基于Pro/E和ANSYS的LED灯热设计

程筱军，李菊华

(杭州电子科技大学电子信息学院，浙江杭州310018)

0 引言

发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是21世纪最具发展前景的一种新型冷光源。LED的发光机理是靠PN结中的电子在能带间跃迁产生光能，芯片会有发热现象，特别是大功率LED，使用多个LED组装成一个模组，散热量大大增加［1］。目前LED只有15% －20%能量转化为光能，剩余80% －85%的能量都转化为热能［2］。因此，如何使这些热能以最短的路径，最快速的方法，并且最大化的散发出去成了关键问题之一。目前主要采用ANSYS进行热分析，但由于ANSYS对复杂模型的建模能力不强，而LED为了增强散热能力外型一般较为复杂，在ANSYS中建模将化费大量时间［3］。Pro/E是美国参数技术公司旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件，具有强大的建模功能，完成复杂模型的创建，更重要的是还可以充分利用已有的三维模型，而不必花大量的时间和精力重复建模。因此，已有文献报道采用Pro/E中建模然后在ANSYS中进仿真，但他们使用初始化图形交换规范IGES为中间形式，将Pro/E所建模型转化到ANSYS中，这种方法面对复杂的模型，在导入到ANSYS中后会产生部分曲面丢失和破损现象，导致模型信息的不完整，从而影响热分析结果的准确性［4］。本文通过Pro/E与ANSYS的接口设置，使两者无缝连接，从Pro/E界面直接转化到ANSYS界面，保证了模型的完整性。

1 Pro/E与ANSYS联合仿真

ANSYS在默认的状态下是不能直接将Pro/E的*.prt文件直接转化的，但可以通过接口模块实现在Pro/E的菜单栏中直接选择ANSYS12.0菜单项将模型数据直接转换到ANSYS，实现数据的共享和交换［5］。具体操作:打开ANSYS安装程序树下的CAD Configuration Manger进行设置。首先，选择Pro/Engineer为CAD连接软件，输入Pro/E软件的安装目录和开始命令。然后选择连接所选CAD界面，直到提示连接成功后退出设置界面。以上配置后，实现了Pro/E和ANSYS的无缝连接，成功将LED灯具模型直接从Pro/E界面转换到ANSYS。

2 不同功率LED灯热分布仿真

热的传递方式有热传导、热辐射、热对流。对大功率LED照明灯具而言热传导和热对流起最主要的作用［6］。

2.1 ANSYS热分析过程

2.1.1 前处理

(1)导入模型:通过ANSYS12.0－＞ANSYSGeom将Pro/E中建立模型直接转换到ANSYS界面，如图1所示。

(2)设置单元类型和材料属性:选择Pre-processor－＞Element Type，定义单元类型为SOLID90。选择Pre-processor－＞Material Props－＞thermal－＞conductivity－＞ Isotropic，定义材料属性(热导系数)，各参数如表1所示。

表1 LED灯具参数

(3)优化模型:选择Pre-processor－＞Modeling－＞Create－＞Volume优化模型，建立不同功率的LED整灯的有限元模型。选择Modeling－＞Operate－＞Booleans－＞Glue命令将模型中各个体的接触面粘合，使整个模型成为一个连续体。

(4)网格划分:选择Meshing－＞mesh attributes－＞Picked volumes分配单元类型属性，然后选择Meshing－＞Mesh－＞Volumes－＞free，选择picked all进行自由网格划分，如图2所示。

图1 转换到ANSYS中模型

图2 10W LED灯具模型的网格划分

2.1.2 求解

(1)定义分析类型:Solution－＞Analysis Type－＞New Analysis，选择静态热分析Steady-state。

(2)施加载荷:选择Temperature选项，设置初始温度为20℃，输入对流系数4W/m2·k，输入热生成率0.007 962W/m3，即每个LED芯片功率的80%转化成热能。

(3)求解:Main Menu－＞Solution－＞Solve－＞Current LS，进行求解计算。

2.1.3 后处理

(1)读取求解结果，使用通用后处理器post1进行后处理。

(2)本文采用比较直观的彩色云图显示仿真结果。

2.2 温度分布仿真结果

2.2.1 结果分析

本文在同一款散热结构的基础上分别模拟仿真了1W，3W，5W，10W，13W，16W的LED灯具热分布状况。仿真结果如图3所示。

图3 同款散热结构不同功率LED灯具热仿真结果

由仿真结果可知，随着功率的增大，散热量不断增大，LED灯具的芯片结温、散热器温度也随之升高。本文设计的芯片分布效果可以看出，5W和10W的对称分布，其温度分布比较均匀，该种功率下这种芯片分布是较合理的。从芯片的最高温度看，此款散热结构比较适合于10W以内的LED灯，13W和16W的温度有些偏高，散热器外壳表面的温度超过了65℃，16W的结温已经接近80℃。

2.2.2 芯片分布影响

以13W为例仿真分析芯片分布对LED灯具散热的影响，其分布改为如图4所示。从图4中看出芯片分布密度相对于图3(e)来说更加均匀，但温度分布却很不均匀，并且最高结温也略高。如何充分利用散热器的结构使芯片的温度达到均匀，需要进行认真的分析，并可以通过该仿真方法来进行分析。

图4 13W灯具热场分布

3 结束语

基于Pro/E强大的建模功能，ANSYS高效的热分析功能，可以为LED灯具的散热设计提供了有效的方法。对某种LED灯散热器进行了在不同功率下的仿真，仿真结果表明该种散热器的适合使用功率为10W以下。同时，对LED进行了不同的分布，表明合适的分布有利低LED芯片温度。

［1］ 饶连江.基于ANSYS的LED灯具热分析［J］.照明工程学报，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，李世国.基于ANSYS的电热产品热场分析方法与应用［J］.机械设计与制造，2005，(10):117－119.

［5］ 丁杰，荣智林.基于Pro/E和ANSYS的变流器柜体结构分析［J］.变流技术与电力牵引，2008，(2):27－31.

［6］ 李鹏.发光二极管(LED)灯具的热分析与散热设计［J］.光源与照明，2008，(4):10－11.