基于Flotherm的某机载设备热仿真分析
发表时间：2017-08-08T17:51:37.010Z 来源：《电力设备》2017年第10期作者：李新亮
[导读] 摘要：热设计对提高电子设备运行的可靠性具有十分重要的意义，是电子设备结构设计中的重要环节。
（中国电子科技集团公司第二十研究所陕西西安 710068）
摘要：热设计对提高电子设备运行的可靠性具有十分重要的意义，是电子设备结构设计中的重要环节。本文首先简单介绍了电子设备传热类型，然后利用热分析软件Flotherm通过建立计算模型、边界条件、网格划分等，对某机载设备进行仿真分析，得到了温度分布，为该设备热设计提供理论参考，同时本文对于应用该软件分析其他电子设备热性能具有一定的参考意义。
关键词：电子设备；热仿真分析；Flotherm
1引言
随着电子技术的高速发展，电子设备朝着集成化、设备小型化等方向发展，由此使得电子设备过热的问题越来越突出[1]。研究表明65%的电子设备失效是由温度过高引起的，过热是电子设备损坏的主要形式，严重限制了电子产品性能及可靠性的提高，降低了设备的工作寿命。在产品设计阶段对其进行热仿真，能够确定模型中的温度分布，找出模型中温度最高点，从而改进结构设计，能够有效减少设计费用，缩短设计周期，提高产品的可靠性。
2 电子设备传热
电子设备热传递主要有热传导、对流换热和辐射换热三种方式[2]。热传导，是其于傅里叶定律，一般发生于同一种物质之中的传递；对流，可分为自然换热是流体流过某物体表面时所发生的热交换过程对流和强迫对流，对流一般发生于流体中。辐射是物体以电磁波形式传递能量的过程。
3热仿真分析
热仿真分析就是根据分析对象建立热分析模型，并设定模型各种属性、环境条件、功率大小等因素，模拟计算出温度场等数据，从而对其分析研究[3]。该型设备工作温度为65℃，本文采用热分析软件Flotherm对该型电子设备高温工作时的温度场进行仿真分析。
3.1建模
该机载设备为一密闭电子设备，包括一块PCB处理板及铝合金壳体。PCB处理板上有诸多电子元器件，其中主要器件通过与壳体接触热传递，其余电子元器件通过壳体内空气对流换热将热量传递到铝合金壳体上，壳体再将热量散失到外部环境。在建模过程中，由于PCB 板上电子元器件多而密集，考虑到在保证结果精度的条件下减少计算量和运算时间，需要对印制电路板进行了适当简化，保留功耗和体积较大的元器件[4]；简化后的主要发热器件有射频芯片、FPGA芯片、DSP、电源等，它们的功耗分别为0.8w、3w、1.5w、0.5w。
在NX中按照实际物理模型创建机载设备简化三维模型，保存为STP格式；在flotherm中创建一新工程，将NX中的STP格式文件导入Flotherm中；随后设定求解域、湍流模型、环境条件、赋予发热器件的材料、功耗等属性；最后设置温度监测点。
图2 网格划分图
3.2网格划分
建模完成之后，对模型网格进行划分。为了获得较好的模拟结果，应对大功率发热器件处网格进行局部加密[5]。网格如下图所示：
3.3求解计算
在网格划分完成后就可以进行求解计算。图3是压力、速度与温度收敛曲线。由图可看出：一般压力、速度残差曲线收敛较快，温度残差曲线收敛速度较慢。设备温度残差曲线降到10 以内并保持稳定[6]，可近似为曲线收敛，表明该系统稳定。
计算完成后查看计算结果，PCB板上温度场如图4所示，金属壳体外表面温度场如图5所示。结果显示，虽然FPGA和DSP功耗较大，但FPGA表面温度为79℃，DSP表面温度为78.9℃，这是因为PGA和DSP与金属壳体内表面相接处，散热较快，而最高温度点出现在RF表面达到81.2℃；金属壳体表面最高温度达到78.9℃，壳体表面温度最高点在与FPGA和DSP接触处，在靠近金属壳边缘的空气温度67.8℃，金属壳表面温度由最高点向四周逐渐降低。
电子元器件的极限高温工作温度一般情况下为：民用级70 ℃；工业级85 ℃；军用级125 ℃。该型机载设备选用工业级芯片，而本文计算出最高温度为81.2℃，满足工作温度范围；经环境实验室测试，该型设备在65℃时可靠工作。
4 结论
本文采用热分析软件Flotherm对某机载设备进行了热仿真分析，获得了温度分布，结果显示最高温度为81.2℃，满足工程要求，为该设备热设计提供理论参考，减少设计费用，同时缩短设计周期；本文对于应用该软件分析其他电子设备热性能具有一定的参考意义。
参考文献：
[1]张瑜．电子设备热设计与分析［J］．航空兵器，2011（2）：57 －60．
[2]王秋旺，曾敏.传热学要点与解题.西安交通大学出版社，2006
[3]ZAM_ENGO A，RECCHIA M，KRAUS W，et a1. Electrical and thermal analyses for the radio⁃frequency circuit of ITERNBI ion source [J]. Fusion Engineering and Design，2009，84（9）：2025⁃2030.
[4]张红根，郑欣燕.高热量机箱的热设计-Flotherm 建模[J].应用天地，2007，10（8）：55-56.
[5]徐晓婷，朱敏波，杨艳妮.电子设备热仿真分析及软件应用[J].电子工艺技术，2006，27（5）：265-268.
[6]朱金彪．一种星载电子设备散热结构的设计与优化［J］．电子机械工程，2008，24（4）：11 － 13．
