EFDPro电子产品散热教程上

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1、1Simulating the Real World Lecture 1介 绍 2Simulating the Real World EFD的 定 义 EFD英 文 全 称 为 Engineering Fluid Dynamics 即 工 程 流 体 动 力 学 EFD是 一 款 高 级 而 又 灵 活 易 用 的 流 体 流 动 与 换 热 分 析 软 件 。 3Simulating the Real World EFD的 分 类EFD.Lab: 通 用 的 流 动 与 换 热 动 分 析 软 件EFD.Pro: 完 全 集 成 于 Pro/ENGINEER中的 EFD.Lab版 本EFD.

2、V5:完 全 集 成 于 CATIA V5中 的EFD.Lab版 本 4Simulating the Real World 分 析 类 型 内 流 分 析 -Internal flows 例 如 ， 管 内 流 动 、 容 器 内 流 动 、 建 筑 物 内 流 动 。 外 流 分 析 -External flows 例 如 ， 绕 飞 机 、 绕 汽 车 、 绕 建 筑 物 流 动 等 等 。 5Simulating the Real World 流 体 类 型 及 压 缩 系 数 气 体 / 液 体 牛 顿 /非 牛 顿 流 体 压 缩 与 不 可 压 缩 流 体 蒸 气 6Simulat

3、ing the Real World 不 可 压 缩 流 体 = (T, y), = (T), = (T), = (T), Cp= Cp(T)可 压 缩 流 体 = (T, P)对 数 律 :指 数 律 :理 想 气 体 M, = (T), = (T), Cp= Cp(T) 00 ln1/ PB PBC nBP BP /100 RTP m mmMyunivRR 1 m mmy 7Simulating the Real World EFD的 应 用汽 车航 空电 子机 械食 物石 油 天 然 气能 源制 冷 通 风 与 空调阀 门 与 灌 溉 设备环 境医 疗 8Simulating the R

4、eal World Lecture 2EFD.Pro实 例 讲 解 9Simulating the Real World这 一 阶 段 我 们 将 以 HB7216L的 机 型 为 例 进 行 讲解 ， 展 现 了 如 何 对 涉 及 到 固 体 导 热 的 流 动 分 析进 行 每 一 步 基 础 的 设 置 。 这 个 例 子 的 基 本 原 则是 适 用 于 所 有 的 散 热 及 内 流 动 的 问 题 。 序 10Simulating the Real World 打 开 模 型1. 将 绘 制 好 的 HB7216L模 型 文 件 复 制 到 你 的 电 脑 ；2. 打 开 带 有

5、 EFD.Pro的 Pro/E软 件 ， 点 击 文 件 设 置 工 作 目录 ， 指 定 Pro/E的 工 作 目 录 到 HB7216L文 件 夹 下 ；3. 点 击 文 件 打 开 ， 浏 览 HB7216L文 件 夹 找 到 hb7000l-20110607.asm组 件 并 点 击 打 开 ； 11Simulating the Real World 准 备 模 型 在 这 个 分 析 组 件 中 存 在 很 多 特 性 ,零 件 或 子 组 件 不 需 要分 析 。 使 用 EFD.Pro 之 前 ,仔 细 检 查 模 型 中 不 参 与 到 分 析中 的 元 器 件 是 一 种 良

6、 好 的 软 件 使 用 习 惯 。 剔 除 那 些 不 参 与到 分 析 中 的 元 件 可 以 减 少 对 计 算 机 资 源 的 要 求 和 求 解 时 间 。 这 个 组 件 中 包 含 了 如 下 一 些 元 件 ： 外 壳 ， 主 板 ， PCB板 ，电 容 ， 电 源 ， 散 热 器 ， 芯 片 ， 风 机 ， 螺 钉 ， 风 扇 支 架 ， 盖子 等 。 通 过 点 击 Pro/ENGINEER 模 型 树 中 的 特 征 ， 你 可 以看 到 所 有 的 这 些 元 器 件 。 在 这 个 教 程 中 我 们 通 过 对 入 口 盖子 内 表 面 处 的 Fan 设 定 一

7、个 边 界 条 件 来 对 风 机 进 行 仿 真 。这 个 风 机 的 几 何 外 形 比 较 复 杂 ， 重 新 生 成 的 话 需 要 一 定 时间 。 因 为 风 机 的 外 壳 在 机 壳 之 外 ， 所 以 我 们 可 以 将 其 压 缩（ Pro/E功 能 ） 从 而 加 快 Pro/ENGINEER 的 操 作 。 12Simulating the Real World 检 查 模 型1. 点 击 Flow Analysis Tools Check Geometry打 开 检 查 几 何 文 件 对 话 框 ；2. 点 击 Check检 查 几 何 文 件 13Simulati

8、ng the Real World 创 建 EFD.Pro项 目1. 点 击 Flow Analysis Project Wizard打 开 向 导 对 话 框 ；2. 点 选 create new,以 便 创 建 一 个 新 的 配 置 ， 命 名 为 HB7216L，点 击 Next；3. 选 择 SL（ 国 际 单 位 ） ， 将 Main对 话 框 中 的 Temperature单 位修 改 为 C， 点 击 Next； 14Simulating the Real World 4. 设 置 分 析 类 型 为 Internal， 在 物 理 特 性 下 勾 选 Heat conduct

9、ion in solids， 以 及 Radiation， 点 击 Next5. 展 开 Gases 夹 并 且 双 击 Air 行 。 保 持 默 认 的 Flow Characteristics。 15Simulating the Real World 6. 展 开 Alloys 文 件 夹 并 且 选 择 Steel Stainless 321 为 Default solid，点 击 Next；7. 修 改 Default outer wall thermal condition的 参 数 值 （ Value） 为Heat transfer coefficient（ 热 传 递 系 数

10、） ， 将 热 传 递 系 数 设 为 10，温 度 保 持 不 变 ， 其 它 设 置 也 不 变 ， 点 击 Next； 16Simulating the Real World 8. 对 此 页 的 所 有 数 据 均 不 做 修 改 ， 直 接 点 击 Next；9. 接 受 Result resolution 的 默 认 值 并 且 保 持 自 动 设 置 Minimum gap size 和 Minimum wall thickness， 点击 Finish。 现 在 EFD.Pro 利 用 赋 值 数 据 方 式 创 建 了一 个 新 的 例 子 。 17Simulating th

11、e Real World 前 面 的 设 置 为 整 个 向 导 （ Wizard） 设 置 过 程 ， 总 观 之 ， 向 导包 含 以 下 几 个 方 面 的 内 容 ： 项 目 配 置 单 位 系 统 分 析 类 型 默 认 流 体 默 认 固 体 (必 须 勾 选 固 体 间 导 热 选 项 ) 壁 面 条 件 初 始 条 件 (对 外 部 分 析 而 言 就 是 初 始 与 环 境 条 件 ) 结 果 与 计 算 “ 精 度 ” 18Simulating the Real World 此 时 ， PRO/E左 边 的 分 析 树 会 出 现 我 们 刚 刚 定 义 的 新 例 子 ，

12、 在 后 面 的 操 作 中 都 会 在 这 里 表 现 出 来 ， 需 要 编 辑 这 些 操 作 也 只 需 要 在 这 里 编 辑 即 可 。 同 时 模 型 中 的 周 边 也 出 现 了 一 个 黑 色 线 条 组 成 的 外 框 ， 此 外 框 包 围 的 部 分 即 为 求 解 域 。 19Simulating the Real World Lecture 3目 标 和 条 件 20Simulating the Real World 定 义 风 扇 风 机 就 是 一 种 流 动 的 边 界 条 件 。 你 可 以 在 没 有 定 义 边 界条 件 （ Boundary Cond

13、itions） 和 来 源 （ Sources） 的 固 体 表面 处 来 定 义 风 扇 （ Fans） ， 也 可 以 在 模 型 的 入 口 或 出 口 处 人工 的 加 一 个 盖 子 来 定 义 风 扇 。 还 可 以 在 内 部 流 动 区 域 的 面 上定 义 内 部 风 扇 。 风 机 被 认 为 是 体 积 流 量 （ 或 质 量 流 量 ） 随 着 选 定 的 进 出口 面 上 压 降 不 同 而 变 化 的 理 想 装 置 。 风 机 的 体 积 流 量 与 静 压降 的 特 性 曲 线 来 自 工 程 数 据 库 （ Engineering Database） 。 21

14、Simulating the Real World 1. 点 击 Flow Analysis Insert Fan， Fan 对 话 框 出 现 ；2. 在 Fan选 项 中 就 定 义 一 个 合 适 的 风 扇 或 是 自 己 新 建 的 风 扇 ；3. 在 Fan Type中 选 择 External Outlet Fan；4. 如 图 所 示 选 择 FAN.PRT的 内 表 面 ， 点 击 确 定 ； 22Simulating the Real World 5. 在 Settings（ 设 置 ） 页 展 开 Thermodynamic Parameters（ 热 力 学 参 数 ）

15、 项 ， 检 查 Ambient pressure（ 环 境 压 力 ） 是 否 为 大 气 压 力 ；6. 返 回 到 Definition（ 定 义 ） 页 ， 接 受 Face Coordinate System 作 为 参 考 Coordinate system（ 此 为 系 统 默 认 值 ） ； 23Simulating the Real World 7. 接 受 X 作 为 Reference axis（ 此 为 系 统 默 认 ） ；8. 点 击 确 定 ， 新 的 Fans 文 件 夹 和 External Inlet Fan 1 项 出现 在 EFD.Pro 左 边 的 分

16、 析 树 中 。 24Simulating the Real World 定 义 边 界 条 件 除 了 开 口 处 定 义 了 风 机 之 外 ， 任 何 流 体 流 经 系 统 处 都 要 定义 边 界 条 件 。 边 界 条 件 可 以 压 力 （ Pressure） , 质 量 流 （ Mass Flow） , 体 积 流 （ Volume Flow） 或 速 率 （ Velocity） 的 形 式 定义 ； 也 可 以 使 用 边 界 条 件 （ Boundary Condition） 对 话 框 来 定义 理 想 墙 壁 （ Ideal Wall） 边 界 条 件 ， 这 个 边

17、界 条 件 可 以 是 绝 热 、无 摩 擦 壁 面 ； 或 定 义 真 实 墙 壁 （ Real Wall） 边 界 条 件 ， 这 个 边界 条 件 可 以 设 置 壁 面 粗 糙 度 或 者 温 度 以 及 模 型 表 面 的 热 交 换 系数 。 对 于 具 有 内 部 固 体 导 热 的 分 析 ， 你 也 可 以 通 过 定 义 一 个 外墙 （ Outer Wall） 边 界 条 件 来 对 模 型 外 壁 面 设 置 一 个 热 特 性 边 界条 件 。 25Simulating the Real World 1. 在 EFD.Pro 分 析 树 ， 右 击 Boundary

18、Conditions（ 边 界 条 件 ） 图 标 并 且 选 择 Insert Boundary Condition。2. 选 择 所 有 通 风 口 的 内 表 面 （ 图 中 通 风 口 均 用 实 体 给 代 替 了 ） ；3. 选 择 Pressure openings并 选 中 Environment Pressure； 26Simulating the Real World 4. 点 击 Settings， 保 持 Settings 页 中 的 默 认 设 置 ；5. 点 击 确 定 ； 新 的 Environment Pressure 1 项 出 现 在 EFD.Pro 分 析

19、 树 中 。 27Simulating the Real World 多 孔 板 定 义 定 义 多 孔 板 是 为 了 通 过 定 义 流 动 区 域 的 百 分 比 来 方 便 的 考 虑孔 的 效 应 。 在 此 模 型 中 并 未 定 义 多 孔 板 ， 即 将 孔 的 利 用 率 假 定 为 100%；此 处 只 介 绍 下 打 孔 板 的 定 义 方 法 ， 有 兴 趣 的 可 以 试 着 定 义 ：1. 点 击 Flow Analysis Tools Engineering Database。2. 在 数 据 库 （ database） 树 中 选 择 Perforated Pl

20、ates（ 多 孔 板 ） , User Defined（ 自 定 义 ） 。 右 击 并 且 选 择 New Item；3. 根 据 模 型 情 况 选 择 相 关 数 据 及 相 应 的 有 效 截 面 积 比 例 并 保 存 ， 退 出 ；4. 点 击 Flow Analysis Insert Perforated plate；5. 选 择 EFD.Pro 分 析 树 下 的 Environment Pressure 1 项 ；6. 点 击 Browse 进 入 engineering database。 从 Database tree, User Defined 中 选 择 新 建 的

21、 打 孔 板 。 7. 点 击 确 定 ， 新 建 的 Perforated Plate 1 出 现 在 EFD.Pro 分 析 树 中 。 28Simulating the Real World 定 义 热 阻 我 们 将 电 子 封 装 热 性 能 简 化 为 两 个 热 阻 块 结 合 在 一 起 的 双 热阻 模 型 ； Rjb 和 Rjc 分 别 是 芯 片 结 点 至 PCB板 和 芯 片 外 壳 的 热 阻 。 双 热阻 模 型 的 其 它 表 面 是 绝 热 的 。 EFD.Pro 要 求 通 过 建 立 一 个 块 来 创建 芯 片 结 点 和 外 壳 结 点 。 29Sim

22、ulating the Real World 1. 在 工 程 数 据 库 中 点 选 Two-Resistor Components, User Defined， 右 击 并 且选 择 New Item；2. 在 新 建 选 项 中 输 入 相 应 的 参 数 ， 点 击 Save， Exit；3. 点 击 Flow Analysis Insert Two-Resistor Component4. 点 击 Browse 进 入 至 Two-Resistor components 预 定 义 Engineering Database 列 表 ， 选 择 刚 刚 新 建 的 热 阻 部 件 ；5

23、. 定 义 Heat generation rate的 数 值 ；6. 在 Case body、 Junction body中 分 别 从 EFD.Pro 模 型 树 中 选 择 外 壳 和 结 点 CASE 、 JUNCTION；7. 点 击 OK， 新 建 的 Two-Resistor Component 1出 现 在 EFD.Pro 分 析 树 中 。 30Simulating the Real World 定 义 热 源 热 源 是 模 型 中 重 要 的 一 部 分 ， 顾 名 思 义 ， 只 要 模 型 中 发 热 的部 件 都 可 以 定 义 热 源 ， 通 过 定 义 热 源

24、可 以 赋 予 发 热 元 件 的 功 率 或者 温 度 等 ； 定 义 的 热 源 分 为 体 积 热 源 和 表 面 热 源 ， 可 根 据 实 际 情况 来 定 。1. 点 击 Flow Analysis Insert Volume Source；2. 在 Source type中 选 择 Heat Generation Rate（ 热功 率 ） ；3. 在 Pro/E模 型 树 中 选 中 所 有 MAIN_CHIP元 件 ； 31Simulating the Real World 4. 在 Settings 页 的 Heat Generation Rate 中 输 入 元 件 总 功

25、 率5W；5. 点 击 确 认 ， 在 EFD.Pro 分 析 树 中 会 出 现 VS Heat Generation Rate 1的 选 项 ； 32Simulating the Real World 6. 遵 从 上 述 相 同 步 骤 ， 对 以 下 体 积 热 源 进 行 设 置 ： PCB上 的 其 他 主 要 元 件 ， 在 模 型 中 命 名 为 CPU PCB上 的 所 有 电 容 （ CAPACITOR） ， 设 置 电 容时 Source type项 选 择 为 Temperature， 并 设 置 温度 为 38 C 电 源 插 口 ， 设 置 其 温 度 为 50 C

26、 33Simulating the Real World 创 建 新 材 料 这 里 是 为 了 创 建 符 合 我 们 要 求 的 PCB板 和 芯 片 的 材 料 ， 为后 面 定 义 固 体 材 料 做 准 备 。1. 点 击 Flow Analysis Tools Engineering Database；2. 在 数 据 树 中 选 择 Materials Solids User Defined；3. 点 击 右 键 选 择 New Item；4. 按 照 PCB的 属 性 设 置 相 应 的 数 值 ； 34Simulating the Real World Name = Tuto

27、rial PCB， Comment = Isotropic PCB， Density = 1120 kg/m3， Specific heat = 1400 J/(kg*K)， Conductivity type = Isotropic Thermal conductivity = 10 W/(m*K)， Melting temperature = 390K下 面 给 出 一 组 数 值 ， 供 参 考 所 用 ： 35Simulating the Real World 5. 转 到 Items 页 ， 点 击 工 具 栏 处 的 New Item， 继 续 添 加材 料 ；6. 根 据 芯 片

28、 的 特 性 填 写 相 应 的 数 值 ； 下 面 给 出 一 组 数 据 ， 供 参 考 之 用 ： Name = Tutorial component package， Comment = Component package， Density = 2000 kg/m3， Specific heat = 120 J/(kg*K)， Conductivity type = Isotropic Thermal conductivity = 0.4 W/(m*K)， Melting temperature = 1688.2 K7. 点 击 Save， 退 出 工 程 数 据 库 。 36Simu

29、lating the Real World 定 义 固 体 材 料1. 在 FloEFD 分 析 树 中 右 击 Solid Materials 图 标 并 选 择 Insert Solid Material；2. 在 Pro/E分 析 树 中 选 择 7208L_PCB_5.PRT；3. 点 击 Browse， 选 择 User Defined中 的 Tutorial PCB（ 刚 新 建的 PCB材 质 ） ；4. 点 击 OK。 37Simulating the Real World 5. 仿 照 以 上 步 骤 设 置 以 下 固 体 材 料 ： 所 有 芯 片 ， 指 定 为 Tut

30、orial component package材 料 （ 之前 新 建 的 材 料 ） ； 以 Aluminum 作 为 材 料 的 散 热 器 （ 材 料 在 Pre-Defined, Metals 里 面 已 经 定 义 好 了 ） ； 以 Steel Stainless 321作 为 材 料 的 机 箱 上 盖 （ 材 料 在 Pre-Defined, Glasses 和 Minerals 里 面 已 经 定 义 好 了 ） 。 38Simulating the Real World 定 义 热 辐 射1. 通 过 工 程 数 据 库 选 择 Radiation Surface的 Use

31、r Defined新 建 一个 辐 射 量 。 在 Name和 Emissivity Coefficient中 均 输 入 0.5（ 根据 实 际 情 况 输 入 数 值 ） ；2. 点 击 保 存 ， 关 闭 数 据 库 ；3. 点 击 Insert Radiation Surface；4. 选 中 两 个 散 热 片 ；5. 点 击 Browse选 择 刚 新 建 的 辐 射 量 ；6. 点 击 OK。 39Simulating the Real World 定 义 好 这 些 之 后 保 存 一 下 Pro/E，分 析 树 中 的 选 项 如 图 所 示 。 40Simulating the Real World