电子模块教程

第一阶段-耦合热交换

这一阶段耦合热交换教程展现了如何对涉及到固体导热的流动分析进行每一步基础的设置。虽然说这个例子的基本原则是适用于所有的散热问题，但这个例子对那些关注电子设备内流动和热交换的用户特别有借鉴意义。现在假定你已经完成了第一阶段：球阀设计教程，因为这个例子将展现一些更为详细的EFD.Pro的使用原则。打开模型复制ElectronicsModuleTutorial文件夹进入到你的工作目录，此外由于EFD.pro在运行时会对其输入的数据进行存储，所以必须确保文件处于非只读状态。点击File,Open运行EFD.Pro。在FileOpen对话框，浏览ElectronicsModuleTutorial文件夹找到enclosure_assembly.asm组件并且点击Open。准备模型在这个分析组件中存在很多特性,零件或子组件不需要分析。使用EFD.Pro之前,仔细检查模型中不参与到分析中的元器件是一种良好的软件使用习惯。剔除那些不参与到分析中的元件可以减少对计算机资源的要求和求解时间。这个组件中包含了如下一些元件：外壳，主板，PCB板，电容，电源，散热器，芯片，风机，螺钉，风扇支架，盖子等。通过点击Pro/ENGINEER模型树中的特征，你可以看到所有的这些元器件。在这个教程中我们通过对入口盖子内表面处的Fan设定一个边界条件来对风机进行仿真。这个风机的几何外形比较复杂，重新生成的话需要一定时间。因为风机的外壳在机壳之外，所以我们可以将其压缩（Pro/E功能）从而加快Pro/ENGINEER的操作。在模型树中选择FAN,和所有SCREWs及FAN_HOUSING元件(选择多个元件时，必须按住Ctrl键)。右击先前选择的任何一个元件并且选择Suppress。之后点击Yes来确定压缩。现在开始启用EFD.Pro。创建FD.ro点击FlowAnalysis,Project,Wizard。如果已经在向导状态，直接选择Createnew，以便创建一个新的配置并且命名为INLET_FAN。点击Next现在我们将创建一个名为USAElectronics的新系统单位，这将更有助于我们进行分析。

在Unitsystem列表选择USA系统单位。选择Createnew对工程数据增加一个新的系统单位，称之为USAElectronics。EFD.Pro允许你使用预先定义好的系统单位，但通常你可以自定义常用的系统单位以便于分析。无论是预定义的系统单位还是自定义系统单位都被保存在EngineeringDatabase中。你也可以在EngineeringDatabase或Wizard中创建你所需要的系统单位。通过拉动Parameter树中的滚动条，你可以看到对所有参数所设定的单位。尽管绝大多数的参数都有一个常用的单位，诸如对于速度是ft/s对于体积流是CFM(每分钟立方英尺)但是我们还是要改变一些对于这个模型而言更为方便分析的参数单位。由于模型的几何参数比较小，所以用英寸来替代英尺来作为长度单位更为的合适。对于Length框，双击Units项并选择Inch。现在展开Parameter树中的Heat组。为了我们更为方便的处理电子设备类问题，我们对于功率和热流定义单位为Watt和Watt/㎡。点击Next。设置分析类型为Internal。在物理特性下勾选Heatconductioninsolids。选择固体导热是因为几个电子元器件产生热量，我们关注这些热量是如何通过散热器和其他固体导热进行传递，直至最后进入到流体中去的。点击Next。展开Gases夹并且双击Air行。保持默认的FlowCharacteristics。点击Next。展开Alloys文件夹并且选择SteelStainless321为Defaultsolid。在Wizard中你可以指定应用到EFD.Pro项目中所有固体元件的默认固体材料。想对一个或多个不同的元器件指定不同的固体材料，你可以在项目创建完成之后对这些元器件定义SolidMaterial条件。点击Next。点击Next接受默认的外壁面绝热和零粗糙度边界条件。尽管设置初始温度对于一段时间后温度到达某一确定值的瞬态分析而言是相当重要的，同样对于设置一个与最终仿真结果值相近的初始值有助于加速迭代计算的收敛。在这个例子中，由于设备处于室温下，所以我们设置初始的空气温度和不锈钢（描述了机壳）的温度为50°F。设置初始流体Temperature和Initialsolidtemperature为50°F。点击Next。接受Resultresolution的默认值并且保持自动设置Minimumgapsize和Minimumwallthickness。

EFD.Pro通过使用整个模型尺寸、计算域和指定了边界条件和目标的面等信息来确定默认的最小间隙尺寸和最小壁面厚度。在开始计算之前，我们推荐你检查一下最小间隙尺寸和最小壁面厚度，从而确保一些小的特征不会被忽略。我们会在所有的边界条件和目标设定之后再来回顾一下这些方面。点击Finish。现在EFD.Pro利用赋值数据方式创建了一个新的例子。我们使用EFD.Pro分析树定义我们的分析，这种定义方式类似我们先前利用模型树定义我们的模型。右击ComputationalDomain图标并选择Hide从而隐藏求解域线框。定义风扇风机就是一种流动的边界条件。你可以在没有定义BoundaryConditions和Sources的固体表面处来定义Fans。你也可以在模型的入口或出口处人工的加一个盖子来定义风扇。你可以在内部流动区域的面上定义内部风扇。风机被认为是体积流量（或质量流量）随着选定的进出口面上压降不同而变化的理想装置。风机的体积流量与静压降的特性曲线来自EngineeringDatabase。如果你分析的模型中有风机，你必须知道这个风机的性能特性曲线。在这个例子中我们采用EngineeringDatabase中一个预先定义的风机。如果你不能在数据库中找到一个合适的风机特性曲线，你可以根据你风机的具体参数创建一个你自己的风机特性曲线。点击FlowAnalysis,Insert,Fan。Fan对话框出现。如图所示选择INLET_LID的内表面。(访问内表面,设置到Geometry并且右击INLET_LID直至内表面高亮，之后点击鼠标左键)。选择ExternalInletFan作为Fantype。点击Browse从Engineeringdatabase中选择风机图形曲线。选择Pre-Defined,Axial,Papst下的Papst412项。点击OK返回至Fan对话框。在Settings页展开ThermodynamicParameters项，检查Ambientpressure是否为大气压力。返回到Definition页。接受FaceCoordinateSystem作为参考Coordinatesystem。当你选择这个面作为应用边界条件或风机的面，Facecoordinatesystem会自动的创建在这个平面的中心。坐标系的X轴垂直于这个面。Facecoordinatesystem只有在一个平面被选择的情况下才会被创建。接受X作为Referenceaxis。点击OK。新的Fans文件夹和ExternalInletFan1项出现在EFD.Pro分析树中。现在你可以编辑ExternalInletFan1项或者使用EFD.Pro分析树来增加一个新的风扇。直到最后一个这类特性被删除之前，这个文件夹都会处于显示状态。你也可以在分析树创建一个特性文件夹。右击项目名并且选择CustomizeTree去增加或剔除一个文件夹。

随着刚才所做的定义，我们告诉EFD.Pro通过风扇在这个开口处空气流入机壳，所以空气的体积流，随着环境大气压和风机出口处的静压不同而变化。由于盖子出口处是环境大气压，所以风机产生的静压等于气流通过电子设备时候的压降。定义边界条件除了开口处定义了风机之外，任何流体流经系统处都要定义边界条件。边界条件可以Pressure,MassFlow,VolumeFlow或Velocity形式定义。你也可以使用BoundaryCondition对话框来定义IdealWall边界条件，这个边界条件可以是绝热，无摩擦壁面。或定义RealWall边界条件，这个边界条件可以设置壁面粗糙度或者温度以及模型表面的热交换系数。对于具有内部固体导热的分析，你也可以通过定义一个OuterWall边界条件来对模型外壁面设置一个热特性边界条件。在EFD.Pro分析树，右击BoundaryConditions图标并且选择InsertBoundaryCondition。如图所示选择所有出口盖子的内表面。选择Pressureopenings和EnvironmentPressure。保持Settings页中的默认设置。点击OK。新的EnvironmentPressure1项出现在EFD.Pro分析树中。环境压力边界条件在流动出口处作为静压，在流动入口处作为总压。打孔板定义当建立具有小孔的打孔板时，无法避免的会在打开板小孔附近产生大量的网格。我们通过定义流动区域的百分比可以方便的考虑打孔板的效应。在EFD.ProEngineeringdatabase的PreDefined项中没有我们所需的打孔板，所以我们需要创建一个用户自定义的打孔板。点击FlowAnalysis,Tools,EngineeringDatabase。在database树中选择PerforatedPlates,UserDefined。右击并且选择NewItem。如图所示输入相关数据，并且重命名Itemproperties特性名称为circularholesof5mmdiameterandwithaFreearearatioof60%。在Engineeringdatabase中保存新建的项目。点击File,Exit关闭窗口。选择EFD.Pro分析树下的EnvironmentPressure1项。点击FlowAnalysis,Insert,Perforatedplate。Perforatedplate对话框出现。点击Browse进入engineeringdatabase。从Databasetree,UserDefined中选择新建的打孔板。点击OK。新建的PerforatedPlate1出现在EFD.Pro分析树中。打孔板可以仅仅设置在一个面上，在这个面上还可以定义环境压力和风扇。定义双热阻模型如下图所示，两个热阻块结合在一起可以简化电子封装热性能为双热阻模型。Rjb和Rjc分别是芯片结点至PCB板和芯片外壳的热阻。双热阻模型的其它表面是绝热的。EFD.Pro要求通过建立一个块来创建芯片结点和外壳结点。点击FlowAnalysis,Tools,EngineeringDatabase。在databasetree中选择Two-ResistorComponents,UserDefined。右击并且选择NewItem。如左图所示输入相应的尺寸数据。面积2inx2ina并且厚为0.125。在Engineeringdatabase中保存这个新建的项目。点击File,Exit关闭窗口。点击FlowAnalysis,Insert,Two-ResistorComponent。点击Browse进入至Two-Resistorcomponents预定义EngineeringDatabase列表。定义Heatgenerationrate为5W。从EFD.Pro模型树中分别选择外壳和结点CASE、JUNCTION。点击OK。新建的Two-ResistorComponent1出现在EFD.Pro分析树中。定义其它热源点击FlowAnalysis,Insert,VolumeSource在EFD.Pro分析树中，右击HeatSources图标并且选择InsertVolumeSource。在模型树中选择所有CAPACITOR元件。在Sourcetype中选择Temperature。在Settings页的Temperature中输入100°F。点击OK。在EFD.Pro分析树中不连续双击VSTemperature1项，将其重命名为Capacitors。遵从上述相同步骤，对以下体积热源进行设置：所有PCBs上的芯片(SMALL_CHIP)具有总的热功耗4W，并且POWER_SUPPLY元件具有120°F恒定温度。分别重命名为Smallchips和PowerSupply。点击File，Save。PCB和界面材料工具PCB板使用EFD.Proengineeringdatabase中的PCBtool来建立。点击FlowAnalysis,Insert,PrintedCircuitBoard。在模型树中选择MOTHERBOARD.PRT。点击Browse进入到Engineeringdatabase。选择PrintedCircuitBoards下的Pre-Defined。在tems页中选择2S2P板。点击ItemProperties观察平面方向和垂直平面方向热导率等特性参数。点击TableandCurves观察导热层厚度和覆盖百分比。点击OK。同时PrintedCircuitBoard-1出现在EFD.Pro分析树中。重命名PrintedCircuitBoard-1为MotherBoard。下面我们将创建一个用户自定义的PCB板，并且将这些特性贴赋到垂直的PCB板。点击FlowAnalysis,Tools,EngineeringDatabase。在databasetree中选择PrintedCircuitBoards,UserDefined。点击创建一个新项。默认新创建的是一块2S2P板。在Itemproperties改变Type为ConductorVolumeFraction。在PercentageconductorinPCBvolume中输入10%。EFD.Pro会计算沿平面方向和垂直平面方向热导率的值。所有的计算值均会以灰色背景显示。点击保存图标保存新建的项目。右击EFD.Pro分析树下的PrintedCircuitBoards并且选择InsertPrintedCircuitBoard。点击Browse选择新建的UserDefinedPCB。从模型树中选择PCB.PRT元件，对其应用verticalPCB特性。点击OK。新建的PrintedCircuitBoard1出现在EFD.Pro分析树中。重命名为MemoryBoards。现在我们将定义主芯片和散热器之间的界面材料。T为了选择芯片外壳上表面，需要隐藏散热器。在设计树下右击HEAT_SINK.PRT并且选择Hide。对ENCLOSURE.PRT进行相同的操作。点击FlowAnalysis,Insert,ContactResistance。选择芯片的上表面应用接触热阻。通常情况下接触热阻是散热器底面和芯片上表面之间很薄的一层低热导率材料。你可以通过定义材料特性和厚度或者直接定义单位面积热阻的方式来模拟接触热阻的影响。从PreDefinedlibrary–Interface中选择界面材料InterfaceMaterials\Chomerics\CHO-THERM\T441-0.008inch/0.2mmthick。点击OK。重命名ContactResistance1为TIM。按住CTRL键，多选ENCLOSURE.PRT和HEAT_SINK.PRT并且右击选择Unhide。点击File,Save或同时按下CTRL+S进行保存。定义固体材料右击SolidMaterials图标并选择InsertSolidMaterial。在模型树中选择HEAT_SINK.PRT。点击Browse并且选择Aluminum(Pre-Defined,Metals)。通过点击OK将这一材料特性贴赋至heatsink。遵从以上相同步骤，为其它元件定义固体材料：小芯片由TypicalQFN构成(Pre-Defined,ICpackages)盖子(INLET_LID和三个OUTLET_LIDs)由Insulator材料构成(Pre-Defined,GlassesandMinerals注意出口盖子可以在模型树的pattern下(Pattern2ofOUTLET_LID)。此外，你也可以通过图形显示区域进行选择。改变每一个建立的材料名称。新的材料名称如下：

Chips–ICPackage,

HeatSink–Aluminum，和

Lids–Insulator。

点击File，Save。定义工程目标定义体积目标右击Goals图标并且选择InsertVolumeGoals。选择EFD.Pro分析树下的SmallChips项，选择的所有原件属于SmallChips热源。在Parameter表格中，勾选TemperatureofSolid行的Max。接受勾选UseforConv。用于控制目标收敛。点击OK。新的VGMaxTemperatureofSolid1项出现在EFD.Pro分析树中。改变新项的名称为：VGSmallChipsMaxTemperature。你也可以使用FeatureProperties对话框来重命名，这个对话框可以通过右击这个项目并选择Properties来打开。点击图形区域的任意区域，从而放弃选择。右击Goals图标并且选择InsertVolumeGoals。选择EFD分析树中的Two-ReisistorComponent-1，从而选择元件的外壳和结点。勾选createaseparategoalforeachcomponent。在Parameter表格中，勾选TemperatureofSolid行的Max。接受勾选UseforConv。用于控制收敛。点击OK。重命名新建的VGMaxTemperatureofSolid1和Solid2项为VGCasemaxTemperature和VGJunctionMaxTemperature。点击图形区域的任意区域，从而放弃选择。定义表面目标右击Goals图标并且选择InsertSurfaceGoals。点击ExternalInletFan1项选择应用目标的表面。在Parameter表格，在StaticPressure行勾选Av。接受勾选UseforConv。用于控制收敛。对于X(Y,Z)–分力和X(Y,Z)–分扭矩表面目标，你可以在这些计算目标上选择坐标系。点击底部的Inlet并且从Nametemplate去除<Number>。点击OK。新的SGInletAvStaticPressure目标出现。点击图形区域的任意区域，从而放弃选择。右点Goals图标并且选择InsertSurfaceGoals。点击EnvironmentPressure1项，选择目标应用的面。在Parameter表格，勾选MassFlowRate行。接受选择UseforConv。用于控制收敛。点击Outlet并且从Nametemplate去除<Number>。点击OK，SGOutletMassFlowRate目标出现。定义全局目标右击Goals图标并且选择InsertGlobalGoals。在Parameter表格StaticPressure和TemperatureofFluid行勾选Av并且接受选择UseforConv。用于控制收敛。从Nametemplate去除<Number>并且点击OK。在这个教程中，设置的工程目标用于确定发热元件的最大温度，以及空气的温升，通过设备的压降和质量流量。点击File,Save。接着对这个项目定义的几何自动的进行检查。改变几何精度点击FlowAnalysis,InitialMesh。勾选Manualspecificationoftheminimumgapsize。由于最小流动通道的原因，输入0.15in（例如：这个通处于散热器的翅片中间）。当模型中有一些小的特征时，输入最小间隔尺寸和最小壁面厚度是非常重要的。精确的设定这些值可以确保网格划分时，这些小的特征不会被忽略。只有当小固体特征的两侧都存在流体网格时，才需要定义最小壁面厚度。在内部分析的例子中，在设备外部环境空间没有流体网格存在。因此在内部流动和环境空间的边界处总是能够很好的求解。这就是为什么你不用考虑不锈钢机壳的壁面。无论minimumgapsize还是minimumwallthickness都是帮助生成自适应网格从而获得精确结果的有力工具。其中最小间隔尺寸的设置可以取得更为明显的效果。事实也确实如此，EFD.Pro是通过定义的最初网格精度控制每一个个minimumgapsize确定最小网格数的方式来生成网格。这个数目等于或大于通过用minimumwallthickness生成的网格数。这就是为什么，即便你模型内部流动区域中有一个纤薄的固体特征，当它大于或等于最小间隙尺寸时就不需要定义最小间隔尺寸。如果你想求解小于最小间隙的薄壁面，那么你必须定义最小壁面厚度。点击OK。点击FlowAnalysis,Solve,Run。点击Run。在普通的PC机上，这个求解的时间大约在10－20分钟。你可以注意到不同的目标到达收敛的迭代数目不同。这个EFD.Pro面向目标的理念可以使你使用更短的时间得到你所需要的结果。举例来说，如果仅仅对设备内部的流体温度感兴趣，EFD.Pro将会比要求所有参数都收敛更快的提供仿真结果。在求解完成之后，窗口中会显示CPU计算时间和一些其它的相关信息。观察目标右击Results下Goals图标并且选择Insert。点击Goals对话框中AddAll。点击OK。具有目标结果的EXCEL电子表格会打开，第一个电子表格将会显示目标概况。ENCLOSURE_ASSEMBLY.ASM[INLET_FAN]GoalNameUnitValueAveragedValueMinimumValueMaximumValueProgress[%]UseInConvergenceGGAvStaticPressure[lbf/in^2]14.69701114.6970098314.69700814.6970111100YesSGInletAvStaticPressure[lbf/in^2]14.69706114.6970602214.69705814.6970622100YesGGAvTemperatureofFluid[°F]63.87766963.8218446363.79366163.8776686100YesSGOutletMassFlowRate[lb/s]-0.006437-0.006440418-0.006445-0.0064367100YesVGSmallChipsMaxTemperature[°F]121.82681121.8472619120.98683123.915785100YesVGCasemaxTemperature[°F]84.28353784.2780177484.07111884.4402867100YesVGJunctionmaxTemperature[°F]102.33498102.3332705102.12628102.480291100Yes你可以看到这个主芯片的温度是102°F,小芯片的温度超过了120°F。目标进程栏是目标收敛过程中性质和数量特性显示。当EFD.Pro分析目标收敛，它计算了这个目标差量，这个差量是由上一次到这一次最大和最小目标值的差定义的，并且比较这差量和目标收敛标准差量，这个目标收敛标准差量可以由你来指定之外，也可以由EFD.Pro通过目标的物理参数在整个求解域上离散来自动确定。这个目标收敛差量标准与分析间隔上目标真实差量的百分比显示在目标收敛过程条中。(当目标真实差量等于或小于目标收敛标准差量，这个过程条将变成“完成”)。相应的，如果目标真实差量振荡,这个过程条也会振荡,此外,当一个棘手的问题被求解,可能会出现逆行，特别是从“完成”状态上。如果要求的迭代计算步数已经完成或者在完成设定的迭代计算步数之前就达到目标收敛标准则这个计算就会完成。依据你的判断，你也可以定义其他的计算完成条件。更为详细的分析结果，我们可以使用功能强大的EFD.Pro后处理工具。对于设备内部的流体最好的观察方式是创建一个流动迹线图。FlowTrajectories右击FlowTrajectories图标并选择Insert。在EFD.Pro分析树选择ExternalInletFan1项。选择INLET_LID内表面。设置Numberoftrajectories为200。保持Startpointsfrom下拉框Reference。如果Reference被选择,则迹线的起点在被定义的面上。在Settings页，设置Drawtrajectoriesas为Band。点击ViewSettings。在ViewSettings对话框中，将Parameter中的Pressure改为Velocity。在FlowTrajectories页中确定Usefromcontours项被选择。这个设置定义了迹线的颜色。如果Usefromcontours被选择，则迹线的颜色将与Contours中定义的参数颜色分布相一致(我们例子中的参数是速度).如果你选择Usefixedcolor则所有流动迹线都将只有同一种颜色，这个颜色可以在FlowTrajectories对话框的Settings进行定义。点击OK保存设置并且退出ViewSettings对话框。在FlowTrajectories对话框中，点击OK。新的FlowTrajectories1项将出现在EFD.Pro分析树中。可以看到下图：注意只有少量的迹线与PCB板相临近，这可能引起在PCB板上的芯片无法得到很好的制冷。此外蓝色迹线意味着PCB前的流速比较低。右击FlowTrajector