基于Flotherm的某机载设备热仿真分析

图１　设备结构图
1.2 Flotherm分析模型
本文主要考虑设备后面机箱的热设计，模块1有独立散热方式，因此不考虑模块1的热功耗。

机箱结构对称，且热
图２　分析模型（隐藏上盖板）
图４　风道
利用Flotherm进行模拟仿真，可以快速准确获取风道的阻力特性。

模型周围环境的相对压力设定为0，在进风口放置一个固定流量式(Fixed Volume)风机，在模型内部进风口
图５　风机特性曲线和风道阻力特性曲线
重量随之增加，同时风道阻力也会增加。

选择合适的翅片数
量和间距，是模型热设计需要考虑的重要因素。

图９　模块５温度分布
图６　散热翅片示意图
翅片厚度选择为1mm，通过比较元器件A的温度（元
器件A为模块5上温度最高的元器件），确定翅片最优间距
和数目。

利用Flotherm软件进行仿真计算，得出如下结果如
表面通风量（m3/s）模块5重量（g）
720
736
736
746.5
750
753.5
757
760
图１０　模型结构件温度分布
４　结　语
Flotherm软件仿真法避免了传统方法中因经验不足、数
据不充分所导致的误差以及繁琐的解析计算过程。

这种方法。

基于Flotherm的某机载设备热仿真分析摘要：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；Flotherm1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。

基于Flotherm分析的机柜热设计及仿真研究摘要：基于机柜内部的散热模块主要的CFD模拟仿真系统的散热系统软件Flotherm进行散热,分析实验表明Flotherm热能耗散的软件平台的对比仿真实验系统的更详细的代码,而且直觉地加以衡量,实验室根据耗散模型的速度和正确的温度场，建立耗散结构，进行最佳的跟踪设计。

关键词：CFD 散热模拟；Flotherm；机柜热设计随着电子元件的热密度增加，对散热的需求增加，散热的设计变得越来越困难和昂贵。

由于各种功率元件的存在而散热的系统.主板模块的散热的传统设计是以实验设计和验证的经验方法为基础的，但是这些方法有很大的缺陷，有很大的循环设计耗时长，设计成本高.CFD热分析软件是Flotherm软件的代表之一，主要根据控制计算。

一、概述标准设备名称标准柜，是空间站住宅与实验的一个重要模块单元。

它主要提供标准接口与有效载荷设备的能量源之间的机械、电气和热测试项目。

有助于对操作、信息管理和控制站的环境温度进行统一管理，并确保设备的良好操作和可靠性。

标准柜大小的全球平面图.空气流动场和对流热交换器的分析和设计是柜内强迫通风热控制的关键研究之一，最常用的研究是氟氯化碳的数值模拟。

其还涉及一种合理的输出布局。

在标准箱中，热控制系统的主要设计研究包括确定进气和空气的结构，选择一个合理的进气温度，电子牌照模块化系统，其基础是各种模拟电子元件，主要是多管、散热器、风扇和空气管道，其芯片卡和处理器的主要散热能力：散热模块在模拟Dianzigui散热器的散热和冷却模型之前，对Dianzigui散热器的散热模块系统进行热测试，重点放在实际操作温度上。

通过实际物理模型的三维建模和CFD散热系统的建模来合理地确定。

对临界点温度进行监测，并将其与试验数据进行比较，核实模型的准确性。

确定是否符合机柜设计要求，这可作为设计机柜热控制系统的基础。

二、实验测试1、实验方法。

取测温点：在常温状态运行主板模块拷机程序，待半小时温度稳定后，使用红外线测温仪对主板模块各发热点进行测温，选取温度略高的点作为测试点，具体测温点见图。

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：序号名称功耗所在位置数据来源1主板22实测值2控制板4实测值3电源10计算值4芯片11011主板中心，Top设计值5芯片11453主板右下角，Top设计值6芯片82453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 建立模型图3.1 设备模型图1)假设设备外壳为壁厚为4mm的空心壳体，忽略盖板与侧壁上的散热槽，忽略其他结构要素；2)忽略设备内部线缆造成的阻尼；线缆阻尼3)忽略设备内部线缆在工作工程中的功耗；线缆功耗4)设备内部的大器件，如滤波器，在建模时设定为无热量、不导热的固体；5)设备内部的小器件，如磁环、走线板等，在建模时忽略。

基于FLOTHERM的固态功率放大器热设计文章对L波段固态功率放大器整机结构热设计进行了研究，并结合L波段固态功率放大器设计实例，最后给出了整机的仿真及实物测试结果。

标签：热设计；固态功率放大器；热仿真；FLOTHERM引言固态功率放大器主要由功率放大模块、增益放大模块、合成模块、耦合模块和控制电路等组成，功率放大模块在大功率条件下工作时，器件发热量大，使器件处于高温状态下工作。

而高温会使元器件电性能恶化，引起失效，导致设备可靠性下降。

资料表明：单个半导体元件的温度升高10 ℃～12 ℃，其可靠性降低50%[1]。

随着器件的密集化，电子设备的功率密度增大，对热设计的需求也日益强烈。

1 整机结构设计主要设计指标如下：频率范围1GHz～2.5GHz，功率增益≥50dB，最大输入功率≤10dBm，最大输出功率≥50dBm，环境适应性满足GJB3947A-2009环境4级设备要求，另外还有输入端口驻波比、输出功率平坦度、1dB压缩点输出功率、3dB压缩点输出功率、噪声系数、谐波抑制等指标要求。

功率放大模块采用某型号功率芯片，单个芯片无论在输出功率或功率增益方面都无法达到设计要求，因此，本方案选用两极放大串联的方式满足功率增益的要求，其中前级作为推动级，末级作为功率输出级，末级使用4路放大并联的方式满足输出功率的要求，前后两个放大级中的各单管放大电路设计成完全相同的形式。

信号流图如图1所示。

功率放大模块中的功率芯片满载时功耗较高达到115瓦。

五个功率放大模块共有10个芯片，芯片总功耗高达1150瓦，并且该芯片面积小，热流密度高，散热难度很大。

综合整机内部信号流、模块的功能、可装配性和可维修性等，為了更好的散热，整机结构布局如图2所示。

散热器由上下基板和中间散热片组成，在机箱高度方向放置于机箱中部，上下基板可以贴附散热器件，可以最大限度的增加机箱散热性能。

电源自带散热风机，因此将电源单独放置于机箱左侧的电源仓，不仅有利于散热，更有利于屏蔽强电信号。

基于Flotherm的电子设备机箱热分析应用作者：张亮来源：《科技视界》2013年第07期【摘要】良好的热性能是保证机载电子设备安全可靠工作的重要条件，散热是电子设备结构设计中必须考虑的问题。

本文以某机载电子设备为例，介绍使用Flotherm软件分析电子设备热性能的步骤，结合笔者的经验对仿真分析中应当注意的问题做了简要说明，结果对于应用该软件分析其他机载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；Flotherm0 引言随着电子技术的发展，设备的功率密度越来越大，对电磁兼容性的要求很高，一般机箱都设计成全封闭结构[1]。

输入功率相当一部分以热能形式散发出去，它们成为机箱中的主要热源。

而电子元器件一旦温度过高，便无法稳定可靠地工作[2-3]。

据统计，电子器件60%的故障是由热问题引起的[4]。

目前设计人员在产品设计阶段就普遍应用CFD软件对产品的热性能进行预估，以规避可能存在的器件散热问题。

其中Flotherm、Icepack等在电子设备热分析中应用较广。

本文以某种电子设备机箱的热分析为例，介绍Flotherm在工程中的应用。

1 Flotherm热分析的原理和基本流程Flotherm同时考虑传导、对流和辐射三种传热形式，其控制方程为质量、动量、能量三大守恒定律。

将三维求解空间离散后，每一个六面体看做一个单元，它的温度、压力值与其相邻的六个单元有关。

以温度为例，T表示单元中心温度，S表示影响它的热源，C为影响因子，单元的温度可以表示为下式[5]：T=（C0T0+C1T1+……+C6T6+S）/（C0+C1+……+C6）（1）每个单元建立T、u、v、w、P共五个方程，对所有网格联立求解方程组。

方程的解即为求解区域的压力场、速度场和温度场分布。

2 应用Flotherm分析某电子设备的热性能以某电子设备为例，介绍用Flotherm进行热分析的步骤。

该分析步骤同样适用于其他电子设备。

2.1 设备模型的简化图1 简化后设备的热仿真模型该设备包含17块PCB板，原始结构比较复杂，需要对其进行简化，包括CAD模型和PCB板的简化。

基于Flotherm二次开发的机电产品热仿真系统作者：曹振亚袁宏杰程明李佩昌来源：《现代电子技术》2016年第12期摘 要： 针对机电产品热仿真试验对试验者理论基础和软件操作能力要求较高以及相似操作不能流程化解决的问题，应用C#.NET 语言结合.NET Framework 技术、Flotherm 二次开发接口技术、SQLite数据库技术、XML语言技术和Flotherm二次开发封装与集成技术，开发出机电产品热仿真系统，并应用于军用车载机电产品热仿真试验，使得典型军用车载机电产品热仿真试验自动化、流程化，实现了温度表的自动输出和薄弱点的暴露，大大缩短了仿真试验时间，提高了试验效率。

最后通过XX检测组合装置热分析仿真实例验证了该系统的可行性。

关键词： C#.NET语言； Flotherm二次开发接口；热仿真； XML中图分类号： TN61⁃34； TP311.1 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2016）12⁃0159⁃05Abstract： Since the mechanical and electrical products thermal simulation experiment has high demand on theoretical basis and software operability of the experimenter， and its similar operation can’t be streamlined， a thermal simulation system for the mechanical and electrical products was developed by using C#.NET object⁃oriented language combined with .NET Framework technology， Flotherm redevelopment interface technology， SQLite technology， XML technology， and Flotherm redevelopment packaging and integration technology. It is applied to the thermal simulation experiment of military vehicle⁃mounted mechanical and electrical products，which can make the thermal simulation experiment for the typical military vehicle⁃mounted mechanical and electrical products automatic and in process， realize the automatic output of the thermometer and exposure of weak points， greatly shorten the simulation experiment time， and improve the test efficiency. The feasibility of this system was verified by means of thermal analysis simulation example of XX detection combination device.Keywords： C#.NET language； Flotherm redevelopment interface； thermal simulation；XML0 引言随着集成技术的提高，电子设备功率上升，体积缩小，单位体积发热量增加，发热问题日益突出。

基于Flotherm阻尼模型3G通讯设备系统热仿真来源： 发布日期：2009-8-27 浏览人数：28061 引言随着国内3G牌照的发放，加速通讯设备升级换代，通讯设备朝着大容量、小型化、智能化等方向发展，直接导致设备功耗密度增大，热问题已经逐渐凸现，成为制约产品开发的技术瓶颈之一。

同时热问题引发的工艺、品质、成本、可靠性等问题逐渐增多，严重影响产品可靠性和产品开发进度。

热设计是可靠性设计重要组成部分，其设计优劣直接决定设备可靠性与使用寿命。

大型通讯设备热设计更为重要，目前业界普遍采用数值仿真方法进行产品热设计，其优点不再叙述，大型通讯设备数值热仿真一般包括系统与单板仿真两个层面，系统热仿真从全局角度出发，主要关注风扇选型、系统风道及风量分布、进出风方式、防尘及噪音等，务必做到系统风量满足系统功耗需求，单板风量满足单板功耗需求。

单板热仿真是在系统热仿真的基础上，对单板布局进行优化，力争单板热设计最优化。

二者关系好比平衡两端，要彼此平衡，不能顾此失彼。

系统热仿真不合理，无法为单板提供必要的需求风量，必然增大单板热仿真难度，明显特征是单板需求风量不足，单板温升整体偏高。

且系统热仿真属于热设计上游工作，根据系统热仿真制定的系统散热方案基本确定产品散热能力、热设计水平及后续升级扩容能力，鉴于系统热仿真的重要性，本文结合具体案例，详细介绍系统热仿真操作流程与方法，重点介绍数值风洞和阻尼模型在系统热仿真中的应用。

限于本文讨论重点及篇幅，系统热仿真优化及单板热仿真等内容没有详细展开。

2 热设计目标及功耗2.1系统热设计目标确定设备应用环境（包括应用类别和环境条件）。

该设备应用类别：有气候防护场所室内固定应用，环境条件：整机应保证性能工作温度-5℃～45℃；系统温升不超过15℃，系统内部最高空气温度不超过65℃；系统声功率噪音不超过7.2bels。

系统热仿真要实现系统热设计目标并保证一定设计余量。

2.2系统组成及功耗分布系统功耗按3000W进行系统热设计，单板功耗按70W进行单板热设计。