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某电子产品机壳表面散热翅片优化设计

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0  前言

在电子产品的散热设计中,散热器的优化设计是一个常见的问题,一定长宽高的散热片其翅片厚度、翅片间距、翅片个数存在多种组合,不同的组合对应不同的热阻。在散热片详细设计中,我们一般是根据自己的经验值设定散热片的齿厚及齿间距,这种情况下自己的经验值往往不是最优解,为使特定场景下散热片的热阻最低,此文将利用ANSYS ICEPAKANSYS designXplorer来对散热器的几何尺寸进行优化,以使得散热器的热阻值最小。
模型介绍

本文模型示意图见图1.1,PCBA产生的热量通过导热灌封胶将热量导至壳体,壳体上加散热筋以增大散热面积提高自然对流散热强度。本文通过SCDM将模型导入Icepak,然后在Icepak里自建模Heatsink以模拟机壳上的散热筋,Icepak中增加散热筋后的模型示意图见图1.2,本案例翅片的方向与安装方向相同为重力平行的方向,本案例中在SCDM中将PCBA进行组合操作作为整体分析,实际中可省略此步骤对PCBA中各部件进行参数设定,相对应结果会更加贴近实际。各部件的参数见表1.3

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2 仿真分析

2.1定义散热片的参数变量

本文主要对散热片的翅片厚度及齿间距进行优化设计计算,需要在Icepak中对这些参数进行变量的定义,变量定义时需在字母前增加$,对应的翅片间距及厚度设定如图示。

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2.2 函数的定义

因本文主要是通过优化散热片的齿间距及齿厚以使散热片的热阻最小,因此选择散热片的热阻作为最终函数,单击Solve→Run optimization,打开参数化优化面板,function中选择thermal resistance of heatsink,单击Object的下拉菜单,选择散热器模型。在Icepak中的操作见图2.2

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2.3 Ansys icepak变量参数进入WB

经过操作后需要将Icepak中的变量进入WB,整体操作见图2.3

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2.4 网格控制面板设置

本案例中设定XYZ方向最大尺寸均为3,打开Multilevel面板,设定PCBA的优先级为1,其余保持0,网格需要保证贴体,将各部件的特征显示处理。划分后部分部件的网格显示见图2.4

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2.5建立response surface optmization单元

双击Design Exploration中的Response Surface Optimization,建立响应单元,设定后的响应单元如图2.5,然后依次设定。

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2.6数值变量输入

本文针对散热片的齿厚和齿间距进行设定,齿间距及齿厚均设定为连续型离散型变量,通过设定两者的值来求f0散热片的热阻信息。其中齿间距数值范围为1mm-5mm,齿厚为1mm-3mm。设定过程见图2.6所示。

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2.7 Design points设定

上述设定完成后,需要设计不同工况下的计算,单击工具栏中的preview,可显示不同的工况信息,为使最终结果更加准确可适当增加工况计算的个数(默认为9),设定好的不同工况信息见图2.7

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2.8 结果查看

经过长时间的计算后,不同工况下的计算均会完成,此次仿真设定迭代步数为200步。取某一工况下的监测点的温度,发现一定步长之后,监测点温度达到稳定,稳定的温度见图2.8

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单击响应面板并Update,可得出最终的计算结果,计算结果可显示不同变量下散热片的热阻与其对应关系,结果分别如图2.9、图2.10、图2.11所示,通过下述三幅曲线图,可直观的看到散热片热阻随各变量的变化,对后续设计提供指导。

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2.9 Optimization优化更新

双击Optimization进入面板,可以设定变量,通过软件计算得到想要的点,如图2.12所示,选定散热片热阻,并且求其最小值。通过计算可以得到候选值,候选值面板如图2.13所示,总共三个候选点,这点点对应的热阻是整个计算中热阻最小的点。 

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优化后机壳的3D图见图2.14 后续结构设计将齿厚设定为1,齿间距设定为1.95,结合工艺要求及ID设计确定机壳的开模尺寸信息。

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3 总结

通过本文读者可以学习到如何通过IcepakANSYS designXplorer的联合仿真确定最优解,读者可通过设定不同的求解变量进行仿真分析,依据仿真结果来指导设计,将产品的散热做到最优

作者 :王志强

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