ANSYS摄像头工作时温度场和位移场的有限元分析和优化设计(5)

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（1）得到温度场的分布；

（2）得到位移场的分布；

（3）得到应力场的分布；

（4）根据计算结果得到优化布置PCB基板上芯片与电源的方案。

2 基本理论和方法

2.1 温度应力

当弹性体的温度有所改变时，它的每一部分一般都将由于温度的升高或降低而趋于膨胀或收缩。但是，由于弹性体所受的外在约束，以及各个部分之间的相互约束，这种膨胀或收缩并不能自主地发生，于是就产生应力，即所谓变温应力。近年来，变温应力已趋于被改称为温度应力[7]。为了确定物体内的温度应力，须进行两方面的计算：（1）按照“热传导理论”，根据弹性体的热血性质、内部热源、初始条件和边界条件，计算弹性体内各点在各瞬时的温度，即所谓“确定温度场”，而前后两个温度场之差就是弹性体的变温。（2）按照“热弹性力学”，根据弹性体的变温来求出体内各点的温度应力，即所谓“确定应力场”。

一个基于ANSYS的热应力问题的典型分析过程如下：

（1）导入几何模型（Geometry）

（2）稳态热分析（Steady-State Thermal）

（3）瞬态热分析（Transient Thermal）

（4）瞬态动力学分析（Transient Structural(ANSYS)）[8,9]

2.2 稳态热分析

如果系统的净流率为0，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量：，则系统热稳态。在稳态热分析中，任一节点的温度不随时间变化。稳态热分析的能量平衡方程为（以矩阵形式表示）：

（2.1）

式中：为传导矩阵，包含热系数、对流系数及辐射和形状系数；为节点温度向量；为节点热流率向量，包括热生成[11]。

ANSYS可利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件，生成，以及。来~自^751论+文.网www.751com.cn/

2.3 瞬态热分析

瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。根据能量守恒定律，瞬态热平衡可以表达为（以矩阵形式表示）：

（2.2）

式中：为传导矩阵，包含热系数、对流系数及辐射和形状系数；为比热容矩阵，考虑系统内能的增加；为节点温度向量；为温度对时间的导数；为节点热流率向量，包括热生成[18]。

2.4 瞬态动力学

瞬态动力学分析（亦称时间历程分析）是用于确定承受任意随时间变化载荷结构的动力学响应的一种方法。可以用瞬态动力学分析确定结构在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随时间变化的位移、应变、应力及力。载荷和时间的相关性使得惯性力和阻尼作用比较重要。如果惯性力和阻尼作用不重要，就可以用静力学分析代替瞬态分析。