基于Icepak的航天電子單機(jī)散熱分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張斌 徐方舟

摘 ?要：文章研究了一種典型航天電子單機(jī)產(chǎn)品散熱方案的穩(wěn)態(tài)熱仿真，分析了機(jī)箱內(nèi)部的傳熱類型，求解封閉機(jī)箱（無強(qiáng)迫風(fēng)冷）結(jié)構(gòu)達(dá)到熱平衡時(shí)的溫度場(chǎng)和流體（空氣）場(chǎng)。給出機(jī)箱內(nèi)部各發(fā)熱電氣元件的穩(wěn)態(tài)工作溫度，判定機(jī)箱的熱性能能否滿足電氣元件的工作條件。并且從機(jī)箱結(jié)構(gòu)的溫度梯度云圖上判斷熱量分布是否合理，從而為機(jī)箱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞：航天電子單機(jī);散熱仿真;Icepak

中圖分類號(hào)：V467 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）28-0016-03

Abstract： In this paper， the steady-state thermal simulation of a typical heat dissipation scheme of aerospace electronic stand-alone products is studied， the type of heat transfer in the chassis is analyzed， and the temperature field and fluid （air） field of the closed chassis （without forced air cooling） are solved. The steady-state working temperature of the heating electrical components in the chassis is given to determine whether the thermal performance of the chassis can meet the working conditions of the electrical components and judge whether the heat distribution is reasonable from the temperature gradient cloud image of the chassis structure， so as to provide optimization suggestions for the design of the chassis mechanism.

Keywords： aerospace electronic single machine; heat dissipation simulation; Icepak

引言

根據(jù)電子產(chǎn)品可靠性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，電子產(chǎn)品的失效與諸多因素直接相關(guān)，如工作環(huán)境溫度、濕度、力學(xué)條件（振動(dòng)及沖擊）等。其中溫度是影響電子產(chǎn)品工作可靠性的關(guān)鍵因素：約55%的電子產(chǎn)品失效是由工作環(huán)境溫度超過規(guī)定值而引起的[1]。并且存在失效率隨著工作溫度增長而增加的“10℃法則”，即電子元器件工作溫度每升高10℃，其失效率會(huì)增加一個(gè)數(shù)量級(jí)[2]。因此對(duì)電子產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行充分的散熱設(shè)計(jì)對(duì)提高產(chǎn)品可靠性有重要的意義。

本文研究了一種典型航天電子單機(jī)產(chǎn)品散熱設(shè)計(jì)方案，借助Icepak軟件建立了電子單機(jī)產(chǎn)品的散熱分析有限元模型并進(jìn)行了仿真計(jì)算分析。針對(duì)分析結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)方案的有效性和進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并且為機(jī)箱的關(guān)鍵散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了改進(jìn)建議。

1 典型航天電子單機(jī)產(chǎn)品散熱設(shè)計(jì)方案

電子單機(jī)產(chǎn)品主要由密封的框架式機(jī)箱結(jié)構(gòu)（無強(qiáng)迫風(fēng)冷）、插件式CPCI板卡模塊、開關(guān)電源等元器件構(gòu)成，如圖1所示。主要的發(fā)熱元器件是開關(guān)電源和CPCI主控制板上的CPU，電子單機(jī)工作時(shí)主要是利用機(jī)箱本身的壁板作為散熱冷板與外界進(jìn)行熱交換以達(dá)到散熱的目的。

2 熱分析基本理論[3]

熱傳遞途徑和方式分三種：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。

2.1 熱傳導(dǎo)理論

熱傳導(dǎo)是由存在溫度差的高低溫物體接觸而產(chǎn)生的熱交換現(xiàn)象。傳導(dǎo)換熱的物理規(guī)律描述為傅立葉定律，即導(dǎo)熱過程中總熱流量與引起導(dǎo)熱的溫差成正比，與導(dǎo)熱面間距成反比，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：Φ為輻射換熱量，單位為W;α為黑體輻射常數(shù)，為6.669×10-8W/（m2·k4）;A為輻射表面積，單位為m2;T為輻射表面絕對(duì)溫度，單位為K。

對(duì)于采用不同散熱方案的電子產(chǎn)品三種熱傳遞方式占比有很大的區(qū)別。傳統(tǒng)的電子設(shè)備風(fēng)冷散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，熱輻射的熱量往往忽略不計(jì)，主要原因是熱輻射的熱量往往很少，而影響輻射熱量的因素非常多而且復(fù)雜，進(jìn)行理論計(jì)算往往不可行。但是在自然對(duì)流的情況下，輻射又不可忽略，最多能占到總散熱量的25%，所以在自然對(duì)流系統(tǒng)中，最常見的散熱器件一般進(jìn)行表面噴涂或陽極處理。只有在強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)中，輻射熱量占比很少，往往做忽略處理[4]。

3 熱仿真建模及分析計(jì)算

采用商業(yè)軟件Icepak進(jìn)行仿真模型的建立和計(jì)算，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的后處理分析。利用Icepak對(duì)計(jì)算區(qū)域以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定網(wǎng)格劃分類型為Hexa unstructured，完成的模型如圖2所示。

建立仿真模型時(shí)主要的設(shè)定如下：

（1）熱計(jì)算區(qū)域取2倍機(jī)箱體積，重力軸向下（-Y向），計(jì)算區(qū)域的六個(gè)面均為Opening，Opening采用環(huán)境溫度（25℃）作為溫度邊界。

（2）設(shè)定機(jī)箱所有的結(jié)構(gòu)件的材料屬性，包括熱導(dǎo)率、比熱容、密度。

（3）設(shè)定所有發(fā)熱元器件的熱功率。

設(shè)置模型的流態(tài)為湍流，并采用零方程模型，同時(shí)求解流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，機(jī)箱內(nèi)部和外部流體為空氣，大氣溫度為25℃，求解穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度場(chǎng)和流體場(chǎng)。

電子設(shè)備機(jī)箱內(nèi)部元器件的溫度分布情況如圖3所示。

電子設(shè)備機(jī)箱內(nèi)部切斷面的溫度分布情況如圖4所示。

計(jì)算區(qū)域內(nèi)的流體（空氣）場(chǎng)的分布情況如圖5所示。

后處理分析結(jié)果表明：

（1）機(jī)箱外殼最高溫度為45℃，局部較高溫度分布在底板上電源安裝位置，電源所產(chǎn)生的熱量主要靠底板向外傳導(dǎo)。

（2）機(jī)箱內(nèi)部元器件工作溫度最高的是主控板上的CPU（60℃），且主控板上產(chǎn)生了局部溫度聚集。

（3）根據(jù)切斷面的溫度分布可見，機(jī)箱內(nèi)部環(huán)境溫度約為35℃。

4 熱設(shè)計(jì)分析結(jié)論及結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議

電子設(shè)備在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，機(jī)箱內(nèi)主控制板上CPU工作溫度（60℃）未超過允許的溫度上限，可以正常工作;且機(jī)箱內(nèi)部的溫度環(huán)境（約35℃）滿足其他電子元器件的工作條件。因此，電子設(shè)備的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案滿足散熱要求。

為了降低主控制板上的CPU附近的局部溫度聚集，建議可以通過為主控制板設(shè)計(jì)一塊翅片散熱器來增加主控制板與外界環(huán)境的散熱面積，以提高主控制板的散熱能力，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的可靠性。散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案如圖6所示。

5 結(jié)束語

本文給出了一種基于Icepak的典型航天電子設(shè)備散熱分析方法，并且對(duì)該電子設(shè)備的散熱性能進(jìn)行了仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明該電子設(shè)備的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足散熱要求，同時(shí)對(duì)局部散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)一步提高了設(shè)備的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]任恒，劉萬鈞，黃靖，等.基于Icepak的機(jī)箱熱設(shè)計(jì)研究[J].電子科學(xué)技術(shù)，2015，2（6）：639-644.

[2]李忠，潘軍，韓磊，等.基于Icepak的火炮驅(qū)動(dòng)器熱分析[J].電子機(jī)械工程，2019，8（4）：39-43.

[3]王永康.ANSYS Icepak電子散熱基礎(chǔ)教程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2015.

[4]包燁舒.室內(nèi)電子機(jī)箱熱設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D].浙江大學(xué)，2012.