熱仿真在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

1、熱仿真在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用 摘要：電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)是否合理，可以通過熱分析技術(shù)對(duì)相關(guān)設(shè)備在設(shè)計(jì)階段的溫度分布進(jìn)行研究，從而找出其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可優(yōu)化局部，為產(chǎn)品投入生產(chǎn)使用后的可靠性奠定良好的根底。因此，闡述熱分析軟件的使用方式及功能，并分析相關(guān)技術(shù)的準(zhǔn)確性，證明其對(duì)電子設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有效參數(shù)。關(guān)鍵詞：熱仿真;電子設(shè)備;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化所有的電子設(shè)備在使用過程中都會(huì)發(fā)熱，而引發(fā)電子設(shè)備故障的一個(gè)重要原因是其冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致其出現(xiàn)熱失效。以往的研究發(fā)現(xiàn)，所處環(huán)境溫度每提升10，電子設(shè)備的故障率就會(huì)上升近一倍。因此，針對(duì)電子設(shè)備使用過程中的溫度控制設(shè)計(jì)尤為重要。隨著現(xiàn)代生產(chǎn)需求對(duì)生產(chǎn)效率的

2、不斷提升，傳統(tǒng)的方法已逐漸被淘汰。為解決電子設(shè)備散熱裝置設(shè)計(jì)的合理性檢測(cè)問題，通過構(gòu)建有效的熱模型，采用熱分析軟件進(jìn)行設(shè)備熱分布的模擬測(cè)試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問題，已成為目前普遍采用的有效方法，對(duì)于快速優(yōu)化電子設(shè)備的設(shè)計(jì)具有重要意義。1計(jì)算機(jī)輔助熱分析的數(shù)值法經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)探索和實(shí)踐積累，結(jié)合現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)熱分析軟件的應(yīng)用，針對(duì)電子設(shè)備熱分析的方法主要有有限差分法、有限元法和有限體積法。有限差分法是基于能量守恒定律對(duì)熱傳導(dǎo)問題進(jìn)行計(jì)算的方程，特點(diǎn)是用差分代替微分。該方程通過定義每個(gè)元素來保持能量平衡，在電子設(shè)備的熱分析技術(shù)中使用廣泛。它的計(jì)算過程為將集中的熱分布轉(zhuǎn)換為局部熱分布，并對(duì)各區(qū)域的熱

3、分布集中在節(jié)點(diǎn)上，通過在各個(gè)節(jié)點(diǎn)建立基于熱平衡原理的方程式，展開對(duì)各節(jié)點(diǎn)適當(dāng)溫度的聯(lián)合求解。當(dāng)整個(gè)區(qū)域分布的節(jié)點(diǎn)數(shù)量到達(dá)要求時(shí)，其中的局部出現(xiàn)不連續(xù)溫度分布的區(qū)域?qū)⒈贿m用于該區(qū)域的連續(xù)溫度分布代替。首先，掃描整個(gè)區(qū)域的各個(gè)分散節(jié)點(diǎn)的熱量，并將這些分散的熱量集中，沒有熱量的節(jié)點(diǎn)直接記為零熱量；其次，基于熱平衡原理將熱阻與各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接，并設(shè)置計(jì)算方程式；最后，測(cè)量每個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度，并將獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)代入方程求解。基于變分原理開展求解的有限元法遵循區(qū)域的不連續(xù)性，在設(shè)計(jì)主程序時(shí)，明確表示每個(gè)區(qū)域的插值函數(shù)和配置函數(shù)，同時(shí)對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)極端溫度值代入形成代數(shù)方法進(jìn)行求解。該計(jì)算方法的功能較為強(qiáng)大，可以更好地

4、解決電子設(shè)備的散熱問題。相關(guān)方法的執(zhí)行分三步完成：第一步，掃描整個(gè)區(qū)域，用表達(dá)式表示每個(gè)塊列的功能；第二步，獲得每個(gè)塊列的插值函數(shù)和函數(shù)的極點(diǎn)，并代入代數(shù)方程；第三步，基于以上兩點(diǎn)對(duì)方程展開求解，并得到每個(gè)點(diǎn)的溫度值。有限體積法也稱為控制體積法，是一種基于守恒方程的積分形式，并結(jié)合了有限元和有限差分方法兩者的優(yōu)點(diǎn)形成離散方程，其中具備局部有限元方法的特征，常用于流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算。有限體積法的優(yōu)勢(shì)是計(jì)算靈活、計(jì)算速度快，因?yàn)闈M足當(dāng)前對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率的要求，所以多數(shù)熱分析程序都采用有限體積法。2電子設(shè)備熱分析的理論根底電子設(shè)備的傳熱方式主要有傳導(dǎo)效應(yīng)、對(duì)流換熱和輻射傳熱三種。因此，針對(duì)其熱分析的理論研

5、究也是基于這三種傳熱方式開展的。傳導(dǎo)效應(yīng)的本質(zhì)是熱傳導(dǎo)，即物質(zhì)本身或當(dāng)物質(zhì)與物質(zhì)接觸時(shí)，能量傳遞的最根本形式。該傳熱方式的表達(dá)可基于傅里葉定律。如果單個(gè)空間坐標(biāo)決定了物體的溫度分布，同時(shí)時(shí)間的變化不會(huì)影響到溫度的分布，那么熱量的傳遞那么是在溫度下降的過程中進(jìn)行的。對(duì)流換熱是發(fā)生于存在溫差的固體外表之間的熱交換，也是電子設(shè)備散熱應(yīng)用最廣的換熱方式。對(duì)流換熱根據(jù)流動(dòng)起因的區(qū)別，又可細(xì)分為強(qiáng)制對(duì)流換熱和自然對(duì)流換熱。輻射傳熱是以電磁能在發(fā)射物體和接收物體之間傳遞熱而實(shí)現(xiàn)的熱量交換方式。輻射傳熱可以在兩個(gè)物體之間也可以在多個(gè)物體之間進(jìn)行。3軟件熱仿真建模隨著電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程的不斷增多，相關(guān)的熱分析軟件

6、開發(fā)取得了一定成績(jī)。目前，比擬常用的Icepak和Flothrem軟件可以針對(duì)電子設(shè)備的設(shè)計(jì)進(jìn)行不同流體條件下不同物理模型的構(gòu)建，有效了解一些電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)中的典型問題。以具有熱源的 設(shè)計(jì)為例展開研究。研究假設(shè)一部長(zhǎng)170mm、寬70mm的外表發(fā)射率0.8的 ，在環(huán)境溫度25的環(huán)境中外表溫度均勻，其在輻射熱傳導(dǎo)中的熱功耗在總功耗的50%以上。為保證產(chǎn)品平安質(zhì)量，要求其在使用過程中外表最大允許接觸溫度必須控制在41以內(nèi)，因此需要做 設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行建模檢測(cè)。模型創(chuàng)立過程中，需明確環(huán)境溫度25，模型的外部尺寸為長(zhǎng)170mm和寬70mm，同時(shí)需要測(cè)試每個(gè)組件的耗電量情況，以及根據(jù) 制作的不同材料和不同

7、組件進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)定義。將需要求解的區(qū)域劃分網(wǎng)格。在執(zhí)行系統(tǒng)網(wǎng)格預(yù)設(shè)和增量細(xì)分設(shè)置時(shí)，為提高網(wǎng)格在需要溫度梯度大的位置上進(jìn)行設(shè)置的精度，可以通過添加局部網(wǎng)格和網(wǎng)格位置使用網(wǎng)格約束。可使用GridSummary等方法排除網(wǎng)格設(shè)置過程中出現(xiàn)的高縱橫比和高失真的柵格單元，以保證網(wǎng)格創(chuàng)立的質(zhì)量。在IGBT塊的正向、反向、側(cè)面等位置安裝多個(gè)溫度傳感器，并檢測(cè) 內(nèi)部各種導(dǎo)熱材料。由于模型創(chuàng)立的目的是將 接觸溫度控制在41以下，假設(shè)每個(gè)模擬能量消耗是一致的，但具有高導(dǎo)熱性材料的能量消耗是唯一不同的。4熱仿真實(shí)例 的內(nèi)部空間小，同時(shí)受灰塵、水滴、靜電等因素的影響，內(nèi)部密封性能有一定的變化，需要進(jìn)行測(cè)量，還要對(duì)

8、采取改變導(dǎo)熱率、增加散熱器面積和物體的顏色深度等熱保護(hù)措施。 的散熱應(yīng)將其內(nèi)部局部熱量盡可有均勻分布于整個(gè)機(jī)身，并最終將熱量發(fā)散到 外部。而 的熱點(diǎn)集中區(qū)域主要為相機(jī)和CPU部件，可在 中增加導(dǎo)熱系數(shù)高的材料使用率，如石墨導(dǎo)熱片等。通過仿真模擬不增加石墨導(dǎo)熱片和增加石墨導(dǎo)熱片的 設(shè)計(jì)方面的散熱效果并進(jìn)行比照，結(jié)果如表1所示。根據(jù)實(shí)險(xiǎn)測(cè)量結(jié)果，得到模擬熱分析表，軟件模擬比照結(jié)果顯示，參加石墨導(dǎo)熱片后， 的散熱功能明顯提升，最高溫度有效下降，機(jī)身的整體溫度呈現(xiàn)為均勻分布，可見增加石墨導(dǎo)熱片的 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于其機(jī)身散熱有利，可以有效優(yōu)化 的散熱設(shè)計(jì)。5結(jié)語本文介紹電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中熱仿真常用計(jì)算方法有限差分法、有限元法、有限體積法的計(jì)算原理，就電子設(shè)備的傳導(dǎo)效應(yīng)、對(duì)流換熱、輻射傳熱3種傳熱方式，對(duì)熱分析軟件的熱仿真建模提出了物理建模、網(wǎng)格劃分以及求解步驟與結(jié)果的操作分析，并利用實(shí)例分析對(duì)熱分析軟件的熱仿真模型的有效性進(jìn)行闡述，證明了熱仿真在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中能夠有效縮短設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)間，減少本錢，提高電子設(shè)備的設(shè)計(jì)水平。參考文獻(xiàn)【1】梁建長(zhǎng).熱仿真在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究.電子測(cè)試，2021，16：36-38.【2】俞新江.熱仿真在電