ansys Thermal

山特电子（深圳）有限公司应届工程师入职培训Thermal Design内容简介1、热设计的定义与重要性2、热设计基础理论3、热设计的一般准则与流程4、热设计工程师与其他RD工程师之间的互动5、相关领域与其他散热技术6、热电偶測溫原理与误差来源7、结束语热设计的定义与重要性什么是热设计对产品元件以及整机或系统采用合适的冷却技术和结构设计，以对他们的温升进行控制，从而保证电子设备或系统正常、可靠地工作。热设计的重要性根据电子学理论,并不是热直接伤害元件(因过热导致的电子元件炸裂例外) ,而是热所导致的“电子迁移”现象(electromigration) 在损坏半导体元件。超过一定值的高温带来影响是：材料绝缘等级降低、磁芯参数、电容量、阻值改变引起电信号失真或频率产生漂移……据统计，电子设备的失效有55%是温度超过规定的值引起的，随着温度的增加,电子设备的失效率呈指数增长。半导体元件寿命与结温关系常用元、器件表面的允许温度值元件名称允许温度/℃元件名称允许温度/℃变压器95云母电容70~120扼流圈95薄膜电容60~130碳膜电阻120陶瓷电容80~85金属膜电阻100锗晶体管70~100印刷电阻85硅晶体管150~200铝质电解电容60~85硒整流器75~85电介质电容60~85电子管150~200热设计的重要性热设计的重要性A1000 机壳熔化热设计的重要性30KVA温升测试炸机热设计的重要性不合理的热设计热设计的重要性●耗费人力物力●研发进度Delay●设计方案变更●产品质量隐患热问题经常潜伏在设计背后直到工程测试阶段才显示出来，有时甚至更糟，直到用户正式使用时才发现。因此需要通过仔细设计气流流通路径，理解空气可流通区域的限制，选择不同的电路板、风扇及散热片，才能得到适合更小体积更大功耗要求的设计方案。因此一款优秀的产品，其必有最优秀的散热设计热设计基本理论●传导●对流●辐射热设计基本理论●传导理论热设计基本理论●辐射理论热设计基本理论●对流理论热设计基本理论流体流动示意图孤岛元件冷却示意图平板冷却示意图热设计基本理论●热阻理论对流和热传导的公式可以变换为：(1TLqkATqhA热传导）（对流）从上述公式中可以得到与欧姆定律的类比关系，热流类比于电流，温差类比于电势差，等号右边的项类比于电阻，称之为热阻。热设计基本理论●热阻理论junctioncaseR*85%junctionjunctionambienceTTRP元件周边气流温度元件损耗查元件规格书表获得与表面粗糙度、压力、面积、材质……有关sinheatkambienceRsincaseheatkRAsinsinjunctionambiencejccaseheatkheatkambienceRRRR功率密度：；散热器热阻：0.27℃/W；热设计基本理论●热阻理论SPECPFC IGBTMax Junction Temperation150℃The Max JunctionTemperation(we use)128℃Ambient Temperature70℃Power Loss40.31WTotal Thermal Resistance1.43℃/WRjc0.83℃/WRcase-heatsink0.33℃/WRheatsink-ambient0.27℃/W Heat flux at the heat source 0 - 70 W/cm² 70 - 100 W/cm² 100 - 150 W/cm² > 150 W/cm² > 0,7 °C/W Extruded Aluminum Extruded aluminum + copper heat spreader High density copper fins 0,4 – 0,7 °C/W Extruded aluminum + copper heat spreader High density aluminum fins 0,25 – 0,4 °C/W High density aluminum fins High density copper fins 0,1 – 0,25 °C/W Heat Pipe Thermal resistance of the heat sink only < 0,1 °C/W Liquid 240.3119.38/1.3*1.6Wcm热设计基本理论常用冷却技术●自然冷却：驱动元件：无特点：较长的产品寿命，可靠性高，维护成本低。但散热量低，需较大的空间。热设计基本理论●强制风冷驱动元件：风扇特点：散热功率密度高。但由于使用冷却风扇，则引起噪音、灰尘及可靠性等一系列问题。风扇热设计的一般准则与流程一般准则1.在布局设计时，各个元件之间，应尽可能保留空间以利于通风和散热。温度规格低的元件勿靠近温度规格高的元件。2.预估有散热问题的元件，应保留足够的放置改善方案的空间。3.发热量大的元件和散热模组，应尽量靠近ＰＣＢ的边缘，以降低热阻。4.散热模组和元件之间的介质ＴＩＭ：ｔｈｅｒｍａｌｉｎｔｅｒｆａｃｅｍａｔｅｒｉａｌ对模组效率有很大的影响，应选择热阻低的材料，甚至采用相变材料。5.散热模组和散热元件的接触压力，在规格容许之下应尽可能大，并确认两接触面接合完整，平整和均匀。6.散热模组中作为热交换的鳍片往和风流动垂直的方向加大，比往平行的方向上加大有效。7.热管在压扁和弯曲的使用上有其限制应留意。8.整体之流道设计，应避免产生回流之现象，以减低风阻和噪音。9.模组的出口和系统的出风口之间的空隙，应制作封闭的流道，以免热风倒流回系统中。10.散热通风设计大的开孔率，以大的长条孔替代小圆孔或綱目，以降低风阻和噪音。11.风扇的入风孔形状和大小，以及舌部和渐开线之设计，应特别留意。风扇入风孔外应保留３～５ｍｍ之内皆无阻碍。热设计的一般准则与流程一般准则热设计的一般准则与流程流程设计过程：●理论分析●CFD模拟●试验确认在热设计过程中，将会与Team成员中的造型、结构、电气工程师一起配合进行。热设计的一般准则与流程流程●理论分析产品规划散热可行性分析：结构尺寸元件损耗分析可行性、可靠性、成本评估……冷却空气流量、散热面积、散热技术等宏观参数热设计的一般准则与流程流程热阻分析法获取方案可行性评估热设计的一般准则与流程流程风扇系统P-Q特性曲线判定系统与风扇匹配是否合理热设计的一般准则与流程流程流体力学试验风洞热设计的一般准则与流程流程分析模型●CFD模拟热设计的一般准则与流程流程CFD计算结果热设计的一般准则与流程流程依据温升测试结果，判定产品是否合格●试验确认改善温升状况电气元件，功耗调整散热片、风扇、风道、结构、散热方式热设计的一般准则与流程流程●强迫风冷中常用的一些散热改进措施1.优化散热片设计2.提高冷却风流量3.降低系统风阻4.采用风道纸优化风道5.降低元件与散热片之间接触热阻6.减少空气回流与无风区7.降低元件功耗热设计工程师与其他RD工程师之间的互动热设计工程师电气工程师机构工程师Layout工程师电气工程师机构工程师Layout工程师元件功耗、PCB上布局、机壳内部布局等降低元件功耗建议修改进出通风口尺寸与风扇大小的建议修改PCB板布局建议完成热设计，给出调整方案相关领域与其他散热技术由于现在我们公司以强制风冷作为产品主导散热方式，由此带来一系列新的问题：●防尘技术●降噪技术热设计延伸领域●防尘技术三和盛科技电子厂UPS内部照片目的：提高产品可靠性热设计延伸领域噪音来源：1、风扇噪音源2、湍流风嘈声3、电磁噪音●降噪技术研究目的：人性化设计，提高产品竞争力。1、风扇规格2、结构降噪……热设计延伸领域其他散热技术●液体冷却驱动元件：动力泵特点：换热效率高，冷却效果好。但冷却系统复杂，可靠性不高。●固液相变材料采用固液相变材料进行热管理的优点是不需要机械动力装置、不耗能，其缺点是冷却能力限制在相变材料热容量以内。相变材料冷却模块的一个特别应用是克服温度波动对元器件带来的负面影响。其他散热技术●热管冷却热管冷却传热效率很高，并且热管两端的温差很小，应用热管冷却时，主要问题是如何减少热管两端接触面上的热阻。其他散热技术●空气微喷流技术该技术可以使风冷能力超过10W/cm2；空气射流技术使流体沿着芯片法向冲击传热表面，冲击处的速度和温度边界层很薄，因此具有很高的传热效率，这种技术冷却的芯片热流密度可以达到100 W/cm2。●微喷雾冷却器微喷雾冷却器与微喷流冷却器冷却原理类似，两者的区别是微喷流冷却器喷嘴喷出液流或气流,而微喷雾冷却器喷出的是雾状液体小滴。这样更易于发生液体相变换热,提高换热系数。其他散热技术●热电冷却热电冷却的优点：轻便、安静、紧凑、可靠、耐用、可调，并且可将温度冷却至室温以下。热电偶測溫原理与误差来源測溫原理热电偶工作原理是基于赛贝克(seeback)效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生电流的物理现象。?热电偶由两根不同导线(热电极)组成，它们的一端是互相焊接的，形成热电偶的测量端(也称工作端)。将它插入待测温度的介质中；而热电偶的另一端(参比端或自由端)则与显示仪表相连。如果热电偶的测量端与参比端存在温度差，则显示仪表将指出热电偶产生的热电动势。測溫原理热电偶的分度号有主要有：S型铂铑10--铂R型铂铑13--铂B型铂铑30--铂铑6N型镍铬硅--镍硅K型镍铬--镍硅E型镍铬--铜镍J型铁--铜镍（公司目前常用的热电偶，连接方式：铰接）T型铜--铜镍误差来源热电偶本身误差–参比端温度误差–线阻–与线盒接合处的电动势测量引入误差–热电偶固定时测量端与测量对象之间存在接触热阻或粘合剂–测量位置–热电偶的导热损失结束语合理的热设计提高产品可靠性提高产品开发效率产品更具有竞争力技术研究中心热流/结构组借此机会向各位新同仁介绍一下技术研究中心热流与结构组工作定位：–新技术前瞻性研究开发–产品开发中热流和结构设计难点的攻克–热流和结构设计的规范化研究–产品设计支援技术研究中心热流/结构组部门组成主管（台北）热流A热流B结构每个热流team由一位博士，三位硕士组成；其中team A所有人员已经到位，team B将于今年7月全部到位；The endThanks！

有限元软件ANSYS主要菜单中文解释

ANSYS9.0程序主要菜单中文解释(1) 实用菜单窗口【Utility

Menu】

实用菜单中的子菜单都是下拉菜单，包括有：

【File】文件管理菜单

【Select】选择菜单

【List】显示菜单

【Plot】绘图菜单

【PlotCtrls】绘图控制菜单

【WorkPlane】工作平面菜单

【Parameters】参数控制菜单

【Macro】宏管理菜单

【MenuCtrls】菜单控制菜单

【Help】帮助菜单

a. 文件管理菜单【File】

【Clear & Start New…】清除或重新启动

【Change Jobname…】改变作业名

【Change Directory…】改变目录

【Change Title…】改变题目

【Resum Jobname.db…】取回作业

【Resum from…】从目录中取回

【Save as Jobname.db】储存作业

【Save as…】另存作业

【Write DB Log file…】输出.db Log文件

【Read Input from…】读入文件

【Switch Output to ?】输出结果文件

【List ?】显示文件内容

【File Options ?】对文件进行重命名、删除和复制等操作【ANSYS File Options…】设定ANSYS文件的属性等 【Import ?】导入其他CAD系统的文件

【Export…】导出IGES格式的文件

【Report Generator…】报告生成器

【Exet…】退出

b. 选择菜单【Select】

【Entites…】选择实体

【Component Manager…】组元管理

【Comp/Assembly ?】选择组元和集合

【Everything】重新激活整个模型

【Everything Below ?】激活某类实体

c.显示菜单【List】

【File ?】显示文件内容

６-1概念 Training Manual

• 本章练习稳态热分析得模拟,包括：

Ａ、 几何模型

B、 组件－实体接触

C、 热载荷

D、 求解选项

E、 结果与后处理

F、 作业 6、1

• 本节描述得应用一般都能在AＮSＹS DesiｇnSｐace Ｅntra或更高版本中使用，除了 AＮSYS Structural

• 提示:在 ＡNSYS 热分析 得培训中包含了包括热瞬态分析得高级分析稳态热传导基础 Training Manual • 对于一个稳态热分析得模拟,温度矩阵{T}通过下面得矩阵方程解得:• 假设: KT

ﻮTQT

– 在稳态分析中不考虑瞬态影响

– [Ｋ] 可以就是一个常量或就是温度得函数

– {Q}可以就是一个常量或就是温度得函数

• 上述方程基于傅里叶定律:

• 固体内部得热流（Ｆouriｅr’s Lａw）就是 [K]得基础;

• 热通量、热流率、以及对流 在｛Q} 为边界条件；

• 对流被处理成边界条件,虽然对流换热系数可能与温度相关

• 在模拟时,记住这些假设对热分析就是很重要得。稳态热传导基础 Training Manual

• 热分析里所有实体类都被约束:

– 体、面、线

• 线实体得截面与轴向在 DeｓignModeleｒ中定义

• 热分析里不可以使用点质量（Pｏiｎt Maｓs)得特性

• 壳体与线体假设: – 壳体:没有厚度方向上得温度梯度

– 线体:没有厚度变化,假设在截面上就是一个常量温度

• 但在线实体得轴向仍有温度变化 A、 几何模型 Training Manual • 唯一需要得材料特性就是导热性（Thermal Ｃonducｔivitｙ）

• Ｔhermａl Conduｃtiｖity 在 Ｅngineeriｎg

Data 中输 入

• 温度相关得导热性以表格 形式输入

若存在任何得温度相关得材料特性,就将导致非线性求解。 … 材料特性 Training Manual

_*

Ansys Workbench界面命令说明

1、 ANSYS15 Workbench界面相关分析系统和组件说明

【Analysis Systems】分析系统 【Component Systems】组件系统

【CustomSystems】自定义系统 【Design Exploration】设计优化

分析类型 说明

Electric (ANSYS) ANSYS电场分析

Explicit Dynamics (ANSYS) ANSYS显式动力学分析

Fluid Flow (CFX) CFX流体分析

Fluid Flow (Fluent) FLUENT流体分析

Hamonic Response (ANSYS) ANSYS谐响应分析

Linear Buckling (ANSYS) ANSYS线性屈曲

Magnetostatic (ANSYS) ANSYS静磁场分析

Modal (ANSYS) ANSYS模态分析

Random Vibration (ANSYS) ANSYS随机振动分析

Response Spectrum (ANSYS) ANSYS响应谱分析

Shape Optimization (ANSYS) ANSYS形状优化分析

Static Structural (ANSYS) ANSYS结构静力分析

Steady-State Thermal (ANSYS) ANSYS稳态热分析 _*

Thermal-Electric (ANSYS) ANSYS热电耦合分析

Transient Structural(ANSYS) ANSYS结构瞬态分析

Transient Structural(MBD) MBD 多体结构动力分析

Transient Thermal(ANSYS) ANSYS瞬态热分析

组件类型 说明

AUTODYN AUTODYN非线性显式动力分析

BladeGen 涡轮机械叶片设计工具

CFX CFX高端流体分析工具