Porast uporabe elektronskih komponent in tiskanih vezij v skoraj vsaki napravi sili inženirje, da postanejo pravi mojstri obvladovanja toplotnih tokov.
Zaradi zahtev po kompaktnosti in vedno več funkcionalnosti elektronske komponente stiskamo v vedno manjše in slabše prezračene prostore. To pa pogosto vodi do težav s pregrevanjem ter posledično tudi do prezgodnjih odpovedi komponent.
Kako se takšnim izzivom izogniti že v fazi razvoja, si lahko ogledate v naslednjem blogu. V njem bomo raziskali primer konektorja in pokazali, kako pripraviti učinkovito termalno analizo.
Toplotna analiza ustaljenega stanja
Priprava CAD modela
CAD model lahko bodisi uvozimo iz zunanjega vira bodisi ga sami zmodeliramo. Ne glede na izvor pa bo za termalno analizo skoraj vedno potrebna dodatna priprava. Ključno je, da pravilno razdelimo površine glede na to, ali so v stiku z drugo komponento ali pa so izpostavljene okolici.
Za ta namen je zelo uporaben ukaz Split Line, ki omogoča projiciranje robov na izbrane ploskve. Tako lahko jasno določimo kontaktne cone, kar je nujno za natančno definiranje toplotnih poti. Na spodnji sliki so prikazani primeri dodanih robov, ki omogočajo pravilno nastavitev kontaktov.
Ker ti robovi v realnem izdelku ne obstajajo, se priporoča uporaba različnih konfiguracij:
- ena konfiguracija za pripravo risb in prezentacij,
- druga konfiguracija posebej za termalno analizo.
Na ta način ohranimo čisto osnovno geometrijo za dokumentacijo, hkrati pa zagotovimo natančne pogoje za simulacije.
Definicija stikov med komponentami
Kot pri strukturinih simulacijah, je potrebno tudi v toplotnih definirati kako so komponente povezane. Kot pri strukturnih simulacijah je tudi pri toplotnih analizah nujno definirati kako so posamezne komponente med seboj povezane. SOLIDWORKS nam v ta namen ponuja tri glavne možnosti:
- Thermal Resistance (toplotna upornost)
Uporablja se za simulacijo stika med različnimi komponentami. Glede na vrsto stika (mehanska povezava, lotan spoj, varjen spoj …) lahko nastavimo, kolikšen upor se pojavi pri prenosu toplote skozi stik. Na voljo sta dve obliki nastavitve:- Total – skupna upornost čez celotno kontaktno površino
- Distributed – specifična toplotna upornost glede na enoto površine
- Bonded (vezan stik)
Definicija popolnega stika brez toplotnega upora. To pomeni, da se toplota prenaša popolnoma nemoteno med komponentama. - Insulated (izoliran stik)
Definicija popolne izolacije, kjer prenosa toplote med površinama ni.
V našem primeru smo morali definirati tri povezave:
- med pinom in konektorjem (dvakrat, ker imamo dva pina),
- med plastičnim konektorjem in bakrenim hladilnikom (heatsink).
V obeh primerih smo uporabili Thermal Resistance, saj v realnosti stik nikoli ni popoln, temveč je prisotna določena toplotna upornost.
Toplotne obremenitve
V SOLIDWORKS imamo na voljo več različnih toplotnih obremenitev/toplotnih robnih pogojev, s katerimi opišemo, kako sistem sprejema ali oddaja toploto:
- Temperature (Temperatura)
Temperaturo lahko dodelimo komponenti, ploskvi, robu ali oglišču. Na ta način definiramo fiksno temperaturno stanje na določenem delu modela. - Convection (Konvekcija)
Uporablja se za odvzem toplote preko zraka ali tekočine. Ploskvam določimo konvekcijski koeficient ter temperaturo okolice. Namenjen je izključno odvajanju toplote. - Heat Power (Toplotna moč)
Komponenti, ploskvi, robu ali oglišču določimo moč, ki se pretvarja v toploto. Možno je definirati tudi temperaturno odvisno krivuljo moči, kar omogoča realnejše modeliranje. - Heat Flux (Toplotni tok)
Določa tok toplote (moč na enoto površine), ki teče skozi določeno ploskev. Uporablja se za opis natančnih toplotnih dotokov ali odtokov. - Radiation (Sevanje)
- Surface to Ambient: določa, kako močno površina seva toploto v okolico. Nastavimo lahko temperaturo okolice, emisivnost površine in obsevalni faktor.
- Surface to Surface: določa, kako toploto oddaja ena površina na drugo. Na voljo je tudi možnost Open system, ki omogoča dodatno sevanje v okolico.
V našem primeru smo definirali:
- Convection na vseh zunanjih površinah konektorja, saj je ta obdan z zrakom in toploto oddaja v okolico.
- Heat Power za konektor v velikosti 0,2 W, kar predstavlja električni upor, ki se pretvori v toploto,
Mreženje
Postopek mreženja v termalnih analizah v SOLIDWORKS je praktično enak kot pri ostalih tipih simulacij. Na voljo imamo vse enake nastavitve, ki omogočajo natančno prilagoditev mreže glede na zahtevnost modela:
- Velikost elementov – določimo globalno velikost mreže, ki uravnava razmerje med hitrostjo izračuna in natančnostjo rezultatov.
- Lokalne kontrole – omogočajo gostejšo mrežo na kritičnih mestih, npr. na stikih med komponentami, tankih stenah ali tam, kjer pričakujemo velike toplotne gradiente.
- Kontrole kvalitete – preverjajo, ali so elementi mreže ustrezne oblike in razmerij za stabilen numerični izračun.
Pravilno pripravljena mreža je ključna za kakovost simulacije. Preveč groba mreža lahko privede do nenatančnih rezultatov, medtem ko pretirano gosta mreža po nepotrebnem podaljša čas računanja.
Rezultati
Ko je analiza pravilno nastavljena, jo lahko zaženemo in po končanem izračunu pregledamo rezultate. Na voljo imamo prikaz več različnih veličin, med katerimi so najpomembnejše:
- Temperature (temperatura)
Prikaže temperaturno porazdelitev po modelu. Tako hitro vidimo kritične točke, kjer prihaja do lokalnega pregrevanja. - Temperature Gradient (temperaturni gradient)
Pokaže, kje so največje spremembe temperature na enoto dolžine. To je pomembno pri ocenjevanju mehanskih napetosti zaradi toplotnega raztezanja. - Heat Flux (toplotni tok)
Vizualizira, kako toplota teče skozi model. S tem dobimo vpogled v smeri prenosa toplote, kam se energija steka in kje se nahajajo največji toplotni ponori.
Na ta način lahko hitro ugotovimo, ali je zasnova komponent ustrezna, ali pa so potrebne spremembe – na primer boljša termalna povezava, dodaten hladilnik ali optimizacija oblike za boljše hlajenje.
Prehodna toplotna analiza
Prehodna toplotna analiza obravnava situacije, preden sistem doseže ustaljeno temperaturno stanje, in spremlja časovno spreminjanje temperatur. Glavne razlike v primerjavi s časovno ustaljeno analizo so:
- Začetne temperature – ker spremljamo temperaturno spremembo skozi čas, je potrebno podati začetno temperaturo vsake komponente.
- Časovni koraki – uporabnik določi časovne intervale, po katerih se spremlja sprememba temperature.
- Toplotne obremenitve – poleg običajnih, temperaturno odvisnih obremenitev dobijo še časovno odvisnost (Time-Scalar).
Rezultati se prikažejo za posamezne časovne inkremente, ki jih določimo. Na voljo so enake možnosti vizualizacije kot pri časovno ustaljeni analizi – temperatura, temperaturni gradient in toplotni tok.
Na spodnjih slikah je prikazan primer razporeditve temperature po 10 s in 100 s, kar omogoča primerjavo razvoja temperature skozi čas.
V modernem svetu elektronike, krmilnih vezij, elektromotorjev in drugih električnih komponent je nadzor nad toplotnimi tokovi in temperaturo ključnega pomena za hiter, učinkovit in zanesljiv razvoj novih izdelkov.
Za dodatne informacije v povezavi z toplotnimi analizami kontaktirajte IB-CADDY preko telefona 01 566 12 55 ali elektronske pošte info@ib-caddy.com.