CN103294867B - 一种基于有限元仿真分析的led灯具寿命快速预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于有限元仿真分析的LED灯具寿命快速预测方法。该方法的基本思想是结合有限元仿真分析及灯具表面温度测量，预测LED灯具结温，从而得到LED灯具寿命范围。首先，确定灯具尺寸、材料等参数，并在LED灯具上选择一个参考点。然后，有限元建模仿真分析灯具结温及温度分布，得到灯具结温与参考点温度的稳定关系。最后，在灯具工作稳定时测量参考点温度基础上，根据确定的LED结温与寿命的关系，推算出LED灯具的寿命范围。本发明的方法简单，避免了长时间的退化试验，大大缩短了评估周期；不但可以在可靠性寿命评估方面应用，也可以在LED照明灯具设计及改善方面具有很好的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及LED灯,尤其涉及一种基于有限元仿真分析的LED灯具寿命快速预测方法。
背景技术
LED作为全球最受瞩目的新一代光源，因其节能、环保、长寿命等突出优点，被称为是21世纪最有发展前景的绿色照明光源。2012年科技部发布了《半导体照明科技发展“十二五”专项规划》提出了产业规模达到5000亿元的目标。然而，LED照明产品的可靠性寿命评估问题是其进入通用照明的障碍。根据美国能源部门2011年的固态照明发展路线（[U.S.DepartmentofEnergy.Solid-StateLightingResearchandDevelopment.ManufacturingRoadmap.July2011]），一个合格的认证方案将要在2014年初才能出台。当前能源之星推荐使用6000小时的可靠性测试评估方法，这无疑是一种非常消耗时间的方法，不利于行业的快速发展。部分研究学者（[X.P.Li,L.Chen.AnapproachofLEDlampsystemlifetimeprediction.ICQR,2011],[M.Cai,D.G.Yang.AcceleratedTestingMethodofLEDLuminaries.EuroSimE,2012],[vanDrielWD,FanXJ.SolidStateLightingReliability:ComponentstoSystem.Springer,NewYork.2012]）对LED灯具的可靠性预测方法进行了初步探讨，但目前为止，依然缺少一种足够快速的LED灯具可靠性寿命评估方法。在LED灯具被设计或制造之前，LED灯珠或模组的测试数据（如LM80现有的测试数据库）已是现有的，而且结温和寿命的关系已经是确立的。从LED照明灯具的角度，如果能得到其结温（最大或平均值），便可以推算出LED灯具的寿命范围，从而避免对LED灯具产品进行可靠性加速退化试验。由此，探索一种能快速预测LED灯具结温进而得到其寿命的方法具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于有限元仿真分析的LED灯具寿命快速预测方法。该方法是结合有限元仿真分析及灯具表面温度测量，预测LED灯具结温，从而由结温与寿命的关系得到LED灯具寿命范围。
实现本发明目的的技术方案是：
一种基于有限元仿真分析的LED灯具寿命快速预测方法是：具体包括如下步骤：
1)确定LED灯具的各种尺寸参数、材料参数和发热功率；
2)确定使用的LED灯珠结温与寿命的函数关系；
3)在LED灯具散热器上，选定具有代表性温度参考点（测量点）；
4)建立LED灯具的有限元仿真分析模型，进行温度场仿真分析；
5)根据仿真结果，选定最具有代表性的LED灯珠，并得到该LED灯珠的结点和灯具参考点的温差随时间变化的曲线，记录该温差的稳定值；
6)在灯具工作条件下,点亮LED灯具2小时以上，保证灯具的温度分布充分稳定后，测量LED灯具参考点的稳定温度；
7)由公式，推算出LED灯具结温范围；
8)根据LED灯珠结温与寿命的关系，推算LED灯具寿命的范围，从而完成LED灯具寿命的快速预测。
所述有限元仿真分析方法是现有技术。
本发明的优点：
本发明的优点在于：从LED灯具系统的角度，结合有限元仿真技术及温度测量，预测LED灯具寿命范围，方法简单；通过加速试验数据外推寿命的方法，其避免了长时间的退化试验，大大缩短了评估周期；本发明不但可以在可靠性寿命评估方面应用，也可以在LED照明灯具设计及改善方面具有很好的实用价值。
附图说明：
图1本发明的方法流程图；
图2本发明实施例中样品外形结构示意图；
图3本发明实施例中LED灯珠的结温与其寿命的关系示意图；
图4本发明实施例中LED灯具有限元仿真分析的四分之一模型示意图；
图5本发明实施例中不同时刻的LED灯具温度分布结果示意图；
图6本发明实施例中LED灯珠结点和灯具参考点的温差变化仿真结果示意图；
图7本发明实施例中LED灯珠结点和灯具参考点的温差变化实际测量结果示意图；
具体实施方式：
下面将结合附图和实施例进一步对本发明作详细阐述。
本发明是一种基于有限元仿真分析的LED灯具寿命快速预测方法，流程如图1所示，具体实施过程如下：
1）本实施过程选取已商业化的11WLED室内照明射灯为例，图2为其外形结构，其各种材料参数如表1所示，同时，各LED灯珠发热功率为。本发明实施例中LED灯具各种材料的参数表见表1。
表1
| 材料参数 | 热传导系数W/(K*m) | 质量密度Kg/m3 | 比热容 J/（Kg*C） |
| LED光学透镜 | 0.16 | 1250 | 1700 |
| 硅胶 | 0.22 | 1200 | 1260 |
| 芯片 | 130 | 3965 | 730 |
| 芯片黏贴材料 | 57 | 7390 | 217 |
| FR4 | 4 | 1100 | 1085 |
| 铜 | 400 | 8950 | 390 |
| 散热器（铝） | 237 | 2700 | 880 |
| 驱动填充材料 | 0.68 | 1550 | 1230 |
| 导热胶 | 1.8 | 3180 | 1239.29 |
2）根据LED灯具使用的LED灯珠来源，确定LED灯珠结温与其寿命的函数关系，如图3所示。
3）在LED灯具散热器上选定具有代表性温度参考点（测量点），如图2标示的点。
4）在现有的有限元分析技术软件（本实施例使用ANSYS软件））中，利用确定的尺寸参数，建立LED灯具的有限元仿真分析模型，如图4所示的四分之一模型。该四分之一分析模型是按照灯具的结构尺寸和材料参数建立的，模型中包括：PC透镜、LED芯片、金属基板、散热器、驱动、驱动外壳以及导热灌封胶。建模仿真分析步骤为：①用软件按灯具的结构建立几何模型并划分好网格，同时加载如表1的相关材料参数；②定义环境温度和各LED芯片的发热功率以及灯具散热器和外壳上的对流散热系数，并进行瞬态热传导仿真分析；③进入软件后处理即可观测到不同时刻的温度分布结果（如图5所示）。
5）根据仿真结果，选定最具有代表性的LED灯珠（在所有灯珠中其结温最高，如图4已经标示Tj的LED灯珠），并得到该LED灯珠结点和灯具参考点的温差随时间变化的曲线，如图6所示，记录该温差的稳定值。研究表明，对任一个选定的灯具，温差和时间是一个稳定的函数关系，与灯具工作环境无关。
6）在室温条件下（灯具的工作环境）,点亮LED灯具2小时以上，保证灯具的温度分布充分稳定后，测量LED灯具参考点上的稳定温度。
7）由公式，推算出LED灯具结温。本实施例为分析该预测结温的误差，结合热阻测试等方法进行了验证测试，得到了LED灯具真实结温的变化曲线，如图7所示。可以看到，实际的温差和有限元仿真得到的温差在达到稳定的时间和平衡的温差量上存在差异，其主要原因是由尺寸、材料等参数误差引起的。研究表明本发明方法推算出来的LED灯具结温误差范围是。因此，本实施例的LED灯具结温范围约为。
8）根据如图3的LED灯珠结温与寿命的关系，便可以推算LED灯具的寿命的范围为38990-45100小时（该寿命范围与产品的标称寿命45000吻合）。从而完成基于有限元仿真分析的LED灯具寿命的快速预测。
Claims (1)
1.一种基于有限元仿真分析的LED灯具寿命快速预测方法，其特征是：
包括如下步骤：
1)确定LED灯具的各种尺寸参数、材料参数和发热功率；
2)确定使用的LED灯珠结温与寿命的函数关系Φ(Tj，Lf)；
3)在LED灯具散热器上，选定具有代表性温度参考点；
4)建立LED灯具的有限元仿真分析模型，进行温度场仿真分析；
5)由仿真结果，选定最具有代表性的LED灯珠，并得到该LED灯珠的结点和灯具参考点的温差随时间变化的曲线，记录该温差的稳定值Ts；
6)在LED灯具工作条件下,点亮LED灯具2小时以上，使灯具的温度分布充分稳定后，测量LED灯具参考点的稳定温度Tout；
7)由公式Tj＝Tout+Ts，推算出LED灯具结温Tj范围，式中Tj为LED灯珠的结点温度值；Tout为灯具参考点的温度值；Ts为LED灯珠结点和灯具参考点的稳定温差值；
8)根据LED灯珠结温与寿命的关系Φ(Tj，Lf)，推算LED灯具寿命Lf的范围，完成LED灯具寿命的快速预测；
所述的LED灯珠的结点和灯具参考点的温差，通过有限元瞬态热传导仿真分析得到，对任一个选定的灯具，该温差和时间是一个稳定的函数关系，与灯具工作环境无关。
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