ThermalAnalysis热分析

Thermal Analysis（热分析）高温会对电子器件造成损害. 本课程将对芯片的装配体进行热传导分析.在稳态下, 当系统处于热平衡状态，任何一点的温度都处于定值.在本课，您将学习以下内容: 创建一个稳态的热研究 手动指定材质 定义热负荷及边界条件 观察温度计算结果 使用探测工具 生成标准的温度分布图形 创建一个瞬时热研究 利用拖放定义材质，热负荷及边界条件 生成响应曲线图Description of the Model（模型描述）该装配体是由一个矩形的陶瓷基底（尺寸40x40x1mm）, 和16个矩形芯片（尺寸6x6x0.5mm）组成。每个芯片产生0.2W的热量，该热量通过基底的传导进行散热。设对流导热系数（膜层散热系数）为 25 W/m2 oK 并且环境温度为 300oK。以下为芯片的材料特性：特性值 (SI units)弹性模量(EX)4.1e11 N/m2泊松比 (NUXY)0.3热导率 (KX)130 W/(m.oK)热膨胀系数(ALPX)1X10-6 oK-1特性热 (C)670 J/(Kg.oK)由于结构上的对称性，我们分析模型的一部分，整个模型示意如下：Creating a Steady State Thermal Study创建一个恒态的热研究您创建一个恒态的热研究。创建一个热研究:1. 打开该装配体COSMOSWorks_Installation_directory Examples ThermalCOMPUTER_CHIP.SLDASM.2. 按下COSMOSWorks 管理程序标签3. 在COSMOSWorks 管理程序目录, 右击 COMPUTER_CHIP 并选择研究.出现研究对话框4. 在研究名称下面, 键入一个研究名称, 比如, SteadyState.5. 在分析类型下面, 选择热力.6. 在网格类型下面, 选择实体网格.7. 按下确定.COSMOSWorks在COSMOSWorks设计树中创建了该研究.为了检验热研究的类型:1. 在 COSMOSWorks 设计树, 邮寄研究图标 (放大镜加太阳)并选择属性出现热研究对话窗2. 在“求解类型”下面，确保“稳固状态”被选中。3. 按下确定Assigning Materials（指定材料）您将从COSMOS目录指定基底为陶瓷材料.对于芯片，您将手工指定指定基底为陶瓷材料:1. 在COSMOSWorks 设计树, 右击 Substrate-1 并选择应用/编辑材料.出现材料对话框2. 在“选择材料来源”下面，操作如下：a. 单击“自库文件”并选择“COSMOS metals”.b. 单击 Other Non-metals旁边的加号 并选择 Ceramic Porcelain.3. 选择确定.指定芯片材料:1. 在COSMOSWorks 设计树, 单击 Chip-1, Chip-2, Chip-3, 和 Chip-4. （当你选择时按下 Ctrl 键）.2. 右击并选择“应用/编辑材料”出现材料对话框.3. 在“选择材料来源”下面，选择“自定义”.4. 在“材料模型”下面，操作如下：a. 检查“类型”设为“线性弹性同向性”.b. 设置“单位”为“SI”5. 在“材料名称”栏键入自定义名称，比如, “Chip Material”.6. 在材料属性栏中，双击“数值”项键入相应的值:o EX (弹性模量): 4.1e11 N/m2o NUXY (泊松比): 0.3o ALPX (热膨胀系数): 1e-6 /oKo KX (热导率): 130 W/m.oKo C (特定热): 670 J/Kg.oK弹性模量和泊松比在热研究中是不需要的，他门将在随后的静态装配体分析中被使用.7. 单击“确定”.COSMOSWorks指定芯片材质后.一个“对勾”出现在每一个芯片图标上.Thermal Loads and Boundary Conditions（热负荷及边界条件）您将对装配体应用以下热负荷及边界条件: 对四个芯片加上热负荷. 对流边界条件加在图示面一、面二和基底背面上。对于对称面将不加任何边界条件Applying Heat Power to the Chips（对芯片应用热负荷）您将把热负荷加在每一个芯片体上:1. 在 COSMOSWorks设计树,右击“载荷/制约”并单击“热量”.显示“热量”管理器2. 单击特征管理器标签.显示浮动的特征管理器.3. 按下Ctrl并选中 Chip, Chip, Chip, and Chip 图标，Chip-1, Chip-2, Chip-3, and Chip-4 显示在“所选实体”的列表框.4. 在“热量”下面，操作如下：a. 设“单位”为“SI”b. 设“热量”为0.25. 选择“确定”COSMOSWorks 对四个芯片应用了热负荷并在“载荷/制约”下面创建了一个图标. Applying Convection（应用对流传导）您将对基底的面一、面二及背面应用对流传导:1. 在 COSMOSWorks 设计树, 右击“载荷/制约”并单击“传导”.“传导”管理器出现.2. 在图形区域，单击基底背面及面一、面二如图示.面一、面二、面三出现在“实体选择”列表框中.3. 在“对流参数”下面，操作如下：a. 设“单位”为“SI”.b. 设“对流系数”（小方块+上箭头+h图标）为25.c. 设“环境稳度”（温度计图标）为300.4. 单击“确定” .COSMOSWorks 应用传导到选择的三个面并在“载荷/制约”文件加下创建了一个图标，并且对流符号出现在所选择的表面上Meshing the Model and Running the Study(模型分网及运行研究)模型分网及运行研究:1. 在 COSMOSWorks 设技树, 右击“网格”并单击“生成”.出现“网格”管理器.2. 单击“优先级设定”显示“优先级设定”对话框同时激活“网格”标签.3. 选择以下选项：“高、标准、4点、光滑表面”并单及“确定”.4. 选择“网格化后运行分析”.5. 单击“确定”接受默认的尺寸及公差.当分析结束，在信息框单击“确定”Viewing Thermal Results（察看结果）热力分析结果为温度分布图.要察看热力分布状态:1. 在 COSMOSWorks 设计树, 点击“热力”文件夹旁边的加号.显示“图解一”.2. 双及“图解一”显示温度分布图.正如预期的，由于热传导，角上的芯片比较凉爽而中间的芯片比较热。Using the Probe Tool（使用探测工具）您将使用“探测”（在COSMOSWorks结果工具栏），来探测模型中特定位置的温度.要探测指定位置的温度：1. 如果必要，需要通过双击来激活“图解一”图标.2. 在COSMOSWorks结果工具栏单击“探测”.“探测”列表框出现.3. 在 COSMOSWorks主菜单单击“隐藏/显示网格”.4. 从图示中得右下到左上依次选取各点.在“探测”列表框中同时列出各点的温度和在绝对坐标系中的X,Y,Z坐标5. 单击“图解”“探测结果”窗口出现，在窗口中显示各点温度以及相对位置所形成的曲线图.6. 在“探测结果”窗口，单击File, Close.7. 在“探测”列表框中单击“关闭”Generating an Iso Plot of Temperature（生成温度等高图形）温度等高图形描述某指定温度下的图形轮廓线，利用等高图形，您可以查找模型中温度最高的区域生成温度等高图形:1. 在 COSMOSWorks 设计树, 右击“热力”文件夹并选择“定义”.出现“热力图解”对话框2. 在“显示”标签，设“单位”为Kelvin.3. 在“图解类型”下面选择“等同”4. 单击“确定”出现温度等高图形.确定温度最高的区域:1. 在 COSMOSWorks 结果菜单, 单击“剪裁”（两块矩形体中间一个下箭头图标）.出现“等曲面剪裁”对话框.2. 设“切除目录”为“二者”.3. 拖动滑块来观察温度等高曲面.4. 移动滑块到最右端来确定温度最高的区域5. 单击“确定”Checking Thermal Equilibrium（检查热平衡）您将通过使用“所选列表”工具列出模型散发的热量.在热平衡状态，系统产生的热量必然等于系统散发的热量，总共芯片产生的热量为0.8W,系统通过以前所设定的三个对流面来散热生成热量流出图解:1. 在 COSMOSWorks设计树, 右击“热力”文件夹并选择“定义”.“热力图解”对话框出现.2. 在“显示”标签下面，操作如下：:a. 设置“零部件”为“合力热流量”HFLUXNb. 设置“单位”为W/m2.3. 单击“确定”“合力热流量”图解出现并且在设计树的“热力”文件夹下创建一个新图标列出系统通过对流散失的热量:1. 在COSMOSWorks 设计树, 右击新图标并选择“所选列表”出现“所选列表”对话框2. 为了选择方便，在COSMOSWorks主菜单单击“隐藏/显示网格”3. 选择在定义对流时选中的三个面，在“所选列表”对话框中单击“更新”结果见图示.在“总热流”项显示为 -0.7585 Watts. 这个结果对于精确值-0.8w来说有大约5%的误差. 结果为负值显示是从系统散失的热量这个问题在分网很好的情况下（网格参数滑块在最右端）可以解决，这时“所选列表”显示系统散失热量为-0.80025 watts非常符合正确结论. 4. 单击“确定”Creating a Transient Thermal Study(创建一个瞬时热研究)您现在可能在想时间问题同样需要解决，系统要达到热平衡状态同样需要时间创建一个瞬时热研究:1. 在 COSMOSWorks 设计树, 右击 COMPUTER_CHIP 并选择“研究”.出现“研究”对话框.2. 在“研究名称”下面，键入一个研究名称，比如, Transient.3. 在“分析类型”下面选择“热力”.4. 在“网格类型”下面选择“实体网格”.5. 单击“确定”.COSMOSWorks 在设计树创建了一个新的研究定义瞬时研究:1. 在COSMOSWorks 设计树,右击“研究”图标（放大镜+太阳）并选择“属性”.出现“热力”对话框在“求解类型”下面，操作如下:a. 单及“短暂”.b. 设“总的时间”为900秒c. 设“时间增量”为30秒d. 选择“开氏”并设“初始温度”为300.3. 单击“确定”Using Drag and Drop to Assign Materials（利用拖放指定材质）您将使用拖放来复制材质（从稳态研究到瞬时研究）使用拖放来复制材质:1. 单击稳态研究旁边的+号使之展开.2. 拖动“实体”文件夹释放到瞬时研究图标.COSMOSWorks 从稳态研究复质材质到瞬时研究Using Copy and Paste to Apply Thermal Loads（使用复制粘贴来应用热载荷）您将使用复制粘贴来复制热载荷和边界条件从稳态到瞬时研究:1. 在 COSMOSWorks设计树, 从稳态研究中右击“载荷/制约”图标并选择“复制”.2. 在瞬时研究中右击“载荷/制约”图标并选择“粘贴”.COSMOSWorks 复制热载荷和边界条件从稳态到瞬时研究Running the Transient Study（运行瞬时研究）您将通过在稳态研究使用过的“网格”来运行瞬时研究运行瞬时研究:在 COSMOSWorks设计树, 右击“瞬时研究”并选择“运行”当分析结束在消息框中单击“确定”Viewing Temperatures at Different Solution Times（观察在不同时间下的温度分布）瞬时研究提供在制定时间时的温度分布.察看在第30秒时的温度分布:1. 在COSMOSWorks 设计树, 单击瞬时研究中“热力”文件夹旁边的+号.出现“图解一”2. 右击“图解一”并选择“编辑定义”出现“热力图解”对话框3. 在“显示”标签下设“阶梯号数”为1并且“单位”为 Kelvin.4. 单击“确定”.出现在第30秒（第1个时间阶梯）时的温度分布图形察看在第900秒时的温度分布:1. 在 COSMOSWorks 设计树,右击瞬时研究中“热力”文件夹并选择“定义”出现“热力图解”对话框2. 在“显示”标签下设“阶梯号数”为30，“单位”为 Kelvin.3. 单击“确定”.在“热力”文件夹下出现“图解二”图标，并显示在第900秒（最后一个时间阶梯）式的热力分布图形第900秒时的热力分布图已经非常接近在上面讲的稳态热力图.Viewing Temperature Change Versus Time（察看温度相对时间上的变化曲线）您将使用“探测”工具来得到指定位置的（温度时间曲线）:1. 在 COSMOSWorks 设计树, 通过双击图标激活瞬时研究中的“图解二”2. 在COSMSWorks结果菜单中单击“探测”图标.出现“探测”列表框.3. 单击图形中的任意点4. 单击“反应”.“反应图表”窗口出现，曲线图显示以温度为Y轴、时间阶梯为X轴的曲线曲线图显示大约在第20时间阶梯（600秒）已经基本达到稳态.5. 通过点击File, Close关闭“反应图表”窗口.6. 单击“关闭”来关闭“探测”列表框.保存分析结果并关闭装配体文件，您将在下一课用到这个文件.恭喜！您已经完成本课程