Особенности этапов теплового анализа

Тепловой анализ осуществляется в несколько этапов. Последовательность действий пользователя по подготовке задачи и выполнению теплового расчёта конструкции во многом схожа с алгоритмом работы с другими расчётными модулями T-FLEX Анализа. Поэтому в данном разделе отметим только некоторые особенности, характерные для осуществления тепловых расчётов.

1. Создание задачи. При создании задачи нужно указать её тип – «Тепловой анализ». Так же как и в других видах расчёта необходимо построение конечно-элементной сетки, аппроксимирующей геометрию конструкции.

2. Наложение граничных условий. В тепловом анализе роль граничных условий выполняют прикладываемые к модели граничные и начальные температуры, источники тепловой мощности, тепловые потоки, а также условия теплообмена модели с окружающей средой – конвекция и излучение.

При задании температурных нагружений необходимо отличать и правильно использовать два варианта задания нагрузки «Температура» – «Начальная температура» и «Температура». Начальная температура используется для задания температурных нагрузок в начальный (нулевой) момент времени только для нестационарного теплового расчёта. Все температурные нагрузки, заданные без флага «начальная» считаются константными (неизменными) как в установившемся режиме, так и в нестационарном тепловом расчёте.

3. Расчёт. Перед выполнением расчёта пользователь может указать тип решаемой задачи теплового анализа (закладка [Параметры], стационарная или нестационарная теплопроводность), и если необходимо, уточнить алгоритмы решения систем уравнений на закладке [Расчёт].

4. Анализ результатов теплового расчёта. Результатами теплового анализа являются:

Температурные поля – распределение температуры по объёму модели.

Градиенты температуры по осям X,Y,Z, а также модуль градиента температуры – отображают степень изменения температуры по соответствующим осям системы координат.

Результирующие тепловые потоки по осям X,Y,Z, а также модуль результирующего теплового потока – показывают интенсивность передачи тепловой энергии, определённую по результатам решения задачи теплового анализа.

Модули градиента температуры и результирующего теплового потока определяются как корень квадратный из суммы квадратов соответствующих координатных компонентов.

Кроме указанных результатов, в качестве справочных данных в окне постпроцессора можно отобразить:

• Приложенный тепловой поток соответствует заданным исходным параметрам тепловых нагружений.

• Известные температуры – приложенные к модели неизменные температурные нагрузки.

• Начальные температуры – приложенные к модели начальные температуры (для нестационарного теплового анализа).

Методы анализа результатов теплового расчёта в Постпроцессоре T-FLEX Анализа, в целом, аналогичны способам исследования результатов в других расчётных модулях.

Отметим некоторые специфические инструменты Постпроцессора, которые можно использовать для анализа результатов нестационарной теплопроводности.

В результате решения задачи нестационарной теплопроводности получается большой набор результатов, общее количество которых равно количеству определённых пользователем временных шагов. В T-FLEX Анализе пользователю предоставляется удобный визуальный интерфейс для управления всем массивом полученных в результате расчёта данных. Для этого из контекстного меню в окне визуализатора результатов вызывается диалоговая панель «Временной процесс», с помощью которой пользователь может осуществлять быстрый переход к нужному результату по временной шкале.

2. Примеры тепловых расчётов

Тепловой расчёт радиатора охлаждения. Установившийся режим

Необходимо оценить эффективность пассивного радиатора охлаждения полупроводникового электронного устройства с максимальной рассеиваемой мощностью 15 Ватт. Допустимая температура корпуса микросхемы составляет 75°С в диапазоне температур эксплуатации окружающей среды от 25°С до 55°С. Для охлаждения устройства используется радиатор из алюминиевого сплава, закрепляемый на верхней части корпуса микросхемы, которая для улучшения теплоотвода также выполнена из алюминия.

Шаг 1. Создание «Задачи», сетки, назначение материала.

Используя команды «Анализ|Новая задача» создадим задачу типа «Тепловой анализ» на основе двух тел – микросхемы и радиатора. Построим конечно-элементную сетку. Также необходимо определить параметры материала изделия. По умолчанию, в расчёте используются характеристики материала «С операции», т.е. свойства материала автоматически берутся из твердотельной модели детали изделия. Этот режим особенно удобно использовать, если в расчёте участвуют тела из разных материалов в составе сборочных моделей.

В нашем случае, при создании 3D модели радиатора и микросхемы был определен материал «Алюминий», физико-химические свойства которого содержатся в базе T-FLEX CAD 3D.

Шаг 2. Наложение граничных условий.

Зададим для нашей модели тепловые нагружения. К объёму микросхемы приложим нагрузку «Тепловая мощность» 15 Вт, а на внешних теплоотводящих поверхностях радиатора определим граничное условие «Конвективный теплообмен» с параметром конвекции 25 Вт/(м2 ⋅°C) и температурой окружающей среды (25°С). Учётом теплообмена за счёт взаимного и окружающего излучения в данной задаче можно пренебречь, т.к. вклад от излучения на ожидаемых температурах (десятки градусов) пренебрежимо мал. Выполнив команды построения конечно-элементной сетки и задания тепловых нагрузок, мы получаем готовую к расчёту конечно- элементную модель.

Шаг 3. Выполнение расчёта и анализ результатов.

С помощью команды «Анализ|Расчёт» запустим тепловой расчёт. В появившемся диалоге свойств задачи на закладке [Параметры] установим опцию «Установившийся режим». Для ускорения расчёта включаем режим «Производить расчёт линейным элементом» на закладке [Расчёт].

Список результатов расчёта отображается в окне «Дерева задач», и открывается с помощью контекстного меню в окне визуализатора. Максимальная температура по результатам теплового расчёта составляет 41,9 °С при температуре конвекции 25 °С.

Используя команду «Изменить» контекстного меню дерева задач, отредактируем температуру конвективного теплообмена, установив для окружающей среды верхний предел заданный рабочей температуры (55°С), и осуществим повторный расчёт.

Получим максимальную температуру микросхемы 71,9 °С. Таким образом, радиатор обеспечивает требуемый температурный режим устройства во всем заданном режиме температур эксплуатации устройства. Расчёт закончен.

Расчёт времени нагревания радиатора охлаждения. Нестационарный режим

Оценим время, необходимое для выхода устройства на установившийся тепловой режим. Для этого осуществим нестационарный тепловой расчёт системы «микросхема+радиатор».