基于Icepak的機車電力設(shè)備控制器的溫度仿真分析

（中車大連機車研究所有限公司電力電子事業(yè)部，大連 116021）

0 引言

隨著現(xiàn)代化技術(shù)的迅猛發(fā)展，工程界對以有限元技術(shù)為主的CAE技術(shù)的認(rèn)識不斷提高，CAE技術(shù)越來越得到重視，各行業(yè)紛紛引進先進的CAE軟件，以提升產(chǎn)品的研發(fā)水平。鐵路行業(yè)向來以產(chǎn)品性能作為設(shè)計的主要關(guān)注點，在引入DFMEA作為產(chǎn)品設(shè)計可靠性分析的同時，也需要其他CAE軟件對產(chǎn)品關(guān)鍵性能進行計算機輔助分析，以對產(chǎn)品樣機在投入例行試驗和型式試驗前形成較為準(zhǔn)確的性能評估，進而做到提前發(fā)現(xiàn)問題并及時處理，有效縮短設(shè)計時間和研發(fā)成本。

1 分析對象及分析工具

1.1 電力設(shè)備控制器

文章以一種國外出口的內(nèi)燃機車用電力設(shè)備控制器為研究對象。本控制器主要完成輸出電壓（中間直流電壓）、電流、功率的控制，轉(zhuǎn)矩加載率給定的控制，低恒速控制，冗余控制。

控制器采用4U84TE機箱結(jié)構(gòu)，由兩套軟硬件相同的控制器組成電路板為3U標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)（100×160 mm），系統(tǒng)配置上采取雙機熱備冗余措施，以提高系統(tǒng)運用可靠性。電路板插件布局如圖1所示，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 電路板插件布局

圖2 電力設(shè)備控制器結(jié)構(gòu)

1.2 ANSYS Workbench

Workbench是ANSYS公司提出的協(xié)同仿真平臺[1]，目的在于解決企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)過程中CAE軟件的異構(gòu)問題。Workbench可提供CAD雙向參數(shù)鏈接互動，優(yōu)化設(shè)計工具等新功能，具有強大的結(jié)構(gòu)、流體、熱、電磁及其互相耦合分析學(xué)的功能，可將整個仿真流程更加緊密地組合在一起。

1.3 Icepak

Icepak軟件由Fluent公司專門為電子產(chǎn)品工程師定制開發(fā)的專業(yè)的電子熱分析軟件，可以解決各種不同層次級別的散熱問題，文章將從系統(tǒng)級和板卡級兩個級別分析控制器的內(nèi)部溫度[2]。

2 系統(tǒng)級仿真

2.1 模型簡化

目前在有限元分析領(lǐng)域，復(fù)雜幾何模型的應(yīng)用越來越普遍，如復(fù)雜的機箱外形，散熱器齒片，通風(fēng)孔等。模擬這些復(fù)雜的幾何形狀將可以直接使用 CAD模型。導(dǎo)入的模型結(jié)構(gòu)越復(fù)雜詳細(xì)，使結(jié)果越為準(zhǔn)確，但是由于網(wǎng)格劃分的單元過多，會導(dǎo)致分析過程緩慢。為了達到仿真結(jié)果準(zhǔn)確性和縮短分析時間二者之間的平衡，本研究在不影響結(jié)果的大致準(zhǔn)確性的前提下，對三維模型進行了簡化處理，略去了非核心部件（如：把手、助拔器、屏蔽條等）和核心部件的非關(guān)鍵特征（如：安裝孔、倒圓角等）。

2.2 模型導(dǎo)入

在Workbench平臺下新建工程，并將Icepak仿真模塊加入工程中，在Icepak仿真界面下，通過“Model->CADdata->Load”命令導(dǎo)入簡化的模型。在CADdata界面下，將PCB裸板和PCB元件板定義為Plates屬性，將風(fēng)扇定義為Fans屬性，將機箱殼體定義為Blocks屬性。

2.3 模型參數(shù)設(shè)定

由于Icepak默認(rèn)的實體材質(zhì)為鋁合金，而PCB裸板及元件的材質(zhì)導(dǎo)熱性能及密度與鋁合金相差較大，故需要通過“Creat Object->Materials”命令為PCB創(chuàng)建兩種材質(zhì)并將材質(zhì)屬性賦予相應(yīng)板卡。

控制器在工作時，板卡上元器件會產(chǎn)生熱量，根據(jù)電路原理，計算得到相應(yīng)電路板上最大功耗如表1所示。

表1 PCB最大功耗表

本文使用的風(fēng)扇型號為AD1212DB-A71GL，風(fēng)扇的流量為：1.618 m3/min，在FANS中設(shè)置風(fēng)扇的相關(guān)參數(shù)，其中，風(fēng)扇類型為：Intake，表示流體從機箱外部流入機箱內(nèi)部，與Exhaust相對。

通過Icepak自帶的Heat sinks功能對散熱器進行創(chuàng)建。設(shè)置類型為：Extruded，并設(shè)置基板位置、基板厚度、整體高度、翅片數(shù)量、翅片厚度、流向等參數(shù)。

2.4 網(wǎng)格劃分

有限元分析中，需要生成計算性網(wǎng)格作為求解過程的輸入條件，網(wǎng)格包含了計算域中的離散化單元，Icepak對每個離散化單元進行熱流耦合方程的求解。在Icepak中，可以自動/手動劃分網(wǎng)格參數(shù)，網(wǎng)格參數(shù)的設(shè)置分為全局和對象局部兩種層次，這種柔性的網(wǎng)格劃分方式使網(wǎng)格效率顯著提高。

2.5 求解

在求解過程中，需要對Basic parameters、Basic settings以及Advanced settings相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置。Basic parameters中，設(shè)置求解參數(shù)為流體和溫度，流體類型為紊流（以雷諾數(shù)為判斷依據(jù)）；Basic settings中，設(shè)置方程迭代次數(shù)為100；Advanced settings中，設(shè)置離散方式為一階方程，設(shè)置松弛因子數(shù)值以加速收斂過程，使求解趨于穩(wěn)定之。

2.6 后處理

點擊“Run solution”圖標(biāo)進行求解，求解完成后，通過“Post->Plane cut”對仿真結(jié)果進行顯示。切面處溫度仿真結(jié)果和流體速度仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 切面處溫度仿真結(jié)果

圖4 切面處流體速度仿真結(jié)果

由圖3可見，控制器中溫度最高點位于PS-1處，故板卡級仿真選取PS-1電路板作為仿真對象以細(xì)化分析。

3 板卡級仿真

zoom-in 模型關(guān)注的是系統(tǒng)級模型中的局部情況，這種聚焦將生成更為詳細(xì)的模型并獲取更為準(zhǔn)確的結(jié)果，卻不會增加整個系統(tǒng)的仿真規(guī)模。在文章中，將會創(chuàng)建一個 zoom-in 模型，用來實現(xiàn)對溫度最高的PS-1電路板的更為細(xì)化的仿真分析[3]。

通過“Post->Create zoom-in Model”創(chuàng)建zoom-in模型，在“Zoom-inmodeling”對話框中對邊界尺寸和邊界條件進行設(shè)置。模型建立完畢后，同樣需要經(jīng)過網(wǎng)格劃分、求解和后處理過程，由于這些過程與前面的系統(tǒng)級仿真過程類似，這里就不再贅述。最后，在Objectface顯示方式下，PS-1電路板zoomin模型的溫度仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 PS-1發(fā)熱元件表面溫度仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

如圖5所示，PS-1電路板上，溫度最高點位于電源模塊中心處，溫升ΔT=65.9-20≈46℃，經(jīng)查電源模塊的用戶手冊，該款電源模塊的使用溫度高達100℃，故判斷控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足散熱要求。目前，控制器已通過嚴(yán)格的型式試驗。試驗過程中，對控制器PS-1電路板進行溫度測量，穩(wěn)態(tài)溫升為48.5℃，實際值與理論計算值僅相差2.5℃，從實際上進一步驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

同時，整個系統(tǒng)如果不采用zoom-in簡化，所需網(wǎng)格數(shù)在100萬以上，僅網(wǎng)格劃分就需要30 min。而采用了zoom-in的功能后，系統(tǒng)級網(wǎng)格數(shù)僅為12萬，網(wǎng)格劃分和求解時間總共不超過20 min。由此可得出以下結(jié)論：

用Icepak實現(xiàn)的機車用電力設(shè)備控制器的溫度仿真結(jié)果滿足設(shè)計要求，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

Icepak提供的zoom-in功能，顯著提高了仿真效率，縮短了仿真時間。