Flotherm有限元軟件對(duì)某種電源設(shè)備的熱仿真分析設(shè)計(jì)

 Flotherm是一款強(qiáng)大的應(yīng)用于電子元器件以及系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)的三維仿真軟件。在任何實(shí)體樣機(jī)建立之前，工程師就可以在設(shè)計(jì)流程初期快速并簡(jiǎn)易地創(chuàng)建虛擬模型，運(yùn)行熱分析以及測(cè)試設(shè)計(jì)更改。

 今天，有限元科技小編跟大家分享的是：使用有限元軟件Flotherm對(duì)一種航天器電源設(shè)備的熱仿真設(shè)計(jì)。

 1、背景

 航天器電子設(shè)備要求體積小、重量輕，這就使得電子元器件組裝密集度高，而大多數(shù)電子元器件過(guò)早失效的主要原因是由于過(guò)應(yīng)力(如電、熱或機(jī)械應(yīng)力)。電應(yīng)力和熱應(yīng)力之間存在緊密的內(nèi)在聯(lián)系，減小電應(yīng)力(降額)會(huì)使熱應(yīng)力相應(yīng)的降低，從而提高電子元器件的可靠性。對(duì)于航天器單機(jī)電子設(shè)備，不能夠使用自然對(duì)流形式進(jìn)行冷卻，這是在軌失重狀態(tài)所致。因此宇航電子設(shè)備只能依靠傳導(dǎo)、輻射，或者強(qiáng)迫對(duì)流的冷卻方式。

 電子設(shè)備的可靠性在很大程度上取決于設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和所采取散熱措施的有效性。這種航天橋與其他的電子設(shè)備相比，該設(shè)備功耗大。由于高溫會(huì)對(duì)電子元器件的性能產(chǎn)生有害的影響，為避免溫度過(guò)高形成機(jī)械應(yīng)力損傷、降低電子元器件壽命，必須進(jìn)行合理的熱設(shè)計(jì)，給大功耗電子元器件建立有效的散熱路徑。使用Flotherm對(duì)這種航天器電源設(shè)備的進(jìn)行熱仿真設(shè)計(jì)，能夠很好地解決這一問(wèn)題。

 由于設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及元器件的布置安裝形式必須能夠滿足元器件Ⅰ級(jí)降額的要求，熱仿真分析的目的是驗(yàn)證設(shè)備工作時(shí)元器件是否滿足Ⅰ級(jí)降額的要求。

 2、輸入條件

 電源整機(jī)設(shè)備由5個(gè)相同且又獨(dú)立的模塊組件構(gòu)成，安裝于一個(gè)封閉的金屬盒體內(nèi)。單個(gè)模塊組件裝有一塊PCB板。PCB板厚度為2mm，材料為FR4，覆銅層為4層厚度35μm(從上往下依次是：信號(hào)層、地層、電源層、信號(hào)層)，各層覆銅層占PCB的百分比分別為：信號(hào)層40%，地層/電源層：80%。

 為同時(shí)滿足電子設(shè)備輕量化、強(qiáng)度和剛度的要求，電源設(shè)備機(jī)箱殼體采用2A12鋁合金材質(zhì)，通過(guò)整體鋁塊銑削加工而成。為了考慮輻射散熱，整機(jī)外表面均進(jìn)行黑色陽(yáng)極化處理，表面發(fā)射系數(shù)大于0．85。安裝接觸面積為22767mm2，是主要的熱傳導(dǎo)散熱途徑。

 電源設(shè)備的工作模式是同時(shí)有3個(gè)模塊組件工作，熱功耗接近27．3W。單個(gè)模塊組件功耗分布見(jiàn)表1。

 3、電源設(shè)備結(jié)構(gòu)

 整機(jī)結(jié)構(gòu)件選用2A12硬鋁合金，這種材料強(qiáng)度高、比熱熔大、傳熱好，易于加工、重量輕、不易變形，在航天產(chǎn)品中為通用首選材料。結(jié)構(gòu)布局如圖1所示，模裝圖如圖2所示。

 電源設(shè)備的5個(gè)模塊組件分別安裝在5個(gè)小殼體內(nèi)。電源按5個(gè)相同的電源模塊設(shè)計(jì)，所以結(jié)構(gòu)分為5個(gè)相互屏蔽盒體和一個(gè)安裝結(jié)構(gòu)體，這樣符合EMC要求。材料均選用2A12硬鋁及整體掏銑工藝。電源盒壁厚為1．5mm，盒體底部厚度為2mm，結(jié)構(gòu)體側(cè)壁厚2mm，以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。器件A、半導(dǎo)體器件A和B，安裝在盒體底板上，散熱面與金屬結(jié)構(gòu)件通過(guò)導(dǎo)熱墊直接接觸，形成良好的散熱途徑。器件布置圖如圖3所示。

 電源安裝結(jié)構(gòu)體下端設(shè)計(jì)四個(gè)安裝凸耳，凸耳采用具有加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)方式，安裝連接件采用M5螺栓進(jìn)行連接，安裝面位于結(jié)構(gòu)體底部。為保證散熱途徑的有效性，結(jié)構(gòu)體底部安裝面的平面度要求為0．2/100×100mm2，表面粗糙度要求為1．6μm。同時(shí)，為滿足電磁兼容性(EMC)要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的搭接面保證充分接觸，有效抑制電磁輻射的泄漏。

 由于該電源設(shè)備功耗較大，因此對(duì)于大功耗電子元器件建立合理的散熱路徑非常重要。具體實(shí)施措施是在大功耗器件所處的相應(yīng)位置設(shè)計(jì)安裝凸臺(tái)，通過(guò)接觸傳熱的方式建立良好的散熱路徑。

 4、熱仿真分析及結(jié)果

 仿真計(jì)算的邊界條件為空間微重力真空環(huán)境恒定溫度60℃，設(shè)備表面發(fā)黑處理(表面發(fā)射系數(shù)取0．85)，環(huán)境的熱輻射背景溫度也取為60℃，電源處于真空環(huán)境，由此確定求解條件考慮傳導(dǎo)和輻射換熱。

 應(yīng)用Flotherm軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的疏密會(huì)對(duì)計(jì)算產(chǎn)生直接影響，過(guò)密會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間太長(zhǎng)，過(guò)于稀疏也會(huì)影響計(jì)算精度。一般利用軟件定義中等網(wǎng)格，軟件會(huì)根據(jù)模型的情況自動(dòng)設(shè)置最小網(wǎng)格單元尺寸和最大網(wǎng)格單元尺寸。對(duì)于一些電子設(shè)備，大功耗器件比較集中的區(qū)域還可進(jìn)行局部精細(xì)化網(wǎng)格劃分。對(duì)于此電源設(shè)備，根據(jù)模型實(shí)際情況，選定中等網(wǎng)格，建立有限體積模型，并根據(jù)材料及元器件的熱物理參數(shù)建立起物理模型。其有限網(wǎng)格的劃分如圖4所示網(wǎng)格單元376680個(gè)。

 通過(guò)Flotherm軟件計(jì)算求解后獲得的數(shù)據(jù)如后續(xù)圖示：整機(jī)表面溫度云圖如圖5所示；安裝位置距離整機(jī)安裝接觸面最遠(yuǎn)的小殼體表面溫度云圖如圖6所示；PCB板及器件表面溫度云圖如圖7所示；三塊PCB板溫度分布如圖8所示。

 通過(guò)熱仿真計(jì)算可以得到電源設(shè)備各模塊中元器件的溫度值。由整機(jī)表面溫度云圖可知，距離安裝面越遠(yuǎn)的部位溫度值就越高。在此列出三個(gè)工作模塊中距離安裝面最遠(yuǎn)端的小殼體中大功耗器件的溫度值如表2所示。由表2可知，由于器件A、半導(dǎo)體器件、芯片散熱面與結(jié)構(gòu)小凸臺(tái)進(jìn)行接觸傳熱，形成了良好的傳熱路徑。因此，雖然自身功耗較大，但其溫度值比未采取散熱措施的電阻溫度低很多。

 5、測(cè)試試驗(yàn)

 為了驗(yàn)證熱仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，在設(shè)備熱真空試驗(yàn)(60℃平衡階段)中對(duì)部分器件用熱敏電阻測(cè)得其溫度(瞬時(shí))值見(jiàn)表3。由表3可知，實(shí)測(cè)值與仿真值的誤差最大為4．9℃。這是由于受測(cè)量中不可避免的誤差因素的影響，但誤差值均在5℃以?xún)?nèi)，并且實(shí)測(cè)值與仿真值均滿足元器件Ⅰ級(jí)降額的要求。通過(guò)表2和表3的對(duì)比分析，結(jié)果表明在設(shè)備研制階段利用 Flothem對(duì)其進(jìn)行熱仿真分析，可較為準(zhǔn)確地估算大功耗器件的工作溫度，同時(shí)對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和PCB板元器件布置的合理性進(jìn)行評(píng)判，并提出修改方案和具體工藝措施。

 6、結(jié)論

 根據(jù)熱仿真計(jì)算結(jié)果，須對(duì)電源的大功耗器件建立良好的散熱路徑。具體措施是在大功耗器件的相應(yīng)安裝位置設(shè)計(jì)小凸臺(tái)，并在電裝過(guò)程中在小凸臺(tái)上表面和器件傳熱面之間加裝兩面均帶膠的導(dǎo)熱墊。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮導(dǎo)熱墊的壓縮量，給出合理的配合間隙值。此外，還需由加工工藝和裝配工藝保證接觸傳熱的有效性。

 通過(guò)熱仿真分析，該電源內(nèi)各元器件均工作在Ⅰ級(jí)降額的安全溫度范圍內(nèi)。由于理論計(jì)算比較繁瑣，而采用仿真計(jì)算時(shí)考慮的邊界條件難免會(huì)有誤差。此外，熱仿真分析的目的只對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件布置和安裝提供參考依據(jù)，仿真計(jì)算的精確度最終應(yīng)通過(guò)相應(yīng)的試驗(yàn)進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證。

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