大功率机箱产品仿真分析应用

郭繁1 ,贺文杰2

(1.航空工业太原航空仪表有限公司，山西省太原市 030006; 2.航空工业太原航空仪表有限公司，山西省太原市 030006)

摘要：热设计是电子产品设计中特别重要的一个环节。由于热分布不均导致热集中现象的存在，当产品在承受预期热、振动环境条件下，可能会出现性能下降、输出信号异常、零部件失效等现象。据统计，在引起机载电子产品失效的环境因素中，温度因素约占55%。热的危害主要是引起设备超温失效、短路等，而遭到破坏或损坏。本文以大功率机箱为例，借助软件进行仿真分析，最终确定了设计方案，验证了设计合理性，为后续试验提供依据支撑。

关键词：大功率机箱；仿真

Simulation Analysis and Application of HighPowerUnitProducts

Fan Guo1，Wenjie He2

(1.AVIC TAIYUAN AERO-INSTRUMENTS CO.,LTD, Taiyuan, 030006, China;

2. AVIC TAIYUAN AERO-INSTRUMENTS CO.,LTD, Taiyuan, 030006, China)

Abstract：Thermal design is a particularly important part in electronic product design.Due to the existence of thermal concentration caused by uneven heat distribution, under the expected thermal and vibration environmental stress conditions of the product, performance degradation, abnormal output signals, and component failures may occur. According to statistics, temperature factors account of 55% of the environmental factors that cause the failure of recorded electronic products. The harm of heat is mainly caused by equipment overhearing, failure, short circuit, and other damage. This article takes the high-power unit as an example and conducts simulation analysis with the help of software to finally determine the design scheme, verify the rationality of the design, and provide basis and support for subsequent tests.

Key words：High Power Unit; Simulation Analysis

据统计，在引起电子产品故障的环境因素中，温度因素约占55%。在传统产品设计中，采用经验分析和试验验证相结合，但一旦试验出现问题再反馈进行修改，不仅耗时较长、还需要反复试验导致经济效益变差。

近年来，随着计算机科学和数值仿真技术的不断发展，在产品设计过程中，仿真分析正发挥着越来越重要的作用，尤其针对新技术、新材料、新器件的产品，仿真分析工作更加重要，往往需要多次反复循环进行评估，从而降低投产失效比例。仿真分析范围较广，可以对多种学科问题进行交叉耦合分析，以减少产品研制试验验证次数，缩短试制时间，降低循环试验分析费用。

1简介

某智能大功率机箱产品安放于室内，用于数据传输等功能，要求在高温70℃环境条件可以长期使用，其内部具有六个高功率模块和四个小功率设备。由于其工况比较恶劣，且功率较大，在机箱内部设置了自动温控系统，当内部温度达到130℃会自动发出报警提示，并切断电源，以保证设备不会损坏。机箱外形尺寸为319mm*247mm*450mm。

考虑到高温和高功率的工况，具体设计需要详细仿真分析进行对比分析得到优化方案。具体外形和内部高功率模块见图1所示。

图1机箱外形示意图

2 热设计

热设计是采用适当可靠的方法控制产品内部所有元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下不超过稳定运行要求的最高温度，以保证产品正常运行的安全性，长期运行的可靠性。

温差是热量传递的唯一动力，外部环境温度是固定的，当发热量一定时，要解决的传热问题就是降低传热阻力。

热设计思路：首先考虑产品的应用场景，处于室内还是室外，是否有阳光直射、温湿度是否可控；其次，了解产品功耗，确定散热面积，选择合适可用的散热方式；最后进行仿真分析验证或试验验证。

考虑到此产品的热量去处一部分是被内部吸收转化为内能，导致温度升高；一部分是传递转移，发热模块内部热量传递到接触的界面材料-安装的结构件-壳体内部空气-外壳-外部环境，最终温度稳定后，所有热量都会先传递到外壳，再由外壳传到周围空气中。下面进行详细设计计算分析。

机箱产品分两种工作模式，长时工作总功率为422W（六个高功率模块每个是65W，四个小功率设备每个是8W），瞬时1分钟工作为968W（六个高功率模块每个是140W，四个小功率设备每个是32W）。

根据GJB/Z 27-1922，分别计算产品体积功率密度。两种工况进行计算得到：

体积功率密度<11W/L，使用自然散热；>25W/L使用强迫风冷；>50W/L使用强迫液冷。按上式计算，自然散热不能满足散热需求，选择强迫冷却方式进行散热。

强迫冷却方式首先风扇作为驱动力进行风冷设计，其风量计算依据能量守恒定律。

                    (1)

式中，P为功耗 W，ρ为空气密度 kg/m3，cp空气比热容 J/Kg K，Q为风量 m3/s，△t温升℃

假设温升20℃，

经换算，风量分别为41.96 cfm，96.27 cfm

所选风扇应满足

               (2)

从而选取四颗风扇，并排放置，采用EBM 624N型离心风扇，可以满足使用要求。安装位置在发热模块侧方，如图2所示。

图2 机箱内部热源及风扇位置示意图

3 热仿真分析

热分析，又称热模拟，是利用数学手段借助仿真软件，在电子产品的设计阶段获得某些物理量（如温度分布）的方法，它可以使设计人员在设计初期就能发现产品的热集中等缺陷，得到合理的设计方案，为产品可靠性运行提供有力保障。

热分析主要是通过建立产品温度场和流场的数学模型，并对其求解，由于求解的复杂性，大都采用软件来完成。主要分析过程如下见图3所示。

图3 仿真分析过程图

3.1仿真前处理

3.1.1 仿真模型建立

仿真模型建立的准确性是计算结果精确的前提。对于精准实物模型，过于复杂，会占用大量的计算机资源和计算时间；而修复模型过于简单，则计算结果会忽略大量细节，精度不够。

建模的原则就是保留产品热量传递路径，其他可以进行必要的简化和省略。

3.1.2参数设置

机箱材料及材料属性根据各零、组件实际材料信息进行设置，见表1。

表1 产品材料信息列表

材料	密度 (kg/m3)	导热系数 (W/m k)	比热容 (J/Kg K)
铝合金	2770	200	900
硅	2300	180	180
均温板	2970	1000	900

3.1.3  网格划分

划分网格的多少在一定程度上影响着热分析的结果，通常网格划分的越多，则计算精度越高，但网格过多计算时间将过长，而精度却得不到明显的提高。因此，应在重要部位（如温度梯度高的位置，热源位置等）进行局部加密。本文采用扫掠、单元大小控制及多区域划分法进行划分，最终划分完成后的有限元模型共有8267931个单元，8644340个节点数，见图4所示。

图4 网格划分示意图

3.1.4  设置求解

设计两种方案进行分析对比。方案1为热源位置处放置铝板并在铝板后方的最上方和最下方设置挡板，以提供风道进行吹风。方案2则将铝板改为均温板，且均温板后方设置了32个1mm厚的翅片，扩大散热面积进行吹风。分别对两种方案进行仿真分析计算。

设置环境温度70℃，计算工况1条件为总功率422W，分别计算两种方案，后续根据确定方案进行工况2条件的1分钟瞬态968W计算。

3.2仿真分析

3.2.1  稳态分析结果

图5 方案1产品温度分布云图

图6 方案1内部模块温度分布云图

图7 方案2产品温度分布云图

图8 方案2内部模块温度分布云图

 

图9 方案2风扇结果示意图

通过仿真，可以看到方案1最高温度达到了155℃，且壳体表面达到了92℃，六个高功率模块都比较热，四个小功率设备相对温度低，但也达到了110℃左右。虽然设有风道进行了吹风，但明显壳体温度过高。方案2则最高温度降低到99℃，壳体表面达到80℃，主要是均温板均温效果明显，且后方翅片增加了散热面积有利于散热；风扇吹风导致离风扇近的热源模块温度低，远离风扇口位置热源模块温度相对高一些；且通过检查输出风扇工作点在整个P-Q曲线中间位置，认为风扇选取比较合理。

3.2.2  瞬态分析结果

通过比较两个方案的结果，选择方案2作为设计方案进行后续1分钟瞬态仿真，具体结果见下图。

图10  30秒产品及各模块温度分布云图

图11 60秒产品及各模块温度分布云图

图12 6个热源1分钟内的温度结果图

通过云图可以看到，虽然瞬时总功率达到了968W，但1分钟结束时，壳体表面温度只有70.09℃，基本等同环境温度，而内部最上方的小功率设备成为最高温度点，达到了89℃。大功率模块受到风扇吹风影响，温度相对较低。由此可以看到，稳态时温度比瞬态温度高很多，应多关注长期工况条件。

4 耦合结构仿真分析

在设计中除了需要考虑热的影响，也要考虑热分布不均所导致的热应力。当产品在预期存在热应力的条件下进行振动试验，可能会存在热应力和结构应力联合的情况，故而将稳态温度结果作为结构输入进行热应力仿真计算，结果见图13。

图13 导入热分布及热变形图

图14 模块应力应变图

图13中左图温度数据和热分析结果的数据相差一些，主要是由于两种类型网格配套性导致。右图为热膨胀变形结果。由于比较关注主要模块变形情况，故而可以看到大功率模块最大变形为0.3mm，小功率设备为0.1mm。

在实际使用环境中，不只是存在高温温度条件，可能会同时存在高温和振动情况，需要考虑综合因素导致的结果，以确定设计合理性。

5 结论与建议

根据仿真结果可以看到机箱的工作温度在高温70℃环境条件下，外壳达到了80℃，内部最高达到99℃，这种设计在高温条件下可以正常使用工作，热变形最大达到0.3mm，热应力最大值65MPa远小于铝材料屈服极限。

通过仿真可以验证产品设计的合理性。由于是在这种大功率的机箱设计时不只是要考虑热的影响还要考虑结构减重等影响，或者是否会存在预期热应力集中而导致结构振动初始就出现薄弱点。

因此，在今后的产品设计时在设计初期应进行多次仿真分析验证是很有必要的，当然在设计时还要考虑抗振设计，以减少设计失误，实现优化设计，提高产品的可靠性。

参考文献:

[1] 黄志新,刘成柱.ANSYS Workbench 14.0超级学习手册[M].北京：人民邮电出版社，2013.4

[2] 浦广益.ANSYS Workbench 基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2013.4

[3] GJB/Z 27-1922电子设备可靠性热设计手册