WS4晶体管瞬态热分析

19. 求解完成后, 进入通用后处理器并选择 Results Summary查看结果列表。 20. 读入载荷步2的数据序列 (t=300 秒)。 21. 只选择实体单元和节点。绘制节点温度结果 (PLNSOL) 并与手工结果相比较。 22. 使用 “Query Results” 功能定位最大和最小 节点温度。记录节点号码用于步骤25。
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例题 4 - 后处理(续)
25. 获取时间步长变量的极值 (EXTREM)。ANSYS是否减少了时 间步长?
26. 将时间步长乘以响应特征值计算振动极 限 (PROD)。绘制新变量(PLVAR)对时 间的曲线并 检查振动极限没有超过0.5 。
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例题 4 - 后处理 (续)
27. 绘制最大温度参数随时间的曲线。我们是 否满足设计要求?如果不是，在什么时间 不符合? 如果设计要求不符合，那么怎样改变系统设计 可以改善?
2. 所有部分在所有时间的最大操 作温度不能超过100C。
附录C中有ANSYS命令流文件
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例题4 - 基本说明
• 读入例题2中的晶体管模型。 • 指定瞬态分析选项并求解这些载荷步:
LS 1: 从介质温度开始，渐进施加载荷：冷却叶片用低速 (对流), 晶体管用低功率(热生成), 热流载荷(其它设备的辐 射)。(注: 在第一个载荷步，对流换热系数是阶跃施加的 。) LS 2: 在300秒之内所有载荷不变。 LS 3: 迅速将晶体管热生成载荷改变到高功率，冷却叶片 对流载荷到高速。 LS 4: 在900秒之内所有载荷不变。 LS 5: 关闭时间积分得到稳态解。
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例题 4 - 求解 (续)
18. 手工计算检验结果:
Using a lumped capacitance approach and assuming that loads are constant over the time interval, the transient mean temperature response of a system subjected to heat flux (q*) estimated over area AH, convection (h,T ) over area AC, and heat generation can beq with the following relationship (Ref. 1):
T ( t ) 50 44 . 14 1 e
( t / 376 . 65 )

Estimate the mean temperature of the system at the end of the second load step (t=300 seconds). Recall from 例题 2 that the high power steady state temperature was estimated using a similar approach to be 97.17 C.
如果有附加时间: 使用文本编辑器查看求解控制文件 (Jobname.mntr) 路径在工作路径中。也可以使用动画 功能对结果序列进行动画模拟。
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例题 4 - 结论
在例题 4中, 我们通过模拟晶体管的发热过程演示了瞬态热分析技术。特别的， 我们学会了如何 . . .
– – – – – 设置瞬态分析选项 使用多重载荷步方法*施加载荷 设置时间步控制 使用时间历程后处理器进行多载荷步结果后处理 使用手工计算检验结果
*
在本例中我们使用多重载荷步施加载荷。我们也可以使用单载荷步结合表格 载荷定义来完成同样的功能。这种方法对于处理复杂载荷相互作用有很大的优 点，在第6章中讨论。数据库存储为 “tabular.db” 在下面的例题中使用，演示 表格载荷输入。
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Reference: Incropera, F. P. and DeWitt, D. P.; Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Third Edition. John Wiley & Sons, 1990, pages 234-236.
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例题 4 - 后处理
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例题 4 - 求解 (续)
15. 改变标题为“LS 3 - High Power Load Ramp - 302 seconds”, 使用 SFSCALE命令将所有换热系数乘以系数1.7, 施加热生成20 W (BFA), 指 定结束时间为302秒, 求解载荷步。(注: SFSCALE命令只能直接施加载荷 在有限元模型上。因此，不能对施加在实体模型上的热流载荷进行比例操 作)。 16. 改变标题为“ LS 4 - High Power Operation - 900 seconds”, 指定结束 时间为900秒，求解载荷步。 17. 改变标题为“ LS 5 - High Power Operation - Steady State”, 指定结束 时间为1000秒，关闭自动时间步 (AUTOTS), 指定该载荷步为一个子步 (NSUB), 关闭时间积分 (TIMINT) 并求解载荷步。
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注:要知道特殊命令的用法和菜单项，请使 用HELP命令。
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例题 4 - 求解(续)
5. 施加热流在线上如前图 (SFL)。 6. 直接在平面效果单元上施加对流载荷。介质温度空白(SFE)。
7. 附加节点温度为50C (D)。 8. 使用符号检验所有施加的载荷 (/PBC, /PSF, /PBF)。 9. 所有实体每个时间步的所有求解结果写入结果文件 (OUTRES)。 10. 使用平均单元长度(d)0.015 m，和平均质量材料特性，由传导计算合理的起始积分时 间步长(DT) :
q* = 1500 W/m2
Symmetry
详细说明: 1. 指定工作文件名为“transient” 并从例题2 的 “transistor.db”中读入模型。 检查比热和密 度材料特性存在 (MPLIST)。 2. 进入求解器并指定为瞬态分析(ANTYPE) ，使 用full 方法(TRNOPT) ，自动迭代求解器精度 级别为5 (EQSLV)。 (注: 工况要满足全局传导矩
DT
Density Specific Thermal 3 (Kg/m ) Heat (J/Kg/C) Cond. (W /m/C) Transistor 3500 500 50 Isolator 8900 385 393 Heat Sink 2700 963 156 Mass Averaged 3254.8 871.7 163.3
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例题 4 - 后处理
23. “Select Everything” (ALLSEL)然后读入载荷步 4的结果序列 (t=900 秒)。生成响应结果列表 (PRRSOL)并将附加节点上响应热流速率与例题2 中计算的高频率稳态值相比较 。我们达到要求了 吗? 24. 进入时间历程后处理器，定义下列参数 (TIME 定 义为参数1): – 最大温度节点的温度 (NSOL) – 时间步长 (SOLU) – 一阶响应特征值 (SOLU)
d
2
where ,
K
c
0 . 25
Material Properties
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例题 4 - 求解(续)
11. 指定载荷步1的结束时间为 (TIME)并让自动时间步选为 “Program Chosen” (AUTOTS)。指定初始时间步长为前面计算的数值，最小时间步长为初始值/4, 最大 时间步长为60秒 (DELTIM)。我们不需要时间步太长，因为在每个时间点载荷变化 很大。载荷应是渐进的 (KBC)。 12. 考虑到兼顾准确性和稳定性，一阶瞬态积分参数设置为THETA = 0.75。设置振动极 限limit OSLM = 0.5公差TOL=0.1 (TINTP)。 13. 以文件名“tabular.db” 存储数据库(下一个练习会用到)。输入标题 “LS 1 Transistor Activation - 1 second” (/TITLE), 存储数据库为jobname.db, 并求解当 前载荷步 (SOLVE)。 14. 改变标题为 “ LS 2 - Low Power Operation - 300 seconds”,指定结束时间为300 秒 (TIME), 再次求解。
阵快速求解自动装配。)
冷却叶片的集中对流:
Low: h = 30 W/m2/C, T = 50 C High: h = 51 W/m2/C, T = 50 C
3. 4.
指定均匀初始温度为50 C (TUNIF)。 施加低功率(10 W)热生成载荷(BFA):
q P V 10 W (.02m .0075m .025m) 2 , 666 , 667 W m
例题 4
晶体管瞬态热分析
问题描述: 使用例题2中建立的晶体管模型 ，进行瞬态分析得到系统温度升 高时晶体管的瞬态行为。确认设 计要求是否满足。 设计要求:
1. 系统在高功率操作15分钟后要 达到稳态。
Copper isolator Transistor Aluminum heat sink
plane of symmetry
Load Magnitude
Heat Generation
Convection
300 302 900 SS 1
• 使用手工计算作检验。 • 后处理瞬态结果。
Heat Flux
S S

晶体管能量耗散:
10 W - 低功率, 20 W -高功率
热流用于模拟其它设备的辐射:
T ( t ) T b 1 e where ,
t /

q * A H q

Vc
hA C
b
Vc