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计算机仿真在电子设备热设计中的应用
白秀茹
（中电集团第54研究所石家庄050081）

摘要：电子元器件和设备在工作时会耗散大量热量，为保证元器件和电子设备的热可靠性，热分析和热控制必不可少。Icepak是目前较流行的专业的、面向工程师的电子产品热分析软件之一，利用它，可大大减少计算量，缩短研制周期，降低成本。某野外工作设备，内部安装了大功率器件，而工作环境温度较高，热设计的优劣成为该设备结构设计的关键。本文较详细地介绍了利用Icepak进行该设备热设计仿真的过程,并通过对计算结果分析、比较，以得到最优设计。
叙词：热设计Icepak软件建模耗散热
引言
电子元器件和设备在工作时会耗散大量热量，为保证元器件和电子设备的热可靠性，热分析和热控制必不可少。实际工作中，合理利用热分析软件进行热设计，可提高产品一次成功率，缩短研制周期，降低成本。大家知道，传热学中有大量的公式、表格，以往的手工计算繁复、耗时。Icepak是目前较流行的专业的、面向工程师的电子产品热分析软件之一，利用它，可大大减少计算量。本文将较详细地介绍利用该软件进行该设备热设计的过程。
问题描述
某野外工作设备，内部安装了功放、电源等大功率器件，其要求工作环境苛刻，设备正常工作的环境温度为－25℃～＋55℃，湿度≤90%（温度为25℃），防雨，抗风沙，可连续工作，小型化。不难看出，热设计的优劣成为该设备结构设计的关键。成功的热设计应是在保证设备高温下可靠工作的同时，使设备的重量、加工成本控制在低限。
根据指标要求，将该设备设计成铝合金密封机箱。因为有小型化要求，根据各器件外形尺寸进行内部布局，尽量做到紧凑，合理利用空间。机箱内部尺寸初步定为L×W×H＝270mm×200mm×160mm；机箱内安装的主要元器件如下：⑴、1个电源，总功率300W，其中45W为耗散热，其可靠工作最高温度＋85℃；⑵、1个功放，总功率200W，耗散热为170W，可靠工作的底盘最高温度＋70℃；⑶、3个滤波器，可靠工作最高温度＋85℃；⑷、接插件若干。元器件在机箱内分上下三层安装，两个热源器件电源、功放分别紧贴机箱顶壁、底板安装，以利用耗散热最直接地传导到外界大气中。功放与电源中间安装3个滤波器。
Icepak软件功能及特点简介
Icepak广泛应用于通讯、汽车及航空电子设备、电源设备、通用电器及家电等。该软件可解决不同类型的问题：系统级（Systems）、组件级（Components）、封装级（Packages）。
该软件有如下技术特点：
建模快速：利用各种形状的几何模型与现成的模型库可以方便的建立所求解问题的模型。具有MCAD、ECAD/IDF直接输入接口。
具有自动化的非结构化网格生成能力：可以逼近各种复杂的几何形状，大大减少网格数目，提高模型精度。同时还支持结构化和非结构化的不连续网格，可在不降低模型精度情况下减少网格数量以提高计算速度。
广泛的模型能力：涵盖强迫对流、自然对流和混合对流模型、热传导模型、流体与固体之间的耦合传热模型、物体表面间的热辐射模型。另外，还可以模拟层流、紊流，瞬态及稳态问题、多种流体介质问题。
强大的解算功能：具有强大的CFD（计算流体力学）、有限体积方法（FiniteVolumeMethod）结构化与非结构化网格的求解器，并行算法，能够实现UNIX或NT的网格并行。
强大的可视化后置处理：分析结果可以通过视图的形式输出，包括速度矢量图、等值面图、粒子轨迹图、网格图、切面云图、点示踪图等，非常直观。
Icepak软件的具体使用步骤包括建模、加载初始条件、划分网格、检查气流、求解计算、检查分析结果等。
热设计及仿真过程
建模
首先将散热方式设定为自然冷却，由此入手展开热设计。根据经验初步设定散热方案：功放底部（机箱外侧底面）设大面积翅片散热器（高50mm，厚2.5mm，间隔6.5mm），电源底部（机箱上盖外侧）亦为翅片散热器（高25mm，厚2.5mm，间隔5.5mm）。机箱外形尺寸为L×W×H＝270mm×200mm×235mm。利用Icepak软件现有模型库中cabinet/wall/block/plate/source/等命令，分别设定计算域/机箱/电源/功放/滤波器/滤波器安装板/翅片散热器/热源的各自轮廓及定位尺寸、特性等参数，建立Icepak机箱模型，其中热源（source）只加在电源和功放上，滤波器和接插件因耗散热极小，对热分析影响甚微，为简化模型加快计算速度，不在这些器件上添加热源。

加入翅片散热器前的Icepak模型
（其中计算域cabinet比机箱体积大50％左右，图中为显示清晰，隐去了cabinet框）

加入翅片散热器后的Icepak模型
加载初始条件及边界条件
模型建立的同时，在相应的参数面板中加载初始条件和边界条件，主要条件如下：