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【ThermalDesktop教程02】PCB板热仿真案例

1月前浏览1325

作者 | Tsinglin  

首发 | CFD学习与应用(ID:CAE_er)


本案例演示采用Thermal Desktop进行PCB板热分析。通过本案例,你将学习以下几个知识点:


• 使用TD进行PCB热分析;

• 熟悉TD传热分析基本流程

• 热连接器(contactor)的使用

• 各项异性材料设置

• 与ANSYS SCDM联动模型导入


预备知识

本教程无需任何Thermal Desktop基础,有一点AutoCAD基础更好。本教程将会详细描述每一步设置的操作及原因。


1问题描述

1.1问题概述

本教程假设对印制电路板(PCB)和芯片进行热分析。其中PCB为各项异性材料,导热率X方向为9W/m/k, Y方向为41W/m/k, Z方向为0.55W/m/k,密度为2700kg/m3,比热为396J/kg/k。芯片材料密度为2700 kg/m3,比热为900 J/kg/k,导热率为383W/m/k。芯片热耗为5W.环境温度为25℃,PCB远离芯片端为安装面,安装面温度为25℃。



2模型准备

2.1模型下载

请到文末查看百度云盘链接下载模型文件。

2.2模型前处理

• 本案例模型简单,无需前处理。


3启动软件

步骤1:启动AutoCAD2018,也可以直接打开下载目录下的【.dwg】模板文件



复 制模板文件夹→重命名→双击模板文件→启动AutoCAD



步骤2:进入软件操作界面,红色框内为TD常用操作工具栏核菜单栏



4导入几何模型


步骤1:单击下图【create link】快捷键,弹出与ANSYS SCDM创建几何关联面板



步骤2:如下图选择【PCB.scdoc】,如果此SCDM与.dwg文件在一个目录,需要点击后面的小三角,通过【browse】导航至SCDM文件所在目录,单击【ok】



步骤3:弹出如下窗口,点击【确定】



步骤4:弹出如下窗口,点击【synchronize】同步文件



步骤5:弹出如下窗口,点击【确定】



步骤6:导入几何后,如果看不到几何图形,是因为图形太小,点击下图红色标注的【缩放】快捷键,图形显示如下



注意如果是第一次进行SCDM和TD关联,需要在SCDM中取消背景加载,否则无法进行关联。具体操作步骤如下


步骤1:启动SCDM,【文件】→【spaceclaim选项】



步骤2:如下图,文件选项→常规→SCDOC选项中取消【在背景中加载模型的选项】,单击【确认】,然后关闭SCDM,重新启动即可。



5创建材料热属性


步骤1:通过鼠标单击【Thermal】选项卡中的【common】面板内的【thermo】激活材料热属性编辑面板



步骤2:如下图,输入材料名称【pcb_ortho】,单击【add】,弹出材料设置面板



步骤3:如下图,输入材料物性,单击【ok】



步骤4:如下图,输入材料名称【chip_iso】,单击【add】,弹出材料设置面板



步骤5:如下图,输入材料物性,单击【ok】



步骤6:材料管理面板内确认已创建所需新材料,如下图所示,单击【ok】



6创建热模型

6.1创建节点(node)


作为对流换热的空气边界


步骤1:通过鼠标单击【Thermal】选项卡中的【network】面板内的【node】激活节点创建命令



步骤2:按照提示在绘图区任意位置单击,即可创建一个圆形节点,单机空格键重复创建节点命令,创建如下图两个节点



步骤3:单击选中创建的第一个节点,点击【Edit】,进入节点编辑面板



步骤4:在【submodel】对话框中如图输入【air1】,勾选【Boundary】将节点类型由热扩散节点修改为边界节点(边界节点的温度为initial temp表格内的值,本案例为25C



注意看,此时第一个创建的节点的形状由圆形变为三角形



步骤5:重复步骤3,编辑第二个节点,如下图



6.2创建FD热模型

6.2.1创建PCB板FD热模型

步骤1:通过鼠标单击【Thermal】选项卡中的【FD Surface/solid】面板内的【rectangle】激活平板壳单元创建命令



步骤2:根据提示单击捕捉到pcb板厚度的第一个中点,如下图



步骤2:根据提示,再次捕捉延x方向的PCB板厚度的中点,如下图



步骤3:根据提示,再次捕捉延y方向的PCB板厚度的中点,如下图,单击完成后自动弹出【thin shell date】编辑面板



步骤4:在【thin shell date】→【subdivision】选项卡内设置网格划分数量,如下图



步骤5:在【thin shell date】→【numbering】选项卡内设置节点子模型名称及id编号,如下图


步骤6:在【thin shell date】→【cond/cap】选项卡内设置矩形薄板名称、材料和厚度,如下图 ,完成后单击【确认】



创建pcb板热模型如下图,从图中可以看到,红色箭头表示+X方向,绿色箭头表示+Y方向,蓝色箭头表示+Z方向



6.2.2创建芯片FD热模型


步骤1:通过鼠标单击【Thermal】选项卡中的【FD Surface/solid】面板内的【solid brick】激活长方体单元创建命令



步骤2:同矩形壳单元划分一样,如下图所示依次通过端点捕捉创建芯片模型,并自动弹出属性设置面板



步骤3:在【thin shell date】→【subdivision】选项卡内设置网格划分数量,如下图



步骤4:在【thin shell date】→【numbering】选项卡内设置节点子模型名称及id编号,如下图



步骤5:在【thin shell date】→【cond/cap】选项卡内设置矩形薄板名称、材料和厚度,如下图 ,完成后单击【确认】



创建芯片热模型如下图,从图中可以看到,红色箭头表示+X方向,绿色箭头表示+Y方向,蓝色箭头表示+Z方向



6.3创建传导(conductor)

6.3.1PCB板与空气对流换热(conductor)


步骤1:通过鼠标单击【Thermal】选项卡中的【network】面板内的【node-surface cond】激活传导创建命令



步骤2:如图按照软件提示,先点击第一个边界节点,再点击PCB板,创建传导如下图所示



步骤3:鼠标单机选中步骤2创建的传导,点击【Edit】,进入传导编辑面板



步骤4:【submodel】栏输入【air1_to_pcb】给传导起一个容易识别的名称,采用默认【Generic】传导类型,【Value】栏输入热导大小为19W/m2/K,勾选【per area】,确认节点名称为【air1】,单击【ok】




6.3.2芯片与空气对流换热(conductor)


步骤1:同4.3.1建立边界节点2【air2】与芯片的对流换热为24w/m2/k



步骤2:选中创建的传导,点击【edit】进入传导编辑面板,设置传导名称、大小以及选择芯片的换热面



6.4设置PCB安装面温度边界


步骤1:通过鼠标框选如图PCB安装边界节点,点击【edit】,弹出节点编辑面板



步骤2:如下图设置边界温度为25℃


 


6.5加载点热源(heatload)


步骤1:通过鼠标单击【Thermal】选项卡中的【network】面板内的【solid heat load】激活节体热源创建命令



步骤2:如图按照提示,选中芯片,然后按提示按下键盘上的【Enter】键,弹出热载荷编辑面板,如下图所示,设置热载荷的子模型名称(heatload_chip)和热源大小(5W),单击【ok】

弹出热源图标如下图红色箭头图标,此时系统整个热模型即创建完成


6.6创建热连接(contactor)


步骤1:通过鼠标单击【Thermal】选项卡中的【network】面板内的【contactor】激活热连接创建命令


步骤2:按提示如图先选择芯片作为热连接的from对象,确认选择后,按键盘【enter】切换热连接to对象选择,按提示选择pcb板作为to对象,按键盘【enter】键完成选择,此时会自动弹出热连接设置面板


步骤3:如图设置芯片到pcb板的接触热阻为2100w/m2/k,单击【show calcs】显示热连接示意图,为黄色线。确认热连接的合理性

步骤4:单击下图【reset】快捷键图标,取消热连接显示


7求解设置


步骤1:如图单击【Case set manger】绿色快捷图标,弹出求解设置管理面板,如下图所示,选中【case set0】,单击【Edit】,进入求解器编辑面板


步骤2:如图勾选【steady state】将case设置为稳态求解,单击【确定】退出


8运行求解


步骤1:如图选中caseset0,然后单击【run 1 select case】进行计算。


9结果查看


温度云图如下图所示,芯片温度约为69.53℃。



10总结与思考


本案例是一个简单的PCB热分析案例,旨在为新手熟悉Thermal Desktop的基本操作流程。内容总结如下:


  1. 采用ANSYS SCDM完成几何模型简化,然后关联至TD是推荐的模型处理方式;


2.热连接是用于设置接触热阻最常用的方式。


3.各项异性材料的方向与有限差分模型的方向保持一致,也可以通过材料方向指定。


11思考提问:


1. 为什么PCB板采用面单元?


答:在热分析中,如果对厚度方向的温度梯度敏感性不关注,尽量采用壳单元,这样可以减少网格,增加计算速度,又不影响结果的准确性


12作业与问答

12.1作业


1.尝试采用体单元创建PCB板?

2.尝试修改PCB板的节点数量,查看对结果的影响?


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案例文件下载链接:  

https://pan.baidu.com/s/1Iz9D11dcAKZH6hvGaXcq0A?pwd=ujiq

提取码:ujiq 

    

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来源:CFD学习与应用
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著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-09-29
最近编辑:1月前
Tsinglin
硕士 | 工程师 专注热&流体仿真及实验
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