基于Ansys Icepak 的負(fù)載器熱設(shè)計與熱分析

蔡惠華 賈豐鍇 張莉莉 孫德沖 孟翔宇

(北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京 100076)

1 引 言

隨著人類對太空探索需求的增加，大運載火箭技術(shù)已經(jīng)成為火箭發(fā)展的重要方向之一。由于大運載火箭的箭上設(shè)備越來越多，而火箭在飛行過程中，所有設(shè)備全部需要靠自身攜帶的電源進行供電。為了驗證箭上電源的帶載能力，設(shè)計供配電負(fù)載器用來模擬箭上負(fù)載，與其他配電設(shè)備配合使用，驗證配電電源設(shè)備等的帶載能力。

根據(jù)需要，模擬的負(fù)載器額定功率可以達(dá)到幾千瓦[1]，在工作過程中，會產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量大部分使設(shè)備自身溫度升高，因此，負(fù)載器設(shè)計的重點不僅僅是實現(xiàn)需要的額定功率，而且更要考慮的是工作過程中的散熱問題。判斷負(fù)載器的散熱情況主要通過負(fù)載器的溫升指標(biāo)來判斷。工作過程中溫度的測量，一般只能通過散熱孔，將相應(yīng)的溫度測試端伸到發(fā)熱電阻上，對于一個額定功率為幾千瓦的負(fù)載器，機內(nèi)往往有上百個大功率電阻，逐個測試，并找到溫升較高的電阻進行測試比較困難。本文基于負(fù)載器設(shè)計的理論分析，采用Ansys Icepak對負(fù)載器的散熱情況進行模擬仿真，找出負(fù)載器機箱內(nèi)溫升最高的大功率電阻，指導(dǎo)實際測試。另外通過該軟件仿真，對供配電負(fù)載器進行了優(yōu)化設(shè)計。

2 熱設(shè)計基礎(chǔ)理論及負(fù)載器工作原理

2.1 熱設(shè)計基礎(chǔ)理論[2]

熱力學(xué)第一定律認(rèn)為，能量不會消失和創(chuàng)造，它只能在形式上進行轉(zhuǎn)換或者在物質(zhì)間進行傳遞。其中熱量的傳遞是從高溫向低溫區(qū)進行傳遞，熱量傳遞的基本表達(dá)式如式(1)所示

Q=KAΔt

(1)

式中：Q——熱流量，W；K——換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A——換熱面積，m2；Δt——高低溫物質(zhì)之間的溫差，℃。

熱傳遞的方式分為傳導(dǎo)、對流、輻射三種方式。其中傳導(dǎo)換熱、對流換熱都需要有導(dǎo)熱介質(zhì)，而熱輻射無需任何介質(zhì)，直接在空中進行能量傳遞。

2.1.1 熱傳導(dǎo)是由兩個物體間或同一個物體由于溫度梯度引起的介質(zhì)間能量交換。熱傳導(dǎo)依據(jù)傅利葉定律表征。熱傳導(dǎo)的基本表達(dá)式如式(2)所示

Q=hcA(tw-tf)

(3)

式中：hc——對流換熱系數(shù)，W/(m2·°C)；A——有效的對流換熱面積，m2；tw——物體表面的溫度，℃；tf——周圍介質(zhì)的溫度，℃。

2.1.3 輻射換熱是指物體間或者一個物體內(nèi)熱量的交換方式是通過電磁波的形式向外傳遞能量的過程，也稱為熱輻射。熱輻射計算如式(4)所示

式中：δ0——為玻耳茲曼常數(shù)；A——物體輻射熱換的表面積；εxt——系統(tǒng)的發(fā)射率；F12——角系數(shù)；T1，T2——絕對溫度，K。

2.2 負(fù)載器工作原理

負(fù)載器的基本原理可以簡化成如圖1所示，根據(jù)大功率電阻器的功耗，將電阻器分解為如圖2所示。

圖1 負(fù)載構(gòu)成示意圖 圖2 負(fù)載設(shè)計原理框圖 Fig.1 Load structuresketch map Fig.2 Load design principleframe map

將4個負(fù)載電阻固定在一片散熱器上，假設(shè)每個電阻功率是28W，則4個電阻器總功耗P=112W，考慮環(huán)境溫度為Ta=35℃，控制負(fù)載電阻的最高工作溫度為T=80℃，則需要散熱器的熱阻滿足下式

R=(T-Ta)/P=0.4℃/W

(5)

根據(jù)某型號散熱器手冊，在自然對流的情況下，熱阻為0.4℃/W時，需要此種散熱器的長度為220mm，才能滿足設(shè)計要求。另外，在機箱側(cè)部安裝軸流風(fēng)機，進行強迫風(fēng)冷，進一步增強散熱效果。

2.3 負(fù)載器的熱分析

2.3.1 發(fā)熱熱源分布[3]

如何進行熱源計算是熱分析的基礎(chǔ)，負(fù)載器的熱源主要是供電的導(dǎo)線及大功率電阻組成。對于負(fù)載器的熱源計算，如果考慮所有的單元細(xì)節(jié)，會導(dǎo)致計算比較復(fù)雜，由于大功率電阻的溫度變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它熱源，因此在進行熱分析時，以大功率電阻達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)后的發(fā)熱作為主要分析對象。

2.3.2 熱量傳遞分布[4]

當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)后，負(fù)載器的熱量傳遞可以考慮以下幾個方面：(1)負(fù)載器內(nèi)部各器件與散熱器之間；(2)殼體內(nèi)空氣與外殼之間的導(dǎo)熱；(3)外殼的強制對流散熱和輻射散熱。由于負(fù)載器熱源電阻通過散熱器和軸流風(fēng)機進行強制風(fēng)冷散熱，因此在散熱分析中主要考慮對流換熱與熱傳導(dǎo)換熱，不需要考慮輻射換熱。

3 負(fù)載器熱仿真

Ansys Icepak 軟件仿真的過程和大部分軟件仿真過程類似，主要分為以下四個步驟：首先是建模，即創(chuàng)建軟件分析所需的基本實體模型；其次施加載荷，即設(shè)置相關(guān)參數(shù)；再次是求解，即進行軟件的分析運算；最后查看和分析軟件的仿真結(jié)果。

3.1 創(chuàng)建實體模型

創(chuàng)建實體模型是用于創(chuàng)建真實的熱傳遞路徑模型，對于供配電負(fù)載器，實體模型包括機架結(jié)構(gòu)、散熱器、導(dǎo)熱硅脂、大功率電阻、螺母、螺絲、把手、接插件等。ANSYS Icepak軟件提供軟件自建模方式和CAD模型導(dǎo)入兩種方式。自建模方式中，軟件提供了常用的熱源、散熱器、開口、邊界、軸流風(fēng)機等多種方式，滿足大部分常用的電子設(shè)備需求。對于供配電負(fù)載器產(chǎn)品，已建立CAD模型，因此，本文直接采用CAD模型導(dǎo)入的方法。

3.1.1 CAD模型導(dǎo)入

(1) 模型修復(fù)：實體模型中，有一些特征或者器件對散熱不影響或者影響不大的需要進行刪除，這個過程稱為模型修復(fù)，模型修復(fù)有利于軟件仿真中網(wǎng)格的合理劃分，所以CAD模型導(dǎo)入之前，一般需要進行模型修復(fù)。模型修復(fù)有兩種使用方法，一種方法是可以使用DM軟件中直接進行修復(fù)，另一種方法是先通過ANSYS SCDM軟件提供的平臺進行修復(fù)，本文采用后一種方法。

(2) 建立工作圖在Ansys Workbench平臺下建立仿真的工作圖，如圖3所示。雙擊圖3 A中的Geomrtry，打開DM軟件。DM中Tools→Electronics命令，是ANSYS公司專門給Ansys Icepak提供的數(shù)據(jù)導(dǎo)入轉(zhuǎn)換接口。

圖3 Ansys Workbench平臺下仿真的工作圖Fig.3 Ansys Workbench emluation work map

(3) 模型導(dǎo)入及轉(zhuǎn)換：將修復(fù)后的負(fù)載器CAD模型通過該指令的相關(guān)選項，轉(zhuǎn)換成Ansys Icepak認(rèn)可的模型，導(dǎo)入Ansys Icepak中，雙擊圖3 B中的Setup，就可行性模型相關(guān)設(shè)置了。

3.1.2 CAD模型簡化與設(shè)置

(1) 模型簡化：為降低模型對計算機內(nèi)存的要求，需要減少網(wǎng)格數(shù)量，本文對負(fù)載器仿真模型進行了兩方面簡化，一是由于負(fù)載器的結(jié)構(gòu)采用上下層的設(shè)計，上下層散熱器、電阻功率完全一致，只對模型上半部分進行仿真；另一方面由于負(fù)載器是采用軸流風(fēng)機進行強迫風(fēng)冷散熱，因此，忽略了機箱外殼與空氣的自然對流及輻射換熱，使用Icepak軟件自建模提供的Cabinet特征作為機箱的外殼，從而達(dá)到了減少網(wǎng)格的數(shù)量。

(2) 參數(shù)設(shè)置：負(fù)載器的參數(shù)設(shè)置主要包括散熱孔開孔率設(shè)置、軸流風(fēng)機風(fēng)量設(shè)置、熱源功率設(shè)置、導(dǎo)熱硅脂導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置等。機箱的散熱孔采用自建模型中的Grille代替，通過計算，計算出負(fù)載器的開孔率為0.201，在Grille中的Free area ratio中輸入0.201。負(fù)載器選用的軸流風(fēng)機固定風(fēng)量為0.023 33m3/s。，根據(jù)散熱器數(shù)據(jù)手冊，軸流風(fēng)機的在平均風(fēng)速3m/s情況下，負(fù)載器選用的散熱器熱阻長度為220mm，熱阻是0.15℃/W。負(fù)載器大功率電阻用相應(yīng)功率大小的熱源表示，固定功率為28W。導(dǎo)熱硅脂采用自建模型中的plate模擬，導(dǎo)熱系數(shù)為0.913，厚度1mm。

3.2 網(wǎng)格劃分及運算

網(wǎng)格劃分關(guān)系到計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，網(wǎng)格劃分一般要經(jīng)歷先生成粗糙網(wǎng)格，再進行評估，再細(xì)化，再檢查生成的網(wǎng)格是否滿足要求，再細(xì)化，再求解等過程。ANSYS Icpeak軟件提供了三種主要類型的網(wǎng)格：六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格及六面體核心結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。這三種主要的網(wǎng)格類型都可以按實際要求進行局部細(xì)化。但是網(wǎng)格的劃分不是越細(xì)越好，網(wǎng)格劃分越細(xì)，網(wǎng)格數(shù)量越多，節(jié)點數(shù)也越多，雖然計算精度越高，但對計算機的內(nèi)存也要求越高，仿真時間越長。另外，在相同節(jié)點數(shù)量情況下，計算精度會受網(wǎng)格疏密承擔(dān)的影響。綜合考慮三種網(wǎng)格類型及計算機處理能力，本文選擇六面體核心結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的網(wǎng)格類型進行網(wǎng)格劃分，負(fù)載器模型進行網(wǎng)格劃分完成后可直接進行運算。

4 結(jié)果分析

4.1 仿真結(jié)果

為了分析找到溫升最高的負(fù)載電阻，本文通過兩個步驟進行：第一步，對每片散熱器上的負(fù)載電阻進行分析、仿真，找出該散熱片上溫升最高的負(fù)載電阻；第二步，將每片散熱器上溫升最高的負(fù)載電阻再進一步比較。

每片散熱器上有四個負(fù)載電阻，這四個負(fù)載電阻的結(jié)構(gòu)分布如圖4所示。將這四個負(fù)載電阻設(shè)置為變量監(jiān)控點。溫度變化仿真結(jié)果如圖5所示。從圖5仿真結(jié)果可以看出，source104負(fù)載電阻器遠(yuǎn)離軸流風(fēng)機，且介于其他負(fù)載電阻器之間所以溫度遠(yuǎn)高于其他負(fù)載電阻器。

圖4 散熱片上負(fù)載電阻分布示意圖Fig.4 Load resistance distribution in radiator sketch map

圖5 四個負(fù)載電阻溫度變化Fig.5 Change temperature of four load resistance

通過第一步仿真，明確找出每片散熱器上溫升最高的負(fù)載電阻器為source104，接下去就是比較各個散熱片上相應(yīng)位置的負(fù)載電阻，如圖6所示。其溫度變化仿真結(jié)果如圖7、圖8所示，各個負(fù)載電阻溫度相差在2℃范圍內(nèi)，在實際測試過程中，由于每片散熱器上溫升最高的負(fù)載電阻溫度測量值相差不大，另外，考慮到仿真存在誤差，如果對負(fù)載器溫升值有精確要求，仍需要對每片散熱器上溫升最高的負(fù)載電阻進行溫度測試。

圖6 各個散熱片上的相應(yīng)位置的負(fù)載電阻Fig.6 All load resistance distribution in every radiator sketch map

圖7 各個散熱片上溫升最高負(fù)載電阻的溫度變化Fig.7 Change temperature of temperature rise highest load resistance in every radiator

圖8 各個散熱片上溫升最高負(fù)載電阻的溫度變化局部放大圖Fig.8 Zoom out part’s map of change temperature of temperature rise highest load resistance in every radiator

4.2 優(yōu)化應(yīng)用

在實際的優(yōu)化設(shè)計中，由于產(chǎn)品的功率是固定的，同時由于產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境的限制以及為了保證產(chǎn)品體積小、重量輕的優(yōu)勢，供配電負(fù)載器的尺寸和結(jié)構(gòu)也無法改變，因此負(fù)載器熱特性的優(yōu)化空間是十分有限的。

目前現(xiàn)有供配電負(fù)載器散熱孔采用圓形設(shè)計，開孔率僅為0.201。針對散熱孔形狀和大小，本文進行了優(yōu)化設(shè)計。

如果將原先圓形散熱孔改成正六邊形(圖9)，半徑由2mm增加到2.5mm，開孔率能達(dá)到0.437時，通過仿真表明，由于熱源功率固定，負(fù)載電阻器一直處于發(fā)熱狀態(tài)，所以負(fù)載電阻器溫度變化不大(圖10)，但負(fù)載器內(nèi)部溫升能降低7℃左右，如圖11所示。

圖10 正六邊形開孔時負(fù)載電阻的溫度變化Fig.10 Change temperature of load resistance with hexagon holes

5 結(jié)束語

本文基于Ansys Icepak軟件對負(fù)載器進行熱仿真，簡化仿真模型，降低對計算機內(nèi)存的需求；分析比較各個負(fù)載熱阻溫度變化情況，得到溫升最高的負(fù)載熱阻，為實際過程中測試提供仿真依據(jù)，避免盲目測試；另外，本文優(yōu)化散熱孔設(shè)計，采用正六邊形開孔，能進一步提高開孔率，以達(dá)到更好散熱效果。

(a) 圓形開孔時負(fù)載器內(nèi)部溫度圖(a) Inner temperature in load equipments with round holes

(b) 正六邊形開孔時負(fù)載器內(nèi)部溫度(b) Inner temperature in load equipments with hexagon holes圖11 不同開孔形狀的負(fù)載器內(nèi)部溫度分布圖Fig.11 Inner temperature in load equipments with different holes

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