大功率led散热模拟与优化设计

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1、学校代码10459学号或申请号201312232659密级硕士学位论文大功率LED散热模拟与优化设计作者姓名：王明霞导师姓名：郭茶秀教授周俊杰副教授学科门类：工学专业名称：热能工程培养院系：化工与能源学院完成时间：2016年4月AthesissubmittedtoZhengzhouUniversityforthedegreeofMasterThermalSimulationandOptimizationDesignforHigh-PowerLEDByMingxiaWangSupervisor:Prof.

2、ChaxiuGuoProf.JunjieZhouThermalEngineeringSchoolofChemicalEngineeringandEnergyApril,2016学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者：日期：年月日学位论文使用授权声明本人在导师

3、指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。学位论文作者：日期：年月日摘要发光二极管（LED）是二十一世纪的新型绿色

4、照明光源，具有环保节能、体积小、寿命长等优势，但是其电光转换效率不高，80~90%的功率转化为热量散失掉，造成LED的结温升高，进而又影响其发光效率，因此研究高效散热的LED具有重要的意义。本文以大功率LED为研究对象，采用ANSYSWorkbench软件对其进行相关的数值模拟研究，主要研究内容及结论如下：（1）建立了大功率LED纯固体结构的稳态传热模型，得出模拟的结温是65.073℃，总热阻是47.145℃/W；根据热阻网络模型理论计算出LED的总热阻是49.9℃/W，结温是67.415℃；稳态模拟的

5、结温比理论计算的结温低2.342℃，约为3.47%，稳态模拟的热阻比理论计算的热阻低2.755℃/W，约为5.52%。（2）建立了大功率LED基于空气强迫冷却、结构传热以及结构热应力的多场耦合模型；得出耦合模拟的结温是65.114℃，总热阻是47.19℃/W；耦合模拟的结温比理论计算的结温低2.301℃，约为3.41%，耦合模拟的总热阻比理论计算的总热阻低2.71℃/W，约为5.43%；耦合模拟得出GaN芯片上温度最高，温-3度最低的位置是透镜的顶部；发生的最大总变形量是5.252910mm，热应变是

6、-48.836310mm/mm，GaN芯片上的最大等效冯米塞斯应力是266.67MPa，铝合金材料结构的最大等效冯米塞斯应力是40MPa左右。（3）对大功率LED进行基于耦合模拟的影响因素分析，分别研究了进口风速、进口半径、基板厚度、翅片高度、键合材料、基板面材料、翅片开缝7个因素对LED散热性能的影响，得出：1）LED的结温、总变形量、等效弹性应变、热应变、等效冯米塞斯应力、应变能均随进口风速（1~8m/s）、进口半径（1~7mm）、翅片高度（4~22mm）和开缝翅片数目（41、42、43）的

7、提高逐渐降低；2）LED的结温随基板厚度（0.5~3.0mm）的增加逐渐降低，后趋于平缓；总变形量随基板厚度的增加先减小后逐渐增大；等效弹性应变、等效冯米塞斯应力随基板厚度的增加先迅速增大，微小变化后逐渐减小；热应变和应变能随基板厚度的增加而逐渐减小；3）LED的结温、等效弹性应变、热应变以及等效冯米塞斯应力随键合材料的影响：Au80Sn20Pb40Sn60；4）LED的结温、热应变随基板面材料的影响：铝合金>碳化硅>铜；总变形量、应

8、变能随基板面材料的影响：碳化I硅>铝合金>铜；等效弹性应变、等效冯米塞斯应力随基板面材料的影响：铝合金>铜>碳化硅。（4）基于耦合模拟，对大功率LED的多个设计变量（进口风速、进口半径、基板厚度、翅片高度）进行基于遗传算法的多目标优化研究，优化前进口风速是4m/s、进口半径是5mm、基板厚度是1mm、翅片高度是5mm，优化后进口风速是4.7067m/s、进口半径是5.8511mm、基板厚度是1.1412mm、翅片高度是22.498mm；优化