База знаний по трехмерному проектированию в Pro/Engineer, Creo, Solidworks, электронике на STM32

Подготовка геометрии

Перед расчетом нам необходимо определить площадь сечения в радиаторе, через которое пойдет воздушный поток. Для этого создадим на радиаторе вспомогательную поверхность (сечение воздушного потока). Выделим радиатор в дереве модели и в контекстном меню выберем команду Редактирование детали . В графическом окне можно наблюдать как остальные компоненты сборки стали прозрачными.

Такая прозрачность может вызвать определенные торможения процессора, поэтому для ускорения работы прозрачность можно отключить. Это делается с помощью переключения команды на панели CommandManager (Рис.2). С этим разобрались. Теперь у радиатора выделим торец и на всплывающей панели инструментов (или в контекстном меню) выберем команду Эскиз . Solidworks перейдет в режим построения эскиза.

Построим эскиз как на Рис.3. Для ускорения построения можно воспользоваться командой на панели CommandManager(если выделить грань торца радиатора) и удалить лишние линии в эскизе после этой операции. После построения эскиза, выходим их него и переходим на вкладку Поверхности на панели CommandManager. Здесь выбираем команду , не забыв перед этим выделить новый эскиз в дереве модели. В итоге мы получили плоскую поверхность на основе замкнутого эскиза.

Неплохо было бы расчитать ее площадь: для этого есть все необходимые инструменты в Solidworks. Перейдем на вкладку Анализировать на панели CommandManager. Выделим новую поверхность и нажмем на команду . В появившемся окне можно будет увидеть результат - 4622.73 мм². Запомним это число. Выйдем из режима редактирования, нажав на кнопку на панели CommandManager.

Наша сборка представляет собой радиатор длиной 300 мм с установленными на нем тремя транзисторами IGBT CM400HA-24A Mitsubishi, каждый из которых выделяет максимально 2350 Вт при определенных условиях, как указано в документации.

Тепловой расчет

Подготовительная информация получена, теперь создадим конфигурацию Тепловой анализ и погасим в этой конфигурации весь крепеж (винт с производными массивами). Таким образом мы несколько упростили расчетную модель. Теперь необходимо подключить расчетный модуль: зайдем в CommandManager на вкладку Продукты Office и включим . Появится вкладка Simulation и меню Simulation. Зайдем в это меню и немного настроим расчетный модуль с помощью команды Параметры.

Откроется окно настроек, перейдем в нем на вкладку Настройки по умолчанию, в раздел Единицы измерения. В этом разделе в группе Система единиц измерения выберем СИ (MKS), а в группе Единицы измерения выберем для измерения температуры значение Цельсий. Нажмем ОК.

До этого мы погасили незначащие компоненты - крепеж. Но для построения упрощенной сетки конечных элементов нам могут помешать мелкие элементы - отверстия, фаски, скругления. Слишком сложная сетка долго строится и в нашем случае мало чего дает. Поэтому воспользуемся инструментом упрощения геометрии "на лету" - выполним команду меню Инструменты > Найти/Изменить > Упрощение. В опциях команды Упрощение (Рис.7) отметим галочками Элементы: Скругления и Отверстия. Зададим Коэффициент упрощения = 0,1 и нажмем кнопку Найти сейчас. В найденных результатах выделим все элементы с помощью клавиши CTRL и нажмем кнопку Погасить. Теперь видно, что все резьбовые отверстия и скругления пропали на всех моделях. Закроем опции команды упростить.

Перейдем в меню Simulation и выполним команду Исследование. В опциях команды выберем Термический и нажмем ОК.

Выбираем радиатор в дереве модели или в графическом окне и на панели CommandManager нажмем кнопку . Выберем сплав 1060 среди Сплавов алюминия. Выберем все транзисторы с помощью клавиши CTRL и, с помощью кнопки выберем Медь среди Сплавов меди и назначим ее для всех транзисторов сразу с помощью кнопки Применить (характеристики меди можно посмотреть на нашем сайте САПР. Важные параметры некоторых материалов, используемые при тепловых расчетах).

Далее зададим тепловую (выделяемую) мощность транзисторов. Делается это с помощью команды Тепловая мощность в выпадающем списке на панели CommandManager. В опциях команды Тепловая мощность последовательно выберем объекты - транзисторы целиком с помощью команды Выбрать другой в контекстном меню. Затем установим опцию На объект и назначим значение тепловой мощности - 200 Вт в системе SI. Таким образом, мы назначили каждому транзистору по 200 Вт, т.е. меньше 10% от максимальной мощности при 25°C окружающей температуры (см. в начале статьи полную мощность). Нажмем Ок.

Теперь настроим условия конвекции, потому что именно этот режим соответствует принудительному обдуву воздухом. Делается это с помощью команды Конвекция в выпадающем списке на панели CommandManager. Выбираем в графическом окне нижние поверхности основания радиатора и поверхности ребер, т.к. именно они будут обдуваться воздухом в канале. Введем значение температуры окружающего воздуха в графе Массовая температура окружающей среды - 313,15 Кельвин (40°C), чтобы наше изделие работало и в жарком месте. Пересчет °C в К можно провести в любом онлайн калькуляторе, например здесь. Далее следует задать коэффициент конвекции h в графе Коэффициент конвективной теплоотдачи: 55.444 в единицах измерения W / (m^2 K).

Это число рассчитываться по значениям производительности вентилятора K3G250-RD43-01 П_2/3 = 640 • 2 / 3 = 426 м³/час (см. характеристики), площади поперечного сечения воздушного канала S = 4622.73 мм² и длине ребра радиатора L = 0.3 м. Коэффициент конвекции можно определить по этим характеристикам на нашем сайте в статье Формулы расчета радиатора охлаждения.

Приступим к созданию сетки конечных элементов с помощью команды Создание сетки в выпадающем списке на панели CommandManager. В опциях ничего изменять не будем и нажмем ОК. Solidworks выдаст ошибку: Толщина не определена для одной или нескольких оболочек. Ясно, что надо подавить нашу поверхность, которая предназначалась для расчета площади сечения воздушного канала. Сделаем это и снова запустим создание сетки с опциями по умолчанию.

Итак, сетка создалась успешно. Значит ничего больше настраивать не требуется. Теперь просто нажмем команду на панели CommandManager.

Результаты расчета

Тепловой расчет радиатора в Solidworks прошел успешно. Результаты выведены в градусах Цельсия, как было указано у нас в настройках. Температура радиатора в самых горячих местах составила 73.44 °C, что вполне удовлетворительно. Теперь измерим температуру в интересующих нас точках.

Выполним команду Зондирование в выпадающем списке на панели CommandManager. Опции этой команды выглядят угрожающе, но нам нужно только указывать мышкой в графическом окне необходимые точки и получать результаты измерения.

Если результаты расчета не удовлетворяют необходимо изменить конструкцию радиатора, поставить другой вентилятор, изменить размер воздушного канала или изменить ориентацию прибора. Вариантов для исследования много и Solidworks в этом хороший помощник.

А как же учесть тепловое сопротивление между транзистором и радиатором? В документации на транзистор есть характеристика Contact thermal resistance (R_th(c-s)) - тепловое сопротивления с учетом теплопроводящей пасты 20 K/кВт. Просто посчитаем перегрев: 0,2 кВт • 20 K/кВт = 4 К (и соответственно 4°C перегрева). На такую величину будет перегреваться транзистор относительно радиатора под ним.