基于Flotherm的某机载设备热仿真分析 发表时间：2017-08-08T17:51:37.010Z 来源：《电力设备》2017年第10期作者：李新亮 [导读] 摘要：热设计对提高电子设备运行的可靠性具有十分重要的意义，是电子设备结构设计中的重要环节。 （中国电子科技集团公司第二十研究所陕西西安 710068） 摘要：热设计对提高电子设备运行的可靠性具有十分重要的意义，是电子设备结构设计中的重要环节。本文首先简单介绍了电子设备传热类型，然后利用热分析软件Flotherm通过建立计算模型、边界条件、网格划分等，对某机载设备进行仿真分析，得到了温度分布，为该设备热设计提供理论参考，同时本文对于应用该软件分析其他电子设备热性能具有一定的参考意义。 关键词：电子设备；热仿真分析；Flotherm 1引言 随着电子技术的高速发展，电子设备朝着集成化、设备小型化等方向发展，由此使得电子设备过热的问题越来越突出[1]。研究表明65%的电子设备失效是由温度过高引起的，过热是电子设备损坏的主要形式，严重限制了电子产品性能及可靠性的提高，降低了设备的工作寿命。在产品设计阶段对其进行热仿真，能够确定模型中的温度分布，找出模型中温度最高点，从而改进结构设计，能够有效减少设计费用，缩短设计周期，提高产品的可靠性。 2 电子设备传热 电子设备热传递主要有热传导、对流换热和辐射换热三种方式[2]。热传导，是其于傅里叶定律，一般发生于同一种物质之中的传递；对流，可分为自然换热是流体流过某物体表面时所发生的热交换过程对流和强迫对流，对流一般发生于流体中。辐射是物体以电磁波形式传递能量的过程。 3热仿真分析 热仿真分析就是根据分析对象建立热分析模型，并设定模型各种属性、环境条件、功率大小等因素，模拟计算出温度场等数据，从而对其分析研究[3]。该型设备工作温度为65℃，本文采用热分析软件Flotherm对该型电子设备高温工作时的温度场进行仿真分析。 3.1建模 该机载设备为一密闭电子设备，包括一块PCB处理板及铝合金壳体。PCB处理板上有诸多电子元器件，其中主要器件通过与壳体接触热传递，其余电子元器件通过壳体内空气对流换热将热量传递到铝合金壳体上，壳体再将热量散失到外部环境。在建模过程中，由于PCB 板上电子元器件多而密集，考虑到在保证结果精度的条件下减少计算量和运算时间，需要对印制电路板进行了适当简化，保留功耗和体积较大的元器件[4]；简化后的主要发热器件有射频芯片、FPGA芯片、DSP、电源等，它们的功耗分别为0.8w、3w、1.5w、0.5w。 在NX中按照实际物理模型创建机载设备简化三维模型，保存为STP格式；在flotherm中创建一新工程，将NX中的STP格式文件导入Flotherm中；随后设定求解域、湍流模型、环境条件、赋予发热器件的材料、功耗等属性；最后设置温度监测点。 图2 网格划分图 3.2网格划分 建模完成之后，对模型网格进行划分。为了获得较好的模拟结果，应对大功率发热器件处网格进行局部加密[5]。网格如下图所示：
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/d34085774.html, 基于FloTHERM的抗恶劣环境计算机热仿真 作者：邓道杰陈奎 来源：《电脑知识与技术》2016年第07期 摘要：抗恶劣环境计算机由于其特殊的工作环境，导致其温升成为影响其可靠性的关键。因此，对计算机的热分析十分必要。该文首先介绍了热分析的原理；其次在FloTHERM建立了机箱的热仿真模型，并从几何建模、参数设置、网格划分、仿真求解、后处理五个方面对仿真过程进行了详细阐述；最后给出了机箱的温度场分布，并对结果进行了分析。 关键词：FloTHERM；机箱；热分析；温度场 中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）07-0229-03 Thermal Simulation of Rugged Computer Based on FloTHERM DENG Dao-jie， CHEN Kui Abstract： Due to the special environment of rugged computer， the temperature raise becomes the key factor of its reliability. So it is necessary to make the thermal analysis. In this paper， at first， the principle of thermal analysis is introduced. Then， the thermal model is built in FloTHERM， and the process of simulation is introduced detailedly， that is， geometric modeling， parameters setting， meshing， solve and post-processing. Finally， the temperature field of the chassis are given， and the simulation results are analyzed. Key words： FloTHERM； chassis； thermal analysis； temperature field 抗恶劣环境计算机由于使用环境复杂以及电磁兼容设计的需要，采用了全密封结构[1]， 该结构下，机箱内部部件热传递性能较差，因此温升问题不容忽视。当前，热失效已经成为电子设备的主要失效形式之一。据统计，电子设备的失效有55%是温度超过允许值而引起的。随着电子设备工艺几何尺寸日益缩小，电路系统复杂度增高，电子设备热流密度日趋增加，过高的温升必将严重影响电子产品工作可靠性。如何通过热设计使电子器件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，长期运行的可靠性成为电子设备可靠性设计中不可忽略的一个重要环节，而热分析则是热设计的基础。 目前，热分析的方法主要有仿真计算和实验测试两种。在产品设计的初级阶段则较多采用仿真计算的方法，从而有效缩短开发周期，降低成本[2]。热分析的仿真计算方法主要有两 种：解析计算和数值计算。解析计算主要是通过将各物理对象简化成不同大小的热阻，建立集
用flotherm4、2对简单的封闭式设备进行热仿真 一设备介绍 1.1设备概述 该设备为一台工业级的电子设备,用途不祥,型号不祥。 1、2 设备特征 图1、1 A型机外型图 1)设备的大小为423mm(W)×88mm(h)×370mm(L); 2)设备为密封式设备,密封程度防雨淋; 3)机壳用铝合金(2A12)焊接而成,壳体与壳盖选择在整机的上部分分型,搭接面填充的 非导热材料; 4)机壳的两个侧板与盖板均铣有散热槽。 二设备组成与工作环境 2、1 设备内部结构图
图2、1 A型机内部构造图 2、2 内部特征 1）内部组成 设备由三个模块组成,即主板、控制板、电源模块。控制板通过板间连接器扣在主板的上方。 2）模块功耗 设备的整机设计功耗为50W,实测功耗为35W,其中各个器件的设计功耗如下表所列: 序号名称功耗所在位置数据来源 1 主板2 2 实测值 2 控制板 4 实测值 3 电源10 计算值 4 芯片110 11 主板中心,Top 设计值 5 芯片1145 3 主板右下角,Top 设计值 6 芯片8245 3 控制板中心,Top 设计值 7 电源模块8 电源中心,Bottom 经验值 表2、1 功耗列表 2.3散热方法
图2、2 A 型机内部散热图 1) 用110导热板将芯片110的热量传导至机壳底板上; 2) 用8245导热板将芯片8245的热量传导至机壳侧壁上; 3) 在1145上放置一个铝材散热片; 4) 电源模块直接贴在机壳底板上,通过机壳底板散热; 5) 导热板的材料采用合金铝(3A12),采用折弯成型方法; 6) 铝表面之间采用厚度为1mm 的导热膜导热,接触压力由连接螺钉的紧固力产生; 7) 铝表面与芯片表面采用厚度为1mm 的导热膜导热,导热膜的变形量为0、7,从而产生接 触压力; 8) 除与接触接触位置的表面粗糙度为3、2外,其余均为12、5。 2、4 工作环境 1) 设备的工作温度上限为55℃; 2) 设备所处环境的空气会有不同程度的紊流。 三 仿真过程中的参数设置 3、1 环境参数 1) 求解范围:600mm(W)×200mm(h)×50mm(L)机箱尺寸,设备位于求解区中心; 2) 环境温度 :55℃; 3) 空气导热率:10 W/m^2K 【停滞空气的导热率为5 W/m^2K 】 3、2 建立模型
用flotherm4.2对简单的封闭式设备进行热仿真 一设备介绍 1.1设备概述 该设备为一台工业级的电子设备，用途不祥，型号不祥。 1.2 设备特征 图1.1 A型机外型图 1)设备的大小为423mm（W）×88mm（h）×370mm（L）； 2)设备为密封式设备，密封程度防雨淋； 3)机壳用铝合金（2A12）焊接而成，壳体和壳盖选择在整机的上部分分型，搭接面 填充的非导热材料； 4)机壳的两个侧板与盖板均铣有散热槽。 二设备组成与工作环境 2.1 设备内部结构图
图2.1 A型机内部构造图 2.2 内部特征 1）内部组成 设备由三个模块组成，即主板、控制板、电源模块。控制板通过板间连接器扣在主板的上方。 2）模块功耗 设备的整机设计功耗为50W，实测功耗为35W，其中各个器件的设计功耗如下表所列： 2.3散热方法
图2.2 A 型机内部散热图 1) 用110导热板将芯片110的热量传导至机壳底板上； 2) 用8245导热板将芯片8245的热量传导至机壳侧壁上； 3) 在1145上放置一个铝材散热片； 4) 电源模块直接贴在机壳底板上，通过机壳底板散热； 5) 导热板的材料采用合金铝（3A12），采用折弯成型方法； 6) 铝表面之间采用厚度为1mm 的导热膜导热，接触压力由连接螺钉的紧固力产生； 7) 铝表面和芯片表面采用厚度为1mm 的导热膜导热，导热膜的变形量为0.7，从而产生 接触压力； 8) 除与接触接触位置的表面粗糙度为3.2外，其余均为12.5。 2.4 工作环境 1) 设备的工作温度上限为55℃； 2) 设备所处环境的空气会有不同程度的紊流。 三 仿真过程中的参数设置 3.1 环境参数 1) 求解范围：600mm （W ）×200mm （h ）×50mm （L ）机箱尺寸，设备位于求解区中心； 2) 环境温度：55℃； 3) 空气导热率：10 W/m^2K 【停滞空气的导热率为5 W/m^2K 】 3.2 建立模型
热仿真软件Flotherm11.0安装教程 FLOTHERM是一套由电子系统散热仿真软件先驱----英国FLOMERICS软件公司开发并广为全球各地电子系统结构设计工程师和电子电路设计工程师使用的电子系统散热仿真分析软件，全球排名第一且市场占有率高达80%以上。 FLOTHERM 采用了成熟的CFD（Computational Fluid Dynamic计算流体动力学）和数值传热学仿真技术并成功的结合了FLOMERICS公司在电子设备传热方面的大量独特经验和数据库开发而成，同时FLOTHERM软件还拥有大量专门针对电子工业而开发的模型库。 在D盘建立文件夹“Flotherm11”（也可以放在其他盘，这里做说明是因为后期需要改环境变量） 1. Install MentorGraphics FloTHERM 11.0. In "Choose Product Features" window select "Client", do not install Flexlm features!（之前的版本没验证-----版本11破解教程与之前有区别，11版本的选择Typical也可以破解，验证可成功破解）
单位选择国际单位（SI）
安装在刚刚建立的文件夹中。 2. Copy files "MGLS.DLL" and "MGLS.DLL" to [D:\flotherm11\flosuite_v11\common\WinXP\bin\ (by default C:\Program Files\MentorMA\flosuite_v11\common\WinXP\bin\ ) and overwrite original ones）] 3. 拷取license文件放在任意文件夹并创建环境变量，鉴于有些新手不会，这里做出教程。 此处，将license文件放在flotherm11文件夹中。