Solidworks simulation. Термический анализ

Высокая температура может повредить электронные компоненты. В настоящем упражнении анализируется теплопередача в показанной сборке кристалла:

сборке кристалла

В настоящем упражнении вы изучите следующее:

· Создание термического исследования установившегося состояния

· Задание свойств материала

· Определение зависящих от температуры свойств материала

· Определение термических нагрузок и граничных условий

· Просмотр и зондирование результатов температуры

· Создание эпюры изолиний температуры

· Создание исследования переходного термического процесса

· Использование «перетащить и оставить», чтобы определить свойства материала и термические нагрузки

· Определение зависящий от времени термической нагрузки посредством импортирования предопределенной кривой времени

· Вычерчивание графиков термических результатов относительно времени

4.1. Описание модели

Сборка изготовлена из прямоугольной подложки (керамический фарфор) с размерами 40X40X1 мм, и 16-ти прямоугольных кристаллов с размерами 6X6X0,5 мм.

Каждый кристалл выделяет максимальную тепловую мощность 0,2 Вт. Тепловая мощность увеличивается от нуля во время t = 0 и достигнет максимального значения (0,2 Вт) через 60 секунд. Коэффициент теплопроводности кристалла изменяется с температурой.

Тепло из подложки рассеивается посредством конвекции. Коэффициент конвективной теплопередачи (коэффициент пленки) равен 25 Вт/м2 К, а объемная (окружающей среды) температура равна 300 К.

Вследствие наличия двух плоскостей симметрии, подвергните анализу одну четверть модели. Вся модель показана ниже.

clip_image002

 

4.2. Создание термического исследования установившегося состояния

1. Открыть файл сборки Computer_chip (файл находится в папке C:\Program Files\SolidWorks Corp\SolidWorks\Simulation\Examples\Thermal\).

2. Выберите Новое исследование clip_image003(Диспетчер команд Simulation).

3. В окне PropertyManager (Менеджер свойств), в поле Имя, введите Установившееся состояние.

4. В окне Тип нажмите Термический clip_image004.

5. Нажмите кнопку clip_image005.

Для проверки типа термического исследования:

1. В дереве исследования Simulation нажмите правой кнопкой мыши значок исследования и выберите Свойства.

2. В диалоговом окне на вкладке Параметры, в списке Тип решения проверьте, что выбрано исследование Установившееся состояние.

3. Нажмите на кнопку OK.

4.3. Назначение материала подложки

Подложка изготовлена из керамического фарфора. Назначьте этот материал подложке из библиотеки материалов SolidWorks.

Чтобы назначить керамический фарфор подложке:

1. В дереве исследования Simulation нажмите правой кнопкой мыши на Substrate-1 (Подложка-1) в разделе Детали и выберите Применить/редактировать материал clip_image006.

2. В диалоговом окне разверните папки Материалы SolidWorks, Другие неметаллы и выберите Керамика фарфор.

3. Нажмите Применить.

4. Нажмите кнопку Закрыть.

4.4. Назначение материала кристалла

Введите свойства материала кристалла вручную. Далее следует перечень свойств материала кристалла:

Свойство Значение (Единицы измерения СИ)
Модуль упругости (EX) 4,1e11 Н/м2
Коэффициент Пуассона (NUXY) 0.3
Массовая плотность (DENS) 1250 кг/м3
Коэффициент теплопроводности (KX) Зависит от температуры (см. следующую таблицу)
Коэффициент теплового расширения (ALPX) 1e-6 К-1
Удельная теплоемкость (C) 670 Дж/(Кг·К)

Коэффициент теплопроводности (KX) кристаллов зависит от температуры. Зависимость от температуры теплопроводности материала кристалла задана следующими парами данных:

Температура (К) К (Вт/м.К)
100 390
150 260
200 195
250 156
300 130
350 110
400 98
450 87

Чтобы назначить свойства материала кристаллов:

1. В дереве Simulation выберите четыре кристалла.

2. Нажмите Применить материалclip_image007 (Simulation CommandManager).

3. В диалоговом окне нажмите правой кнопкой мыши на Материалы пользователя и выберите Новая категория.

4. Нажмите правой кнопкой мыши на папку Новая категория и выберите Новый материал. Затем выберите только что определенный материал.

5. В окне Свойства материала:

a. Выберите Линейный упругий изотропный в Тип модели .

b. Выберите СИ в меню Единицы измерения.

c. Введите Материал кристалла в поле Имя.

6. В таблице свойств материала нажмите внутри окна Значение для каждого из свойств материала, показанных в первой таблице выше (за исключением KX) и введите его значение.

clip_image008Модуль упругости (EX) и Коэффициент Пуассона (NUXY) не требуются для термического анализа. Они будут использоваться в последующем связанном статическом исследовании.

7. Чтобы назначить зависимый от температуры коэффициент теплопроводности (KX), выполните следующие действия:

a. В поле Значение свойства Теплопроводность выберите Температурно-зависимое в меню.

b. На вкладке Таблицы и кривые вы берите Теплопроводность в x от Темп. в поле Тип.

c. В окне Данные таблицы установите Единицы измерения на K (Кельвин) и Вт/(м.К), соответственно. Введите пары данных температура-теплопроводность, как они появляются во второй таблице выше. Чтобы вставить новый ряд данных, дважды щелкните под столбцом Точки.

clip_image008[1]В области Предварительного просмотра отображается кривая по мере ввода ее данных. Чтобы просмотреть фактическую кривую, выберите Вид.

8. Нажмите OK.

 

4.5. Термические нагрузки и граничные условия

Примените следующие термические нагрузки и граничные условия к сборке:

· Тепловую мощность clip_image009(объем теплоты) к четырем кристаллам.

· Конвекцию clip_image010граничные условия на тыльную поверхность подложки и на поверхности, показанные ниже.

clip_image011Поверхности без какого-либо граничного условия, подобные поверхностям симметрии clip_image012, являются термически изолированными.

Термические нагрузки и граничные условия

 

4.6. Применение тепловой мощности в кристалле

Примените тепловую мощность к объему каждого из четырех кристаллов.

Чтобы применить тепловую мощность

1. Нажмите Термические нагрузки Применение тепловой мощности в кристалле(диспетчер команд Simulation и выберите Тепловая мощность clip_image009[1].

Появится Тепловая мощность PropertyManager (Менеджера свойств).

2. В графической области щелкните clip_image016для раскрытия плавающего дерева конструирования FeatureManager.

3. Выберите значки Chip<1>, Chip<2>, Chip<3> и Chip<4>.

Chip-1, Chip-2, Chip-3 и Chip-4 появятся в окне Грани, Кромки, Вершины, Компоненты для тепловой мощности clip_image017.

4. В окне Тепловая мощность выполните следующие действия:

a. Установите Единицы измерения clip_image018на СИ.

b. Установите Тепловая мощность на 0,2.

5. Нажмите кнопку clip_image019.

 

4.7. Применение конвекции

Примените конвекцию на нижнюю поверхность подложки, Грань 1 и Грань 2.

Чтобы применить конвекцию:

1. Нажмите Термические нагрузки clip_image015[1](диспетчер команд Simulation) и выберите Конвекция clip_image010[1].

Появится окно Конвекция Менеджера свойств (PropertyManager).

2. В графической области выберите тыльную поверхность подложки, Грань 1 и Грань 2, как показано на рисунке.

Грань<1>, Грань<2> и Грань<3> появятся в окне Грани для конвекции clip_image020.

Применение конвекции

3. Установите Единицы измерения clip_image018[1]на СИ.

4. Установите Коэффициент конвективной теплоотдачи clip_image022на 25.

5. Установите Массовую температуру clip_image023на 300.

6. Нажмите кнопку clip_image005[1].

Программное обеспечение применяет конвекцию к трем выбранным граням и создает один значок в папке Термические нагрузки. Обозначения конвекции появятся также на трех выбранных поверхностях.

4.8. Создание сетки модели и запуск исследования

Чтобы создать сетку модели и запустить исследование:

1. В дереве исследования Simulation нажмите правой кнопкой мыши значок Сетка clip_image024и выберите Создать сетку clip_image025.

2. В PropertyManager (Менеджере свойств) установите следующие параметры.

3. В разделе Параметры выберите Запуск (решение) анализа.

4. Выберите clip_image019[1], чтобы принять величины.

4.9. Просмотр термических результатов

Распределение температуры является эпюрой по умолчанию для термического анализа.

Чтобы просмотреть распределение температуры:

1. В дереве исследования Simulation, откройте папку Результаты clip_image026.

2. Дважды щелкните Термическое (-Температура-) для отображения эпюры. Если эпюра не существует, создайте эту эпюру.

Просмотр термических результатов

Как ожидалось, угол кристалла является самым холодным, а самое горячее место находится внутри кристалла, вследствие конвекции.

 

4.10. Использование инструмента Зонд

Используйте инструмент Зонд, чтобы вывести список температур на конкретном местоположении модели.

Чтобы вывести список температур в выбранных местоположениях:

1. При необходимости активизируйте Термическое (-Температура-) двойным щелчком по его значку.

2. Щелкните кнопкой мышки на Инструменты эпюры clip_image028(Simulation CommandManager) и выберите Зонд clip_image029.

3. Выберите вершины, показанные на рисунке, начиная с нижнего правого угла (местоположение 1).

clip_image030

4. В окне PropertyManager в папке Результаты просмотрите температуры и X-, Y-, Z-координаты выбранных вершин в глобальной системе координат.

5. В списке Параметры отчета нажмите Эпюра clip_image031.

Появится диалоговое окно Результат зондирования с графиком температур в Кельвинах на выбранных вершинах относительно номеров узлов на вершинах.

график температур

6. В диалоговом окне Результат зондирования нажмите Файл, Закрыть.

7. Нажмите кнопку clip_image019[2].

4.11. Создание эпюры изолиний температуры

Эпюры изолиний температур представляют собой эпюры изолиний поверхности заданного значения температуры. Используя эпюры изолиний, можно определять области максимальной температуры модели.

Для получения эпюры изолиний температур:

1. Нажмите правой кнопкой мыши активную термическую эпюру в дереве исследования Simulation и выберите Ограничение Iso clip_image034.

2. В окне PropertyManager (Менеджер свойств), в разделе Iso 1 перетащите ползунок Значение Iso по направлению к правому концу шкалы.

3. В окне группы Параметры выберите Эпюра только на изоповерхности.

4. Нажмите кнопку clip_image019[3].

Отобразится изоповерхность с заданной температурой.

изоповерхность

 

4.12. Проверка теплового баланса

Используйте инструмент Зонд, чтобы вывести список тепловой энергии, выходящей из модели. В установившемся состоянии тепловая энергия, поступающая в систему, должна быть равна тепловой энергии, выходящей из нее. Полная тепловая мощность, выделяемая кристаллами, равна 0,8 Вт. Тепловая энергия выходит из системы через поверхности при конвекции.

Чтобы построить график результирующего теплового потока:

1. Нажмите правой кнопкой мыши на папку Результаты clip_image026[1]и выберите Определить термическую эпюру clip_image036.

Появится Термическая эпюра PropertyManager (Менеджера свойств).

2. В окне PropertyManager в разделе Отобразить:

a. Установите Компонент clip_image037на HFluxN: Результирующий тепловой поток.

b. Установите Единицы измерения clip_image018[2]на Вт/м^2.

3. Нажмите кнопку clip_image019[4].

Эпюра результирующего теплового потока появится в графической области, а новый значок появится в папке Результаты clip_image026[2].

Чтобы вывести список тепловой энергии, выходящей из системы путем конвекции:

1. В дереве исследования Simulation нажмите правой кнопкой мыши на Thermal (-Res heat flux-) clip_image036[1]и выберите Зонд clip_image029[1].

2. В окне PropertyManager в разделе Параметры, выберите Для выбранных объектов.

3. Выберите три грани на которых вы задали конвекцию для Грани, кромки или вершины) clip_image017[1]в списке Результаты.

4. Нажмите Обновить.

Общий тепловой поток отобразится в списке Сводка, приблизительно -0,799 Вт. Настоящий результат примерно на 0,1% ниже точного результата -0,8 Вт. Отрицательный результат означает, что тепловая энергия выходит из системы.

5. Нажмите кнопку clip_image019[5].

 

4.13. Создание исследования переходного термического процесса

Сейчас учтем время в решении этой же задачи. Вы найдете время, требуемое для достижения установившегося состояния.

Чтобы создать исследование переходного термического процесса:

1. Выберите новое исследование clip_image003[1](Диспетчер команд Simulation).

2. В окне PropertyManager (Менеджер свойств), в поле Имя, введите Переходный процесс.

3. В окне Тип нажмите Термический clip_image004[1].

4. Нажмите кнопку clip_image005[2].

Чтобы определить свойства исследования переходных процессов:

1. В дереве исследования Simulation нажмите правой кнопкой мыши значок исследования Переходный процесс clip_image038и выберите Свойства.

Появится диалоговое окно Термический.

2. В окне Тип решения выполните следующие действия:

a. Выберите Переходный процесс.

b. Установите Общее время на 900 сек.

c. Установите Временной инкремент на 30 сек.

3. Нажмите на кнопку OK.

 

4.14. Использование перетаскивания и размещения для назначения материалов

Используйте «перетащить и оставить», чтобы скопировать материалы из исследования Установившееся состояние в исследование Переходных процессов.

Чтобы назначить материал, используя «перетащить и оставить»:

1. Перейдите на вкладку исследования Установившееся состояние для отображения его в дереве моделирования исследования (Simulation).

2. Перетащите папку Детали исследования Установившееся состояние и оставьте ее на вкладке исследования Переходный процесс.

 

4.15. Задание начальной температуры компонентам сборки

Назначьте начальную температуру 300 К всем компонентам сборки.

Чтобы назначить начальную температуру:

1. В дереве исследования Simulation нажмите правой кнопкой мыши значок Термические нагрузки clip_image039и выберите Температура clip_image040.

Появится Температура PropertyManager (Менеджера свойств).

2. В окне Тип выберите Начальная температура.

3. Выберите все компоненты сборки, появившиеся в плавающем дереве конструирования FeatureManager.

Выбранные компоненты появится в окне Грани, Кромки, Вершины, Компоненты для температуры clip_image017[2].

4. В окне Температура, выберите К (Кельвин), затем введите 300 в поле значений.

5. Нажмите кнопку clip_image005[3].

Программа назначает указанные температуры и создает значок в папке Термические нагрузки.

4.16. Перетаскивание и размещение термических нагрузок

Перетаскивание и размещение термических нагрузок и граничных условий из Установившееся состояние в Переходный процесс выполняется следующим образом:

1. Перейдите на вкладку исследования Установившееся состояние для отображения его в дереве моделирования исследования (Simulation).

2. Перетащите папку Термические нагрузки исследования Установившееся состояние и оставьте ее на вкладке исследования Переходный процесс.

Как упомянуто в начале настоящего упражнения, тепловая мощность является зависимой от времени. Чтобы включить эту временную зависимость, отредактируйте условие тепловой мощности, как описано в следующей процедуре.

 

4.17. Определение условия зависимой от времени тепловой мощности

Тепловая мощность начинается с нулевого значения при t = 0 и достигнет максимального значения 0,2 Вт через 60 секунд. Изменение во времени тепловой мощности определяется файлом данных кривой (HeatPower_time_curve.cwcur) расположенном в <Examples_dir>\Thermal. Чтобы включить эту зависимость от времени, отредактируйте определение условия тепловой мощности.

Чтобы добавить функциональную кривую:

1. Нажмите Simulation, Параметры.

2. На вкладке Настройки пользователя выберите Библиотека по умолчанию.

3. Выберите Библиотеки функций кривых в Отобразить папки для.

4. Нажмите кнопку Добавить и перейдите в <Examples_dir>\Thermal.

5. Дважды нажмите OK.

Чтобы отредактировать условие тепловой мощности:

1. В дереве исследования Simulation нажмите правой кнопкой мыши значок Тепловая мощность-1 clip_image041в папке Термические нагрузки clip_image039[1]и выберите Редактировать определение.

2. В окне PropertyManager (Менеджера свойств) в разделе Тепловая мощность нажмите Использовать кривую времени clip_image042, затем нажмите Редактировать.

3. В диалоговом окне Кривая времени нажмите Получить кривую.

4. В диалоговом окне Открыть выберите HeatPower_time_curve.cwcur и щелкните Открыть.

5. В диалоговом окне Кривые функций нажмите Кривая времени-1 в списке Кривая времени.

Данные кривой появятся в окне Данные кривой. Чтобы просмотреть кривую времени, выберите Вид.

6. Дважды нажмите OK.

7. Нажмите clip_image019[6]для завершения определения тепловой мощности, зависящей от времени.

4.18. Запуск исследования переходных процессов

Перед запуском исследования переходных процессов требуется иметь сетку. Также необходимо иметь совместимую сетку между двумя связанными компонентами.

Чтобы определить совместимую сетку для связанных компонентов:

1. В дереве исследования Simulation нажмите правой кнопкой мыши на Component Contact-1 (-Bonded) clip_image043и выберите Редактировать определение .

2. В PropertyManager в разделе Параметры, выберите Совместимая сетка.

3. Нажмите кнопку clip_image019[7].

Чтобы создать сетку модели и выполнить исследование переходных процессов:

1. В дереве исследования Simulation нажмите правой кнопкой мыши значок Сетка clip_image024[1]и выберите Создать сетку clip_image025[1].

2. В PropertyManager в разделе Параметры сетки воспользуйтесь параметром Стандартная сетка с Глобальным размером clip_image0441.50 мм.

3. В разделе Параметры выберите Запуск (решение) анализа и нажмите на clip_image019[8].

 

4.19. Просмотр температуры при разном времени решения

Анализ переходного процесса предоставляет профили температуры в требуемые моменты времени решения.

Чтобы просмотреть температуры на 30-й секунде:

1. В дереве исследования Simulation откройте папку Результаты clip_image026[3].

2. Дважды щелкните Термическое (-Температура-) для отображения эпюры. Если эпюра не существует, создайте эту эпюру.

3. Нажмите правой кнопкой мыши Термическое (-Температура-) и выберите Редактировать определение.

4. В окне PropertyManager в разделе Отобразить выберите Кельвин в меню Единицы измерения clip_image018[3].

5. В разделе Шаг эпюры установите clip_image045на 1.

6. Нажмите кнопку clip_image019[9].

Отобразится профиль температур в Кельвинах (K) на 30-й секунде (первый временной шаг).

профиль температур

Чтобы просмотреть температуры на 900-й секунде:

1. Нажмите стрелку вниз рядом с параметром Результаты clip_image047(Simulation CommandManager) и выберите Термическая clip_image048в разделе Новая эпюра.

2. В окне PropertyManager в разделе Отобразить выберите Кельвин в меню Единицы измерения clip_image018[4].

3. В разделе Шаг эпюры установите clip_image045[1]на 30.

4. Нажмите кнопку clip_image019[10].

Отобразится профиль температур на 900-й секунде (последний временной шаг).

clip_image049

clip_image011[1]Профиль температур на 900-й секунде близок (отличие на 0.4%) к решению установившегося состояния, полученному в первой части этого учебного пособия. Чтобы получить точные результаты, увеличьте плотность сетки для использования размера сетки по умолчанию. Грубая сетка специально используется в данном примере для уменьшения продолжительности анализа.

 

4.20. Просмотр изменения температуры относительно времени

Используйте инструмент Зонд, чтобы построить кривую температура-время (также называемую график переходного процесса) в желаемом местоположении модели следующим образом:

1. В дереве исследования Simulation активизируйте Thermal1 (-Температура-) двойным щелчком по его значку.

2. Щелкните кнопкой мышки на Инструменты эпюры clip_image028[1](Simulation CommandManager) и выберите Зонд clip_image029[2].

3. Выберите показанную вершину.

clip_image050

4. В окне PropertyManager в разделе Параметры отчета, нажмите clip_image051.

На графике показана температура (ось y) выбранной вершины относительно номера временного шага (ось x).

температура (ось) выбранной вершины

clip_image011[2]На этом графике видно, что условие установившегося состояния достигается приблизительно через 600 секунд (соответствует 20му временному шагу).

5. Закройте окно графика, нажимая Файл, Закрыть.

6. Нажмите кнопку clip_image019[11].

Александр Малыгин

Объект обсуждения - программное обеспечение для выполнения автоматизированного конструкторского и технологического проектирования, разработки управляющих программ, вопросы, связанные с разработкой прикладных САПР.

8 Комментарии “Solidworks simulation. Термический анализ

  1. Здравствуйте, подскажите пожалуйста что за зеленные стрелочки (вектора задания температуры я так понял) подскажите как правильно они называются , очень нужно

    1. Если я правильно понял вопрос, то зеленые стрелочки указывают на поверхности через которые происходит конвекция, т.е. охлаждение в результате контакта с другими телами или окружающей средой.

  2. Подложка висит вся в воздухе или лежит на основании? Почему конвекция на одну сторону?
    Может еще теплопроводность куда добавить Ведь она на чем то лежит.

      1. Так и не понял почему выбрали только 1,2,3 грани. В чем логика. Почему не выбрали остальные 2 грани и поверхность на которой светодиоды

  3. Спасибо за статью Александр Владимирович, не могли бы вы ответить еще на такие вопросы,
    — что такое глобальный контакт деталей и какие при этом параметры взаимодействия компонентов
    — что означает связанные детали и доп. параметры плоскость с узлом и плоскость с плоскостью, в чем разница?
    Спасибо за ответы.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *