Die Dokumentation beinhaltet die Beschreibung der Thermischen Simulation einer Elektronik-Leiterplatte mit der Finite-Elements-Software MEANS und dem Zusatzmodell Temperature.
Aus dem Inhalt:
Aufbau der Baugruppe;
3D-Modell;
Zusatzmodul TEMPERATURE;
Instationäre Temperaturfeldberechnungen;
Netzgenerierung mit dem Abbildungsverfahren;
2D-Netzgenerierung;
Verschiebung der Knotenpunkte;
Netz-Verfeinerung;
Z-Erhebung
Inhaltsverzeichnis
Thermische FE-Simulation einer Elektronik-Leiterplatte
Aufbau der Baugruppe
Zusatzmodul TEMPERATURE
Eingabe der Materialdaten
Erzeugung der Punktwärmequelle
Erzeugung der Konvektionsbelastung
FEM-Analyse starten
Ergebnisauswertung
OpenGL-Echtzeit-Postprozessor
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit dient als praxisorientierte Anleitung zur Durchführung einer thermischen Finite-Elemente-Analyse (FE-Simulation) einer Elektronik-Leiterplatte unter Verwendung des Programmsystems MEANS. Das primäre Ziel ist es, dem Anwender den Workflow von der Modellierung der Baugruppe über die Definition von Randbedingungen bis hin zur Auswertung der Temperaturverteilung in einem stationären oder instationären Zustand zu vermitteln.
- Struktureller Aufbau einer Elektronik-Baugruppe im FEM-Modell
- Definition thermischer Randbedingungen wie Punktwärmequellen und Konvektion
- Methodik der Netzgenerierung und lokalen Netzverfeinerung
- Durchführung instationärer Temperaturfeldberechnungen mit Zeitschrittsteuerung
- Visualisierung und Post-Processing der Ergebnisse mittels OpenGL
Auszug aus dem Buch
Zusatzmodul TEMPERATURE
Das Zusatzmodul MEANS-TEMPERATURE beinhaltet einen Modul zur stationären (eingeschwungenen) und instationären (transienten) Temperaturfeldberechnung. Dieser Modul kann auch zur Berechnung beliebiger Potentialprobleme (z.B. elektrisches Feld oder Sickerströmung) eingesetzt werden.
Alle verwendeten Finiten Elemente können folgende Randbedingungen verarbeiten:
• Vorgegebene Knotentemperaturvorgaben [K]
• Konvektion an allen Flächen [Watt/(m*m*K)]
• Punktquelle an Knoten [Watt]
• flächenhafte Wärmequellen an allen Flächen [Watt/(m*m)]
• volumenbezogene Wärmequellen [Watt/(m*m*m)]
Positive Flächenquellen oder Volumenquellen bedeuten dabei immer einen Wärmeeintrag in das Finite Element. Ein positiver Konvektionskoeffizient bedeutet eine Wärmeabgabe an die Umgebung, sofern die Umgebungstemperatur unter der zu berechnenden Temperatur des Finiten Elements liegt. Strahlung ist als Randbedingung nicht vorgesehen, da sie durch ihre Abhängigkeit von der vierten Potenz der Temperatur enorme Rechenzeitanstiege verursachen würde. Für viele technische Anwendungen ist es ausreichend, die Strahlung durch einen konvektiven Wärmeübergang anzunähern.
Zusammenfassung der Kapitel
Thermische FE-Simulation einer Elektronik-Leiterplatte: Einleitende Betrachtung des Simulationsszenarios inklusive der geometrischen Problemstellung und der symmetrischen Modellvereinfachung.
Aufbau der Baugruppe: Detaillierte Darstellung der geometrischen Komponenten und der spezifischen Materialeigenschaften zur Vorbereitung der Vernetzung.
Zusatzmodul TEMPERATURE: Erläuterung der funktionalen Möglichkeiten des Moduls zur stationären und instationären thermischen Analyse sowie der unterstützten physikalischen Randbedingungen.
Eingabe der Materialdaten: Anleitung zur Zuweisung thermischer Kennwerte an die verschiedenen Elementgruppen des FE-Modells.
Erzeugung der Punktwärmequelle: Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Definition lokaler Wärmelasten an spezifischen Knoten des Modells.
Erzeugung der Konvektionsbelastung: Beschreibung der Implementierung von Oberflächenkühlungseffekten basierend auf physikalischen Konvektionskoeffizienten.
FEM-Analyse starten: Prozessschritte zum Aufruf des Solvers und zur Überprüfung der Berechnungsstatusmeldungen auf Plausibilität.
Ergebnisauswertung: Visualisierung der berechneten Temperaturfelder unter Nutzung definierter Farbskalen zur besseren Lesbarkeit der Daten.
OpenGL-Echtzeit-Postprozessor: Einsatz der OpenGL-basierten Grafik zur räumlichen Auswertung und Animation von Simulationsdaten.
Schlüsselwörter
Finite-Elemente-Methode, FE-Simulation, Elektronik-Leiterplatte, Temperaturfeldberechnung, Wärmequelle, Konvektion, MEANS, Netzgenerierung, Instationäre Berechnung, Post-Processing, Wärmeleitfähigkeit, Strukturmechanik, Randbedingungen, OpenGL, Simulation.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit bietet eine technische Anleitung für die thermische Simulation einer elektronischen Baugruppe mittels des Programmsystems MEANS.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Schwerpunkte liegen auf der Netzgenerierung, der Anwendung thermischer Lasten wie Punktquellen und Konvektion sowie der Auswertung der Ergebnisse.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist die Berechnung der Temperaturverteilung auf einer Leiterplatte unter definierten Kühlungs- und Wärmeeintragsbedingungen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird die Finite-Elemente-Methode (FEM) zur numerischen Lösung der thermischen Feldgleichungen angewandt.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst den gesamten Workflow: vom Aufbau des 3D-Modells über die Netzgenerierung bis zur Analyse von stationären und transienten Temperaturzuständen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind FEM-Analyse, Wärmemanagement, Leiterplattensimulation, Konvektion und transiente Wärmeberechnung.
Wie geht das Programm mit instationären Berechnungen um?
Das Programm bietet eine automatische Zeitschrittweitenanpassung, um bei hoher Genauigkeit Rechenzeit zu sparen und den eingeschwungenen Zustand effizient zu erkennen.
Warum wird Strahlung im Modell vernachlässigt?
Aufgrund der mathematischen Abhängigkeit von der vierten Potenz der Temperatur würde Strahlung enorme Rechenzeitanstiege verursachen; sie wird stattdessen durch konvektive Terme angenähert.
- Arbeit zitieren
- Roland Schmidt (Autor:in), 2016, FEM-Temperaturanalyse mit Konvektion und Wärmequelle. Thermische Simulation einer Elektronik-Leiterplatte mit der Finite Elements Software MEANS, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/343354
