某機載電子設備的熱仿真及試驗分析

2022-12-28 05:54:32楊美娟曾志華李澤揚

機電工程技術 2022年11期

楊美娟，曾志華，郝靖，李澤揚

（廣州航新航空技術有限公司，廣州 510663）

0 引言

近年來，機載電子產品呈現了高性能、小型化的發展趨勢[1-2]，這和微電子技術集成化、高頻化、高功率化的快速發展密不可分的。當電子核心芯片的工作頻率越來越快時，其功率的損耗越來越大，散發的熱量也不斷增多，溫度也隨之升高。當元器件的溫度升高到一定程度后，產品的可靠性會急劇下降，研究材料表明，當元器件溫度升高了10 ℃，可靠性就降低50%[3-4]，在各種惡劣環境下，熱設計與仿真成為保證機箱可靠性的前提，熱設計的好壞直接影響電子設備的可靠性、工作性能以及壽命，解決電子產品的過熱問題已成為當下電子設備熱設計技術范圍的研究熱點，所以在設計初期就應注重設備的熱設計[5-6]。

在1960—1970年之間，傳統的熱設計理論與方法已經逐漸形成。但受當時技術發展水平的限制，僅能采用經驗類推或采用以物理相似理論為基礎的換熱公式進行預估，并與試驗輪換進行完成來整個產品的熱設計。這種熱設計方式存在很多缺點，比如僅能進行一些簡單的定性分析，造成熱分析效果較差；另外這種方法設計時間較長、研究成本也較高，以上缺點制約了電子產品的開發研究工作，對產品的設計開發造成嚴重影響[7]。在這種情況下，以往的熱設計理念和方法已難以適應設計的需要，要求對電子產品合理科學地進行熱設計。當前，隨著計算機技術與數值計算的發展，一些新型電子產品熱設計技術已逐漸形成，這些技術以流體力學、傳熱學理論和結構力學作為設計基礎[8]。

熱設計的方法主要有類比、試驗和仿真。類比一般是借鑒同類型設備的熱設計結果，但是新研設備往往沒有可類比的基礎；所以對于新研設備，在設計初期一般借用熱仿真軟件進行模擬，Flotherm 軟件仿真分析基于質量守恒、動量守恒和能量守恒定律，采用完善的數值計算法，可以得到和實際十分接近的結果，有效地反映出電子產品的溫度分布。熱試驗則是在樣機生產出來后，采用熱測試設備對熱仿真分析出的較高溫度元器件進行測試，從而判定元器件可靠性的另一種熱設計方法[9-10]。

本文介紹了一種航空電子設備的熱設計，采用熱仿真及熱測試兩種方法進行對比分析，來驗證此種機載電子設備的熱設計是否合理。熱仿真和熱測試結果能夠為設計者提供設計依據和參考。

1 機載電子產品結構組成及熱設計

1.1 殼體基板厚度等參數的確定

通常，發熱元器件先將熱量傳遞到外殼基材，基材再通過散熱翅片將熱量散發到大氣環境中，所以外殼基材的板厚將直接影響到散熱效果。如果外殼基材太薄，熱量無法有效地傳遞到全部的散熱翅片，散熱翅片不會得到充分的利用，易造成溫度分布不均，局溫過高；殼體基材太厚，不僅增加了產品的重量，也會造成材料的浪費和熱量的積累，從而降低了產品的熱傳導能力[11-13]。

考慮到材料的強度，加工形變和重量的限制，設備基材在設計時板厚取1.5 mm，散熱翅片厚度為1 mm，高度為6 mm。

1.2 機載電子設備結構的組成

用三維軟件對機載電子設備（以下簡稱“設備”）進行建模，設備的組成由圖1所示，主要由框架、前面板組件、接口板、模塊一、模塊三和模塊二等組成。

圖1 設備外形示意圖

1.3 機載電子產品的熱設計考慮

為滿足產品在高溫環境下的工作要求，在功率一定的情況下產品應有很好的散熱功能，熱設計的目標在于控制發熱元件的溫度，主要方法就是把產品各發熱部分產生的熱盡量采用熱阻小的途徑快速有效地傳到密封的箱體上，再與外部環境交換散熱。

此產品設計為封閉式箱體結構，主要采用自然散熱的形式。模塊一、模塊二上面的發熱器件均靠側板一側布置，利用側板進行散熱。內部板卡發熱元器件的熱量首先通過熱量傳導傳遞到機箱殼體，再通過輻射換熱、對流方式傳遞到周圍的介質中，實現密封機箱的散熱。因此，為使產品在高溫情況下能可靠進行工作，設計時分別從元器件選型與布局、傳導、輻射、對流散熱的形式考慮，增加散熱性能，主要應用了以下幾種方法。

（1）優化元器件、板卡熱功耗。

（2）進行合理元器件的布局，使其對氣流的阻力影響最小。元器件布局時，要遵循以下原則：將不發熱和發熱量較小的元件布局在冷空氣的上部，耐熱性差的元器件排列在最上方，剩余器件按耐受熱程度，以遞增的順序布局。在不影響產品電性能的前提下，將發熱大的元器件集中布局在一塊，并采用單獨的散熱方式。

（3）熱傳導能力與材料的導熱系數、接觸面積、熱傳導路徑的長短有關。在導熱系數方面，主要的散熱材料為鋁合金，其導熱系數為200 W∕（cm·℃），鋁合金的密度小，但強度較高，能滿足航空產品對剛度及重量等的要求。在接觸面積方面，因為發熱器件與結構件接觸面之間不可能絕對平整，兩者的接觸只發生在離散的接觸面上，為增加兩者的接觸面積，進一步降低傳遞過程中的熱阻的大小，在需要散熱的元器件與結構件之間貼一層柔性導熱墊，該柔性導熱墊的延展性能好，且導熱系數高，可以消除元器件與結構件之間的空氣間隙，從而減小元器件和結構件之間的接觸熱阻，使元器件散發的熱量快速傳遞到殼體上，與外部環境進行交換散熱，提高導熱能力。

（4）熱輻射以電磁波形式向外發射能量[12]。產品的表面情況和面積會影響熱輻射效果，一般來說，外表面顏色越深，產品的熱輻射系數較大。因此產品可通過外殼表面噴黑色無光漆來增加熱輻射能力。

（5）在對流散熱中，主要通過增加散熱部分的面積來提高對流效率，在箱體的外殼采用了散熱翅片設計，增加產品外殼表面的散熱面積，從而提升機箱的散熱能力和效果。

2 機載電子設備散熱的仿真分析計算

2.1 輸入條件

通過使用流體仿真軟件Flotherm，對機載振動實時監視設備進行熱仿真分析計算，一般設備的工作環境分為常溫和高溫兩種情況，本文對高溫環境進行驗證，具體的仿真條件如表1所示。

表1 穩態仿真條件

2.2 熱仿真分析及結果

在使用Flotherm 軟件進行計算之前，需要對仿真模型進行必要的簡化處理，去除不影響計算結果的屏蔽槽、安裝孔和圓角等特征，忽略連接器、濾波器等發熱小的器件，最后將簡化的三維模型通過FloMCAD Bridge 模塊導入Flotherm 軟件中。為了模擬設備的極限工作環境，熱仿真的環境溫度按表1輸入，考慮自然空氣對流、傳導和輻射換熱，并設備模型劃分網格，根據設備模型的復雜程度及仿真結果要求，需合理安排網格的疏密，網格劃分好后進行求解，通過后處理模塊得到各發熱器件的溫度云圖，結果如表2所示。

表2 熱分析各模塊結果

通過軟件提取了各模塊的溫度場分布圖，平臺環境溫度70 ℃條件下的整機溫度場分布結果如圖2所示，模塊一溫度場分布結果如圖3所示，模塊二溫度場分布結果如圖4所示，模塊三溫度場分布結果如圖5所示。從表2中可以得知機箱內板卡器件最高溫度分布在模塊二上，為88 ℃，其他模塊溫度比較均勻，最高溫度在86 ℃左右，查閱各元器件規格書，允許最高工作溫度大多數為105 ℃，大多數元器件的允許最高工作溫度為125 ℃，故機載振動實時監視設備的熱設計滿足要求。