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如何使用FLOTHERM进行热模拟和热分析

2014-11-19 22:16阅读：

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本文讲述如何使用FLOTHERM进行热模拟和热分析
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一 设备介绍
1.1 设备概述
该设备为一台工业级的电子设备，用途不祥，型号不祥。
1.2 设备特征
1) 设备的大小为423mm（W）×88mm（h）×370mm（L）；
2) 设备为密封式设备，密封程度防雨淋；
3)
机壳用铝合金（2A12）焊接而成，壳体和壳盖选择在整机的上部分分型，搭接面填充的非导热材料；
4) 机壳的两个侧板与盖板均铣有散热槽。
二 设备组成与工作环境
2.2 内部特征
1） 内部组成
设备由三个模块组成，即主板、控制板、电源模块。控制板通过板间连接器扣在主板的上方。
2） 模块功耗
设备的整机设计功耗为50W，实测功耗为35W，其中各个器件的设计功耗如下表所列：
序号
 名称
 功耗
 所在位置
 数据来源
1
 主板
 22
 ​ 实测值
2
 控制板
 4
 ​ 实测值
3
 电源
 10
 ​ 计算值
4
 芯片110
 11
 主板中心，Top
 设计值
5
 芯片1145
 3
 主板右下角，Top
 设计值
6
 芯片8245
 3
 控制板中心，Top
 设计值
7
 电源模块
 8
 电源中心，Bottom
 经验值
表2.1 功耗表
2.3 散热方法

1) 用110导热板将芯片110的热量传导至机壳底板上；
2) 用8245导热板将芯片8245的热量传导至机壳侧壁上；
3) 在1145上放置一个铝材散热片；
4) 电源模块直接贴在机壳底板上，通过机壳底板散热；
5) 导热板的材料采用合金铝（3A12），采用折弯成型方法；
6) 铝表面之间采用厚度为1mm的导热膜导热，接触压力由连接螺钉的紧固力产生；
7) 铝表面和芯片表面采用厚度为1mm的导热膜导热，导热膜的变形量为0.7，从而产生接触压力；
8) 除与接触接触位置的表面粗糙度为3.2外，其余均为12.5。
2.4 工作环境
1) 设备的工作温度上限为55℃；
2) 设备所处环境的空气会有不同程度的紊流。
三 热仿真过程中的参数设置
3.1 环境参数
1) 求解范围：600mm（W）×200mm（h）×50mm（L），设备位于求解区中心；
2) 环境温度：55℃；
3) 空气导热率：10 W/m^2K 【停滞空气的导热率为5 W/m^2K】
3.2 建立模型
1) 假设设备外壳为壁厚为4mm的空心壳体，忽略盖板与侧壁上的散热槽，忽略其他结构要素；
2) 忽略设备内部线缆造成的阻尼；
3) 忽略设备内部线缆在工作工程中的功耗；
4) 设备内部的大器件，如滤波器，在建模时设定为无热量、不导热的固体；
5) 设备内部的小器件，如磁环、走线板等，在建模时忽略。
3.3 电气件参数设置
1）主板参数
厚度：2.5mm；
导电材料：库内材料copper（pure）；
非导电材料：库内材料FR4；
其他设置：默认值。
2） 控制板与电源板参数
厚度：2mm；
导电材料：库内材料copper（pure）；
非导电材料：库内材料FR4；
其他设置：默认值。
3） 芯片110、1145、8245、电源模块
功耗：按照表2.1输入；
位置：按照实际位置输入；
状态：固体；
材料：传导率20W/m K，芯片表面为磨光铝表面；
其他设置：默认值。
4） 热仿真其他设置
主板General：Top 4W，Bottom 2W；
控制板General：Top 1W；
电源板General：Top 2W；
General大小：平面等同于印制板大小，高度方向上为5mm。
3.4 热分析结构件参数设置
1） 材料：库内材料Al 6061；
2） 表面：Polished Plate Aluminium；
3） 表面交换：指定热交换系数185 W/m^2K。
3.5 温度传感器设置
1） 传感器110；【芯片110的芯片表面温度】
2） 传感器sr110；【110导热板冷端表面温度】
3） 传感器8245；【芯片8245的芯片表面温度】
4） 传感器sr8245；【8245导热板冷端表面温度】
5） 传感器pcu；【电源模块表面温度】
6） 传感器gaiban；【盖板内侧表面温度】
7） 传感器1145；【芯片1145芯片表面温度】
8） 传感器air；【壳体内部空气温度】
9） 传感器110up；【110导热板热端表面温度】
四 热仿真求解
4.2 传感器温度收敛结果
芯片
 110
 Sr110
 8245
 Sr8245
 Pcu
 Gaiban
 1145
 Air
 110up
　收敛　结果
 83℃
 61.5℃
 68.5℃
 61℃
 63℃
 60℃
 82℃
 66℃
 82.5℃
表4.1 温度收敛结果表
五 实测结果
5.1 试验方法
把设备放置在55℃的恒温箱中，先保温4小时，再工作2小时后，进行测量。
5.2 测量方法
将电阻片式温度巡检仪，对8245导热板热端表面、紧贴电源模块的机壳表面、110导热板的热端表面、机箱内空气、壳盖表面，5个位置进行温度检测。
5.3 测量结果
位置
 8245导热板
 电源模块
 110导热板
 空气
 壳盖
温度
 65℃
 65℃
 70℃
 62℃
 66℃

六 发现而未解决的问题
6.1 如何设置两个平面的接触热阻？
6.2 如何设置大气压？
6.3 如果设备为密封式的，环境大气压和机箱内大气压是否默认相等，还是需要分别设置？
6.4 如何设置表面的热交换系数？

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