摘要: 发光二极管作为第四代照明光源，随着功率的不断增大，散热问题成为大功率 LED 灯具实现 产业化亟待解决的关键问题之一。该文综合 ANSYS 和 Pro /E 两个软件的优势进行 LED 热仿真。 在 Pro /E 中建立灯具模型，导入 ANSYS 后通过优化模型、网格划分、施加载荷和边界条件，求解可 以得到 LED 灯的温度场分布。运用该方法可对复杂 LED 灯具进行了热仿真，得到了一款散热器 的最大功率容量，并分析了芯片排布等因素对散热的影响。

关键词: 大功率发光二极管; 破衣; 有限元分析; 热设计

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。

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。

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。

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

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。

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。