Обучение Solidworks 2013. Тепловой расчет радиатора охлаждения с принудительной вентиляцией в Solidworks Simulation

Расчет радиатора охлаждения в Solidworks Simulation будем производить аналогично процедуре, описанной здесь. Радиатор также будет с пластинчатыми ребрами и будет обдуваться вентилятором K3G250-RD43-01 EBM Papst. Для его расчета воспользуемся моделью сборки из статьи Solidworks 2013. Процесс сборки и вставка крепежа по производным массивам.

В этом уроке вы научитесь:

  • Редактировать деталь в режиме сборки.
  • Настраивать результаты измерений.
  • Быстро упрощать расчетную модель.
  • Настраивать материалы для моделей.
  • Назначать тепловые нагрузки.
  • Задавать условия конвекции.
  • Исследовать температуру в конкретных точках радиатора.

Рис.1. Редактирование детали в режиме сборки  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 Редактирование детали в режиме сборки. В графическом окне можно наблюдать как остальные компоненты сборки стали прозрачными.

Рис.2. Регулировка прозрачности компонентов при редактирование детали в режиме сборки  Такая прозрачность может вызвать определенные торможения процессора, поэтому для ускорения работы прозрачность можно отключить. Это делается с помощью переключения команды Прозрачность сборки 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 Эскиз. Solidworks перейдет в режим построения эскиза.

Рис.3. Построение поверхности при редактирование детали в режиме сборки Построим эскиз как на Рис.3. Для ускорения построения можно воспользоваться командой Преобразование объектов 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 Плоская поверхность, не забыв перед этим выделить новый эскиз в дереве модели. В итоге мы получили плоскую поверхность на основе замкнутого эскиза.

Рис.4. Вычисление площади поверхности при редактирование детали в режиме сборки 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 Измерить. В появившемся окне можно будет увидеть результат - 4622.73 мм2. Запомним это число. Выйдем из режима редактирования, нажав на кнопку Редактировать компонент на панели CommandManager.

Рис.5. Создание конфигурации для расчета и включение Solidworks Simulation  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.

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 Solidworks Simulation. Появится вкладка Simulation и меню Simulation. Зайдем в это меню и немного настроим расчетный модуль с помощью команды Параметры.

Рис.6. Настройки Solidworks Simulation 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.

 

Рис.7. Упрощение модели 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 > УпрощениеУпрощение. 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.

Рис.8. Новое исследование - Термический Перейдем в меню Simulation и выполним команду Исследование Исследование. В опциях команды выберем Термический и нажмем ОК.

 

 

Рис.9. Назначение материалов Выбираем радиатор в дереве модели или в графическом окне и на панели CommandManager нажмем кнопку Применить материал. Выберем сплав 1060 среди Сплавов алюминия. Выберем все транзисторы с помощью клавиши CTRL и, с помощью кнопки Применить материал 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).

 

Рис.10. Настройка тепловой мощности транзисторов Далее зададим тепловую (выделяемую) мощность транзисторов. Делается это с помощью команды Тепловая мощность Тепловая мощность в выпадающем списке Термические нагрузки на панели CommandManager. В опциях команды Тепловая мощность последовательно выберем объекты - транзисторы целиком с помощью команды Выбрать другой 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.

 

 

Рис.11. Настройка условия конвекции  Теперь настроим условия конвекции, потому что именно этот режим соответствует принудительному обдуву воздухом. Делается это с помощью команды Конвекция Конвекция в выпадающем списке Термические нагрузки 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).

Рис.12. Характеристики вентилятора  Это число рассчитываться по значениям производительности вентилятора K3G250-RD43-01 П2/3 = 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.

 

 

 

 

Рис.13. Запуск создания сетки конечных элементов Приступим к созданию сетки конечных элементов с помощью команды Создание сетки Создание сетки в выпадающем списке Запуск 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.

Рис.14. Создание сетки конечных элементов Итак, сетка создалась успешно. Значит ничего больше настраивать не требуется. Теперь просто нажмем команду Запуск на панели CommandManager.

 

 

Рис.15. Тепловой расчет в Solidworks 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.

 

Рис.16. Проверка температуры в указанных точках Выполним команду Зондирование Зондирование в выпадающем списке Инструменты эпюры 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 (Rth(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.

Поделиться ссылкой на статью

CADLife - лучший инженерный опыт, бесплатные уроки и обучение Solidworks, Creo, Pro/Engineer, STM32

Комментарии к статье