CN109033550A - 一种水田底盘电动助力转向系统控制器的电子元器件散热优化方法 - Google Patents

一种水田底盘电动助力转向系统控制器的电子元器件散热优化方法 Download PDF

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吕清涛
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Abstract

本发明涉及一种水田底盘电动助力转向系统控制器的电子元器件散热优化方法，获取最初控制器中所有部件的材料属性与参数；利用有限元法二次开发技术编写程序实现以下步骤：建立控制器三维模型；施加材料属性；对三维模型做有限元网格划分，获得有限元模型；施加边界条件与生热率；对控制器有限元模型做计算并得到热分析结果。然后，判断控制器中的电子元器件热分析结果是否符合预设条件，如果符合，则结束，如果不符合，则更改程序中的电子元器件位置，对设计方案进行优化。本发明解决了传统散热优化分析中针对不同优化方案重复建模引起的重复工作和建模误差，缩短了散热优化分析时间，并提高了分析精度，属于电动助力转向系统技术领域。

Description

一种水田底盘电动助力转向系统控制器的电子元器件散热优 化方法
技术领域
本发明涉及电动助力转向系统技术领域，具体涉及一种水田底盘电动助力转向系统控制器的电子元器件散热优化方法。
背景技术
随着全球能源需求日益紧张，现代汽车、与工业技术逐渐以追求高效节能为目标。作为转向系统中的主要组成部分，电动助力转向系统以节能、环保，安装方便、安全等优点，迅速得到广泛应用。
电动助力转向系统主要包括控制器、电机、传感器与减速机构等。而控制器是电动助力转向系统的核心部件，主要用于控制整个转向系统的扭矩输出，其安全性与稳定性对整个转向系统有直接影响。控制器的散热性能是影响其正常工作和使用寿命的关键，但现在国内外主要关注控制器的设计与开发，散热系统的热管理与优化主要通过改变控制器的底座和外壳，不断重新建立模型得出不同的分析结果后再做优化。
通过对现有技术研究，申请人发现现有技术存在以下问题：
对于更改控制器底座和外壳来说，通过散热优化，只能做到尽量降低发热元器件最高温度，并不能实现控制器的均匀散热。
散热优化时，重复建模引起的重复工作，不仅浪费很多时间，而且会引入建模误差。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种无需重复建模就能够得到优化分析结果的水田底盘电动助力转向系统控制器的电子元器件散热优化方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种水田底盘电动助力转向系统控制器的电子元器件散热优化方法，包括如下步骤：步骤S101：从控制器布置图获取控制器底座、外壳的材料属性及控制器内部PCB板、电子元器件的参数；步骤S102：根据S101获取的参数，利用有限元软件中的二次开发技术编写程序对控制器底座、外壳、PCB板与电子元器件建立三维几何模型；步骤S103：利用有限元软件中的二次开发技术编写程序将步骤S102的三维几何模型进行有限元网格划分，使有限元网格模型的参数与控制器底座、外壳、PCB板、电子元器件的参数相匹配，得到控制器的有限元网格模型；步骤S104：利用有限元软件中的二次开发技术编写程序对有限元网格模型进行热分析，得到控制器内部电子元器件的分析结果；步骤S105：判断控制器的电子元器件热分析结果是否符合预设条件，如果否，进入步骤S106；如果是，则结束；步骤S106：更改有限元软件二次开发程序中电子元器件的位置参数，从而对设计方案进行优化，返回步骤S104重新计算。
作为一种优选，步骤S101中，PCB板、电子元器件的参数包括PCB板、微处理器、电阻、电容、继电器、场效应管的几何尺寸、初始温度、热力学属性和工作时的生热率。采用这种方法后，获得控制器的基本初始数据，为下一步的分析计算做准备。
作为一种优选，步骤S102中，电子元器件包括微处理器、电阻、电容、继电器、场效应管；S101获取的参数指几何尺寸。采用这种方法后，确定所有电子元器件的类型与数量。获取几何尺寸用于建立三维几何模型。
作为一种优选，步骤S103中，电子元器件包括微处理器、电阻、电容、继电器、场效应管，参数指材料属性、热力学属性和生热率。采用这种方法后，确定所有电子元器件的类型与数量。将此参数附加到对应的有限单元属性上，划分有限元网格时，不同属性有限单元对应相应的控制器底座、外壳、PCB板、电子元器件。
作为一种优选，步骤S104中，电子元器件包括微处理器、电阻、电容、继电器、场效应管，分析结果为温度场分布云图和最高温度值。采用这种方法后，确定所有电子元器件的类型与数量。明确分析结果是可显示电子元器件温度分布状况的云图，获得电子元器件最高温度值和位置。
作为一种优选，步骤S105中，电子元器件为微处理器、电阻、电容、继电器、场效应管；步骤S105的判断方法为：通过控制器内电子元器件的温度场云图，计算温度场的温差大小，并将计算得到的温差值与预设条件进行对比；同时通过控制器内的温度场云图获得元器件的最高温度值，将得到的最高温度值与预设条件进行对比；当温差值和最高温度值均在预设范围内，则符合预设条件，当温差值或最高温度值超出了预设范围，则不符合预设条件。采用这种方法后，确定所有电子元器件的类型与数量。用于判断分析结果是否符合预设条件。
作为一种优选，步骤S106中，电子元器件为微处理器、电阻、电容、继电器、场效应管。采用这种方法后，确定所有电子元器件的类型与数量。对设计方案进行优化指的是通过更改不同电子元器件的位置,调整散热效果,使电子元器件的温差和最高温度值不超过预设范围内。
作为一种优选，采用ANSYS软件中的APDL语言的二次开发工具。
总的说来，本发明具有如下优点：
1.该方法成功地利用有限元法二次开发技术实现了通过编写程序建立控制器中底座、外壳、PCB板和电子元器件的三维几何模型，建立了有限元单元，并施加了边界条件，计算热分析结果。这种方法实现了分析流程简化，并便于保存和更改。
2.该方法成功地利用有限元法二次开发技术，通过修改程序中的电子元器件位置的初始值，避免了传统热分析中针对不同元器件位置重复建模引起的重复工作和建模误差，缩短了散热优化分析时间，并提高了分析精度。
附图说明
图1为本发明的工作流程图。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，一种水田底盘电动助力转向系统控制器的电子元器件散热优化方法，包括以下步骤：
步骤S101：获取控制器底座、外壳的材料属性及其内部PCB板、微处理器、电阻、电容、继电器、场效应管的参数。
步骤S101中，参数包括：PCB板、微处理器、电阻、电容、继电器、场效应管的几何尺寸、初始温度、热力学属性和工作时的生热率。
步骤S102：根据S101获取的参数，利用有限元软件中的二次开发技术编写程序对控制器底座、外壳、PCB板与电子元器件建立三维几何模型。
步骤S103：利用有限元软件中的二次开发技术编写程序将步骤S102的三维模型进行有限元网格划分，使有限元网格模型的参数与控制器底座、外壳、PCB板、电子元器件的参数相匹配，得到控制器的有限元网格模型(选择自由网格划分，因为电子元器件的尺寸与底座、外壳PCB板等相差较大，如果使用相同的网格大小，会易导致有限元网格模型计算出现不收敛的情况)。
对控制器底座与外壳、PCB板和微处理器、电阻、电容、继电器的有限元网格进行边界条件和初始条件约束，其中包括：材料属性、初始温度、对流换热系数(施加在有限元网格外表面)、导热系数。因为控制器中的场效应管是主要的发热元件，所以对其进行边界条件和初始条件约束，其中包括：材料属性、初始温度、生热率。最后得到控制器的有限元网格模型。
步骤S104：利用有限元软件中的二次开发技术编写程序对有限元网格模型进行热分析，得到控制器内部电子元器件的分析结果。
热分析具体方法为：将得到的有限元网格模型导入到热分析求解器中进行求解，得到控制器中电子元器件的热分析结果及温度分布云图，最高温度值和位置。
步骤S105：判断控制器中电子元器件的热分析结果是否符合预设条件，如果否，进入步骤S106；如果是，则结束。
得到控制器中电子元器件的温度场云图和最高温度值后，计算该控制器各电子元器件间的温差大小，并将得到的温差大小与预设条件进行对比，这里所说的预设条件一般为通用的行业标准；将得到的最高温度值与预设条件进行对比，这里的最高温度值一般是由发热元器件场效应管产生，预设条件可由此场效应管对应的说明书中允许的最高工作温度查得。
当计算得到的温差大小或最高温度值在预设要求范围内，即该控制器设计合理，结束步骤；当计算的温差大小或者最高温度值超出预设要求，则该设计方案存在问题，需要更改设计。
步骤S106：更改有限元软件二次开发程序中电子元器件的位置参数，从而对设计方案进行优化，返回步骤S104重新计算。
本实施例中，采用ANSYS软件中的APDL语言的二次开发工具，编写有限元分析程序，程序内容包含：对控制器所有部件建立三维几何模型，建立有限单元模型，施加边界条件，计算热分析模型并得出分析结果。另外，将热分析的结果导入到Excel文件中，与预设的温差范围和预设的最高温度值相比较，判断是否达到设计要求。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种水田底盘电动助力转向系统控制器的电子元器件散热优化方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S101：从控制器布置图获取控制器底座、外壳的材料属性及控制器内部PCB板、电子元器件的参数；
步骤S102：根据S101获取的参数，利用有限元软件中的二次开发技术编写程序对控制器底座、外壳、PCB板与电子元器件建立三维几何模型；
步骤S103：利用有限元软件中的二次开发技术编写程序将步骤S102的三维几何模型进行有限元网格划分，使有限元网格模型的参数与控制器底座、外壳、PCB板、电子元器件的参数相匹配，得到控制器的有限元网格模型；
步骤S104：利用有限元软件中的二次开发技术编写程序对有限元网格模型进行热分析，得到控制器内部电子元器件的分析结果；
步骤S105：判断控制器的电子元器件热分析结果是否符合预设条件，如果否，进入步骤S106；如果是，则结束；
步骤S106：更改有限元软件二次开发程序中电子元器件的位置参数，从而对设计方案进行优化，返回步骤S104重新计算。
2.按照权利要求1所述的一种水田底盘电动助力转向系统控制器的电子元器件散热优化方法，其特征在于：步骤S101中，PCB板、电子元器件的参数包括PCB板、微处理器、电阻、电容、继电器、场效应管的几何尺寸、初始温度、热力学属性和工作时的生热率。
3.按照权利要求2所述的一种水田底盘电动助力转向系统控制器的电子元器件散热优化方法，其特征在于：步骤S102中，电子元器件包括微处理器、电阻、电容、继电器、场效应管；S101获取的参数指几何尺寸。
4.按照权利要求3所述的一种水田底盘电动助力转向系统控制器的电子元器件散热优化方法，其特征在于：步骤S103中，电子元器件包括微处理器、电阻、电容、继电器、场效应管，参数指材料属性、热力学属性和生热率。
5.按照权利要求4所述的一种水田底盘电动助力转向系统控制器的电子元器件散热优化方法，其特征在于：步骤S104中，电子元器件包括微处理器、电阻、电容、继电器、场效应管，分析结果为温度场分布云图和最高温度值。
6.按照权利要求5所述的一种水田底盘电动助力转向系统控制器的电子元器件散热优化方法，其特征在于：步骤S105中，电子元器件为微处理器、电阻、电容、继电器、场效应管；步骤S105的判断方法为：通过控制器内电子元器件的温度场云图，计算温度场的温差大小，并将计算得到的温差值与预设条件进行对比；同时通过控制器内的温度场云图获得元器件的最高温度值，将得到的最高温度值与预设条件进行对比；当温差值和最高温度值均在预设范围内，则符合预设条件，当温差值或最高温度值超出了预设范围，则不符合预设条件。
7.按照权利要求6所述的一种水田底盘电动助力转向系统控制器的电子元器件散热优化方法，其特征在于：步骤S106中，电子元器件为微处理器、电阻、电容、继电器、场效应管。
8.按照权利要求1所述的一种水田底盘电动助力转向系统控制器的电子元器件散热优化方法，其特征在于：采用ANSYS软件中的APDL语言的二次开发工具。
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