Исследование тепловых и механических процессов, их влияние на надежность проектируемого блока, выбор оптимального способа охлаждения

дипломная работа

2.4 Подготовка исходных данных для теплового моделирования и выбор программы автоматизированного проектирования

При проектировании корпуса блока был произведен анализ теплофизических и механических свойств металлов и сплавов, а так же ценовой аспект при производстве модели, трудозатраты и возможность снижения отходов производства. Оптимальными показателями обладают алюминиевые сплавы, которые занимают второе место по теплоотводу и достаточно дешевые в закупке, а так же хорошо обрабатываются на станках с ЧПУ и автоматах.

Для обеспечения дополнительного теплоотвода крышка блока спроектирована в виде ребристого радиатора, что препятствует деформации корпуса при динамических и ударных нагрузках. Для защиты от вибраций, платы фиксируются на основание при помощи пяти винтов. К каждой плате подведено независимое питание для сохранения работоспособности каждого модуля в отдельности.

Высокие требования в ТЗ к блоку, сложные условия эксплуатации требуют тщательной проработки конструкции блока с последующим моделированием тепловых режимов для выбора оптимальных параметров компоновки ЭРИ на платах и конструкции корпуса блока.

Для подтверждения возможности работы при отсутствии принудительного охлаждения, произведён ориентировочный расчёт теплового режима ВОК к концу 10-й минуты работы. При этом предполагалось, что температура окружающей среды в начальный момент времени равна плюс 25 °С. Далее температура окружающей среды начинает возрастать по линейному закону и через 10 минут становится равной плюс 80°С.

Расчет произведён с использованием САПР SolidWorks Simulation.

SolidWorks позволяет рассчитать в одной программе тепловые и прочностные характеристики будущего изделия с помощью метода конечных элементов или же подготовить управляющую программу для оборудования с ЧПУ, так же промоделировать тепловые потоки в различных средах. Автоматизированная система обеспечивает сквозной процесс проектирования, инженерного анализа и подготовки производства изделий любой сложности и назначения, включая создание интерактивной документации и обеспечение обмена данными с другими системами. Все это позволяет использовать данную программу для дальнейших проектирований и расчетов.[6,7]

Для проведения теплового моделирования методом конечных элементов на уровне отдельных электро-радио изделий (ЭРИ) в программе Simulation, входящей в состав пакета Solid Works, необходимо знать следующие параметры печатной платы: теплопроводность слоев л х, л у, лz, конвекция и следующие параметры ЭРИ: тепловое сопротивление и мощность тепловыделения. Параметры ЭРИ берутся из справочных данных на конкретный компонент, а параметры печатной платы можно рассчитать аналитическим способом, используя описанную ниже методику. Для проведения данных расчетов требуются следующие исходные данные температура окружающей среды, количество слоев и величина заполнения слоя материалом.

Наиболее часто при производстве многослойной печатной платы (МПП) в качестве диэлектрика используют материалы на основе стеклотекстолита (например, FR4 с коэффициентом теплопроводности л=0,3 Вт/м•К), а в качестве проводника -- медь, с коэффициентом теплопроводности лCu=385 Вт/м•К. Причём, толщина слоя проводника, как правило, в десятки раз меньше толщины слоя диэлектрика.

Все вышеописанные факторы необходимо учитывать при разработке тепловой модели МПП.

В модели эффективной теплопроводности МПП рассматривается с точки зрения усредненных теплофизических характеристик, с учетом следующих допущений:

1. Влияние сквозных и переходных отверстий не учитывается.

2. Коэффициенты теплопроводности в плоскости МПП по осям Ох (л х) и Оу (л у) принимаются равными (лх = лу) и зависят от толщин слоёв проводника и диэлектрика, их материалов и процента заполнения медью слоёв проводника.

3. Удельная теплоёмкость и плотность модели -- усредненные по всему объему МПП.

Коэффициент теплопроводности лху = лх = лу рассчитывается из условия, что тепловой поток, распространяющийся в плоскости Оху, равен сумме тепловых потоков, распространяющихся через каждый слой МПП, причем, при расчёте тепловых потоков через слои проводников их толщина принимается эффективной, зависящей от степени заполнения слоя медью. Вышесказанное описывается следующей зависимостью:

где ?Т - разница температур между точками МПП в направлении одной из оси Ох или Оу, удаленных на расстояние h друг от друга;

Qz - суммарный тепловой поток, проходящих между точками, удаленных на расстояние h друг от друга;

Sz- площадь сечения МПП в направлении одной из оси Ох или Оу;

лi - коэффициент теплопроводности i-ого слоя МПП;

N - суммарное количество слоёв в МПП;

Si - площадь сечения i-то слоя МПП в направлении одной из оси Ох или Оу;

а - габаритный размер МПП в направлении одной из оси Ох или Оу

дэфф - высота i-го слоя МПП.

Для частично-заполненных слоёв проводника принимается эффективная толщина дэфф которая вычисляется как:

где дi - фактическая толщина i-го слоя МПП;

еi - процент заполнения i-го слоя МПП. Решением уравнения является:

Коэффициент теплопроводности рассчитывается из условия, что тепловой поток, распространяющийся вдоль оси Oz через МПП, одинаков через каждый слой МПП, причем, при расчёте теплового потока через слои проводников их толщина также принимается эффективной. Вышесказанное описывается следующими зависимостями:

где ?Т - разница температур между поверхностями МПП в направлении оси Oz;

?Ti - разница температур между поверхностями i -го слоя в направлении оси Oz.

Коэффициент теплопроводности лz определяется из уравнения:

Или

Полученные по данной методике результаты расчетов позволяют приступать непосредственно к моделированию методом конечных элементов и анализу модели в выбранной программной среде. [8,9,10]

Делись добром ;)