基于Flotherm的電子電路熱仿真分析與研究

摘 "要： 在闡述電子設備熱仿真分析重要性的同時，簡單介紹了電子設備傳熱類型，并對熱分析軟件的基本理論進行解析。介紹了熱分析軟件Flotherm的功能特點及應用范圍，并以教學機器人PCB控制板為研究對象，用Flotherm軟件對其電子電路進行熱仿真分析，詳細講述了計算模型的建立、邊界條件設置、網格劃分、結果分析及優化處理等操作。通過仿真分析數據與實驗結果比較，發現熱仿真分析存在一定誤差，分析研究誤差存在的主要因素，提出通過優化操作的方法減小誤差，達到較高的熱分析精度，滿足使用需求。

關鍵詞： 機器人; 熱仿真分析; Flotherm; 誤差分析

中圖分類號： TN710?34 " " " " " " " " " " "文獻標識碼： A " " " " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2015）06?0016?04

Thermal simulation analysis for Electronic circuit on Flotherm

NIU Dong?ke， JIN Xiao?yi， ZHANG Xiang?wei， ZHOU Qiang

（College of Mechanical Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620， China）

Abstract： While expounding the importance of the thermal simulation analysis for the electronic equipment， the heat conduction types of the electronic equipments are introduced briefly and the basic theory of thermal analysis software is analyzed. The functions and application range of thermal analysis software Flotherm are introduced. Taking the PCB control board of the teaching robot as research objects， Flotherm is used to do the thermal simulation analysis for electronic circuit. The specific operations of computing model establishment， boundary condition setting， mash generation， result analysis and optimization processing are elaborated. A certain error existing in the thermal simulation analysis was found by contrasting the experimental results with the simulation analysis data. The major factors that cause the error are analyzed. The optimization procedures are proposed to reduce the error， reach the high thermal analysis accuracy and meet the application requirements.

Keywords： robot; thermal simulation analysis; Flotherm; error analysis

0 "引 "言

隨著電子技術的迅猛發展，電子設備朝著使用環境多樣化、設備小巧化等方向發展。針對上述發展趨勢，電子設備結構設計將面臨強度與振動、散熱、電磁兼容三大問題。其中，散熱不良導致的熱失效是電子設備的主要失效形式，“熱”問題已引起了人們的普遍關注，因此，能夠解決電子設備過熱問題的熱分析、熱設計及熱測試技術得到了迅速發展[1]。在產品設計階段對其進行熱仿真，能夠確定模型中的溫度分布，找出模型中溫度最高點，從而可以對模型進行修改或采用必要的散熱措施，消除其熱問題，使模型中最高溫度控制在允許的溫度范圍內，達到設計指標，能夠有效減少設計費用，縮短設計周期，提高產品一次成功率，也能夠有效改善電子產品的性能，提高產品的可靠性，使產品更具有市場競爭力。

用于電子設備熱仿真分析的方法主要有解析法和數值分析法。其中，解析法在求解一些簡單的問題的時候很實用，其具有求解簡單高效的特點;數值分析法主要以離散數學、數值計算為基礎，以計算機為工具，能夠對大量復雜的問題進行求解，其求解過程復雜但求解精度高。隨著傳熱學及計算機技術的發展，數值分析法得到了很好的發展，其逐漸成為最常用的研究電子設備熱仿真分析的方法[2]。電子設備熱分析軟件都采用數值分析法，數值分析法主要有限差分法、有限元法和有限體積法三種。

1 "電子設備傳熱類型

根據傳熱學的基本理論，傳熱的基本方式有熱傳導、對流換熱和輻射換熱。熱傳導基本定律是Fourier定律：在純導熱中，單位時間內通過給定面積的熱流量，正比于該地垂直于導熱方向的截面面積及其溫度變化率，其計算公式如下：

[Φ=-λA?t?x] （1）

式中：[Φ]為熱流量，單位為W;[λ]為導熱系數，單位為W/（m·℃）;[A]為垂直與熱流方向的橫截面面積，單位為m2;[?t?x]為x方向的溫度變化率，單位為℃/m。負號表示熱量傳遞的方向與溫度梯度的方向相反。

對流換熱可遵循Newton 冷卻定律：當物體表面與周圍存在溫度差時，單位時間從單位面積散失的熱量與溫度差成正比。其計算公式如下：

[Φ=hcA（tw-tf）] （2）

式中：[hc]為對流換熱系數，單位為W/（m·℃）;[A]為各對流換熱面積，單位為m2; [tw]為熱表面溫度，單位為℃; [tf]為冷卻流體溫度，單位為℃。

輻射換熱能量主要以電磁波的形式傳遞，其可遵循Stefan?Bolzman定律：描述了黑體輻射力隨表面溫度的變化規律。推導為兩物體表面之間的輻射換熱計算公式為：

[Φ=5.67AF12εxtT11004-T21004] （3）

[εxt=11ε1+1ε2-1] （4）

式中：[T1]，[T2]為物體1和物體2表面的絕對溫度，單位為K;[ε1]，[ε2]為物體1和物體2的表面黑度;[εxt]為系統黑度;[A]為物體輻射換熱表面積，單位為m2;[F12]為兩物體表面的角系數。

2 "熱仿真分析理論基礎

熱分析軟件主要根據能量守恒、動量守恒及質量守恒進行控制計算[3]。控制方程的通用形式如下：

[?ρ??t+divρV?=divΓgrad?+S] （5）

表現在質量守恒方程上形式如下（三維直角坐標中）：

[?ρ?t+?ρu?x+?ρv?y+?ρw?z=0] （6）

動量守恒方程如下：

x方向：

[?ρu?t+?ρuu?x+?ρuv?y+?ρuw?z=-?p?x+ " ??xμ?u?x+??yμ?u?y+??zμ?u?z+Su] （7）

y方向：

[?ρv?t+?ρvu?x+?ρvv?y+?ρvw?z=-?p?y+ " ??xμ?v?x+??yμ?v?y+??zμ?v?z+Sv] （8）

z方向：

[?ρw?t+?ρwu?x+?ρwv?y+?ρww?z=-?p?z+ "??xμ?w?x+??yμ?w?y+??zμ?w?z+Sw] （9）

能量守恒方程如下：

[?ρT?t+?ρuT?x+?ρvT?y+?ρwT?z= " " "??xλcp?T?x+??yλcp?T?y+??zλcp?T?z+ST] （10）

式中：[u]，[v]，[w]為流體在[x]，[y]，[z]坐標軸方向的速度分量;[ρ]為流體密度;[μ]為流體運動粘性系數;[p]為壓力;[T]為溫度; [t]為時間;[cp]為定壓比熱容;[λ]為導熱系數;[ST]為流體的內熱源及粘性耗散項;[Su]，[Sv]，[Sw]分別為單位時間、單位體積在各速度方向上動量的源項。

3 "熱分析軟件簡介

本文以教學機器人上電子電路為研究平臺，用熱分析軟件Flotherm對其進行熱仿真分析，得出實驗結果，并對實驗結果進行分析研究。Flotherm是一套由英國Flomerics軟件公司開發并廣為全球各地電子電路設計工程師和電子系統結構設計工程師使用的電子系統散熱仿真分析軟件。Flotherm采用成熟的計算流體動力學（Computational Fluid Dynamic，CFD）和數值傳熱學仿真技術，并成功的結合了FLOMERICS公司在電子設備傳熱方面的大量獨特經驗和數據庫開發而成。

Flotherm為核心熱分析模塊，利用它可以完成從分析模型建立、網格生成、求解計算、分析報告、到可視化后處理等所有基本功能。它可以完全滿足元件級、板級和模塊級、系統級等各種層次的分析。該模塊還包含TABLES 分析結果數據報告和VISULATION可視化后處理等功能。FLOMOTION為仿真結果動態后處理模塊，不僅有最大最小值指示、復雜空間等值（溫度、壓力、速度）曲面、物體表面溫度分布、流線、真實感非常強的示蹤粒子運動、流體質量流、熱功率流，可以將運算后的數據以流體示蹤粒子三維動畫等形式直觀方便地顯示出來。FLO/MCAD為軟件接口模塊，不但完全支持PRO/ENGINEER 等機械CAD 軟件幾何模型的直接調用并自動簡化，還可以通過IGES、SAT、STEP、STL格式讀入如UG、I?DEAS 和AutoCAD 等MCAD 軟件建立三維幾何實體模型，可以大大減少對復雜幾何模型的建模時間。

4 "熱仿真分析實例及研究

熱仿真分析就是根據實驗對象建立熱分析模型，并賦予模型各種屬性、環境條件、功率大小等因素，運用熱仿真分析軟件對其進行仿真模擬，得出模擬實驗數據，進而對其分析研究。熱仿真分析能夠快速有效地得出仿真數據，降低實驗成本，縮短產品研發周期。這里選取教學機器人PCB控制板作為熱仿真對象，PCB板上分布有諸多電子元器件及數據線接口，整塊PCB板為典型的密閉電子設備，將對理論計算所得溫升較大的電子元器件進行仿真分析，對實驗數據進行分析研究，找出導致溫升的一些因素并對仿真數據存在誤差的因素進行分析研究[4]。其中教學機器人如圖1所示，PCB控制板如圖2所示。

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圖1 教學機器人

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圖2 PCB控制板

4.1 "熱分析模型建立

實驗對象為典型的密閉電子設備，該實驗對象包括一塊PCB控制板及鋁合金殼體。其中，PCB控制板上有諸多電子元器件，各電子元器件工作時產生熱量通過殼體內空氣對流換熱將熱量傳遞到鋁合金殼體上，殼體再將熱量散失到外部環境。針對實驗對象，由于PCB板上電子元器件多而密集，這里要對其進行簡化處理，保留PCB板上功率較大的電子元器件，將功率較小的元器件省略，但需將其功率損耗計算在內，這樣極大地降低了建模的復雜程度，也能更有效的計算出結果[5?6]。

建立熱分析模型，首先，創建一個新項目并將其命名后保存，定義求解域，設置外部環境條件及參數，其次，創建箱體，并定義尺寸大小、厚度、材料等參數，最后，按照實驗對象實際尺寸及相對位置在箱體內部創建PCB及其電子元器件，并定義熱源、材料屬性、傳熱系數等相關參數[7]。當模型建立后，為了檢測電子元器件發熱情況，在需要測溫的電子元器件中心位置放置監控點。建立熱分析模型如圖3所示。

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圖3 熱分析模型

4.2 "網格劃分

在模型建立完成后，即可對其進行網格劃分。運用軟件自帶的網格劃分工具對模型進行快速的網格劃分，在計算量不大的情況下，為了獲得更加精確的運算結果，這里可以將網格劃分的精細些，并可采用局部化分網技術，對發熱元器件區域網格再進行局部加密。根據實驗模型復雜程度及溫度梯度的大小，為模型劃分出合適密度的網格，這樣既能保證仿真結果準確性的同時又能適當降低求解難度縮短求解時間[8]。針對此實驗模型，劃分出適合的網格如圖4所示。

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圖4 網格劃分

4.3 "求解計算及后處理

在完成以上操作后對模型進行求解計算。點擊Solve start按鈕并確認即可進行計算求解，由于模型要進行熱輻射計算，因此軟件先進行熱輻射交換因子計算，在完成熱輻射交換因子計算后，軟件開始進行后續的計算工作，在計算過程中可以實時查看迭代運算狀況、趨勢及監控點在各次迭代運算中的狀況，根據迭代情況軟件會停止計算，也可以通過收斂曲線圖判斷是否收斂，當計算收斂或監控點溫度穩定時可不再計算，否則須檢查網格劃分是否有誤或重新設定相關參數進行再次計算，直至迭代收斂。本實驗殘差曲線及監控點溫度曲線如圖5所示，可看出迭代計算收斂，監控點溫度變化曲線穩定[9?10]。運算完成后查看計算結果，打開Plot Editor窗口，通過溫度場分布云圖，如圖6所示，可以得到計算模型的最高溫度、最低溫度及溫度分布情況。掌握諸多重要信息后，可以對模型結構及布局進行合理調整，再繼續進行分析計算，進而得出最佳設計方案[11]。

圖5 殘差曲線及監控點溫度曲線

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圖6 溫度場分布云圖

4.4 "問題剖析研究

溫度是影響電子元器件正常工作的主要原因，當超出極限溫度時，電子元器件工作性能急劇下降，溫度過高將導致電子元器件失效或燒毀。電子元器件的極限工作溫度一般情況下為：民用級0～70 ℃;工業級20～85 ℃;軍用級55～125 ℃。為了具有較好的工作性能，便于長時間實驗操作，并且節省成本，本實驗教學機器人重要電子元器件采用工業級[12]。由實驗仿真結果來看，所有受監測的元器件最后工作溫度穩定在85～105 ℃之間，略高于工業級元器件最高工作溫度，但教學機器人樣機測試中各項工作參數正常，并沒有出現電子元器件工作失常情況，由此可見，采用熱仿真分析得到的結果可以再一定程度上反應電子元器件正常工作時溫度變化情況，但是其與物理實驗結果存在一定的誤差。針對熱仿真分析軟件操作流程簡單這一特點，可以進行多次仿真實驗、優化等手段來研究影響熱分析精度的因素。通過諸多試驗可以得出熱仿真誤差主要有：模型簡化誤差、邊界條件誤差、網格誤差等[13]。通過對以上各方面進行優化操作可以很好地減小誤差，使熱仿真分析結果更接近實際值，從而更有效地輔助工程師進行設計。

5 "結 "語

這里從熱分析軟件理論基礎講起，用實例詳細闡述典型熱分析軟件的使用過程，對熱分析結果進行分析研究，發現熱分析軟件存在誤差這一特點，找出導致熱分析出現誤差的一些因素，并提出減小誤差的方案措施，從而提高熱仿真分析結果的精度。從整體來說，熱仿真分析可以快速有效地得出電子元器件系統熱設計的分析結果，模擬出設備的溫度場分布，從而使設計者對設備的散熱能力有直觀、準確的了解，能及時發現設計中的問題并予以修改，使其能夠滿足設計要求。并且電子設備的計算機輔助熱設計還有待于進一步的完善和發展，才能從真正意義上提高產品的可靠性，縮短產品的開發時間。因此，電子設備熱仿真分析具有很大的研究潛力和價值。

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