью в 1 градус (К). В таблице 1 приведены некоторые типичные значения для коэффициента теплоотдачи.
Таблица 1 – Значения коэффициента теплоотдачи для некоторых сред.
Мощность рассеивания микросхемы (в SolidWorks Simulation тепловая мощность) – это наибольшая мощность тока, которую она может длительное время выдерживать и рассеивать в виде тепла без ущерба для её работы.
Рассмотрим пример по температурному анализу микросхемы, с корпуса которой необходимо отвести тепловую мощность, с целью предотвращения выхода из строя самой микросхемы.
1 Создание 3D-моделей для расчёта.
На рисунках 3 и 4 представлены чертежи деталей, по которым самостоятельно создадим 3D-модели деталей.
Рисунок 3 – Чертёж детали «Крышка»
Рисунок 4 – Чертёж детали «Радиатор»
После создания 3D-моделей двух деталей из них нужно сделать сборку. Радиатор должен соприкасаться с верхней частью крышки и располагаться симметрично относительно крышки, рисунок 5.
Для проведения температурного анализа возьмём только крышку от микросхемы, к которой будем прикладывать тепловую мощность, выделяемую кремниевым кристаллом.
2 Создание нового исследования
Выберите новое исследование Термическая и нажмите кнопку подтверждения, рисунок 6.
3 Назначение материала
Назначте материал для крышки – Литая нержавеющая сталь, а для радиатора – Алюминиевый сплав 1060.
4 Настройка анализа
В дереве исследования Simulation раскройте список Детали, нажмите ПКМ на детали Радиатор и выберите пункт Исключить из анализа, рисунок 7.
Таким образом, на первом этапе будем исследовать только крышку.
Нажмите ПКМ на Термические нагрузки и выберите пункт Тепловая мощность. Задайте значение тепловой мощности 100 Вт и приложите данную нагрузку к внутренней стороне крышки, рисунок 8.
После этого снова нажмите ПКМ на Термические нагрузки и выберите пункт Конвекция. Задайте коэффициент конвективной теплоотдачи равным 25 Вт/м2*К. Массовая температура окружающей среды или просто температура окружающей среды в Simulation задаётся в °К. Примем, что температура окружающей среды в нашем случае будет равна 30 °С. Таким образом, записываем температуру окружающей среды равной 303 °К. Выберите все верхние и боковые грани крышки, рисунок 9.
5 Создание конечно элементной сетки
Конечно элементную сетку создайте с параметрами по умолчанию, рисунок 10.
Запустите исследование на расчёт
6 Обработка результатов
Как видно из результата исследования, максимальная и минимальная температура на несколько порядков превосходят максимально допустимую температуру нагрева для микросборки, в результате чего она выйдет из строя, рисунок 11.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что для снижения температуры, необходимо дополнительно использовать радиатор.
Для закрепления результата провидите самостоятельно такой же расчет с использованием радиатора.
Подписывайтесь и успехов в работе. Главный конструктор «КБ Семёнова» - Михаил Викторович Семёнов.