3.7 Моделирование тепловых процессов в подсистеме АСОНИКА-Т

Исходные данные для расчета

В качестве исходных данных для расчета используются следующие данные:

1. Размеры корпуса 140х90х20 мм

2. Размеры печатного узла 140х90мм

3. Материал корпуса - фторопласт-3 (теплопроводность - 0.25 Вт/м*К, степень черноты поверхности - 0, коэффициент облученности - 0.8, Максимальная рабочая температура при эксплуатации 125 °С)

4. Толщина стенок корпуса 3мм

5. Мощность тепловыделения печатного узла 0.4Вт

6. Максимальная рабочая температура при эксплуатации печатного узла 80 °С

7. Температура окружающей среды - 25 °С

Цель работы

В ходе работы произведены и рассмотрены расчеты температуры узлов корпуса и воздуха внутри конструкции, результаты которых приведены ниже.

Задача моделирования

Определение средних температур составляющих (стенок) корпуса, а также воздушного объёма внутри корпуса РЭС, на основе которых принимается решение о внесении изменений в конструкцию РЭС с целью достижения приемлемых тепловых режимов;

Построение тепловой модели процесса

Построим модель теплового процесса герметичного блока РЭС.

Размеры блока: длина - 140 мм, ширина - 90 мм, высота - 20 мм. Толщина стенок блока - 3 мм. Коэффициент теплопроводности материала корпуса блока - 0.25 Вт/м*К, коэффициент черноты - 0. Коэффициент облученности - 0,8.

В герметичном корпусе из фторопласта закреплена печатная плата, с верхней стороны которой расположены радиоэлементы. Радиоэлементами равномерно по площади печатной платы рассеивается тепловая мощность 0.4 Вт. Расстояние от нижней грани кожуха корпуса до печатной платы составляет 5 мм. Размеры печатной платы таковы, что воздушные объемы внутри корпуса слева и справа от печатного узла не сообщаются. Коэффициент черноты для печатного узла - 0,76. Толщина печатного узла - 2 мм. Корпус находится в окружающей среде с температурой 25⁰С.

Эскиз блока РЭС изображен на рис. 11.

Так как расстояние от нижней грани кожуха корпуса до печатной платы составляет 5 мм, то при таких зазорах в замкнутых вертикальных прослойках конвекция воздуха не развивается. Следовательно, этот воздушный объем можно отнести к тонкой воздушной прослойке.

Рис.11. Эскиз блока РЭС

Идеализируем процессы теплопередачи в блоке:

- примем изотермичными каждую грань корпуса;

- примем изотермичным объем воздуха внутри корпуса сверху от печатного узла;

- так как печатный узел имеет равномерное по площади рассеяние тепловой энергии и для него не требуется определять подробное температурное поле, то для упрощения построения МТП представим печатный узел в виде нагретой зоны;

- не учитываем теплопередачу от печатного узла к корпусу блока через элементы крепления печатного узла.

С учетом такой идеализации процессов теплопередачи блок РЭС условно разбиваем на 8 изотермичных объемов, которым ставятся в соответствие 8 узлов МТП (см. табл.1).

Моделирование

В подсистеме АСОНИКА-Т существует 4 варианта типовых конструкций РЭС: пластина, корпус, модульная конструкция, кассетная конструкция. Использование этих конструкций существенно упрощает процесс моделирования и расчета, т.к. для данных конструкций уже заданы все процессы теплопередачи между узлами исследуемого объекта.

Таблица 1 Узлы МТП герметичного блока РЭС

В нашей работе мы используем типовую конструкцию корпус, т.к. она соответствует построенной нами МТП. Задаем параметры нашего корпуса. Корпус находится в окр. среде, режим работы => расчета стационарный.

Рис.12. Окно ввода параметров типовой конструкции «Корпус»

После ввода соответствующих параметров в рабочем окне подсистемы АСОНИКА-Т появится изображение физической модели корпуса (см. рис. 13,а). Можно также отобразить и топологическую модель ( рис.13,б)

Рис.13. Изображение модели корпуса:

Рис. 14 Топологическое отображение модели корпуса с подписанными узлами

Далее нам необходимо создать и добавить к общей модели узел, который будет отвечать за печатный узел, задать параметры его мощности тепловыделения, а также задать параметры окружающей среды.

Создаем новый узел, и задаем для него параметры взаимодействия. Печатный узел взаимодействует с нижней стенкой корпуса блока через тонкую воздушную прослойку (ветвь 9-4 типа 41), конвекцией с воздухом внутри блока (ветвь 9-8 типа 26), излучением взаимодействует со всеми гранями корпуса (ветви: 9-1, 9-2, 9-3, 9-4, 9-5, 9-6 типа 16). Далее создаем начальные узлы (пронумерованы 0). Один узел 0 соединяем с узлом 7 (окружающая среда) и задаем тип воздействия - постоянная температура 25°С. Второй узел 0 мы соединяем с узлом 9 (печатный узел), т.к. тепловыделение идет от печатной платы, и задаем тип воздействия - постоянная мощность 0.4Вт. Получаем готовую к расчету модель. Выполняем расчет.

Результаты моделирования

В результате моделирования мы получаем температуры в узлах нашей тепловой модели, которые соответствуют температурам стенок моделируемого корпуса, печатного узла, а также воздуха внутри корпуса. (рис. 16). Результаты расчета приведены в таблице 2.

Таблица 2. Результаты расчета

Рис. 16 Результаты расчета

Заключение по моделированию

В ходе моделирования на подсистеме АСОНИКА-Т был произведен ряд температурных расчетов блока, результаты которых показаны выше. Исходя из полученных данных можно сказать, что исследуемое РЭУ может быть использовано без доработок, так как полученная температура в каждом из узлов не превышает заданной условиями эксплуатации. Температура максимальна в узлах находящихся в непосредственной близости от печатного узла (нижняя стенка), но и там она не превышает допустимой. Температура печатного узла также находится в пределах эксплуатационной.