CFX/ANSYS流固耦合热分析在某电路板上的应用与研究
本文以电路板、电路板上的电子元器件和周围的空气流体为研究对象，利用CFX和ANSYS两款软件的流固耦合联合求解热分析技术，对电路板通电发热过程中的散热、应力进行了计算与分析。获得了电路板上热应力、热变形大小，保障了电路板能够在规定的工作温度下正常工作。
1前言
高温对大多数电子元器件将产生严重的影响，它会导致电子元器件的失效，热应力容易使元器件过早失效。电路板上热应力的存在是电子设备工作过程中的普遍现象。无论采取什么方式的散热手段，只要电路板存在着功率器件，在热力耦合的作用下电路板都有一定的热应力。严重的应力会导致电路板破裂、脱落或者使电路基板发生形变，直接影响电路板的电学性能。
某电路板的工作温度为27℃，电路板的发热器件多，体积小，功率密度较大，必须对其进行热设计和热应力分析计算。
基于CFX/ANSYS两款软件的流固耦合热分析技术可以处理复杂的含有流体和固体的研究对象。CFX/ANSYS流固耦合技术将系统的流体和固体部分分开，分别用CFX软件计算流体区域，用ANSYS计算固体区域。流体和固体之间的相互作用，分别作为流体软件和固体软件的边界条件进行施加，达到模拟被研究对象的流场－温度场－应力场的目的。
本文以电路板、电路板上的电子元器件和周围的空气流体为研究对象，利用CFX和ANSYS两款软件的流固耦合联合求解热分析技术，对电路板通电发热过程中的散热、温升、热应力进行了计算与分析，获得了电路板上热应力、热变形大小和分析情况，保障了电路板能够在规定的工作温度下正常工作。
2模型描述与理论分析
电路板、电路板上的电子元器件和周围的空气流体为本文的研究对象。电路板上的电子元器件通电发热，热量通过空气对流，传导等方式进行传递，引起电路板、电子元器件的温度变化，进而产生了热应力。
空气部分用CFX软件进行计算，固体部分用ANSYS进行计算。它们之间的交接面有热量和温度的载荷传递。
CFX和ANSYS的联合耦合计算过程如下示意图所示。
3模型建立
某电路板结构主要由电路板基板、电源模块、运放、功率管、三极管等组成。电源模块、运放、功率管、三极管均布置在基板上，其详细装配如下图2所示。
3.1模型基本条件
电路板上元器件发热，基板上的四个圆洞为安装螺钉固定面。初始温度为室温27℃的电路板，放置在27℃的大空间中，通电后的热应力情况。
计算域：电路板两倍高度的立体空间
计算时间：3600秒
流动条件：自然对流
耦合情况：电路板通电后元器件发热，由此产生自然对流换热。元器件以及电路板基板温度随时间变化，其内部将会产生热应力。
3.2网格划分及有限元模型
将CAD模型文件导入到ICEM前处理软件中去，进行网格划分。空气域的网格图和固体表面的网格图如下图3和图4所示。
CFX模型如下图5所示，ANSYS模型如下图6所示。
3.3热分析参数
电路板上的元器件发热功率如下表1所示。
电路板上的各个部件材料参数如下表2所示。
3.4耦合面设置
两款软件的流固耦合联合计算需要分别在两款软件中进行分别设置。在CFX流体软件中，需要在交互面上设置热流和温度的载荷传递，如下图7所示。在ANSYS固体软件中，需要激活MFX模式，设置耦合时间的控制、迭代次数等，如下图8所示。
4计算结果
环境温度为27℃，自然对流环境。元器件发热功率如表1所示，分析各电路板的温度。
图9～图10分别给出了http://www.huisheliren.com/zsjm/电路板基板、电源模块、运放、功率管、三极管板的温度分布云图。可见环境温度27℃，经过3600秒后，电路板上电源模块的温度为49℃，三级管的温度为52℃。
电路板基板、电源模块、运放、功率管、三极管板的应力分布云图如下图11～图12所示，应力集中在电路板的安装螺钉位置，需要注意。
电路板基板、电源模块、运放、功率管、三极管板的网格变形分布云图如下图13～图14所示，最大位移量是3.233×10^-5米，属于可以材料接受的范围。
截面的空气流动矢量云图，如下图15所示。
5结论
本文对流场—温度场—应力场耦合方法进行了研究，并实现了使用ANSYSMultiPhysics联合CFX软件联合求解进行流-固-热耦合计算的过程。
通过对电路板进行流固耦合热分析瞬态计算，获得了不同时刻电路板上热应力、热变形大小和分析情况，并给出了应力集中的位置，为电路板的正常工作提供了保障，也为电路板下一步改进设计提供参考和依据，同时本文对于其它流固耦合类似的热环境仿真分析也有很好的借鉴作用。
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