UG有限元的分析第12章

第12章

结构热传递分析实例精讲——LED灯具热分析本章内容简介本实例利用UG

NX高级仿真结构热分析中的【SOL

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Steady

StateNonlinear

Heat

Transfer（稳态非线性热传递）】模块，介绍了如何应用NX的热

仿真对LED灯具进行结构热传递分析的操作流程和操作要点，包括创建热分析模型、加载及约束的设置、热分析常用参数的选取方法及热传递分析的应用技巧和使用

场合。本章节主要内容:基础知识问题描述问题分析操作步骤本节小结12.1

基础知识简单介绍热分析相关基础知识及流程；介绍热分析的常用术语及基础知识；NX热分析是NX

Nastran功能中的一个特色，完全集成在NX高级仿真环境中，热分析结果可以用作NX

Nastran解算器中热应力和挠曲分析的边界条件。应用热仿真的产品设计流程如图所示为LED轨道射灯、轨道射灯的灯具内部结构，灯具功率为20W，共有12颗LED灯珠排布在铝基板（基体AL2014）上，灯珠的光热转化率为80%（行业内热仿真计算的默认转化率）；找出散热器设计的薄弱部位，并进行改进和优化设计，仿真结果与实测数据进行对比，以指导实测；12.2问题描述(a)LED轨道的实物图LED轨道射灯内部结构图工况条件使用压铸铝ALDC12材料进行散热器设计，散热器进行电泳表面处理，辐射率为0.5。不考虑灯具电源的热影响及导热胶、导热硅脂，测试的环境温度为28.5℃，要求散热器设计的温度在65℃以下，结温在90℃以下；LED轨道射灯的各部件材料如表所示；12.3

问题分析由于LED灯珠的内部结构比较复杂，用LED灯珠的铜衬底作为LED灯珠的材料，仅把

LED灯珠作为发热源，不考察LED灯珠的内部发热与传热情况，属于产品级的传热问题。铝基板结构基本上由电路层、绝缘层和基体三部分组成，导热性能在同一个平面

内是均匀相同的，由于结构为铺层结构，且每层结构的导热性能相差很大，铝基板在法向导热性能呈现差异较大（和平面内导热系数相差数百倍），根据行业内现有的水平来看，铝基板的法向导热系数一般只有2，所以要使用正交各向异性材料来模拟铝基板的导热性能；同时，如果考虑导热胶及导热硅脂的影响，也可以使用正交异向材料来模拟。如果使用各向同性材料会导致基板及灯具的温度偏高很多，与实际情况不符。本例中首先演算自然对流与辐射散热的方式，看产品性能是否满足要求；若不满足要求，再考虑其他的散热方式。12.4

操作步骤创建有限元模型模型检查和修改参数施加载荷和约束建立LED灯具部件的接触关系计算求解结果分析后处理及其动画演示12.5

操作步骤新建一个项目，打开随书光盘part源文件所在的文件夹，导入

Book_CD\Part\Part_CAE_Unfinish\Ch12_LED\SpotLight.prt模型，调出如图所示的LED灯具主模型。。（1）创建有限元模型1）依次左键单击【开始】，在【应用所有模块】中找到【高级仿真】命令，在【仿真导航器】窗口分级树中，单击【SpotLight.prt】节点，右键弹出菜单并单击出现的【新建FEM和仿真】选项，并进行相关操作；设置【解算方案类型】选

取为【SOL

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Steady

State

Nonlinear

Heat

Transfer】，默认【预览解算方案设置】中的其它选项，单击【确定】按钮；新建FEM和仿真对话框解算方案设置对话框2）几何体简化将理想化模型设为显示部件，进行几何模型的简化处理，在图形窗口中选择射灯的14个部件对模型进行提升；单击工具栏中的【理想化几何体】图标，选择【移除几何特征】命令，如图所示；设置相关参数提升体命令操作简化后的散热器几何体3）创建模型部件材料，创建LED灯珠材料a）单击工具栏中的【指派材料】图标右侧的黑色倒三角图标，选择【指派材料】图标，进入【指派材料】窗口命令；创建LED灯珠材料：在图形窗口中选择12颗LED灯珠实体作为【选择体】，在【材料列表】的【库材料】中选择【Copper_C10100】，单击【确定】，如图所示设置相关参数灯珠材料创建对话框b)

创建铝基板材料选择【指派材料】图标，进入【指派材料】窗口，如图所示，在图形窗口中选择中间的铝基板实体作为【选择体】，在【新建材料】的【类型】中选择【各向异性】，单击【创建材料】命令，创建铝基板的材料;设置相关参数单击确定c)创建散热器材料选择【指派材料】图标，进入【指派材料】窗口，如图所示。在图形窗口中选择下面的散热器实体作为【选择体】，在【新建材料】的【类型】中选择【各向同性】，单击【创建材料】命令，创建散热器的材料；设置参数单击确定4)设置物理属性参数单击工具栏中的【物理属性】图标，弹出【物理属性表管理器】对话框，如图所示，依次建立灯珠、铝基板及散热器的物理属性物理属性设置窗口LED灯珠的物理属性创建铝基板物理属性的创建散热器的物理属性创建5)建立网格收集器单击工具栏中的【网格收集器】图标，弹出【网格收集器】对话框；依次建立灯珠、铝基板及散热器的网格属性；LED灯珠的网格收集器创建铝基板的网格收集器创建6）划分单元网格；a)

LED灯珠网格的建立a）单击工具栏中的【3D四面体网格】图标右侧小三角的网格下拉菜单，选择【3D扫略网格】；设置相关参数单击确定b)铝基板的网格的建立单击工具栏中的【3D四面体网格】图标右侧小三角的网格下拉菜单，选择【3D扫略网格】；设置相关参数单击确定c)散热器网格的建立单击工具栏中的【3D四面体网格】图标，弹出【3D四面体网格】对话框；设置相关参数单击确定LED灯具3D网格划分结果单击工具栏中的【单元】图标，弹出【模型检查】对话框，如图所示;（2）模型检查和修改参数单击该命令设置相关参数（3）创建仿真模型单击确定单击【仿真导航器】窗口分级树的【Assem1_Non

_fem1.fem】节点，右键弹出快捷菜单，单击【新建仿真】，新建相关操作，【解算方案类型】选取为【SOL

601，106

Advanced

Nonlinear

Statics】，如图所示，单击【确定】按钮。同时注意到【仿真导航器】窗口分级树中，新出现了相关的数据节点。设置相关参数单击【仿真导航器】窗口分级树下的【SpotLight_fem1.fem】，右键选择【显示仿真】命令，进一步选择【SpotLight_sim1.sim】选项，进入仿真环境中定义热边界和载荷。（4）施加载荷和约束1）设置LED灯珠的发热功率单击该命令单击【载荷类型】图表右侧黑色的倒三角，选择【发热率】图标，进入【发热率】的设置对话框，如图所示;设置相关参数选择高亮显示作为对象窗口单击【约束类型】右侧黑色的倒三角图标，选择【对流】图标，进行散热器对流散热条件的定义操作，弹出【对流】对话框，如图所示2）设置对流条件单击该命令设置相关参数高亮显示作为对象单击【载荷类型】图表右侧黑色的倒三角，选择【辐射】，进行散热器的辐射条件设置，如图所示；3）设置辐射条件LED灯具综合加载效果图设置参数单击该命令（5）建立LED灯具部件的接触关系单击该命令单击确定单击确定单击窗口上【仿真对象类型】下的【面对面粘合】图标，弹出如图所示的对话框，创建曲面接触的仿真对象；设置参数在【仿真导航器】窗口分级树中单击【Solution

1】节点，右键单击【求解】命令，弹出【求解】对话框，等待【模型检查】完成，等待【分析作业监视器】出现【完成】的提示信息，如图所示，在【仿真导航器】窗口分级树中出现【结果】节点后，关闭

所有信息窗口，进入计算结果后处理模式的环境。（6）计算求解（7）结果分析1）双击【结果】节点后进入【仿真后处理导航器】窗口，解算后的数据父节点及其展

开的子节点如图所示，父节点包括【温度-节点的】、【温度梯度-单元的】、【热通

量-单元的】和【总热通量-单元的】，每个父节点又包括各个标量或者矢量方向节点；分析结果节点2）

查看温度温度分布a）LED灯珠整体温度：单击【温度-节点的】节点，打开后双击【标量】，出现如图所示LED灯具节点的温度云图，单击工具栏上的【新建注释】命令，进行相关设置；LED灯具温度云图b）LED灯具铝基板温度单击【Post

View】节点，在【3D单元】中选择铝基板所对应的3D单元显示，单击【温度-节点的】节点，打开后双击【标量】，出现如图所示LED灯具铝基板节点的温度云图，单击窗口上【标识结果】，出现如图所示的窗口，并进行相关设置；LED灯具铝基板温度云图标识铝基板的温度c）LED灯具散热器温度单击【温度-节点的】节点，打开后双击【标量】，出现如图所示LED灯具散热器节点的温度云图，单击窗口上【标识结果】，点击选取散热器的散热翅片部位，查询接触部位的节点温度，如图所示。LED灯具散热器温度云图标识散热器的温度a）单击【Post

View】节点，右键单击弹出的【新建路径】命令，弹出【新建路径】对话框。单击确定3）创建路径并生成图表路径的选取单击【Post

View】节点，右键单击弹出的【新建图表】命令，弹出【图表】对话框，如图所示；单击【图表】右键显示【编辑】，出现如图的对话框，可以对图表进行编辑；单击该命令设置参数设置参数b)新建图表c)最终美化后的Temp-Disp图表示意图4）温度梯度情况云图查看a）单击【温度梯度-单元的】节点，可查看【X】，【Y】，【Z】方向和【幅值】总体的基本温度梯度，双击【Y】节点，如图所示为模型Y向温度梯度云图，也就是LED灯具温度沿温度传导到散热器方向的梯度。LED灯具Y向的温度梯度b）

铝基板Y向的温度梯度云图查看按照上述的方法，查看LED灯具铝基板Y向的温度梯度；如图所示；LED灯具铝基板

Y向的温度梯度c）

散热器Y向的温度梯度云图查看按照上述的方法，查看LED灯具散热器Y向的温度梯度；如图所示；LED灯具散热器

Y向的温度梯度5）热通量云图结果查看单击【热通量-单元的】节点，可查看【X】，【Y】，【Z】方向和【幅值】总体的基本热通量，双击【Y】节点得到模型Y向的热通量云图，也就是LED灯具传热方向的热通量。双击【幅值】，最终显示的LED灯具热通量云图结果如图所示。LED灯具综合热通量显示0196）后处理视图显示设置。a）为了进一步清楚地观察到模型整体温度的分布情况，单击【Post

View】节点，右键单击弹出的【编辑】对话框，弹出【后处理视图】对话框，将【颜色显示】选项切换为【等值线】，设置方法如图所示，当然还可以通过【动画】命令清楚地观察到温度的分布状况。颜色显示-等值线后处理的文本字体设置后处理视图的显示设置还可以通过窗口【首选项】中的【可视化首选项】来进行设置，可以选择【视图/屏幕】，通过勾选【显示视图三重轴】来显示或隐藏视图左下角的坐标轴如图所示；可以选择【颜色/字体】，可以定义文本字体的【字型】及【大小】，如图所示。显示视图三重轴后处理的文本字体设置b)后处理视图还可以设置后处理所使用的坐标系：单击【Post

View】节点，右键单击

弹出的【编辑】对话框，弹出【设置结果】对话框，弹出【设置结果】对话框，如图所示，可以选择【坐标系】为【绝对直角坐标系】或【绝对圆柱坐标系】及其它合适的输出坐标系。后处理的坐标系的选择c)后处理视图7）退出后处理导航器单击工具栏中的【返回到模型】命令，退出【后处理】显示模式，完成此次计算任务的操作。限于篇幅，模型上其他部位节点/单元上的结果及其显示方法不再赘述。上述实例模型源文件和相应输出结果请参考随书光盘Book_CD\PartPart_CAE_Finish\\Ch12_LED\文件夹中相关文件，操作过程的演示请参考影像文件

Book_CD\AVI\Ch12_

LED_AVI。8）对比用的LED灯具仿真模型a）可以使用不同的网格划分方法来验证网格划分对计算精度的影响，对LED灯珠及铝基板不采用几何压印的方式，直接使用【3D扫掠网格】生成网格，如图所示，为方便比较，划分的单元尺寸大小与本文上述相同，使用的热载荷及边界条件与上述内容一致，重新进行计算。对比用的LED灯具仿真模型b）对比用的LED灯具仿真结果分析后得到的LED灯具整体温度分布情况如图所示，铝基板的温度分布情况如图所示，散热器的温度分布如图所示，通过与前面分析节点温度结果的对比。对比用的LED灯具整体温度分布情况对比用的LE