基于Icepak的航天電子單機散熱分析及結構優化

張斌 徐方舟

摘 ?要：文章研究了一種典型航天電子單機產品散熱方案的穩態熱仿真，分析了機箱內部的傳熱類型，求解封閉機箱（無強迫風冷）結構達到熱平衡時的溫度場和流體（空氣）場。給出機箱內部各發熱電氣元件的穩態工作溫度，判定機箱的熱性能能否滿足電氣元件的工作條件。并且從機箱結構的溫度梯度云圖上判斷熱量分布是否合理，從而為機箱機構設計提供優化建議。

關鍵詞：航天電子單機;散熱仿真;Icepak

中圖分類號：V467 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）28-0016-03

Abstract： In this paper， the steady-state thermal simulation of a typical heat dissipation scheme of aerospace electronic stand-alone products is studied， the type of heat transfer in the chassis is analyzed， and the temperature field and fluid （air） field of the closed chassis （without forced air cooling） are solved. The steady-state working temperature of the heating electrical components in the chassis is given to determine whether the thermal performance of the chassis can meet the working conditions of the electrical components and judge whether the heat distribution is reasonable from the temperature gradient cloud image of the chassis structure， so as to provide optimization suggestions for the design of the chassis mechanism.

Keywords： aerospace electronic single machine; heat dissipation simulation; Icepak

引言

根據電子產品可靠性統計數據顯示，電子產品的失效與諸多因素直接相關，如工作環境溫度、濕度、力學條件（振動及沖擊）等。其中溫度是影響電子產品工作可靠性的關鍵因素：約55%的電子產品失效是由工作環境溫度超過規定值而引起的[1]。并且存在失效率隨著工作溫度增長而增加的“10℃法則”，即電子元器件工作溫度每升高10℃，其失效率會增加一個數量級[2]。因此對電子產品在設計階段進行充分的散熱設計對提高產品可靠性有重要的意義。

本文研究了一種典型航天電子單機產品散熱設計方案，借助Icepak軟件建立了電子單機產品的散熱分析有限元模型并進行了仿真計算分析。針對分析結果對設計方案的有效性和進行了評價，并且為機箱的關鍵散熱結構優化設計提供了改進建議。

1 典型航天電子單機產品散熱設計方案

電子單機產品主要由密封的框架式機箱結構（無強迫風冷）、插件式CPCI板卡模塊、開關電源等元器件構成，如圖1所示。主要的發熱元器件是開關電源和CPCI主控制板上的CPU，電子單機工作時主要是利用機箱本身的壁板作為散熱冷板與外界進行熱交換以達到散熱的目的。

2 熱分析基本理論[3]

熱傳遞途徑和方式分三種：傳導、對流和輻射。

2.1 熱傳導理論

熱傳導是由存在溫度差的高低溫物體接觸而產生的熱交換現象。傳導換熱的物理規律描述為傅立葉定律，即導熱過程中總熱流量與引起導熱的溫差成正比，與導熱面間距成反比，數學表達式為：

式中：Φ為輻射換熱量，單位為W;α為黑體輻射常數，為6.669×10-8W/（m2·k4）;A為輻射表面積，單位為m2;T為輻射表面絕對溫度，單位為K。

對于采用不同散熱方案的電子產品三種熱傳遞方式占比有很大的區別。傳統的電子設備風冷散熱系統設計中，熱輻射的熱量往往忽略不計，主要原因是熱輻射的熱量往往很少，而影響輻射熱量的因素非常多而且復雜，進行理論計算往往不可行。但是在自然對流的情況下，輻射又不可忽略，最多能占到總散熱量的25%，所以在自然對流系統中，最常見的散熱器件一般進行表面噴涂或陽極處理。只有在強迫風冷系統中，輻射熱量占比很少，往往做忽略處理[4]。

3 熱仿真建模及分析計算

采用商業軟件Icepak進行仿真模型的建立和計算，并進行數據的后處理分析。利用Icepak對計算區域以及結構進行網格劃分，設定網格劃分類型為Hexa unstructured，完成的模型如圖2所示。

建立仿真模型時主要的設定如下：

（1）熱計算區域取2倍機箱體積，重力軸向下（-Y向），計算區域的六個面均為Opening，Opening采用環境溫度（25℃）作為溫度邊界。

（2）設定機箱所有的結構件的材料屬性，包括熱導率、比熱容、密度。

（3）設定所有發熱元器件的熱功率。

設置模型的流態為湍流，并采用零方程模型，同時求解流場和溫度場，機箱內部和外部流體為空氣，大氣溫度為25℃，求解穩態時的溫度場和流體場。

電子設備機箱內部元器件的溫度分布情況如圖3所示。

電子設備機箱內部切斷面的溫度分布情況如圖4所示。

計算區域內的流體（空氣）場的分布情況如圖5所示。

后處理分析結果表明：

（1）機箱外殼最高溫度為45℃，局部較高溫度分布在底板上電源安裝位置，電源所產生的熱量主要靠底板向外傳導。

（2）機箱內部元器件工作溫度最高的是主控板上的CPU（60℃），且主控板上產生了局部溫度聚集。

（3）根據切斷面的溫度分布可見，機箱內部環境溫度約為35℃。

4 熱設計分析結論及結構優化建議

電子設備在穩態工作時，機箱內主控制板上CPU工作溫度（60℃）未超過允許的溫度上限，可以正常工作;且機箱內部的溫度環境（約35℃）滿足其他電子元器件的工作條件。因此，電子設備的散熱結構設計方案滿足散熱要求。

為了降低主控制板上的CPU附近的局部溫度聚集，建議可以通過為主控制板設計一塊翅片散熱器來增加主控制板與外界環境的散熱面積，以提高主控制板的散熱能力，進一步提高產品的可靠性。散熱結構優化方案如圖6所示。

5 結束語

本文給出了一種基于Icepak的典型航天電子設備散熱分析方法，并且對該電子設備的散熱性能進行了仿真分析和結構優化設計。結果表明該電子設備的散熱結構設計滿足散熱要求，同時對局部散熱結構進行了優化，進一步提高了設備的可靠性。

參考文獻：

[1]任恒，劉萬鈞，黃靖，等.基于Icepak的機箱熱設計研究[J].電子科學技術，2015，2（6）：639-644.

[2]李忠，潘軍，韓磊，等.基于Icepak的火炮驅動器熱分析[J].電子機械工程，2019，8（4）：39-43.

[3]王永康.ANSYS Icepak電子散熱基礎教程[M].北京：國防工業出版社，2015.

[4]包燁舒.室內電子機箱熱設計技術研究[D].浙江大學，2012.