基于有限元的航天產品熱設計優化

何明珠，韓獻堂，蘇靖祥

(1.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384；2.天津市電力公司，天津300100)

基于有限元的航天產品熱設計優化

何明珠1，韓獻堂1，蘇靖祥2

(1.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384；2.天津市電力公司，天津300100)

基于有限元法，利用I-DEAS/TMG軟件對某航天產品進行熱設計優化。通過對產品熱環境的仿真分析，得到優化后模塊高溫工況下的溫度分布云圖，確定了所關心元器件的溫度參數，并進行熱真空實驗驗證。結果表明，熱設計改進措施有效降低了元器件和印制板的溫度，解決了元器件溫度過高的問題。

有限元；熱設計；熱真空實驗

隨著電子元件和集成電路板的功率密度不斷上升，電子產品的熱設計變得越來越重要，由于溫度所引發的問題是導致電子產品故障率升高的重要因素。對于航天電子產品，其工作環境為高真空，只能通過熱傳導和熱輻射來散熱，航天電子產品的可靠性及其性能，在很大程度上取決于是否具有良好的熱設計及采用的散熱措施是否有效。

1 問題描述

在熱實驗時監測到航天產品某模塊中印制板的整體溫度偏高，個別器件已經超過了其溫度降額要求，溫度較高器件安裝位置如圖1、圖2所示，實驗中所監測的熱點溫度見表1。

圖1 PCB1上熱實驗中溫度較高器件示意圖

圖2 PCB2、PCB3上熱實驗中熱點示意圖

表1 熱實驗中溫度較高器件

從表1可以看出AD574ATD的結溫已經超過其Ⅰ級降額溫度7.7℃，PCB2熱點溫度為80℃，相對于冷板已經有20℃的溫升，說明印制板的散熱較差，器件產生的熱量不能及時導出至冷板，影響器件的可靠性。

2 原因分析

針對上述元器件及印制板溫度過高問題進行散熱路徑分析。由于產品工作環境為真空，元器件主要散熱路徑為熱傳導和熱輻射，而熱傳導為最主要散熱路徑。元器件的熱量首先通過管腿傳導至印制板上，再通過印制板與結構的接觸點傳導至結構側板上，最后通過結構底板導出至熱沉。通過分析可以看出目前的熱設計存在以下問題：(a)模塊的結構為鏤空結構(如圖3所示)，增大了器件至熱沉的導熱熱阻；(b)印制板基材為FR-4材料，雖已增加了敷銅層，等效導熱系數[1]仍不高，印制板的散熱能力較差；(c)印制板通過結構上的安裝柱固定在結構上，接觸面積較小，接觸熱阻較大，使得印制板產生的熱量不能及時傳導至熱沉，導致元器件溫度較高。

圖3 模塊結構示意圖

3 熱設計改進

根據前面的分析，從以下兩個方面入手來改進模塊的熱設計。

3.1 結構改進

(a)鏤空結構修改為整塊金屬板，部分元器件高的位置進行局部鏤空；(b)印制板安裝柱更改為5 mm寬的平臺，增大了印制板與結構間的接觸面積(圖4中紅色部分為安裝平臺)。

圖4 新模塊結構改進示意圖

3.2 印制板改進

(a)印制板由6層板更改為8層板，中間兩層為散熱敷銅，增大印制板的等效導熱系數；

(b)為了更有利于元器件的散熱，在個別元器件底部印制板上增加了導熱敷銅條，印制板上下表面的四周也增加了一定寬度的敷銅，與器件底部印制板上的敷銅條相連，增加了器件與結構之間的導熱路徑，有利于器件的熱量導出，如圖5所示；

(c)印制板與結構之間涂導熱脂，減小印制板與結構間的接觸熱阻。

圖5 新模塊印制板改進示意圖

4 熱仿真

4.1 仿真軟件

利用有限元分析軟件I-DEAS的TMG模塊對模塊進行熱分析。I-DEAS/TMG在進行熱分析時采用控制體積法，瞬態熱平衡方程簡單描述如式(1)或式(2)所示[2]：

在I-DEAS/TMG中采用“積木式”的裝配建模方法，先對組成模塊的各個零部件分別建幾何模型，并對之劃分網格，定義溫度邊界條件及熱耦合關系等，生成熱分析有限元模型，然后將這些相對獨立的子模型裝配起來，在組裝好的模型上定義邊界條件和熱耦合條件，得到模塊的熱分析有限元模型。

模塊的邊界條件和熱耦合條件的設定如下：(a)邊界條件：本文主要關心在高溫工況下各個元器件的溫度，在高溫工況下將模塊安裝艙板設為定溫邊界60℃；(b)熱耦合條件：根據元器件的安裝方式計算元器件與安裝板之間的熱阻，將其作為元器件與安裝板的熱阻耦合值。

4.2 熱仿真模型

利用I-DEAS/Meshing自動生成有限元網格，熱分析模型如圖6所示。

圖6 新模塊熱分析網格模型

4.3 仿真結果

對模塊進行高溫工況下的熱分析，分析結果如圖7～圖9所示，模塊典型器件的溫度如表2所示，可以看出所關注器件都有一定幅度的溫降，其溫度都能滿足各自的溫度降額要求。

表2 新模塊典型器件溫度

圖7 高溫工況新模塊PCB1溫度分布

5 熱真空實驗

將原模塊和新模塊置于同一真空環境下，控制在相同的工作模式進行監測，當溫度穩定時讀取典型測溫點數據進行對比，發現經過熱設計改進，元器件的溫度最多降低11℃，表明優化后的熱設計效果顯著(圖10，表3)。

圖8 高溫工況新模塊PCB2溫度分布

圖9 高溫工況新模塊PCB3溫度分布

6 結論

通過有限元仿真及熱真空實驗數據分析得知，經過散熱措施整改的元器件溫度較之前有明顯改善，AD574ATD降溫11℃，PCB2熱點溫度也降到了74℃，說明新的熱設計措施合理、有效。利用軟件仿真能快速驗證熱設計措施是否有效，減少了驗證實驗的次數，也減少了人力、物力和財力，提高了工作效率。

圖10 模塊熱真空實驗狀態

表3 熱真空實驗條件下仿真結果與實驗結果對比 ℃

[1]羅凌江，王能.印制電路板的熱設計[J].自動測量與控制，2006 (12):80-80.

[2]葉宏，焦冬生.I-DEAS熱分析實用教程[M].合肥：中國科學技術大學出版社，2003:30-30.

Thermal design optimization of aerospace product based on finite element method

The thermal design optimization of an aerospace product by I-DEAS/TMG based on the finite element method was done.Through the thermal simulation of the new module,temperature distribution of the worst hot case was obtained. The results were verified by thermal vacuum test, which indicated that the new thermal control measures reduced the temperature of components and PCBs effectively, the problem of high temperature components was solved.

finite element;thermal design;thermal vacuum test

TM 91

A

1002-087 X(2015)10-2206-02

2015-04-10

何明珠(1983—)，女，天津市人，工程師，碩士，主要研究方向為空間電源控制設備熱設計。