工程设计中的热设计仿真

综合电子信息技术工程设计中的热设计仿真白秀茹',刘全胜2(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081;2.河北公安警察职业学院,河北石家庄050091).摘要:某野外工作设备,内部安装了大功率器件,而工作环境温度较高,为保证内部元器件和设备的然可靠性,热分析和热控制必不可少,热设计的优劣成为该设备结构设计的关键。介绍了在该产品设计中借助于lecpak热设计工具软件,通过热设计仿真,成功解决了散热问题的经过。并经过试验证明,热分析的结论与实际情况非常接近。关键词:热设计;建模;耗散热中圈分类号: TP391.9文献标识码: B文章编号: 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该软件有如下技术特点:0引言①建模快速:利用各种形状的几何模型与现成随着电子元器件集成化程度的提高,器件局部的模型库可以方便地建立所求解问题的模型,具有发热越来越严重,为保证设备的热可靠性,热分析和MCAD、ECAD/IDF直接输人接口。热控制已必不可少。实际工作中,合理利用热分析②具有自动化的非结构化网格生成能力:可以软件进行热设计,可提高产品一次成功率,从而缩短逼近各种形状复杂的几何,大大减少网格数目,提高.研制周期,降低成本。大家知道,传热学中有大量的模型精度。同时还支持结构化和非结构化的不连续公式、表格,以往的手工计算繁复、耗时。leepak 是网格,可在不降低模型精度情况下减少网格数量以目前较流行的专业的、面向工程师的电子产品热分提高计算速度。析软件之一,利用它,可大大减少计算量。本文较详③广泛的模型能力:涵盖强迫对流、自然对流细地介绍了利用lcepak进行该设备热设计的过程。和混合对流模型、热传导模型、流体与固体之间的耦合传热模型、物体表面间的热辐射模型。另外,还可1 Icepak软件功能及特点简介以模拟层流紊流,瞬态及稳态问题、多种流体介质leepak广泛应用于通讯、汽车及航空电子设备、问题。电源设备、通用电器及家电等。该软件可解决不同④强大的解算功能:具有强大的CFD(计算流类型的问题:系统级(Systems)、组件级(Components)、体力学)、有限体积方法(Finite Volume Method)结构封装级(Packages)。化与非结构化网格的求解器,并行算法,能够实现.UNIX中国煤化工收稿日期:2007-01-06析结果 可以通过作者简介:白秀茹(1969-),女,高级工程师。主要研究方向:电子CNMHG视图的形式删m,巴拍还及大里国、等值面图、粒子设备结构设计。40Radio Communications TechnologyVol.33 No.4 2007综合电子信息技术轨迹图、网格图、切面云图、点示踪图等,非常直观。算域cabinet设定为机箱体积的1.5倍左右,图中为lecepak 软件的具体使用步骤包括建模加载初始条显示清晰,隐去了cabinet框。件划分网格、检查气流求解计算检查分析结果等。机箱2热设计及仿真过程" source滤波器电源2.1问题描述某野外工作设备,内部安装了功放、电源等大功3E451率器件,其要求工作环境苛刻,设备正常工作的环境温度为- 25C~ + 55C ,湿度≤90%(温度为25C),防雨,抗风沙,可连续工作,小型化。不难看出,热设謔波器安装板计的优劣成为该设备结构设计的关键。成功的热设计应是在保证设备高温下可靠工作的同时,使设备围1加入翅片散热器 前的leepak模型的重量加工成本控制在低限。.2.3加载初始条件及 边界条件根据指标要求,将该设备设计成铝合金密封机模型建立的同时,在相应的参数面板中加载初箱。因为有小型化要求,根据各器件外形尺寸进行始条件和边界条件,主要条件如下:内部布局,尽量做到紧凑,合理利用空间。机箱内部①气流:稳态、紊流。尺寸初步定为Lx Wx H= 270 mmx 200 mm x稳态即流体达到热平衡的状态,此模型为一稳160 mm;机箱内安装的主要元器件如下:①1个电态模型。流体自然对流有2种不同的流态,即层流源,总功率300 W ,其中45 W为耗散热,其可靠工作和紊流通常选择紊流边界条件,在随后的计算中，最高温度+85C;②1个功放,总功率200 W,耗散会验证和校正此条件。热为170 W,可靠工作的底盘最高温度+ 70C;②流体:空气。③3个滤波器,可靠工作最高温度+85C;④接插③固体(机箱):铝型材。件若干。元器件在机箱内分上下3层安装,2个热④加入辐射、重力影响。源器件电源功放分别紧贴机箱顶壁、底板安装,以.此选项体现的是考虑太阳辐射和地球引力的利用耗散热最直接地传导到外界大气中。功放与电影响。源中间安装3个滤波器。⑤环境空气温度: +55C。2.2 建模+55C为指标要求的设备正常工作时的最高环首先将散热方式设定为自然冷却,由此人手展境温度。开热设计。根据经验初步设定散热方案:在功放底⑥电源耗散热45 W。盘的底部(机箱外侧底面)设大面积翅片散热器(高.⑦功放耗散热170 w。50mm,厚2.5mm,间隔6.5mm),电源底部(机箱上器件耗散的热量决定了温升,所以“45 W、盖外侧)亦为翅片散热器(高25 mm,厚2.5 mm,间隔170 w”这2个数值是十分重要的条件参数,一般可5.5 mm)。机箱外形尺寸为LxWx H= 270 mmx .在器件说明书上查取或根据已知数据计算得来。200 mmx235 mm。利用lcepak软件现有模型库中2.4 生成网格cabinet/ wll/block/plate/eource/等命令,分别设定计因模型中无特殊形状(如曲面等),直接建立结算域/机箱/电源/功放/滤波器/滤波器安装板/翅片构化网格即可。- -般情况下,软件会根据模型尺寸散热器/热源的各自轮廓及定位尺寸、特性等参数,建给出最大网格尺寸,在此基础上,对功放、电源、散热立Icepak机箱模型,其中热源(source)只加在电源和器这些关键部位做细化网格(Nomal命令)处理,以功放上,滤波器和接插件因耗散热极小,对热分析影提高求解精度。设置完成后,执行“generate mesh"响甚微,为简化模型加快计算速度,不在这些器件上(生成网格)命令,软件提示生成网格数量为100 多添加热源。图1为加人翅片散热器前的Icepak 模型。万个,对于笔者奔IV、512 MB内存计算机来说,这个自然对流状态下,计算域通常为考虑辐射的影计算中国煤化工死机。为减少网响会尽量选取大- -些，如机箱体积的2倍大小。域格数|YHCN MH G模型精度,对2组大意味着计算量相应增大,本例为缩短计算时间,计翅片、电源、功取深加- asembly，改用结构化非连续2007年第33卷苇4期无线电通信技术41综合电子信息技术网格进行设置,网格数目降至40多万个,这样在一从温度云图看出翅片，上热量分布均匀合理,只是功小时左右时间里完成了后面将要提到的“求解计算”。放翅片整体温度过高且中心部位热量较集中,所以,2.5 检查气流下一步要解决的关键问题是加大对功放的散热能进入计算之前,需要检查气流雷诺数和普朗特力,将散热方式由自然冷却改为强迫风冷。根据经.数的数值,以验证先前给定的初始条件是否正确。验,在模型中功放散热器顶部安装1个风扇(参数:执行"basicstting”命令,本例中计算出的雷诺数在220 V, 20 w, 50 Hz, 2.5 m/min, 8. 5 mm-H20,紊流范围内,与初始条件设置相符。120 mmx 120 mmx38 mm)。建立相应模型,用“fan"2.6求解计算 .命令加入风扇特性曲线和基本尺寸参数。其中计算软件采用迭代法进行计算,执行“RunSolution"域作调整,因为强迫风冷状态下辐射影响甚小,为减命令,迭代次数到100次时, X- Velocity、Y-Velocity、z-小计算量,将计算域减至机箱外型大小。重复前面的计算步骤,待参差曲线收敛后,提取Velocity、Continuity、Energy残差曲线已完全收敛,说温度分布云图、风速切面图及相关报告。从温度分明计算完成。参差曲线如图2所示。布云图可看到,功放处温度已明显下降,机箱内最高10温度出现在电源局部部位,为78C。由纵切面的风Xx-VelocityJ_Velocity速切面图，可观察到风向、风速变化,最高风速由/Ener1.75 m/s升至5.66 m/s,热空气沿散热片齿向流动，10°将热量迅速流向大气环境。Icepak给出的各器件最高温度报告如下:想1o°Maximum temperatures:source .2(电源)77.77 Csource.1 (功放)67.8 C^ z-VelocityAblock.1(功放底板).Contiuilyblock.2 (滤波器)66.4 Cblock.2.3(滤波器)66.45 C0102030405060708090100block.2 .4(滤波器)66.39 C迭代次数改进后结论:从报告看，机箱内部高热已得到改圈2模型参差曲线善,温度梯度分布均匀,各元器件的最高温度都已在指标要求范围内,满足指标要求。2.7检查结果lcepak分析结果可通过视图形式输出,利用强2.9工程 验证按改进后的热设计方案进行结构设计,在整机大的可视化后处理功能,生成的温度分布云图和风加工调试完成后,按照环境试验要求进行环境试验:.速图,可直观形象地了解各器件及机箱内部温度分高低温存储及高低温工作试验。在高温工作阶段，布和空气流动情况。取机箱一个纵切面的风速切面图，沿箭头为气当温箱内部温度升至+55C时,设备工作正常,并通流方向,图中清晰显示出热空气由下而上的流动及.过预埋的温度传感器探测到功放底盘温度为+65C,满足功放+ 70C可靠工作的底盘最高温度部位的风速。leepak给出的各器件最高温度报告如下:指标要求,该数值和仿真设计数据接近。设备交付用户后,经多次工作实践证明,设备的实际散热能力与热分析相符,满足使用要求。source.2(电源)78.5 Csource.1(功放)98.24 C3结束语block.1 (功放底板)应用该软件,大大提高了工作效率,减少了设计82.25 C反复,通过模拟出的各种图示,设备工作时的热量分block .2.3(滤波器)82.47 C布情况一目了然，使设计者在进一步结构设计时做block.2.4(滤波器)82.53 C结论:目前自然冷却散热方式下,电源、滤波器到了心中有数。可见热设计仿真在电子设备热设计温升可满足指标要求，而功放温度超出了允许底盘中发挥着不可或缺的作用。最高温度( + 70C)较多,方案待改进。中国煤化工2.8改进方案现有2组散热器翅片尺寸是经过优化给定的,1]0HCNMH G站构设计原理[M].42Radio Communications TechnologyVoL.33 No.4 2007