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作者简介科技自媒体优质创作者个人主页莱歌数字-CSDN博客公众号莱歌数字B站同名个人微信yanshanYH
985硕士从业16年从事结构设计、热设计、售前、产品设计、项目管理等工作涉足消费电子、新能源、医疗设备、制药信息化、核工业等领域。
熟练运用Flotherm、FloEFD、XT、Icepak、Fluent等ANSYS、西门子系列CAE软件解决问题与验证方案设计十多年技术培训经验。
专题课程Flotherm电阻膜自冷散热设计90分钟实操Flotherm通信电源风冷仿真教程实操基于FloTHERM电池热仿真瞬态分析基于Flotherm的逆变器风冷热设计零基础到精通实操站在高处重新理解散热。
更多资讯请关注B站/公众号【莱歌数字】有视频教程~~本期给大家带来的是关于超声电源热管理从数值仿真、优化设计到实验验证的全流程研究内容希望对大家有帮助。
背景随着电子行业技术的飞速发展设备的组成元器件正朝着小尺寸、大功率的方向发展。
由此造成元器件的热流密度逐步上升当热流密度超过一定上限时会使元器件工作时的温度太高而引发热失效问题。
外科医疗设备对稳定性要求更苛刻因此对医疗设备进行热设计研究对其稳定性提升有重要意义。
研究路径通过对本课题的研究我们充分利用热分析软件结合合理的热设计优化方案可以在产品设计阶段对设备的散热进行模拟分析减少由于散热不良导致的失效为产品的可靠性设计提供重要的依据从而缩短产品的研发周期对实际工程应用具有一定的指导意义。
理论计算、仿真分析与实验测试相结合研究内容本文以外科医疗设备为研究对象运用Solidworks和FloTHERM建立相关的几何模型并对稳态温度场进行求解通过遗传算法对影响其热特性的因素进行优化设计获得最优设计方案最后通过仿真与实验对比验证有效性。
讨论数值传热学、流体力学和基于有限容积法计算温度场在热设计领域的工程应用。
阐述建立、离散、线性化有限容积法求解温度场的积分控制方程过程阐述该设备结构特点和边界条件并进行热源分析、初始模型简化、仿真计算。
运用遗传算法对散热器、通风量和开孔位置、内部风道进行多参数变量的结构优化应用基于DoE实验设计的SO顺序优化进行仿真分析。
对样机进行温升测试将仿真结果和实验数据进行对比分析。
数值传热学数值传热学Numerical Heat Transfer, NHT又称计算传热学(Computational Heat Transfer, CHT),是指对描写流动与传热问题的控制方程才用数值方法通过计算机予以求解的一门传热学与数值方法相结合的交叉学科。
基本思想把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场如速度场温度场浓度场等用一系列有限个离散点称为节点node上的值的集合来代替通过一定的原则建立起这些离散点上变量之间关系的代数方程称为离散方程discretization equation求解所建立起来的代数方程以获得所求解变量的近似值。
上述基本思想可以用左图来表示。
结构特点结构组成主机外壳风扇内部功率器件PCB主板及LED屏。
主要尺寸主机外壳尺寸353*282*150mm主板大板尺寸
3
5*180*
6mmLED小板尺寸123*
7
5*
6mm结构装配机箱的上下壳体由1mm厚的冷轧钢板经过冲压、折弯、冲孔等加工工艺制作而成通过铆接工艺将螺栓柱装配到底壳以便安装电路板、电感同时用螺丝装配的方式固定上下盖。
内部结构分布图边界条件环境参数设备工作环境25℃设计目标元器件最大工作上限温升60℃热源分布设备内部主要元器件包括芯片D
D
D
T1以及其他元器件分布如下图所示。
模型简化仿真计算优化设计主要内容遗传算法对散热器设计优化、通风量和开孔位置、内部风道进行多参数变量的结构优化。
应用基于DoE实验设计的SO循序优化进行仿真分析。
遗传算法基本思想散热器的优化问题属于有约束多变量优化问题本文取的目标函数是散热器与环境之间的热阻设计变量是肋高、肋长、肋厚、肋片数目、基板厚度等。
在本次优化设计中采用了遗传算法和数值仿真相结合的方法进行优化设计。
通过对散热肋片的设计使得设备整体散热性能得到提高。
散热器优化数值仿真散热器结构尺寸示意多参数变量H齿高单位毫米B基板厚度单位毫米变量2,8D齿厚单位毫米变量
5,2L宽度单位毫米N散热齿数变量3,8散热器优化数据部分优化数据整机优化流程基于DoE实验设计的SO顺序优化方法多参数变量B基板厚度单位毫米变量2,8D齿厚单位毫米变量
5,2N散热齿数变量2,20进风口1开孔长度单位毫米变量112,150进风口1开孔宽度单位毫米变量43,60进风口1开孔位置相对Z方向368,468进风口2开孔长度单位毫米变量170,270优化条件据多参数变量仿真侦测点温度的最低值优化设计数据前十组最优方案最优方案通过二十组多参数变量的DoE实验分析基于FloTHERM软件的Command Center功能模块进行SO顺序优化设计得出20组优化后的结果并找出其中最优的方案此时D1温度为
8
73℃D2温度为
7
34 ℃ D3温度为
7
19 ℃。
优化结构此时侧面进风口尺寸为
1
07mm*
5
06mm底面进风口尺寸
1
00mm*
2
74mm侧面孔相对Z方向位置为
3
36mm散热器基板厚度
5mm齿厚
96mm齿数8个局部最优方案实验测试测试条件恒温恒湿箱25℃测试方法热电偶线头涂抹导热硅脂然后连接在样机侦测点降低接触热阻温度测试仪上显示各通道的温度值。
创新点
工程实用的模型简化技术Solidworks三维模型简化对于不影响散热器的结构倒圆角等进行删减减少模型处理时间。
FloTHERM软件的FloMCAD接口对接三维模型STEP、IGES等中间格式可进行小孔、圆角等模型简化操作提高设计效率。
精确划分模型网格非结构化网格节点分布可以是无序的能较好的处理复杂几何结构问题。
采用一定准则进行优化判定生成高质量的网格且可自定义控制网格的大小和节点的密度构造自适应网格。
数值仿真与优化计算结合通过FloTHERM软件的热仿真功能进行初步模拟得出初始条件的温度场与速度场。
结合遗传算法技术、基于FloTHERM的DoE实验设计的SO顺序优化方法进行优化计算避免了大规模计算提升设计效率。
热仿真与实际测试结合通过热仿真与实际测试结果对比证明仿真的有效性。
热仿真分析指导实际工程设计与研发生产为降低综合成本、提高整体性能提供依据。