前言

整體概述：某標(biāo)準(zhǔn)底盤工作環(huán)境為0℃~+40℃；賦予發(fā)熱模塊一定的發(fā)熱功率，通過熱仿真手段分析箱體內(nèi)部的溫度分布。

工況介紹：電機熱耗按電機運行時間占比求得電機綜合平均功率106.0W，然后按20%損耗折算成熱耗；其他部件均按其額定功耗設(shè)定熱耗。

仿真分析：本次仿真按最高工作環(huán)境40℃完成熱仿真，仿真涉及結(jié)構(gòu)件的材質(zhì)、熱耗信息見仿真需求表。

仿真使用軟件：Icepak

圖1.1 仿真需求表

此次仿真將從前處理、網(wǎng)格劃分、模型設(shè)定、求解計算、后處理詳細(xì)介紹整個仿真過程

1 前處理

1.1 前處理原則

①CAD的幾何模型必須干凈：為保證網(wǎng)格精度及計算順利進(jìn)行，需刪除螺釘、螺母、銅柱、小特征及與散熱不相關(guān)的連接器、接插件等；

② CAD的幾何模型需盡量保證原形態(tài)：為保證仿真精度，簡化要避免對模型過度簡化丟失其原有的形狀。

圖1.2模型簡化

1.2 對象識別

識別對象：單擊Identity Objects，SCDM會直接檢查模型中能夠被Icepak識別的模型，單擊視圖區(qū)域左上角的綠色勾選√，將其轉(zhuǎn)化成Icepak熱模型；

仿真簡化：對于不能直接被識別的體，需點擊Icepak Simplify來簡化模型樹下的模型；對于Level 3的簡化建議選擇刻面質(zhì)量(Facet Quality)最優(yōu)，刻面質(zhì)量用于控制轉(zhuǎn)化后Icepak熱模型表面的精細(xì)程度。

圖1.3 對象識別

2 網(wǎng)格劃分

2.1 網(wǎng)格劃分原則

在有限元仿真中，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接決定了求解計算的精度及是否可以收斂， 網(wǎng)格劃分需滿足：①網(wǎng)格必須貼體，即劃分的網(wǎng)格必須將模型本身的幾何形狀描繪出來，保證模型不失真；②網(wǎng)格的各個質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)滿足Icepak的要求。

圖 2.1 網(wǎng)格劃分

2.2 網(wǎng)格劃分步驟

①生成粗網(wǎng)格：Mesher-HD網(wǎng)格劃分；

②評估：網(wǎng)格是否貼體，網(wǎng)格質(zhì)量是否滿足求解要求；

③細(xì)化網(wǎng)格：減小網(wǎng)格尺寸、開啟Multi-level、局部細(xì)化等功能；

④生成細(xì)化網(wǎng)格；

⑤檢查網(wǎng)格：評估網(wǎng)格是否滿足求解要求，如滿足則進(jìn)行下一步，若不滿足重新細(xì)化網(wǎng)格；

⑥求解計算。

圖 2.2 網(wǎng)格劃分步驟

2 .3 網(wǎng)格劃分技巧

①網(wǎng)格最大尺寸：網(wǎng)格最大尺寸一般設(shè)置為模型最小板厚的2~3倍，若有某些部件未完全劃分網(wǎng)格，可利用Local面板中的Object params、Multi-level中的多級網(wǎng)格、局部加密進(jìn)行網(wǎng)格加密；

②選擇Set uniform mesh params：對幾何使用均勻化的網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置，此選項可以提高模型的網(wǎng)格質(zhì)量，同時減少網(wǎng)格數(shù)量；

③選擇Enable 2D multi-level meshing：表示對多邊形幾何體或圓弧劃分多級網(wǎng)格，可明顯提升網(wǎng)格質(zhì)量，并減少網(wǎng)格數(shù)量，建議選擇；

圖2.3 網(wǎng)格劃分技巧

3 模型設(shè)定

3.1 材料設(shè)置、熱耗賦予

時間：建議模型設(shè)定置于網(wǎng)格劃分之后，若網(wǎng)格劃分過程中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)件干涉、部分小特征影響網(wǎng)格精度等現(xiàn)象，需返回前處理對模型二次修改；

材料新建：參照《紅外發(fā)射率&材料導(dǎo)熱系數(shù)》，Solid(固體)穩(wěn)態(tài)仿真中僅需設(shè)置Conductivity，瞬態(tài)仿真需設(shè)置Density&Specific heat；Surface(表面)輸入Roughness及Emissivity；Fluid(流體)輸入Vol.expansion(體積膨脹率)，Viscosity(動力粘度)，Diffusivity(擴散率)等；

材料、熱耗賦予：依據(jù)后綴針對相同材料的零部件可多選設(shè)置材料，設(shè)置中應(yīng)避免遺漏，保證每個零部件賦予正確的材料和熱耗。

圖3.1 材料設(shè)置

3.2模型求解設(shè)置

計算區(qū)域設(shè)置：在Icepak中進(jìn)行自然對流計算時，需設(shè)置相應(yīng)的計算區(qū)域。Cabinet表示計算區(qū)域，四周開口要滿足實際要求，底盤下方設(shè)置為Wall模擬地面，其余五個面均設(shè)置為Opening；

輻射換熱設(shè)置：底盤仿真建議選用Do模型，同時建議增加Theta divisions和Phi divisions的數(shù)值，修改為3，可提高輻射換熱的計算精度；

其他設(shè)置：求解模型選擇Zero equation零方程模型，仿真溫度定義為產(chǎn)品使用最高溫度，同時開啟重力加速度；Transient setup的Solution initialization選項中，輸入重力方向反方向的速度0.15m/s。

圖3.2 模型求解設(shè)置

4 求解計算

4.1 求解設(shè)置

求解基本設(shè)置面板：雙擊Basic settings，打開求解的基本設(shè)置面板，Number of iteraions表示穩(wěn)態(tài)求解計算的迭代步數(shù)；Convergence criteria表示求解計算的耦合殘差標(biāo)準(zhǔn)；Flow表示流動的殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)，Energy表示能量方程的殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)；建議Flow、Energy殘差適當(dāng)減小；

并行設(shè)置面板：雙擊Parallel settings，打開并行設(shè)置面板。其中Serial表示單核計算，Parallel表示多核并行計算；仿真中建議開啟多核計算計算縮短熱仿真時間；

高級設(shè)置面板：雙擊Advanced settings，對于強迫對流Pressure輸入0.3，Momentum輸入0.7，對于自然對流Pressure輸入0.7，Momentum輸入0.3，同時壓力的離散格式選擇Body Force Weighted；·

求解面板設(shè)置：建議選擇Coupled pressure-velocity formulation，選擇此項后，將使用壓力基的耦合算法求解計算，較傳統(tǒng)方法魯棒性更好，計算速度更快。

圖4.1 模型求解設(shè)置

4.2變量監(jiān)控點設(shè)置

變量監(jiān)控點用于監(jiān)測求解計算時某點的變量(壓力、速度、溫度)變化情況，是判斷計算是否收斂的標(biāo)準(zhǔn)。在仿真中一般用直接拖拽模型的方式建立監(jiān)測點，亦可使用直接輸入坐標(biāo)，或者直接建立等方式進(jìn)行。

圖4.2 變量監(jiān)控點設(shè)置

5 后處理

5.1 收斂標(biāo)準(zhǔn)

對于Icepak熱模型的求解計算，建議以監(jiān)控點的變量值作為判定，如果殘差曲線顯示求解已收斂，但是監(jiān)控點的變量值仍有變化，那表示計算求解尚未完全收斂，建議修改Flow和Energy值繼續(xù)進(jìn)行計算。

圖5.1 收斂標(biāo)準(zhǔn)

5.2后處理

Icepak自帶了豐富的后處理命令，常用的后處理命令有：

①Object face：主要是顯示選中模型對象的網(wǎng)格，以及不同變量的云圖，如溫度、壓力、速度等，也可以顯示流動類型對象的速度矢量；另外可以顯示流動類型對象的跡線圖，可轉(zhuǎn)化成動畫格式觀察其變化。

②Plane cut：表示對模型中的某一切面進(jìn)行不同變量的后處理顯示；

③Point：點處理，顯示某一點的計算結(jié)果，一般在計算過程中作為監(jiān)控點；

④Surface probe：探針處理，使用探針對后處理的各種云圖進(jìn)行后處理標(biāo)記，可顯示后處理云圖中某個點的具體變量數(shù)值；

根據(jù)后處理的云圖數(shù)據(jù)完成整體的分析。

圖5.2 后處理

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作者簡介：

王志強，熱設(shè)計工程師一枚，“T型”人才，熱設(shè)計與機械設(shè)計能力兼?zhèn)洌瞄L板級和系統(tǒng)級散熱設(shè)計。

文章來源：熱設(shè)計