工程設計中的熱設計仿真

綜合電子信息技術(shù)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(xué)院,河北石家莊050091).摘要:某野外工作設備,內部安裝了大功率器件,而工作環(huán)境溫度較高,為保證內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)劣成為該設備結構設計的關(guān)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(guò)熱設計仿真,成功解決了散熱問(wèn)題的經(jīng)過(guò)。并經(jīng)過(guò)試驗證明,熱分析的結論與實(shí)際情況非常接近。關(guān)鍵詞:熱設計;建模;耗散熱中圈分類(lèi)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(shù)特點(diǎn):0引言①建?？焖?利用各種形狀的幾何模型與現成隨著(zhù)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(wèn)題的模型,具有發(fā)熱越來(lái)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(shí)際工作中,合理利用熱分析②具有自動(dòng)化的非結構化網(wǎng)格生成能力:可以軟件進(jìn)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)格數目,提高.研制周期,降低成本。大家知道,傳熱學(xué)中有大量的模型精度。同時(shí)還支持結構化和非結構化的不連續公式、表格,以往的手工計算繁復、耗時(shí)。leepak 是網(wǎng)格,可在不降低模型精度情況下減少網(wǎng)格數量以目前較流行的專(zhuān)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(jìn)行該設備熱設計的過(guò)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(diǎn)簡(jiǎn)介以模擬層流紊流,瞬態(tài)及穩態(tài)問(wèn)題、多種流體介質(zhì)leepak廣泛應用于通訊、汽車(chē)及航空電子設備、問(wèn)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(lèi)型的問(wèn)題:系統級(Systems)、組件級(Components)、體力學(xué))、有限體積方法(Finite Volume Method)結構封裝級(Packages)?；c非結構化網(wǎng)格的求解器,并行算法,能夠實(shí)現.UNIX中國煤化工收稿日期:2007-01-06析結果 可以通過(guò)作者簡(jiǎn)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、粒子設備結構設計。40Radio Communications TechnologyVol.33 No.4 2007綜合電子信息技術(shù)軌跡圖、網(wǎng)格圖、切面云圖、點(diǎn)示蹤圖等,非常直觀(guān)。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果等。機箱2熱設計及仿真過(guò)程" source濾波器電源2.1問(wèn)題描述某野外工作設備,內部安裝了功放、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(fēng)沙,可連續工作,小型化。不難看出,熱設謔波器安裝板計的優(yōu)劣成為該設備結構設計的關(guān)鍵。成功的熱設計應是在保證設備高溫下可靠工作的同時(shí),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 邊界條件根據指標要求,將該設備設計成鋁合金密封機模型建立的同時(shí),在相應的參數面板中加載初箱。因為有小型化要求,根據各器件外形尺寸進(jìn)行始條件和邊界條件,主要條件如下:內部布局,盡量做到緊湊,合理利用空間。機箱內部①氣流:穩態(tài)、紊流。尺寸初步定為L(cháng)x Wx H= 270 mmx 200 mm x穩態(tài)即流體達到熱平衡的狀態(tài),此模型為一穩160 mm;機箱內安裝的主要元器件如下:①1個(gè)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(gè)功放,總功率200 W,耗散會(huì )驗證和校正此條件。熱為170 W,可靠工作的底盤(pán)最高溫度+ 70C;②流體:空氣。③3個(gè)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。元器件在機箱內分上下3層安裝,2個(gè)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.此選項體現的是考慮太陽(yáng)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(gè)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(shí)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(kāi)熱設計。根據經(jīng)驗初步設定散熱方案:在功放底⑥電源耗散熱45 W。盤(pán)的底部(機箱外側底面)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)亦為翅片散熱器(高25 mm,厚2.5 mm,間隔170 w”這2個(gè)數值是十分重要的條件參數,一般可5.5 mm)。機箱外形尺寸為L(cháng)xWx H= 270 mmx .在器件說(shuō)明書(shū)上查取或根據已知數據計算得來(lái)。200 mmx235 mm。利用lcepak軟件現有模型庫中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(wú)特殊形狀(如曲面等),直接建立結算域/機箱/電源/功放/濾波器/濾波器安裝板/翅片構化網(wǎng)格即可。- -般情況下,軟件會(huì )根據模型尺寸散熱器/熱源的各自輪廓及定位尺寸、特性等參數,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(guān)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,執行“generate mesh"響甚微,為簡(jiǎn)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)格數量為100 多添加熱源。圖1為加人翅片散熱器前的Icepak 模型。萬(wàn)個(gè),對于筆者奔IV、512 MB內存計算機來(lái)說(shuō),這個(gè)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(huì )盡量選取大- -些，如機箱體積的2倍大小。域格數|YHCN MH G模型精度,對2組大意味著(zhù)計算量相應增大,本例為縮短計算時(shí)間,計翅片、電源、功取深加- asembly，改用結構化非連續2007年第33卷葦4期無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)41綜合電子信息技術(shù)網(wǎng)格進(jìn)行設置,網(wǎng)格數目降至40多萬(wàn)個(gè),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(shí)左右時(shí)間里完成了后面將要提到的“求解計算”。放翅片整體溫度過(guò)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(guān)鍵問(wèn)題是加大對功放的散熱能進(jìn)入計算之前,需要檢查氣流雷諾數和普朗特力,將散熱方式由自然冷卻改為強迫風(fēng)冷。根據經(jīng).數的數值,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(gè)風(fēng)扇(參數:執行"basicstting”命令,本例中計算出的雷諾數在220 V, 20 w, 50 Hz, 2.5 m/min, 8. 5 mm-H20,紊流范圍內,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(fēng)扇特性曲線(xiàn)和基本尺寸參數。其中計算軟件采用迭代法進(jìn)行計算,執行“RunSolution"域作調整,因為強迫風(fēng)冷狀態(tài)下輻射影響甚小,為減命令,迭代次數到100次時(shí), 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(xiàn)收斂后,提取Velocity、Continuity、Energy殘差曲線(xiàn)已完全收斂,說(shuō)溫度分布云圖、風(fēng)速切面圖及相關(guān)報告。從溫度分明計算完成。參差曲線(xiàn)如圖2所示。布云圖可看到,功放處溫度已明顯下降,機箱內最高10溫度出現在電源局部部位,為78C。由縱切面的風(fēng)Xx-VelocityJ_Velocity速切面圖，可觀(guān)察到風(fēng)向、風(fēng)速變化,最高風(fēng)速由/Ener1.75 m/s升至5.66 m/s,熱空氣沿散熱片齒向流動(dòng)，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迭代次數改進(jìn)后結論:從報告看，機箱內部高熱已得到改圈2模型參差曲線(xiàn)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,滿(mǎn)足指標要求。2.7檢查結果lcepak分析結果可通過(guò)視圖形式輸出,利用強2.9工程 驗證按改進(jìn)后的熱設計方案進(jìn)行結構設計,在整機大的可視化后處理功能,生成的溫度分布云圖和風(fēng)加工調試完成后,按照環(huán)境試驗要求進(jìn)行環(huán)境試驗:.速圖,可直觀(guān)形象地了解各器件及機箱內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(dòng)情況。取機箱一個(gè)縱切面的風(fēng)速切面圖，沿箭頭為氣當溫箱內部溫度升至+55C時(shí),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(dòng)及.過(guò)預埋的溫度傳感器探測到功放底盤(pán)溫度為+65C,滿(mǎn)足功放+ 70C可靠工作的底盤(pán)最高溫度部位的風(fēng)速。leepak給出的各器件最高溫度報告如下:指標要求,該數值和仿真設計數據接近。設備交付用戶(hù)后,經(jīng)多次工作實(shí)踐證明,設備的實(shí)際散熱能力與熱分析相符,滿(mǎn)足使用要求。source.2(電源)78.5 Csource.1(功放)98.24 C3結束語(yǔ)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(guò)模擬出的各種圖示,設備工作時(shí)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(jìn)一步結構設計時(shí)做block.2.4(濾波器)82.53 C結論:目前自然冷卻散熱方式下,電源、濾波器到了心中有數?？梢?jiàn)熱設計仿真在電子設備熱設計溫升可滿(mǎn)足指標要求，而功放溫度超出了允許底盤(pán)中發(fā)揮著(zhù)不可或缺的作用。最高溫度( + 70C)較多,方案待改進(jìn)。中國煤化工2.8改進(jìn)方案現有2組散熱器翅片尺寸是經(jīng)過(guò)優(yōu)化給定的,1]0HCNMH G站構設計原理[M].42Radio Communications TechnologyVoL.33 No.4 2007