基于Pro/E和ANSYS的LED燈熱設(shè)計

程筱軍，李菊華

(杭州電子科技大學電子信息學院，浙江杭州310018)

0 引言

發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)是21世紀最具發(fā)展前景的一種新型冷光源。LED的發(fā)光機理是靠PN結(jié)中的電子在能帶間躍遷產(chǎn)生光能，芯片會有發(fā)熱現(xiàn)象，特別是大功率LED，使用多個LED組裝成一個模組，散熱量大大增加［1］。目前LED只有15% －20%能量轉(zhuǎn)化為光能，剩余80% －85%的能量都轉(zhuǎn)化為熱能［2］。因此，如何使這些熱能以最短的路徑，最快速的方法，并且最大化的散發(fā)出去成了關(guān)鍵問題之一。目前主要采用ANSYS進行熱分析，但由于ANSYS對復(fù)雜模型的建模能力不強，而LED為了增強散熱能力外型一般較為復(fù)雜，在ANSYS中建模將化費大量時間［3］。Pro/E是美國參數(shù)技術(shù)公司旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件，具有強大的建模功能，完成復(fù)雜模型的創(chuàng)建，更重要的是還可以充分利用已有的三維模型，而不必花大量的時間和精力重復(fù)建模。因此，已有文獻報道采用Pro/E中建模然后在ANSYS中進仿真，但他們使用初始化圖形交換規(guī)范IGES為中間形式，將Pro/E所建模型轉(zhuǎn)化到ANSYS中，這種方法面對復(fù)雜的模型，在導(dǎo)入到ANSYS中后會產(chǎn)生部分曲面丟失和破損現(xiàn)象，導(dǎo)致模型信息的不完整，從而影響熱分析結(jié)果的準確性［4］。本文通過Pro/E與ANSYS的接口設(shè)置，使兩者無縫連接，從Pro/E界面直接轉(zhuǎn)化到ANSYS界面，保證了模型的完整性。

1 Pro/E與ANSYS聯(lián)合仿真

ANSYS在默認的狀態(tài)下是不能直接將Pro/E的*.prt文件直接轉(zhuǎn)化的，但可以通過接口模塊實現(xiàn)在Pro/E的菜單欄中直接選擇ANSYS12.0菜單項將模型數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換到ANSYS，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換［5］。具體操作:打開ANSYS安裝程序樹下的CAD Configuration Manger進行設(shè)置。首先，選擇Pro/Engineer為CAD連接軟件，輸入Pro/E軟件的安裝目錄和開始命令。然后選擇連接所選CAD界面，直到提示連接成功后退出設(shè)置界面。以上配置后，實現(xiàn)了Pro/E和ANSYS的無縫連接，成功將LED燈具模型直接從Pro/E界面轉(zhuǎn)換到ANSYS。

2 不同功率LED燈熱分布仿真

熱的傳遞方式有熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對流。對大功率LED照明燈具而言熱傳導(dǎo)和熱對流起最主要的作用［6］。

2.1 ANSYS熱分析過程

2.1.1 前處理

(1)導(dǎo)入模型:通過ANSYS12.0－＞ANSYSGeom將Pro/E中建立模型直接轉(zhuǎn)換到ANSYS界面，如圖1所示。

(2)設(shè)置單元類型和材料屬性:選擇Pre-processor－＞Element Type，定義單元類型為SOLID90。選擇Pre-processor－＞Material Props－＞thermal－＞conductivity－＞ Isotropic，定義材料屬性(熱導(dǎo)系數(shù))，各參數(shù)如表1所示。

表1 LED燈具參數(shù)

(3)優(yōu)化模型:選擇Pre-processor－＞Modeling－＞Create－＞Volume優(yōu)化模型，建立不同功率的LED整燈的有限元模型。選擇Modeling－＞Operate－＞Booleans－＞Glue命令將模型中各個體的接觸面粘合，使整個模型成為一個連續(xù)體。

(4)網(wǎng)格劃分:選擇Meshing－＞mesh attributes－＞Picked volumes分配單元類型屬性，然后選擇Meshing－＞Mesh－＞Volumes－＞free，選擇picked all進行自由網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖1 轉(zhuǎn)換到ANSYS中模型

圖2 10W LED燈具模型的網(wǎng)格劃分

2.1.2 求解

(1)定義分析類型:Solution－＞Analysis Type－＞New Analysis，選擇靜態(tài)熱分析Steady-state。

(2)施加載荷:選擇Temperature選項，設(shè)置初始溫度為20℃，輸入對流系數(shù)4W/m2·k，輸入熱生成率0.007 962W/m3，即每個LED芯片功率的80%轉(zhuǎn)化成熱能。

(3)求解:Main Menu－＞Solution－＞Solve－＞Current LS，進行求解計算。

2.1.3 后處理

(1)讀取求解結(jié)果，使用通用后處理器post1進行后處理。

(2)本文采用比較直觀的彩色云圖顯示仿真結(jié)果。

2.2 溫度分布仿真結(jié)果

2.2.1 結(jié)果分析

本文在同一款散熱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上分別模擬仿真了1W，3W，5W，10W，13W，16W的LED燈具熱分布狀況。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 同款散熱結(jié)構(gòu)不同功率LED燈具熱仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知，隨著功率的增大，散熱量不斷增大，LED燈具的芯片結(jié)溫、散熱器溫度也隨之升高。本文設(shè)計的芯片分布效果可以看出，5W和10W的對稱分布，其溫度分布比較均勻，該種功率下這種芯片分布是較合理的。從芯片的最高溫度看，此款散熱結(jié)構(gòu)比較適合于10W以內(nèi)的LED燈，13W和16W的溫度有些偏高，散熱器外殼表面的溫度超過了65℃，16W的結(jié)溫已經(jīng)接近80℃。

2.2.2 芯片分布影響

以13W為例仿真分析芯片分布對LED燈具散熱的影響，其分布改為如圖4所示。從圖4中看出芯片分布密度相對于圖3(e)來說更加均勻，但溫度分布卻很不均勻，并且最高結(jié)溫也略高。如何充分利用散熱器的結(jié)構(gòu)使芯片的溫度達到均勻，需要進行認真的分析，并可以通過該仿真方法來進行分析。

圖4 13W燈具熱場分布

3 結(jié)束語

基于Pro/E強大的建模功能，ANSYS高效的熱分析功能，可以為LED燈具的散熱設(shè)計提供了有效的方法。對某種LED燈散熱器進行了在不同功率下的仿真，仿真結(jié)果表明該種散熱器的適合使用功率為10W以下。同時，對LED進行了不同的分布，表明合適的分布有利低LED芯片溫度。

［1］ 饒連江.基于ANSYS的LED燈具熱分析［J］.照明工程學報，2010，21(1):53－57.

［2］ Lin Ming-Tzer，Chang Chao-Chi，Horng Ray-Hua，et al.Heat dissipation performance for the application of light emitting diode［C］.Place:Rome Italy，2009:145 －149.

［3］ Sun Ya-zhong，Chen Zuo-bing.Data Interactive Technique in Pro/E and HyperMesh and ANSYS and its Application in Structural Analysis［C］.Place:Macau，2009:273 －276.

［4］ 宋娥，李世國.基于ANSYS的電熱產(chǎn)品熱場分析方法與應(yīng)用［J］.機械設(shè)計與制造，2005，(10):117－119.

［5］ 丁杰，榮智林.基于Pro/E和ANSYS的變流器柜體結(jié)構(gòu)分析［J］.變流技術(shù)與電力牽引，2008，(2):27－31.

［6］ 李鵬.發(fā)光二極管(LED)燈具的熱分析與散熱設(shè)計［J］.光源與照明，2008，(4):10－11.