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摘要：電子元器件性能的不斷優(yōu)化，對設(shè)備的熱可靠性提出了更高的要求。在此背景下，為了保持設(shè)備及其內(nèi)部器件良好的應(yīng)用效果，需要加強(qiáng)工程設(shè)計中的熱設(shè)計仿真分析。且在了解Icepak軟件功能特性及熱設(shè)計仿真流程的基礎(chǔ)上，將相應(yīng)的分析工作落到實處，從而得到所需的熱設(shè)計仿真成果。基于此，本文就工程設(shè)計中的熱設(shè)計仿真展開論述。

關(guān)鍵詞：工程設(shè)計；Icepak軟件；熱設(shè)計；仿真；電子元器件

對于電子元器件而言，影響其可靠性指標(biāo)的一個重要因素是元器件的工作溫度。注重工程設(shè)計中的熱設(shè)計仿真分析，積極開展相應(yīng)的分析工作，有利于得到理想的熱設(shè)計仿真結(jié)果，從而為內(nèi)部器件及設(shè)備性能優(yōu)化提供保障，延長它們的使用壽命。因此，需要對Icepak軟件有著一定的了解，設(shè)置好工程設(shè)計中的熱設(shè)計仿真流程，使得不同電子元器件及設(shè)備的潛在應(yīng)用價值得以不斷提升，給予它們的熱可靠性增強(qiáng)科學(xué)保障。

1Icepak軟件簡介

作為一種面向電子產(chǎn)品的熱分析軟件，Icepak軟件在實踐應(yīng)用中取得了良好的效果，有利于減少電子產(chǎn)品熱設(shè)計仿真分析中的計算量，其市場應(yīng)用前景良好。同時，Icepak軟件在實踐中能夠?qū)Ψ庋b級、系統(tǒng)級等不同類型的問題進(jìn)行分析與處理，確保電子產(chǎn)品熱分析有效性。除此之外，Icepak軟件還具備了以下技術(shù)特點：（1）建立模型速度快，能夠借助既有模型庫的應(yīng)用優(yōu)勢，對不同幾何模型電子產(chǎn)品所要求解的問題進(jìn)行快速處理，增強(qiáng)問題處理中模型的實踐應(yīng)用效果；（2）該軟件具有良好的自動化非結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)生成能力，有利于提高電子產(chǎn)品模型精度，并減少相應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)量，確保實踐中的計算工作高效性；（3）Icepak軟件應(yīng)用的模型構(gòu)建適用性良好，有利于實現(xiàn)應(yīng)用價值大的熱輻射模型構(gòu)建，從而解決電子元器件相關(guān)的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)等問題。同時，在其強(qiáng)大的解算及可視化后置處理功能的支持下，有利于得到理想的熱分析仿真結(jié)果。因此，在工程設(shè)計中進(jìn)行熱分析仿真研究時，應(yīng)重視Icepak軟件的使用。

2熱設(shè)計仿真流程

2.1提出問題。某種設(shè)備在實踐應(yīng)用中為了滿足生產(chǎn)計劃實施的要求，會在其內(nèi)部安裝多個大功率器件。由于這些內(nèi)部器件的集成化程度較高，可能會產(chǎn)生較為明顯的發(fā)熱問題。因此，需要重視設(shè)備熱設(shè)計方式的合理性，確保設(shè)備及內(nèi)部器件能夠在高溫條件下正常工作，并實現(xiàn)對設(shè)備加工成本的科學(xué)控制。同時，在設(shè)備內(nèi)部器件設(shè)計的過程中，需要對器件的尺寸、規(guī)格進(jìn)行考量，并了解該設(shè)備內(nèi)部在工作過程中電源、功放及濾波器的發(fā)熱情況，使所需的熱設(shè)計仿真工作開展更具針對性，全面提升工程設(shè)計工作水平。2.2建立模型。在Icepak軟件的支持下，對設(shè)備中的內(nèi)部器件熱可靠性進(jìn)行綜合評估時，需要建立相應(yīng)的模型。在其模型建立的過程中，應(yīng)做到：（1）將自然冷卻方式視為設(shè)備內(nèi)部器件的散熱方式，進(jìn)而開展電子元器件所需的熱設(shè)計工作，確定其設(shè)計過程中的散熱方案。（2）將大面積翅片散熱器安裝在設(shè)備機(jī)箱外側(cè)底面，即功放底盤的底部；在電源底部設(shè)置性能可靠的翅片散熱器，并根據(jù)設(shè)備的實際情況，確定散熱器的尺寸規(guī)格；在此期間，需要借助Icepak軟件的優(yōu)勢，用其模型庫中所包含的各種命令，如cabinet/wall/block/等，實現(xiàn)計算域/機(jī)箱/電源等器件的尺寸規(guī)格設(shè)置，確保相應(yīng)模型建立的有效性。（3）將熱源加在電源及功放中，并結(jié)合濾波器的耗熱、散熱情況，實現(xiàn)模型簡化處理，同時加快計算速度，為后續(xù)熱分析仿真處理工作的順利開展打下堅實的基礎(chǔ)。此外，為了縮短模型應(yīng)用時的計算時間，需要注重Icepak軟件作用下計算域cabinet的合理設(shè)定，以增強(qiáng)模型的實踐應(yīng)用效果。實踐中翅片散熱器加入前的Icepak模型示意圖如圖1所示。2.3加載初始與邊界條件。當(dāng)模型建立工作完成后，需要在與之相關(guān)的參數(shù)面板中加載初始與邊界條件。這些條件包括：（1）氣流的選擇，包括穩(wěn)態(tài)和紊流。穩(wěn)態(tài)即流體達(dá)到熱平衡的狀態(tài)，Icepak模型為一種穩(wěn)態(tài)模型。流體自然對流有兩種不同的流態(tài)，即層流和紊流，通常選擇紊流邊界條件，在隨后的計算中，會驗證和校正此條件。（2）將空氣視為流體，并選用性能可靠的機(jī)箱材料，充分考慮熱輻射、重力對設(shè)備及內(nèi)部器件性能的影響。（3）結(jié)合實際情況，設(shè)置好相應(yīng)的溫度，即設(shè)備正常工作時的最高環(huán)境溫度。同時，應(yīng)考慮電源、功放耗散熱大小，根據(jù)器件說明書獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)。2.4生成網(wǎng)絡(luò)。由于模型中無特殊形狀（如曲面等），直接建立結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格即可。一般情況下，軟件會根據(jù)模型尺寸給出最大網(wǎng)格尺寸，并在此基礎(chǔ)上，對功放、電源、散熱器這些關(guān)鍵部位做細(xì)化網(wǎng)格（Nomal命令）處理，以提高求解精度。設(shè)置完成后，應(yīng)注重生成網(wǎng)絡(luò)命令的執(zhí)行，并通過軟件的提示作用，確定熱分析仿真過程中所生成的網(wǎng)格數(shù)量。在此期間，若軟件中的網(wǎng)格數(shù)量較大，則會加大后期的計算量，影響計算效率的同時難以保證器件熱分析過程中的計算精度。針對這種情況，需要將“assembly”加入到電源、功放熱分析的過程中，并采用結(jié)構(gòu)化非連續(xù)方式進(jìn)行有效設(shè)置，從而達(dá)到網(wǎng)格數(shù)目減少的目的。實踐中若能將這些舉措實施到位，則有利于生成網(wǎng)絡(luò)，滿足器件熱分析仿真處理要求。2.5計算結(jié)果。通過有效利用Icepak軟件，采用迭代法進(jìn)行計算，可在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)三維空間中獲取模型參差曲線，結(jié)合該曲線的收斂情況，可獲得相應(yīng)的計算結(jié)果。實踐中進(jìn)行工程設(shè)計時，需要根據(jù)設(shè)備中不同器件的實際情況，對它們進(jìn)行熱分析仿真處理，得到所需的計算結(jié)果。同時，該熱分析軟件在應(yīng)用中可在視圖形式下輸出器件的熱分析結(jié)果，并在可視化與后處理功能的支持下，得到器件及設(shè)備相應(yīng)的溫度分布云圖及風(fēng)速圖，進(jìn)而了解器件及機(jī)箱內(nèi)的溫度分布及空氣流動情況。在具體分析的過程中，若電源、濾波器、功放的溫度未能達(dá)到相應(yīng)的指標(biāo)要求，則需要制定出改進(jìn)方案，對散熱器翅片尺寸進(jìn)行合理設(shè)置，必要時可在設(shè)備機(jī)箱內(nèi)加設(shè)風(fēng)扇。當(dāng)軟件作用下模型分析計算中的參差曲線收斂后，為了得到所需的計算結(jié)果，則需要將此時的器件溫度分布云圖、風(fēng)速切面圖提取出來，觀察設(shè)備中各元器件的最高溫度是否處于指標(biāo)要求范圍內(nèi)，從而增強(qiáng)改進(jìn)方案適用性，并提升計算結(jié)果的潛在應(yīng)用價值。除此之外，相關(guān)人員需要在器件分析仿真計算結(jié)果的支持下，對工程設(shè)計方案是否合理進(jìn)行科學(xué)評估，確保該方案在實踐應(yīng)用中能夠達(dá)到預(yù)期效果。在提升熱分析軟件實踐應(yīng)用水平的基礎(chǔ)上，滿足電子元器件性能優(yōu)化的要求。當(dāng)器件熱分析仿真計算結(jié)果得到充分利用后，則有利于提高器件發(fā)熱問題處理效率，確保其運(yùn)行工況良好性，提升工程設(shè)計水平。

3結(jié)論

現(xiàn)階段，在電子元器件應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大的過程中，與之相關(guān)的內(nèi)部器件發(fā)熱問題能否得到科學(xué)處理，關(guān)系著設(shè)備的實踐應(yīng)用效果及使用年限。因此，需要在工程設(shè)計中加強(qiáng)熱分析軟件的使用，并確定相應(yīng)的熱設(shè)計仿真流程，使得設(shè)備性能可靠性得以增強(qiáng)，最大限度地滿足相關(guān)生產(chǎn)計劃的實施要求。與此同時，應(yīng)對工程設(shè)計中的熱設(shè)計仿真效果進(jìn)行科學(xué)評估，以便實現(xiàn)對熱分析軟件的高效利用，并優(yōu)化設(shè)備熱設(shè)計仿真分析方面的工作方式。

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作者:金偉龍 單位:中電科天之星激光技術(shù)（上海）有限公司