【《100W-LED球泡灯散热的结构设计与性能仿真分析案例》4100字】

1-100W-LED球泡灯散热的结构设计与性能仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u31648100W-LED球泡灯散热的结构设计与性能仿真分析案例 -1-306791.1设计依据与结构建模 -1-55061.1.1100W-LED球泡灯的设计依据 -1-305261.1.2100W-LED球泡灯的结构建模 -1-32641.2基于ANSYSDM软件的仿真模型的前处理 -4-69851.3基于Icepak软件的模型的仿真计算 -6-176501.3仿真结果与分析 -12-1.1设计依据与结构建模1.1.1100W-LED球泡灯的设计依据由于翅片型的散热器在设计方法和材料选择上的发展较为完善，技术也比较成熟，不仅散热的效果良好，而且还可以保证各种LED灯具在不同的工作环境下都可正常运行，本文设计了一款由翅片散热为主要散热方式的100W-LED球泡灯。通过对三款市售100W-LED球泡灯进行的测试与分析，蓝欣由于有风扇，由于电功率有一部分用于风扇，用于芯片上的较少，整体上节能性下降，会拉低功率因数，而开开本身的电功率就低，功率因数也大幅缩水，节能性很低，并且发现为满足散热需求，目前市场上大多数的100W-LED球泡灯在设计时都选择了翅片散热器。红壹佰和开开都采用了典型的向下安装的翅片型散热器，只是在翅片的数量、长度、厚度和间隔上有或多或少的区别。红壹佰的球泡灯散热效果较差，是因为它的散热翅片过短，有效的散热面积不够大，不能将芯片产生的热量有效传递到工作环境中，只要在设计时避免了这个问题，就能起到很好的散热效果，可满足LED需要长期稳定工作的要求，并且具备结构简单、灯体轻便、维护便捷的优点。灯珠选择色温更稳定的，出光罩要选择对色温影响小的，对光的衰减要少一些。1.1.2100W-LED球泡灯的结构建模Rhino是一款应用度非常广泛的三维建模工具，它对搭载平台的要求不高，可以在显卡不高的计算机上工作，所占内存和运行内存也不多，有较高的渲染器。Rhino软件一直在3D建模软件中深受大家推崇。本文所用建模所用软件即为Rhino。LED球泡灯主要包含以下部分：灯头连接体、基板、芯片、PCB、散热器、出光罩等。图1.1为本文设计的100W-LED球泡灯的3D视图。在球泡灯的设计过程中采用了翅片散热器，在散热器翅片的排列方式上，一方面为避免和上文分析过的采用翅片式散热器的灯具翅片方式重复，造成知识产权上的冲突，另一方面也是为了加强对流换热，本文设计了一种如图1.2所示的流线型散热翅片。图1.1球泡灯3D视图(a)散热器翅片一侧视角(b)另一侧视角图1.2散热器模型普通的平板翅片散热器有许多的优点，比如造价低廉、结构简洁、工艺简单等，因而此种散热器便比较普及，被广泛应用于大功率LED灯具的散热中。但是从对流换热的角度而言，平行的散热翅片会使得气流变得更为均匀，不能加强换热，因而适当的将翅片变为流线型会随空气流速变快而更强烈的提高散热能力。散热器的材质选择的是最为常见且较为轻便的铝材质。为进一步加强对流换热及考虑到灯具外形的美观新颖，本文设计的球泡灯设计了如图1.3所示的太阳花形PCB版，在散热基座和灯罩上也留出了相应的空隙，并且在灯头选择了如图1.4所示的五角星开孔，使得整个灯具更具有设计感。基板主要作用在支撑LED、绝缘、导电这三方面。目前世界的工艺中采用的一般有铝基板、FR4(印刷短路板)。由于基板与LED及PCB直接接触，因而基板材料需要选择具有较好的导热性能的，本文选择的是铝材质。出光罩应该完全使外界与LED隔离开，目的是防一些腐蚀性物质，防灰防尘，它可以防止那些有害物接触LED、影响LED。与此同时，出光罩要求有比较高的透光率，使其能将LED光尽最大化地透过去。目前，出光罩一般使用得比较多的材料是玻璃和PC料，但是玻璃很脆，容易破掉且保存不易，也不易装配结合在其他器件上。而PC材料的温度范围大，冲击韧性较好，具有耐蠕变性，总体性能较好，透明度较高，因此本文采用PC料作为出光罩的材料。灯头的连接体主要的作用是连接部件，它需要对市场上标准的灯头进行适配，而且需要具有较好的的强度和优良的绝缘性，本文采用的连接体材料为PC材料。图1.3(a)PCB板(b)散热基座和灯罩图1.4有五角星开孔的灯头1.2基于ANSYSDM软件的仿真模型的前处理著名公司ANSYS针对电子散热问题的分析和优化，开发了一款软件，即ANSYSIcepak，这款软件能模拟出各种环境，各种条件下的器件的散热效能并进行优化分析。球泡灯作为一个较为复杂的模型，在用Rhino软件完成其建模之后保存为STP文件，可通过ANSYSWB平台下的DM(DesignMolder)将这个复杂的模型进行前处理，以得到干净的、ANSYSIcpak认可的几何体模型。在前处理中建立热模型时，模型中厚度比较薄、形状不规则的几何体需要将其建立薄壳单元模型并简化模型才能导入ANSYSIcepak中，球泡灯中的出光罩和灯头部分都需要建立薄壳单元并简化模型。前处理最后一步，是对模型中不被认可的几何体进行简化。该软件认可的几何体有：圆柱体、多边形棱柱、立方体等，因而整个球泡灯都需要进行Simplify转化。Level2简化将使用Icepak认可的多边形Block、方体Block以及圆柱体Block来构建CAD实体，DM会自动把CAD体中的多边形特征转化为Icepak的多边形几何体。球泡灯的芯片、PCB、散热基板、散热翅片、电源和简化后的螺口都使用的2级简化。简化后的模型如图1.7所示。(a)芯片、PCB、基板简化模型(b)散热翅片简化模型图1.7简化模型Level3简化即为直接将CAD的异形几何体直接转化成Icepak认可的CAD类型实体，本文的球泡灯的出光罩和灯头都使用了3级简化，图1.8即为出光照和灯头完成简化后的模型。如图1.9所示，是完成前处理的球泡灯模型。图1.8出光罩、灯头简化模型图1.9完成前处理的球泡灯模型1.3基于Icepak软件的模型的仿真计算完成了前处理后就进入仿真步骤。本文使用ANSYSIcepak对100W-LED球泡灯模型进行散热分析。步骤如下：1.通过ANSYSWB将处理好的模型导入Icepak，如图1.10所示。图1.10Icepak中球泡灯模型3.修改Problem，将环境温度设为20℃，重力方向沿Z轴正方向。1.在Cabinet中修改机柜尺寸，重力的反方向(Z轴负方向)留出2倍的模型高度；重力方向(Z轴正方向)留出1倍的模型高度；其余两个方向都留出1/2倍的模型高度。外界边界使用开放条件(Opening)。5.修改出光罩厚度和参数，将厚度设为0.0005m，材质为EpoxyResin-JSME。6.修改LED参数，每颗灯珠的发热功率设为0.49W。7.修改PCB参数，将PCB的导热系数设为13.6W/(m·K)。8.修改基板参数，将基板材质设为Al-Extruded。9.修改散热翅片参数，将翅片材质设为Al-Extruded。10.修改电源参数，将电源材质设为Epoxy-unfilled。11.修改灯头参数，将灯头厚度设为0.001m，材质设为Polyethylene-Resin-JSME。12.修改螺旋参数，将螺旋材质设为Ni-lnconel。13.检查模型并确认。点击Checkmodel按钮进行检查，如果该模型满足要求，则提示0problems。11.创建球泡灯模型后，进行网格划分，是在该软件热仿真很重要的一个步骤。网格质量的好与坏，直接决定了模型是否可以进行求解计算，以及精度是否会收敛。因为球泡灯模型结构比较复杂，使用常规理论，会求不到真实问题的解，因此需要对热仿真球泡灯模型，及所有的计算空间，进行网格划分处理。本文对球泡灯的网格划分进行了以下几种尝试：(1)由于球泡灯模型的芯片部分较为细小，在整体网格控制面板中，MaxX、Y、Z网格最大尺寸为计算区域的1/20，因为网格最大尺寸已经超过芯片本身的长、宽以及厚度，因此划分的网格并未能正确捕捉芯片本身状态，即使是通过网格级别的不断加密，试图保证LED芯片的网格贴体，结果也都如图1.11~1.13所示，虽然网格数量从52873增加到258462，但芯片部分网格依旧粗糙、不贴体，网格质量非常差，因此这种网格划分方式是错误的。图1.11级数为2层数为1时LED芯片的网格划分图1.12级数为3层数为1时LED芯片的网格划分图1.13级数为3层数为2时LED芯片的网格划分(2)在第二种尝试中，对球泡灯整个模型建立了非连续性网格Assembly.1，此外对所有芯片建立Assembly.2；在模型树下，Assembly.2被Asswmbly.1所包含，将Assembly.1和Assembly.2两个非连续性网格装备体，全都设为Mesher-HD的多级网格这一类别，对Assembly.1内的出光罩、PCB、散热器、电池、灯头、螺旋和Assembly.2内的芯片使用如图1.14所示的不同的装配体尺寸，通过更改Assembly.2尺寸对芯片进行了局部加密，使用非结构化网格来划分背景网格。如图1.15，为最终划分好的网格结果。这种网格划分方式可以实现芯片部分网格贴体，网格质量较好，但网格数量达到了2304164，仿真计算时对计算机硬件要求极高。(a)Assembly.1尺寸(b)Assembly.2尺寸图1.14装配体尺寸图1.15芯片整体网格划分(3)第三次尝试，前两次尝试都存在芯片无规律排布而使芯片和PCB连接处有如图1.16的网格粗糙问题，本文在Rhino软件中将原始模型中的芯片重新进行了如图1.17所示有规律的排布。图1.16芯片和PCB连接处网格划分(a)原芯片排布(b)更改后芯片排布图1.17PCB上的芯片排布而后重新将更改后的球泡灯模型通过ANSYSDM进行前处理后导入Icepak，并将步骤进行至网格划分，所有小尺寸的芯片用相同接触面积的面热源Source替代，然后将模型树下的所有几何器件移入建立的非连续性网格装备体Assembly.1中，对所有代替芯片的面热源Source建立Assembly.2；在模型树下，Assembly.2被Asswmbly.1所包含，将非连续性网格Assembly.1和Assembly.2都设置网格类型为Mesher-HD的多级网格，对Assembly.1内的出光罩、PCB、散热器、电池、灯头、螺旋和Assembly.2内的芯片使用如图1.18所示不同的装配体尺寸，通过更改Assembly.2尺寸对芯片进行了局部加密，背景网格使用非结构化网格来划分，其网格划分结果如图1.19所示。(a)Assembly.1尺寸(b)Assembly.2尺寸图1.18装配体尺寸(a)芯片整体网格划分(b)芯片和PCB连接处网格划分图1.19LED芯片网格划分从图1.19可以看出，Icepak对LED面热源使用了较少的多级网格，划分的网格贴体面热源，因为面热源Source是无厚度的，所以第三种尝试的网格数量330107要远远少于第二种的2304164。通过三种尝试结果的比较，可以发现，第三种尝试的网格性价比是最高的。15.通过Basicsettings选项，检查得到的Rayleigh和Prandetl数分别是1.6563e+008和0.70850574712644,所以选择自然对流中的Turbulent计算模型。在Basicparameters面板里Flowregime一栏确认点选了Turbulent。16.在PCB靠近中心的地方选择芯片Source1.2.1.1.2设置温度监控点。17.保存文件。18.打开Solve面板，保持默认设置，点击Startsolution启动求解器。19.计算结果收敛后，点击Done关闭Monitor窗口。1.3仿真结果与分析仿真实验结果如图1.20~1.23所示。(a)无辐射(b)有辐射图1.20温度监控点的变化曲线图(a)无辐射(b)有辐射图1.21球泡灯表面温度分布云图(a)无辐射(b)有辐射图1.22球泡灯PCB温度分布云图(a)无辐射(b)有辐射图1.22球泡灯正视图中心切面上的温度分布云图(a)无辐射(b)有辐射图1.23球泡灯正视图中心切面上的流速矢量图100W-LED球泡灯内散热器的自然对流是球泡灯散热的重要