icepak軟件三唯熱分析及應(yīng)用

1、本文闡述了當(dāng)前電子行業(yè)熱分析的形勢，介紹了 Icepak 軟件的應(yīng)用范圍及技術(shù)特點，以機箱為例介紹 Icepak 軟件在電子系統(tǒng)的應(yīng)用。： 熱分析 Icepak 軟件 機箱前言隨著電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是微電子技術(shù)的發(fā)展，電子元器件和設(shè)備的尺寸正迅速縮小 ,而功率卻一直在增大。使得體積容納的熱量越來越多，特別是在惡劣環(huán)境下的電子產(chǎn)品要求必須是全封閉的，降噪條件下的電子產(chǎn)品要求拆去風(fēng)扇，使得電子產(chǎn)品的散熱環(huán)境更差，為了達到容許的溫度，設(shè)計要提高散熱效率、改善換熱環(huán)境。因此電子設(shè)備的熱設(shè)計在整個產(chǎn)品的設(shè)計中占有越來越重要的地位，在這種環(huán)境下，傳統(tǒng)的熱設(shè)計方法已經(jīng)很難適應(yīng)需要，為了保證設(shè)備正常工作，就

2、必須要對電子設(shè)備進行科學(xué)的熱設(shè)計。如今電子產(chǎn)品的設(shè)計已進入了面向并行工程的 CADCAECAM 時代，設(shè)計及評估都著掌握熱仿真技術(shù)的極大。熱仿真能夠在樣品和產(chǎn)品開始之前確定和消除熱問題，借助熱仿真可以減少設(shè)計成本、提高產(chǎn)品的一次成功率，改善電子產(chǎn)品的性能和可靠性，減少設(shè)計、生產(chǎn)、再設(shè)計和再生產(chǎn)的費用，縮短高性能電子設(shè)備的研制周期。熱能夠比較到各元器件真實的模擬系統(tǒng)的熱狀況，應(yīng)用熱，在設(shè)計過程中就能的工作溫度值，這樣就可糾正不合理的布排，取得良好的布局，從而可以縮短設(shè)計的研制周期。其次，經(jīng)過若干次的改進設(shè)計，設(shè)計工程師可以對電子設(shè)備進行有效的熱控制，使它在規(guī)定的溫度極限內(nèi)工作，從而可以提高電子設(shè)

3、備的可靠性。下面介紹一種在熱分析領(lǐng)域較優(yōu)秀的軟件 Icepak 軟件，它是由Fluent公司開發(fā)的專業(yè)的熱。Icepak 軟件Icepak 軟件是面向熱產(chǎn)品設(shè)計和分析工程師的軟件，采用熱設(shè)計分析所的機柜、風(fēng)扇、印刷電路板、阻尼、通風(fēng)口等模型。建模過程快捷、網(wǎng)格生成與計算都是自動進行的。整個軟件采用的集成化的環(huán)境界面。使用者能在較短的時間內(nèi)將該軟件應(yīng)用于實際的設(shè)計分析中。另外，該軟件也不要求使用者有較深的流體力學(xué)知識背景。應(yīng)用范圍Icepak 作為專業(yè)的熱，在產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)的各個階段，Icepak 都可以幫助客戶優(yōu)化設(shè)計。以解決各種不同類型問題：系統(tǒng)級 (Systems) 對電子設(shè)備機箱、機柜及

4、方艙等系統(tǒng)級問題的熱分析。利用 Icepak 可以模擬氣流在機柜中的，通過調(diào)扇和通風(fēng)口的不同尺寸大小、形狀及其它選項，進行數(shù)值模擬，從而以最小的代價得到最優(yōu)的設(shè)計。組件級 (Components) 用于電子模塊，散熱器，PCB 板級別的熱分析。通過有效地模擬一個或多個散熱片或由數(shù)目巨大的散熱片組成的散熱器，可以得到對象的溫度分布、流場分析及傳熱情況。用戶可以根據(jù)自己的需要用Icepak 建立特殊要求的散熱器模型。封裝級 (Packages) 用于對元器件級別的熱分析。通過詳細(xì)模擬元器件及相鄰元器件間的傳熱介質(zhì)，發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題，并為進一步設(shè)計提供理論依據(jù)。技術(shù)特點：建?？焖費CAD 輸入P

5、ro/E 的直接接口，IGES，DXFECAD/IDF 輸入IDF（如，Mentraphics, Cadence）的直接輸入現(xiàn)成的模型庫箱體、塊、風(fēng)扇、PCB 板、通風(fēng)口、開口、空調(diào)、板、壁面、管道、源、阻尼器、散熱片、離心風(fēng)機、等，用戶可以直接從 Icepak 的菜單調(diào)用現(xiàn)成的模型幅射、各種封裝件模型各種形狀的幾何模型六面體、棱柱、圓柱、同心圓柱、橢圓柱、橢球體，斜板、多邊形板、方形或圓形板， Icepak 可以構(gòu)造各種形狀的幾何模型Icepak 依靠鼠標(biāo)來選取、定位以及改變預(yù)定義對象的大小、因而使模型的建立快捷方便，可以表達復(fù)雜幾何而無須近似簡化。同時 Icepak還以很快的速度不斷提供新

6、的模型庫，如各類風(fēng)機、無限定的多層 PCB 板、各類散熱器等等。自動網(wǎng)格生成Icepak 采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)。支持四面體、五面體、六面體、柱體以及混合網(wǎng)格類型。網(wǎng)格參數(shù)完全由用戶自行控制，如果需要對某個特征實體加密網(wǎng)格，加密網(wǎng)格不會影響到其它對象。廣泛的模型能力Icepak 擁有用戶模擬過程所需要的各種物理模型，包括模型和傳熱模型。這些模型具有足夠的精度和可靠性。傳熱模型包括強迫對流、自然對流和混合對流模型、固體中的熱傳導(dǎo)模型、流體與固體之間的耦合傳熱模型、表面與表面間的熱輻射模型。另外，用戶還可以模擬層流、湍流，穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)。解算功能求解器采用Fluent5CFD（計算流體動力學(xué)）求解器有

7、限體積方法 (Finite Volume Method), 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的求解器并行算法，能夠?qū)崿F(xiàn) UNIX 或 NT 的網(wǎng)絡(luò)并行可視化后置處理面象的、完全集成的后置處理環(huán)境可視化速度矢量圖、等值面圖、粒子軌跡圖、網(wǎng)格圖、切面云圖、點示蹤圖式可以通過以下格式輸出：tscripts, PPM, TIFF, GIF, JPEG 和 RGB 格動畫可以存成 MPEG 格式的多文件實例電子設(shè)備中，機箱是比較典型的結(jié)構(gòu)形式，由于結(jié)構(gòu)尺寸的限制，機箱內(nèi)部一般布滿了電子元器件，對散熱的要求較高。借助于 Icepak 軟件，可以清楚的計算出機箱內(nèi)部的熱分布情況，從而可以正確的排列器件的分布，正確配置散熱風(fēng)機。

8、下面以某電子系統(tǒng)的收發(fā)信機箱為例簡要談一下 Icepak 在熱分析中的應(yīng)用。應(yīng)用 Icepak 軟件，首先要對機箱進行簡化，將實體轉(zhuǎn)化為 Icepak 認(rèn)可的模型。對于熱分析有較大影響的散熱器、高發(fā)熱量的器件要建立詳細(xì)的模型，而對熱分析沒有影響較小的細(xì)節(jié)方面可以簡化模型，這樣不但可以提高求解的速度，并且還能把主要精力放在問題的求解上。圖 1-1 所示的系統(tǒng)是設(shè)計的原始方案，其率放大器的熱功耗為 94W，DC/DC模塊的熱功耗為 20W，與中心發(fā)射機的熱功耗均為 5W，機箱除氣孔及風(fēng)扇開口外密封，并且要求在環(huán)境溫度為 60時，機箱內(nèi)的溫度不得超過 80。本系統(tǒng)中機箱內(nèi)部器件的發(fā)熱量高，空氣的不暢

9、，必須靠風(fēng)扇來強迫風(fēng)冷，由于對溫度的要求苛刻，為了保證系統(tǒng)的可靠性，必須保證溫度在允許的范圍內(nèi)。應(yīng)用 Icepak 軟件，可以在設(shè)計階段分析機箱內(nèi)部的熱分布情況，從而省掉樣機的生產(chǎn)，縮短生產(chǎn)周期。圖 1-1應(yīng)用 Icepak 軟件初步運算表明，機箱內(nèi)的局部溫度達到 100以上，必須更改設(shè)計，機箱內(nèi)各器件的尺寸已經(jīng)固定，只能靠改變它的位置及增加風(fēng)扇來降低機箱內(nèi)的溫度。首先在功率放大器的后端增加了一個風(fēng)扇，如圖 1-2 所示。模擬運算的結(jié)果表明，溫度仍然高于 80。曾經(jīng)嘗試改變 DC/DC 模塊和功率放大器的相對位置，但是對散熱效果影響不大。圖 1-2根據(jù)機箱內(nèi)的溫度分布和氣流分析，可以知道,兩個

10、風(fēng)扇吹出的風(fēng)沒有完全集中到兩個最大的發(fā)熱元件上，為此，想出一個辦法，在 DC/DC 模塊和功率放大器外側(cè)加上擋板，如圖 1-3 所示，這樣兩個風(fēng)扇之間形成一個較為集中的風(fēng)道，有利于機箱內(nèi)部器件的散熱，圖 1-4 是 Icepak 軟件計算的機箱內(nèi)部空氣的模擬示意圖。從圖中可以看出，大部分的空氣經(jīng)由散熱片流出，使兩個發(fā)熱量最大的器件的溫度降到允許的范圍內(nèi)。圖 1-3圖 1-4圖 1-5 是機箱內(nèi)部切面的氣流運動矢量圖。通過矢量圖，可以清楚的知道，空氣在空間是怎樣運動的，從而對器件的分布有指導(dǎo)意義。圖 1-5圖 1-6 是由 Icepak 軟件分析的機箱內(nèi)部的器件發(fā)熱狀況。根據(jù)實際的工況用Icepak 軟件模擬出實際的發(fā)熱狀況。圖1-6后記電子設(shè)備工作時，各主要元器件的溫度分布情況是設(shè)計工程師非常關(guān)心的事情，應(yīng)用 Icepak 軟件,在設(shè)計過程中就能到各元器件的工作溫度值，這樣就可糾正不合理的布排，取得良好的布局，從而可以縮短設(shè)計的研制周期。其次，經(jīng)過若干次的改進設(shè)計，設(shè)計工程師可以對電子設(shè)備進行有效的熱控制，使它在規(guī)定的溫度極限內(nèi)工作，從而可以提高電子設(shè)備的可靠性。利用 Icepak 軟件強大的熱分析功能，在電子設(shè)備設(shè)計過程中可以考慮一些重要的熱性能信息，從而使電子設(shè)計工作大為改觀。首先，利用 ICEPAK 建立電子系統(tǒng)及電子元器件的精確的計算模型，在此基礎(chǔ)上計算氣流的狀態(tài)