淺析工程設(shè)計中的熱設(shè)計仿真

金偉龍

摘 要：電子元器件性能的不斷優(yōu)化，對設(shè)備的熱可靠性提出了更高的要求。在此背景下，為了保持設(shè)備及其內(nèi)部器件良好的應(yīng)用效果，需要加強工程設(shè)計中的熱設(shè)計仿真分析。且在了解Icepak軟件功能特性及熱設(shè)計仿真流程的基礎(chǔ)上，將相應(yīng)的分析工作落到實處，從而得到所需的熱設(shè)計仿真成果。基于此，本文就工程設(shè)計中的熱設(shè)計仿真展開論述。

關(guān)鍵詞：工程設(shè)計；Icepak軟件；熱設(shè)計；仿真；電子元器件

中圖分類號：TP391.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）02-0120-02

Analysis of Thermal Design Simulation in Engineering Design

JIN Weilong

（CETC TXStar Laser Technology （Shanghai） Co.，Ltd.，Shanghai 201901，China）

Abstract：The continuous optimization of the performance of electronic components has put forward higher requirements for the thermal reliability of the equipment. In this context，in order to maintain the good application effect of the equipment and its internal devices，it is necessary to strengthen the thermal design simulation analysis in the engineering design.And on the basis of understanding the functional characteristics of Icepak software and the process of thermal design simulation，the corresponding analysis work is put into practice，so as to get the desired results of thermal design simulation. Based on this，this paper discusses the thermal design simulation in the engineering design.

Keywords：engineering design；Icepak software；thermal design；simulation；electronic components

0 引 言

對于電子元器件而言，影響其可靠性指標(biāo)的一個重要因素是元器件的工作溫度。注重工程設(shè)計中的熱設(shè)計仿真分析，積極開展相應(yīng)的分析工作，有利于得到理想的熱設(shè)計仿真結(jié)果，從而為內(nèi)部器件及設(shè)備性能優(yōu)化提供保障，延長它們的使用壽命。因此，需要對Icepak軟件有著一定的了解，設(shè)置好工程設(shè)計中的熱設(shè)計仿真流程，使得不同電子元器件及設(shè)備的潛在應(yīng)用價值得以不斷提升，給予它們的熱可靠性增強科學(xué)保障。

1 Icepak軟件簡介

作為一種面向電子產(chǎn)品的熱分析軟件，Icepak軟件在實踐應(yīng)用中取得了良好的效果，有利于減少電子產(chǎn)品熱設(shè)計仿真分析中的計算量，其市場應(yīng)用前景良好。同時，Icepak軟件在實踐中能夠?qū)Ψ庋b級、系統(tǒng)級等不同類型的問題進行分析與處理，確保電子產(chǎn)品熱分析有效性。除此之外，Icepak軟件還具備了以下技術(shù)特點：（1）建立模型速度快，能夠借助既有模型庫的應(yīng)用優(yōu)勢，對不同幾何模型電子產(chǎn)品所要求解的問題進行快速處理，增強問題處理中模型的實踐應(yīng)用效果；（2）該軟件具有良好的自動化非結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)生成能力，有利于提高電子產(chǎn)品模型精度，并減少相應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)量，確保實踐中的計算工作高效性；（3）Icepak軟件應(yīng)用的模型構(gòu)建適用性良好，有利于實現(xiàn)應(yīng)用價值大的熱輻射模型構(gòu)建，從而解決電子元器件相關(guān)的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)等問題。同時，在其強大的解算及可視化后置處理功能的支持下，有利于得到理想的熱分析仿真結(jié)果。因此，在工程設(shè)計中進行熱分析仿真研究時，應(yīng)重視Icepak軟件的使用。

2 熱設(shè)計仿真流程

2.1 提出問題

某種設(shè)備在實踐應(yīng)用中為了滿足生產(chǎn)計劃實施的要求，會在其內(nèi)部安裝多個大功率器件。由于這些內(nèi)部器件的集成化程度較高，可能會產(chǎn)生較為明顯的發(fā)熱問題。因此，需要重視設(shè)備熱設(shè)計方式的合理性，確保設(shè)備及內(nèi)部器件能夠在高溫條件下正常工作，并實現(xiàn)對設(shè)備加工成本的科學(xué)控制。同時，在設(shè)備內(nèi)部器件設(shè)計的過程中，需要對器件的尺寸、規(guī)格進行考量，并了解該設(shè)備內(nèi)部在工作過程中電源、功放及濾波器的發(fā)熱情況，使所需的熱設(shè)計仿真工作開展更具針對性，全面提升工程設(shè)計工作水平。

2.2 建立模型

在Icepak軟件的支持下，對設(shè)備中的內(nèi)部器件熱可靠性進行綜合評估時，需要建立相應(yīng)的模型。在其模型建立的過程中，應(yīng)做到：（1）將自然冷卻方式視為設(shè)備內(nèi)部器件的散熱方式，進而開展電子元器件所需的熱設(shè)計工作，確定其設(shè)計過程中的散熱方案。（2）將大面積翅片散熱器安裝在設(shè)備機箱外側(cè)底面，即功放底盤的底部；在電源底部設(shè)置性能可靠的翅片散熱器，并根據(jù)設(shè)備的實際情況，確定散熱器的尺寸規(guī)格；在此期間，需要借助Icepak軟件的優(yōu)勢，用其模型庫中所包含的各種命令，如cabinet/wall/block/等，實現(xiàn)計算域/機箱/電源等器件的尺寸規(guī)格設(shè)置，確保相應(yīng)模型建立的有效性。（3）將熱源加在電源及功放中，并結(jié)合濾波器的耗熱、散熱情況，實現(xiàn)模型簡化處理，同時加快計算速度，為后續(xù)熱分析仿真處理工作的順利開展打下堅實的基礎(chǔ)。此外，為了縮短模型應(yīng)用時的計算時間，需要注重Icepak軟件作用下計算域cabinet的合理設(shè)定，以增強模型的實踐應(yīng)用效果。實踐中翅片散熱器加入前的Icepak模型示意圖如圖1所示。

2.3 加載初始與邊界條件

當(dāng)模型建立工作完成后，需要在與之相關(guān)的參數(shù)面板中加載初始與邊界條件。這些條件包括：（1）氣流的選擇，包括穩(wěn)態(tài)和紊流。穩(wěn)態(tài)即流體達到熱平衡的狀態(tài)，Icepak模型為一種穩(wěn)態(tài)模型。流體自然對流有兩種不同的流態(tài)，即層流和紊流，通常選擇紊流邊界條件，在隨后的計算中，會驗證和校正此條件。（2）將空氣視為流體，并選用性能可靠的機箱材料，充分考慮熱輻射、重力對設(shè)備及內(nèi)部器件性能的影響。（3）結(jié)合實際情況，設(shè)置好相應(yīng)的溫度，即設(shè)備正常工作時的最高環(huán)境溫度。同時，應(yīng)考慮電源、功放耗散熱大小，根據(jù)器件說明書獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

2.4 生成網(wǎng)絡(luò)

由于模型中無特殊形狀（如曲面等），直接建立結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格即可。一般情況下，軟件會根據(jù)模型尺寸給出最大網(wǎng)格尺寸，并在此基礎(chǔ)上，對功放、電源、散熱器這些關(guān)鍵部位做細(xì)化網(wǎng)格（Nomal命令）處理，以提高求解精度。設(shè)置完成后，應(yīng)注重生成網(wǎng)絡(luò)命令的執(zhí)行，并通過軟件的提示作用，確定熱分析仿真過程中所生成的網(wǎng)格數(shù)量。

在此期間，若軟件中的網(wǎng)格數(shù)量較大，則會加大后期的計算量，影響計算效率的同時難以保證器件熱分析過程中的計算精度。針對這種情況，需要將“assembly”加入到電源、功放熱分析的過程中，并采用結(jié)構(gòu)化非連續(xù)方式進行有效設(shè)置，從而達到網(wǎng)格數(shù)目減少的目的。實踐中若能將這些舉措實施到位，則有利于生成網(wǎng)絡(luò)，滿足器件熱分析仿真處理要求。

2.5 計算結(jié)果

通過有效利用Icepak軟件，采用迭代法進行計算，可在計算機網(wǎng)絡(luò)三維空間中獲取模型參差曲線，結(jié)合該曲線的收斂情況，可獲得相應(yīng)的計算結(jié)果。實踐中進行工程設(shè)計時，需要根據(jù)設(shè)備中不同器件的實際情況，對它們進行熱分析仿真處理，得到所需的計算結(jié)果。同時，該熱分析軟件在應(yīng)用中可在視圖形式下輸出器件的熱分析結(jié)果，并在可視化與后處理功能的支持下，得到器件及設(shè)備相應(yīng)的溫度分布云圖及風(fēng)速圖，進而了解器件及機箱內(nèi)的溫度分布及空氣流動情況。在具體分析的過程中，若電源、濾波器、功放的溫度未能達到相應(yīng)的指標(biāo)要求，則需要制定出改進方案，對散熱器翅片尺寸進行合理設(shè)置，必要時可在設(shè)備機箱內(nèi)加設(shè)風(fēng)扇。當(dāng)軟件作用下模型分析計算中的參差曲線收斂后，為了得到所需的計算結(jié)果，則需要將此時的器件溫度分布云圖、風(fēng)速切面圖提取出來，觀察設(shè)備中各元器件的最高溫度是否處于指標(biāo)要求范圍內(nèi)，從而增強改進方案適用性，并提升計算結(jié)果的潛在應(yīng)用價值。除此之外，相關(guān)人員需要在器件分析仿真計算結(jié)果的支持下，對工程設(shè)計方案是否合理進行科學(xué)評估，確保該方案在實踐應(yīng)用中能夠達到預(yù)期效果。在提升熱分析軟件實踐應(yīng)用水平的基礎(chǔ)上，滿足電子元器件性能優(yōu)化的要求。當(dāng)器件熱分析仿真計算結(jié)果得到充分利用后，則有利于提高器件發(fā)熱問題處理效率，確保其運行工況良好性，提升工程設(shè)計水平。

3 結(jié) 論

現(xiàn)階段，在電子元器件應(yīng)用范圍不斷擴大的過程中，與之相關(guān)的內(nèi)部器件發(fā)熱問題能否得到科學(xué)處理，關(guān)系著設(shè)備的實踐應(yīng)用效果及使用年限。因此，需要在工程設(shè)計中加強熱分析軟件的使用，并確定相應(yīng)的熱設(shè)計仿真流程，使得設(shè)備性能可靠性得以增強，最大限度地滿足相關(guān)生產(chǎn)計劃的實施要求。與此同時，應(yīng)對工程設(shè)計中的熱設(shè)計仿真效果進行科學(xué)評估，以便實現(xiàn)對熱分析軟件的高效利用，并優(yōu)化設(shè)備熱設(shè)計仿真分析方面的工作方式。

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