綜合電子信息技術工程設計中的熱設計仿真白秀茹',劉全勝2(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081;2.河北公安警察職業(yè)學院,河北石家莊050091).摘要:某野外工作設備,內(nèi)部安裝了大功率器件,而工作環(huán)境溫度較高,為保證內(nèi)部元器件和設備的然可靠性,熱分析和熱控制必不可少,熱設計的優(yōu)劣成為該設備結(jié)構(gòu)設計的關鍵。介紹了在該產(chǎn)品設計中借助于lecpak熱設計工具軟件,通過熱設計仿真,成功解決了散熱問題的經(jīng)過。并經(jīng)過試驗證明,熱分析的結(jié)論與實際情況非常接近。關鍵詞:熱設計;建模;耗散熱中圈分類號: TP391.9文獻標識碼: B文章編號: 1003 - 314200)04- 40-3Thermal Design Simulation in Engineering DesignBAI Xiu-nu' ,LIU Quan-sheng2(1.The 54th Research Institute of CECT, Shijazhuang Hebei 050081 ,China;2. Hebei Vocational Clle of Public Security plceShjahuang Hebei 05001 ,China)Abstract:A certain field operation equipment with high-power parts insalled inemally operates in high-temperature enionment. Toguarantee the heat rliabilili of the intermal parts, beat analysis and thermal control is idisensable, hence the suces of thermal designbecomes the key to the physical design of the equipment. This paper introduces the proces of solving sccesfully the problem of heatisipation by way of thermal design simulation with the aid of Ieepack thermal design software in the equipment design. Tests prove that theresult of heat analysis is very close to the actual situation.Key words: thermal design; model building; heat disipation該軟件有如下技術特點:0引言①建?？焖?利用各種形狀的幾何模型與現(xiàn)成隨著電子元器件集成化程度的提高,器件局部的模型庫可以方便地建立所求解問題的模型,具有發(fā)熱越來越嚴重,為保證設備的熱可靠性,熱分析和MCAD、ECAD/IDF直接輸人接口。熱控制已必不可少。實際工作中,合理利用熱分析②具有自動化的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成能力:可以軟件進行熱設計,可提高產(chǎn)品一次成功率,從而縮短逼近各種形狀復雜的幾何,大大減少網(wǎng)格數(shù)目,提高.研制周期,降低成本。大家知道,傳熱學中有大量的模型精度。同時還支持結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的不連續(xù)公式、表格,以往的手工計算繁復、耗時。leepak 是網(wǎng)格,可在不降低模型精度情況下減少網(wǎng)格數(shù)量以目前較流行的專業(yè)的、面向工程師的電子產(chǎn)品熱分提高計算速度。析軟件之一,利用它,可大大減少計算量。本文較詳③廣泛的模型能力:涵蓋強迫對流、自然對流細地介紹了利用lcepak進行該設備熱設計的過程。和混合對流模型、熱傳導模型、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1 Icepak軟件功能及特點簡介以模擬層流紊流,瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)問題、多種流體介質(zhì)leepak廣泛應用于通訊、汽車及航空電子設備、問題。電源設備、通用電器及家電等。該軟件可解決不同④強大的解算功能:具有強大的CFD(計算流類型的問題:系統(tǒng)級(Systems)、組件級(Components)、體力學)、有限體積方法(Finite Volume Method)結(jié)構(gòu)封裝級(Packages)?；c非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的求解器,并行算法,能夠?qū)崿F(xiàn).UNIX中國煤化工收稿日期:2007-01-06析結(jié)果 可以通過作者簡介:白秀茹(1969-),女,高級工程師。主要研究方向:電子CNMHG視圖的形式刪m,巴拍還及大里國、等值面圖、粒子設備結(jié)構(gòu)設計。40Radio Communications TechnologyVol.33 No.4 2007綜合電子信息技術軌跡圖、網(wǎng)格圖、切面云圖、點示蹤圖等,非常直觀。算域cabinet設定為機箱體積的1.5倍左右,圖中為lecepak 軟件的具體使用步驟包括建模加載初始條顯示清晰,隱去了cabinet框。件劃分網(wǎng)格、檢查氣流求解計算檢查分析結(jié)果等。機箱2熱設計及仿真過程" source濾波器電源2.1問題描述某野外工作設備,內(nèi)部安裝了功放、電源等大功3E451率器件,其要求工作環(huán)境苛刻,設備正常工作的環(huán)境溫度為- 25C~ + 55C ,濕度≤90%(溫度為25C),防雨,抗風沙,可連續(xù)工作,小型化。不難看出,熱設謔波器安裝板計的優(yōu)劣成為該設備結(jié)構(gòu)設計的關鍵。成功的熱設計應是在保證設備高溫下可靠工作的同時,使設備圍1加入翅片散熱器 前的leepak模型的重量加工成本控制在低限。.2.3加載初始條件及 邊界條件根據(jù)指標要求,將該設備設計成鋁合金密封機模型建立的同時,在相應的參數(shù)面板中加載初箱。因為有小型化要求,根據(jù)各器件外形尺寸進行始條件和邊界條件,主要條件如下:內(nèi)部布局,盡量做到緊湊,合理利用空間。機箱內(nèi)部①氣流:穩(wěn)態(tài)、紊流。尺寸初步定為Lx Wx H= 270 mmx 200 mm x穩(wěn)態(tài)即流體達到熱平衡的狀態(tài),此模型為一穩(wěn)160 mm;機箱內(nèi)安裝的主要元器件如下:①1個電態(tài)模型。流體自然對流有2種不同的流態(tài),即層流源,總功率300 W ,其中45 W為耗散熱,其可靠工作和紊流通常選擇紊流邊界條件,在隨后的計算中，最高溫度+85C;②1個功放,總功率200 W,耗散會驗證和校正此條件。熱為170 W,可靠工作的底盤最高溫度+ 70C;②流體:空氣。③3個濾波器,可靠工作最高溫度+85C;④接插③固體(機箱):鋁型材。件若干。元器件在機箱內(nèi)分上下3層安裝,2個熱④加入輻射、重力影響。源器件電源功放分別緊貼機箱頂壁、底板安裝,以.此選項體現(xiàn)的是考慮太陽輻射和地球引力的利用耗散熱最直接地傳導到外界大氣中。功放與電影響。源中間安裝3個濾波器。⑤環(huán)境空氣溫度: +55C。2.2 建模+55C為指標要求的設備正常工作時的最高環(huán)首先將散熱方式設定為自然冷卻,由此人手展境溫度。開熱設計。根據(jù)經(jīng)驗初步設定散熱方案:在功放底⑥電源耗散熱45 W。盤的底部(機箱外側(cè)底面)設大面積翅片散熱器(高.⑦功放耗散熱170 w。50mm,厚2.5mm,間隔6.5mm),電源底部(機箱上器件耗散的熱量決定了溫升,所以“45 W、蓋外側(cè))亦為翅片散熱器(高25 mm,厚2.5 mm,間隔170 w”這2個數(shù)值是十分重要的條件參數(shù),一般可5.5 mm)。機箱外形尺寸為LxWx H= 270 mmx .在器件說明書上查取或根據(jù)已知數(shù)據(jù)計算得來。200 mmx235 mm。利用lcepak軟件現(xiàn)有模型庫中2.4 生成網(wǎng)格cabinet/ wll/block/plate/eource/等命令,分別設定計因模型中無特殊形狀(如曲面等),直接建立結(jié)算域/機箱/電源/功放/濾波器/濾波器安裝板/翅片構(gòu)化網(wǎng)格即可。- -般情況下,軟件會根據(jù)模型尺寸散熱器/熱源的各自輪廓及定位尺寸、特性等參數(shù),建給出最大網(wǎng)格尺寸,在此基礎上,對功放、電源、散熱立Icepak機箱模型,其中熱源(source)只加在電源和器這些關鍵部位做細化網(wǎng)格(Nomal命令)處理,以功放上,濾波器和接插件因耗散熱極小,對熱分析影提高求解精度。設置完成后,執(zhí)行“generate mesh"響甚微,為簡化模型加快計算速度,不在這些器件上(生成網(wǎng)格)命令,軟件提示生成網(wǎng)格數(shù)量為100 多添加熱源。圖1為加人翅片散熱器前的Icepak 模型。萬個,對于筆者奔IV、512 MB內(nèi)存計算機來說,這個自然對流狀態(tài)下,計算域通常為考慮輻射的影計算中國煤化工死機。為減少網(wǎng)響會盡量選取大- -些，如機箱體積的2倍大小。域格數(shù)|YHCN MH G模型精度,對2組大意味著計算量相應增大,本例為縮短計算時間,計翅片、電源、功取深加- asembly，改用結(jié)構(gòu)化非連續(xù)2007年第33卷葦4期無線電通信技術41綜合電子信息技術網(wǎng)格進行設置,網(wǎng)格數(shù)目降至40多萬個,這樣在一從溫度云圖看出翅片，上熱量分布均勻合理,只是功小時左右時間里完成了后面將要提到的“求解計算”。放翅片整體溫度過高且中心部位熱量較集中,所以,2.5 檢查氣流下一步要解決的關鍵問題是加大對功放的散熱能進入計算之前,需要檢查氣流雷諾數(shù)和普朗特力,將散熱方式由自然冷卻改為強迫風冷。根據(jù)經(jīng).數(shù)的數(shù)值,以驗證先前給定的初始條件是否正確。驗,在模型中功放散熱器頂部安裝1個風扇(參數(shù):執(zhí)行"basicstting”命令,本例中計算出的雷諾數(shù)在220 V, 20 w, 50 Hz, 2.5 m/min, 8. 5 mm-H20,紊流范圍內(nèi),與初始條件設置相符。120 mmx 120 mmx38 mm)。建立相應模型,用“fan"2.6求解計算 .命令加入風扇特性曲線和基本尺寸參數(shù)。其中計算軟件采用迭代法進行計算,執(zhí)行“RunSolution"域作調(diào)整,因為強迫風冷狀態(tài)下輻射影響甚小,為減命令,迭代次數(shù)到100次時, X- Velocity、Y-Velocity、z-小計算量,將計算域減至機箱外型大小。重復前面的計算步驟,待參差曲線收斂后,提取Velocity、Continuity、Energy殘差曲線已完全收斂,說溫度分布云圖、風速切面圖及相關報告。從溫度分明計算完成。參差曲線如圖2所示。布云圖可看到,功放處溫度已明顯下降,機箱內(nèi)最高10溫度出現(xiàn)在電源局部部位,為78C。由縱切面的風Xx-VelocityJ_Velocity速切面圖，可觀察到風向、風速變化,最高風速由/Ener1.75 m/s升至5.66 m/s,熱空氣沿散熱片齒向流動，10°將熱量迅速流向大氣環(huán)境。Icepak給出的各器件最高溫度報告如下:想1o°Maximum temperatures:source .2(電源)77.77 Csource.1 (功放)67.8 C^ z-VelocityAblock.1(功放底板).Contiuilyblock.2 (濾波器)66.4 Cblock.2.3(濾波器)66.45 C0102030405060708090100block.2 .4(濾波器)66.39 C迭代次數(shù)改進后結(jié)論:從報告看，機箱內(nèi)部高熱已得到改圈2模型參差曲線善,溫度梯度分布均勻,各元器件的最高溫度都已在指標要求范圍內(nèi),滿足指標要求。2.7檢查結(jié)果lcepak分析結(jié)果可通過視圖形式輸出,利用強2.9工程 驗證按改進后的熱設計方案進行結(jié)構(gòu)設計,在整機大的可視化后處理功能,生成的溫度分布云圖和風加工調(diào)試完成后,按照環(huán)境試驗要求進行環(huán)境試驗:.速圖,可直觀形象地了解各器件及機箱內(nèi)部溫度分高低溫存儲及高低溫工作試驗。在高溫工作階段，布和空氣流動情況。取機箱一個縱切面的風速切面圖，沿箭頭為氣當溫箱內(nèi)部溫度升至+55C時,設備工作正常,并通流方向,圖中清晰顯示出熱空氣由下而上的流動及.過預埋的溫度傳感器探測到功放底盤溫度為+65C,滿足功放+ 70C可靠工作的底盤最高溫度部位的風速。leepak給出的各器件最高溫度報告如下:指標要求,該數(shù)值和仿真設計數(shù)據(jù)接近。設備交付用戶后,經(jīng)多次工作實踐證明,設備的實際散熱能力與熱分析相符,滿足使用要求。source.2(電源)78.5 Csource.1(功放)98.24 C3結(jié)束語block.1 (功放底板)應用該軟件,大大提高了工作效率,減少了設計82.25 C反復,通過模擬出的各種圖示,設備工作時的熱量分block .2.3(濾波器)82.47 C布情況一目了然，使設計者在進一步結(jié)構(gòu)設計時做block.2.4(濾波器)82.53 C結(jié)論:目前自然冷卻散熱方式下,電源、濾波器到了心中有數(shù)?？梢姛嵩O計仿真在電子設備熱設計溫升可滿足指標要求，而功放溫度超出了允許底盤中發(fā)揮著不可或缺的作用。最高溫度( + 70C)較多,方案待改進。中國煤化工2.8改進方案現(xiàn)有2組散熱器翅片尺寸是經(jīng)過優(yōu)化給定的,1]0HCNMH G站構(gòu)設計原理[M].42Radio Communications TechnologyVoL.33 No.4 2007