Thermische
FE-Simulation einer Elektronik-Leiterplatte
mit dem FEM-System MEANS V7 TEMPERATUR
2D-Netzgenerierung mit dem Abbildungsverfahren
Koordinaten durch 1000 dividieren
Erzeugung der Punktwärmequelle
Erzeugung der Konvektionsbelastung
Prospekt / Probe-Installation anfordern
Wie
groß ist die Temperaturverteilung bei einer Punkterwärmung von 1,5W wirksam
in
Teil 4 und mit einer Kühlung des Boards mit einer Konvektion von 5,5W/(m2*K)
und einer Umgebungstemperatur von 20°C.
Da das
Modell symmetrisch ist, reicht es ein Viertel zu vernetzen.
3D-Modell
2D-Netzgenerierung mit dem Abbildungsverfahren
Patchelement 1:
Wählen Sie zuerst mit dem Icon 
die CAD-Iconleiste:
und dannach das Icon 
um das erste
Polygon per Tastatur einzugeben:
Geben Sie zuerst den
Startpunkt ein: X =
0 Y = 0 Z = 0
Es folgend drei Endpunkte: X= 0.25 Y = 0 Z= 0
X
= 0.25 Y = 0.25 Z = 0
X = 0
Y = 0.25 Z = 0
Patchelement 2:
Wählen
Sie nun die Elementgruppe 2 und die Farbe blau aus um das zweite Polygon einzugeben:
Geben Sie zuerst den
Startpunkt ein: X = 0.25
Y = 0 Z = 0
Es folgend drei Endpunkte: X = 25 Y = 0 Z=
0
X =
25 Y = 0.25 Z = 0
X =
0.25 Y = 0.25 Z = 0
Patchelement 3:
Wählen Sie nun die Elementgruppe
3 und die Farbe rot aus um das dritte Polygon
einzugeben.
Geben Sie zuerst den
Startpunkt ein: X = 0.25
Y = 0 Z = 0
Es folgend drei Endpunkte: X= 25 Y = 0 Z =
0
X =
25 Y = 0.25 Z =
0
X =
0.25 Y = 0.25 Z =
0
Patchelement 4:
Wählen
Sie nun die Elementgruppe 4 und die Farbe grün aus um das vierte Polygon einzugeben.
Geben Sie zuerst den
Startpunkt ein: X = 0
Y = 0.25 Z = 0
Es folgend drei Endpunkte: X= 0.25 Y = 0.25 Z =
0
X = 0.25
Y = 25 Z =
0
X = 0 Y = 25
Z = 0
Folgendes Linienmodell sollte jetzt
dargestellt werden:
2D-Netzgenerierung
Beim nächsten Schritt wird aus dem
Linienmodell ein 2D-Netz mit QUA4S-Rechteck-elementen erzeugt.
Wählen Sie dazu
das Icon 
um die Netz-Iconleise anzuzeigen.
Wählen Sie den Abbildungs-Netzgenerator und
stellen den Elementtyp QUA4S und die Elementdichte 1.5 ein.
Wählen Sie „Netz generieren „ um ein 2D-Netz
bestehend aus 25 Knotenpunkten und
16 QUA4S-Elementen zu erzeugen.
Verschiebung der Knotenpunkte
Jetzt wird die zweite, dritte und vierte
Knotenreihe auf den X-Wert „3“, „15“ und „50“ verschoben.
Vierte Knotenreihe verschieben
Wählen Sie dazu das Icon 
um die Manipulations-Iconleiste darzustellen
und das Icon 
um
einen Koordinaten-Abschnitt zu versetzen
und ziehen einen Rechteck über die vierte Knotenreihe.
Die selektierten Knoten werden in die Select
Box geschrieben, dort „Erzeugen“ anklicken und
in der nächsten Dialogbox den
Faktor „ersetzen“ in „X-Richtung“ und „50“ einstellen.
Zweite und dritte Knotenreihe verschieben
Auf gleiche Weise wird die zweite und dritte
Knotenreihe auf die X-Werte „3“ und „22“ verschoben.
Folgende Struktur sollte nun dargestellt
werden:
Zweite Knotenreihe verschieben
Wählen Sie wieder Manipulations-Icon um einen Koordinaten-Abschnitt zu versetzen und
ziehen einen Rechteck über die zweite Knotenreihe.
Die selektierten Knoten werden in die Select Box geschrieben, dort „Erzeugen“ anklicken und in der
nächsten Dialogbox den
Faktor „ersetzen“ in „Y-Richtung“ und „3“ einstellen.
Dritte und vierte Knotenreihe verschieben
Auf gleiche Weise wird die dritte und vierte
Knotenreihe auf die Y-Werte „15“ und „50“ verschoben.
Als Ergebnis erhält ein 2D-Netz bestehend aus
25 Knotenpunkte und 16 QUA4S-Elementen.
Es folgt eine Netz-Verfeinerung mit dem Icon 
um die Manipulations-Iconleiste darzustellen
und das Icon 
um ein QUA4S-Rechteck in 4 kleinere
QUA4S-Rechtecke umzuwandeln. Die Netz-Verfeinerung wird zweimal durchgeführt
bis ein 2D-Netz mit
289 Knotenpunkten und 256 QUA4S-Elementen
entsteht.
Netz-Verfeinerung Nr. 1
Netz-Verfeinerung Nr. 2
Der nächste Schritt ist eine Z-Erhebung des
2D-Netzes mit QUA4S-Elementen zu einem 3D-Netz mit HEX8-Volumenelementen.
Wählen Sie das Icon 
um die Netzgenerierungs-Iconleiste
darzustellen und das Icon 
für eine Z-Erhebung zu einem Volumenmodell.
Geben Sie in der nächsten Dialogbox die Netzdichte von „5“ und die Z-Erhebung
von „5“ ein.
Es entsteht ein 3D-Netz mit 1445 Knotenpunkten
und 1024 HEX8-Volumenelementen.
Elementgruppe 2 erzeugen und ausblenden
Schalten Sie in die 2D-Ansicht und rufen mit dem Icon 
die Elementgruppen-Iconleiste auf. Hier kann
man die Elementgruppen-Farbe durch Anklicken des Farbkastens einstellen. Wählen
Sie für Elementgruppe 1 die Farbe hellblau und für 2 die Farbe rot, dannach auf
den Button „Gruppe 2“ klicken und über den gezeigten Ausschnitt ein Reckteck
aufziehen.
Mit dem Menü „Elementgruppe selektieren“
können die Elementgruppen dargestellt und ausgeblendet werden. Geben Sie eine
„1“ ein um nur die Elementgruppe 1 darzustellen.
Elementreihen löschen
Stellen Sie mit dem Icon 
die Vorderansicht ein und wählen in der
Manipulations-Iconleiste das Icon 
zum Löschen. Jetzt wird über die oberen beiden
Elementreihen ein Rechteck aufgezogen um diese zu löschen.
Nach dem Löschen muß die Knoten-Überprüfung
für „kleine Strukturen“ durchgeführt werden und es entsteht eine neues Modell
mit 917 Knotenpunkten und 544 HEX8-Volumenelementen. Jetzt wieder alle
Elementgruppen aktivieren und auf „3D“
klicken.
Zum Schluß müssen noch 4 Knotenreihen auf
einen anderen Z-Wert verschoben werden.
Zweite Knotenreihe verschieben
Dazu bitte mit dem Manipulations-Icon 
ein Rechteck über der zweiten Knotenreihe
aufziehen.
und in der folgenden Dialogbox „ersetzen“ und
einen Z-Faktor von „0.1“ einstellen.
Dritte Knotenreihe verschieben
Genau wie oben beschrieben bitte auf den
Z-Wert von „1.1“ verschieben.
Vierte Knotenreihe verschieben
Genau wie oben beschrieben bitte auf den
Z-Wert von „1.2“ verschieben.
Fünfte Knotenreihe verschieben
Genau wie oben beschrieben bitte auf den
Z-Wert von „1.5“ verschieben.
Koordinaten durch 1000 dividieren
Zum Schluß müssen alle
917 Knotenkoordinaten durch den Faktor 1000 dividiert werden.
Dazu wählen Sie das
Menü „FEM-Projekt bearbeiten“, „Knotenkoordinaten“ und „Faktor“ und stellen
„dividieren“ und den Koordinaten-Faktor „1000“ ein.
Schalten Sie jetzt mit dem Icon 
auf die Ansicht „von vorne“.
Wählen Sie mit dem Icon 
die Elementgruppen-Iconleiste.
Klicken Sie auf die Rechtecke und geben den Elementgruppen 1 – 4 die Farbe „Zyan“,
„Rot“, „Grün“ und „Blau“.
Elementgruppe 2
Klicken Sie auf den Button „Gruppe 2“ und
markieren folgendes Rechteck über dem Modell.
Wählen Sie in der Select-Box „Erzeugen“ um die Elementgruppe 2 zu erzeugen.
Elementgruppe 3
Zoomen Sie zuerst mit dem Icon den Modellausschnitt auf den Bildschirm. Wählen Sie „Gruppe 3“
und
markieren folgendes Rechteck:
Elementgruppe 4
Markieren Sie den
oberen Bereich mit der Elementgruppe 4.
Eingabe der Materialdaten
Es werden im Menü
„FEM-Projekt bearbeiten“ und „Materialdaten“ die Wärmeleitfähig-keiten der 4
Elementgruppen eingeben.
Erzeugung der Punktwärmequelle
Eine Wärmequelle von 1.5 W am Knotenpunkt 885 muß eingegeben werden. Dazu wählen Sie
das Icon 
. Es erscheint eine Dialogbox für alle
Temperaturlasten wie Punkt-, Flächen- und
Volumenquelle oder Konvektionen.
Wählen Sie bitte den Button „Punktquelle an Knoten 2 in Watt“ und geben Sie eine Punktquelle von 1.5 W für
Lastfall 1 ein und klicken Sie auf den Knoten 896 der ein Eckpunkt von der Elementgruppe Chip ist. Dannach
bestätigen Sie in der Select-Box mit
„Erzeugen“ die Eingabe.
Erzeugung der Konvektionsbelastung
Das Leiterplatten-Board
wird durch eine thermische Konvektion an seiner Unter- und Oberseite gekühlt.
Klicken Sie zuerst wieder
das Icon an und wählen Sie in der Dialogbox den
Button „Konvektion
an Fläche“ und geben Sie den Konvektionskoeffizienten 5.5 W/(m2K) und die Umgebungstemperatur
von 20 Grad für Lastfall 2 ein.
Wählen Sie „Markieren
Sie einen Ausschnitt“ und erzeugen mit 
das Flächenmodell.
Klicken Sie jetzt die Fläche „7“ und die Fläche „4“ an. Diese werden in der Select-Box angezeigt und
müssen mit „Erzeugen“ bestätigt werden.
FEM-Analyse starten
Das Modell ist jetzt komplett erstellt und kann mit dem Menü „FEM-Analyse“ und „FEM-Analye starten“
berechnet werden, vorher sollte das Modell aber noch mit 
unter einem beliebigen Namen abgespeichert
werden.
Starten Sie mit Schritt 1 die FEM-Analyse und
anschließend mit Schritt 2 die Auswertung.
Kontrollieren Sie stets die Statusmeldungen des Solvers. Viele Eingabefelder können Sie hier
problemlos erkennen (z.B. falsche Zuordnungen von Elementen zu den Elementgruppen oder
falsche Abmessungen Ihres Modells, dann stimmt das Strukturverhalten und die Strukturmasse
nicht. In unserem Beispiel ist die Strukturmasse Null, da wir die Material-eigenschaft „Dichte“ nicht
eingegeben haben).
Ergebnisauswertung
Nach der FEM-Analyse kann
die berechnete Temperaturverteilung mit dem Icon 
darge- stellt werden.
Mit dem Menü
„Farbstufen einstellen“ wählen Sie bitte „Regenbogen 32“ aus damit die Legende mit 32 Farben dargestellt wird.
Die Temperaturverteilung im gesamten und gezoomten
Modell haben folgendes Aussehen:
