CFX/ANSYS在電路板上的流固耦合熱分析

2013-07-13 by:廣州Ansys培訓部門來源:仿真在線

1 前言

高溫對大多數電子元器件將產生嚴重的影響,它會導致電子元器件的失效,熱應力容易使元器件過早失效。電路板上熱應力的存在是電子設備工作過程中的普遍現象。無論采取什么方式的散熱手段,只要電路板存在著功率器件,在熱力耦合的作用下電路板都有一定的熱應力。嚴重的應力會導致電路板破裂、脫落或者使電路基板發生形變,直接影響電路板的電學性能。某電路板的工作溫度為 27℃,電路板的發熱器件多,體積小,功率密度較大,必須對其進行熱設計和熱應力分析計算。

基于 CFX/ANSYS 兩款軟件的流固耦合熱分析技術可以處理復雜的含有流體和固體的研究對象。CFX/ANSYS 流固耦合技術將系統的流體和固體部分分開,分別用CFX 軟件計算流體區域,用ANSYS 計算固體區域。流體和固體之間的相互作用,分別作為流體軟件和固體軟件的邊界條件進行施加,達到模擬被研究對象的流場-溫度場-應力場的目的。

本文以電路板、電路板上的電子元器件和周圍的空氣流體為研究對象,利用 CFX 和ANSYS 兩款軟件的流固耦合聯合求解熱分析技術,對電路板通電發熱過程中的散熱、溫升、熱應力進行了計算與分析,獲得了電路板上熱應力、熱變形大小和分析情況,保障了電路板能夠在規定的工作溫度下正常工作。

2 模型描述與理論分析

電路板、電路板上的電子元器件和周圍的空氣流體為本文的研究對象。電路板上的電子元器件通電發熱,熱量通過空氣對流,傳導等方式進行傳遞,引起電路板、電子元器件的溫度變化,進而產生了熱應力。

空氣部分用 CFX 軟件進行計算,固體部分用ANSYS 進行計算。它們之間的交接面有熱量和溫度的載荷傳遞。

3 模型建立

某電路板結構主要由電路板基板、電源模塊、運放、功率管、三極管等組成。電源模塊、運放、功率管、三極管均布置在基板上。

3.1 模型基本條件

電路板上元器件發熱,基板上的四個圓洞為安裝螺釘固定面。初始溫度為室溫27℃的電路板,放置在27℃的大空間中,通電后的熱應力情況。

計算域:電路板兩倍高度的立體空間

計算時間:3600 秒

流動條件:自然對流

耦合情況:電路板通電后元器件發熱,由此產生自然對流換熱。元器件以及電路板基板溫度隨時間變化,其內部將會產生熱應力。