計(jì)算機(jī)仿真在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.doc

計(jì)算機(jī)仿真在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用白秀茹 （ 中電集團(tuán)第54研究所 石家莊 050081）摘要：電子元器件和設(shè)備在工作時(shí)會(huì)耗散大量熱量，為保證元器件和電子設(shè)備的熱可靠性，熱分析和熱控制必不可少。Icepak是目前較流行的專業(yè)的、面向工程師的電子產(chǎn)品熱分析軟件之一，利用它，可大大減少計(jì)算量，縮短研制周期，降低成本。某野外工作設(shè)備，內(nèi)部安裝了大功率器件，而工作環(huán)境溫度較高，熱設(shè)計(jì)的優(yōu)劣成為該設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文較詳細(xì)地介紹了利用Icepak進(jìn)行該設(shè)備熱設(shè)計(jì)仿真的過(guò)程,并通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果分析、比較，以得到最優(yōu)設(shè)計(jì)。敘 詞：熱設(shè)計(jì) Icepak軟件 建模 耗散熱引言電子元器件和設(shè)備在工作時(shí)會(huì)耗散大量熱量，為保證元器件和電子設(shè)備的熱可靠性，熱分析和熱控制必不可少。實(shí)際工作中，合理利用熱分析軟件進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，可提高產(chǎn)品一次成功率，縮短研制周期，降低成本。大家知道，傳熱學(xué)中有大量的公式、表格，以往的手工計(jì)算繁復(fù)、耗時(shí)。Icepak是目前較流行的專業(yè)的、面向工程師的電子產(chǎn)品熱分析軟件之一，利用它，可大大減少計(jì)算量。本文將較詳細(xì)地介紹利用該軟件進(jìn)行該設(shè)備熱設(shè)計(jì)的過(guò)程。問(wèn)題描述某野外工作設(shè)備，內(nèi)部安裝了功放、電源等大功率器件，其要求工作環(huán)境苛刻，設(shè)備正常工作的環(huán)境溫度為2555，濕度90%（溫度為25），防雨，抗風(fēng)沙，可連續(xù)工作，小型化。不難看出，熱設(shè)計(jì)的優(yōu)劣成為該設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。成功的熱設(shè)計(jì)應(yīng)是在保證設(shè)備高溫下可靠工作的同時(shí)，使設(shè)備的重量、加工成本控制在低限。根據(jù)指標(biāo)要求，將該設(shè)備設(shè)計(jì)成鋁合金密封機(jī)箱。因?yàn)橛行⌒突螅鶕?jù)各器件外形尺寸進(jìn)行內(nèi)部布局，盡量做到緊湊，合理利用空間。機(jī)箱內(nèi)部尺寸初步定為L(zhǎng)WH270mm200mm160mm；機(jī)箱內(nèi)安裝的主要元器件如下：、1個(gè)電源，總功率300W，其中45W為耗散熱，其可靠工作最高溫度85；、1個(gè)功放，總功率200W，耗散熱為170W，可靠工作的底盤最高溫度70；、3個(gè)濾波器，可靠工作最高溫度85；、接插件若干。元器件在機(jī)箱內(nèi)分上下三層安裝，兩個(gè)熱源器件電源、功放分別緊貼機(jī)箱頂壁、底板安裝，以利用耗散熱最直接地傳導(dǎo)到外界大氣中。功放與電源中間安裝3個(gè)濾波器。Icepak軟件功能及特點(diǎn)簡(jiǎn)介Icepak廣泛應(yīng)用于通訊、汽車及航空電子設(shè)備、電源設(shè)備、通用電器及家電等。該軟件可解決不同類型的問(wèn)題：系統(tǒng)級(jí)（Systems）、組件級(jí)（Components）、封裝級(jí)（Packages）。該軟件有如下技術(shù)特點(diǎn)：l 建?？焖伲豪酶鞣N形狀的幾何模型與現(xiàn)成的模型庫(kù)可以方便的建立所求解問(wèn)題的模型。具有MCAD、ECAD/IDF直接輸入接口。l 具有自動(dòng)化的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成能力：可以逼近各種復(fù)雜的幾何形狀，大大減少網(wǎng)格數(shù)目，提高模型精度。同時(shí)還支持結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的不連續(xù)網(wǎng)格，可在不降低模型精度情況下減少網(wǎng)格數(shù)量以提高計(jì)算速度。l 廣泛的模型能力：涵蓋強(qiáng)迫對(duì)流、自然對(duì)流和混合對(duì)流模型、熱傳導(dǎo)模型、流體與固體之間的耦合傳熱模型、物體表面間的熱輻射模型。另外，還可以模擬層流、紊流，瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)問(wèn)題、多種流體介質(zhì)問(wèn)題。l 強(qiáng)大的解算功能：具有強(qiáng)大的CFD（計(jì)算流體力學(xué)）、有限體積方法（Finite Volume Method）結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的求解器，并行算法，能夠?qū)崿F(xiàn)UNIX或NT的網(wǎng)格并行。l 強(qiáng)大的可視化后置處理：分析結(jié)果可以通過(guò)視圖的形式輸出，包括速度矢量圖、等值面圖、粒子軌跡圖、網(wǎng)格圖、切面云圖、點(diǎn)示蹤圖等，非常直觀。Icepak軟件的具體使用步驟包括建模、加載初始條件、劃分網(wǎng)格、檢查氣流、求解計(jì)算、檢查分析結(jié)果等。熱設(shè)計(jì)及仿真過(guò)程建模首先將散熱方式設(shè)定為自然冷卻，由此入手展開(kāi)熱設(shè)計(jì)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步設(shè)定散熱方案：功放底部（機(jī)箱外側(cè)底面）設(shè)大面積翅片散熱器（高50mm，厚2.5mm，間隔6.5mm），電源底部（機(jī)箱上蓋外側(cè)）亦為翅片散熱器（高25mm，厚2.5mm，間隔5.5mm）。機(jī)箱外形尺寸為L(zhǎng)WH270mm200mm235mm。利用Icepak軟件現(xiàn)有模型庫(kù)中cabinet/ wall/block/plate/source/等命令，分別設(shè)定計(jì)算域/機(jī)箱/電源/功放/濾波器/濾波器安裝板/翅片散熱器/熱源的各自輪廓及定位尺寸、特性等參數(shù)，建立Icepak機(jī)箱模型，其中熱源（source）只加在電源和功放上，濾波器和接插件因耗散熱極小，對(duì)熱分析影響甚微，為簡(jiǎn)化模型加快計(jì)算速度，不在這些器件上添加熱源。加入翅片散熱器前的Icepak模型（其中計(jì)算域cabinet比機(jī)箱體積大50左右，圖中為顯示清晰，隱去了cabinet框）加入翅片散熱器后的Icepak模型加載初始條件及邊界條件模型建立的同時(shí)，在相應(yīng)的參數(shù)面板中加載初始條件和邊界條件，主要條件如下：l 氣流：穩(wěn)態(tài)、紊流；l 流體：空氣；l 固體（機(jī)箱）：鋁型材；l 加入輻射、重力影響；l 環(huán)境空氣溫度：55；l 電源耗散熱45W；l 功放耗散熱170W。Icepak設(shè)置基本參數(shù)面板如下： 生成網(wǎng)格因模型中無(wú)特殊形狀（如曲面等），直接建立結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格即可。一般情況下，軟件會(huì)根據(jù)模型尺寸給出最大網(wǎng)格尺寸，在此基礎(chǔ)上，對(duì)功放、電源、散熱器這些關(guān)鍵部位做細(xì)化網(wǎng)格（Nomal命令）處理，以提高求解精度。設(shè)置完成后，執(zhí)行“generate mesh”（生成網(wǎng)格）命令，軟件提示生成網(wǎng)格數(shù)量為100多萬(wàn)個(gè)，對(duì)于筆者奔、512M內(nèi)存計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，這個(gè)計(jì)算量過(guò)于龐大，曾導(dǎo)致計(jì)算中斷和死機(jī)。為減少網(wǎng)格數(shù)量提高計(jì)算速度而又不降低模型精度，對(duì)兩組翅片、電源、功放添加“assembly”，改用結(jié)構(gòu)化非連續(xù)網(wǎng)格進(jìn)行設(shè)置，網(wǎng)格數(shù)目降至40多萬(wàn)個(gè)，這樣在一小時(shí)左右時(shí)間里完成了后面將要提到的“求解計(jì)算”。檢查氣流進(jìn)入計(jì)算之前，需要檢查氣流雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)的數(shù)值，以驗(yàn)證先前給定的初始條件是否正確。執(zhí)行“basic setting ”命令，本例中計(jì)算出的雷諾數(shù)在紊流范圍內(nèi)，與初始條件設(shè)置相符。求解計(jì)算軟件采用迭代法進(jìn)行計(jì)算，執(zhí)行“Run Solution”命令，迭代次數(shù)到100次時(shí)，殘差收斂曲線已完全收斂，說(shuō)明計(jì)算完成。下圖為殘差曲線。檢查結(jié)果Icepak分析結(jié)果可通過(guò)視圖形式輸出，下面是生成的溫度分布云圖和風(fēng)速圖，由此可直觀的了解各器件及機(jī)箱內(nèi)部溫度分布和空氣流動(dòng)情況。給出的各器件最高溫度報(bào)告如下：Maximum temperatures:source.2（電源） 78.5 source.1（功放） 98.24 block.1（功放底板） 98.24 block.2（濾波器） 82.25 block.2.3（濾波器） 82.47 block.2.4（濾波器） 82.53 結(jié)論：目前散熱方式下，電源、濾波器溫升可滿足指標(biāo)要求，而功放溫度超出了允許底板最高溫度（70）較多，方案待改進(jìn)。改進(jìn)方案現(xiàn)有兩組散熱器翅片尺寸是經(jīng)過(guò)優(yōu)化給定的，從溫度云圖看出翅片上熱量分布均勻合理，只是功放翅片整體溫度過(guò)高且中心部位熱量較集中，所以，下一步要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是加大對(duì)功放的散熱能力，將散熱方式由自然冷卻改為強(qiáng)迫風(fēng)冷。在模型中功放散熱器頂部安裝1個(gè)風(fēng)扇（參數(shù)：220V，20W,50Hz，2.5m3/min，8.5mm-H2O,120mm120mm38mm）。建立相應(yīng)模型，用“fan”命令加入風(fēng)扇特性曲線和基本尺寸參數(shù)。下圖是加入風(fēng)扇后的Icepak模型。重新計(jì)算完成后的溫度分布云圖、風(fēng)速切面圖如下：給出的各器件最高溫度報(bào)告如下：Maximum temperatures:source.2（電源） 77.77 source.1 （功放） 67.8block.1（功放底板） 67.8block.2（濾波器） 66.4 block.2.3（濾波器） 66.45block.2.4（濾波器） 66.39改進(jìn)后結(jié)論：從報(bào)告看，機(jī)箱內(nèi)部高熱已得到改善，溫度梯度分布均勻，各元器件的最高溫度都已在指標(biāo)要求范圍內(nèi)。滿足使用要求。為保證設(shè)備可靠