张斌 徐方舟

摘  要：文章研究了一种典型航天电子单机产品散热方案的稳态热仿真，分析了机箱内部的传热类型，求解封闭机箱（无强迫风冷）结构达到热平衡时的温度场和流体（空气）场。给出机箱内部各发热电气元件的稳态工作温度，判定机箱的热性能能否满足电气元件的工作条件。并且从机箱结构的温度梯度云图上判断热量分布是否合理，从而为机箱机构设计提供优化建议。

关键词：航天电子单机;散热仿真;Icepak

中图分类号：V467         文献标志码：A         文章编号：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

根据电子产品可靠性统计数据显示，电子产品的失效与诸多因素直接相关，如工作环境温度、湿度、力学条件（振动及冲击）等。其中温度是影响电子产品工作可靠性的关键因素：约55%的电子产品失效是由工作环境温度超过规定值而引起的[1]。并且存在失效率随着工作温度增长而增加的“10℃法则”，即电子元器件工作温度每升高10℃，其失效率会增加一个数量级[2]。因此对电子产品在设计阶段进行充分的散热设计对提高产品可靠性有重要的意义。

本文研究了一种典型航天电子单机产品散热设计方案，借助Icepak软件建立了电子单机产品的散热分析有限元模型并进行了仿真计算分析。针对分析结果对设计方案的有效性和进行了评价，并且为机箱的关键散热结构优化设计提供了改进建议。

1 典型航天电子单机产品散热设计方案

电子单机产品主要由密封的框架式机箱结构（无强迫风冷）、插件式CPCI板卡模块、开关电源等元器件构成，如图1所示。主要的发热元器件是开关电源和CPCI主控制板上的CPU，电子单机工作时主要是利用机箱本身的壁板作为散热冷板与外界进行热交换以达到散热的目的。

2 热分析基本理论[3]

热传递途径和方式分三种：传导、对流和辐射。

2.1 热传导理论

热传导是由存在温度差的高低温物体接触而产生的热交换现象。传导换热的物理规律描述为傅立叶定律，即导热过程中总热流量与引起导热的温差成正比，与导热面间距成反比，数学表达式为：

式中：Φ为辐射换热量，单位为W;α为黑体辐射常数，为6.669×10-8W/（m2·k4）;A为辐射表面积，单位为m2;T为辐射表面绝对温度，单位为K。

对于采用不同散热方案的电子产品三种热传递方式占比有很大的区别。传统的电子设备风冷散热系统设计中，热辐射的热量往往忽略不计，主要原因是热辐射的热量往往很少，而影响辐射热量的因素非常多而且复杂，进行理论计算往往不可行。但是在自然对流的情况下，辐射又不可忽略，最多能占到总散热量的25%，所以在自然对流系统中，最常见的散热器件一般进行表面喷涂或阳极处理。只有在强迫风冷系统中，辐射热量占比很少，往往做忽略处理[4]。

3 热仿真建模及分析计算

采用商业软件Icepak进行仿真模型的建立和计算，并进行数据的后处理分析。利用Icepak对计算区域以及结构进行网格划分，设定网格划分类型为Hexa unstructured，完成的模型如图2所示。

建立仿真模型时主要的设定如下：

（1）热计算区域取2倍机箱体积，重力轴向下（-Y向），计算区域的六个面均为Opening，Opening采用环境温度（25℃）作为温度边界。

（2）设定机箱所有的结构件的材料屬性，包括热导率、比热容、密度。

（3）设定所有发热元器件的热功率。

设置模型的流态为湍流，并采用零方程模型，同时求解流场和温度场，机箱内部和外部流体为空气，大气温度为25℃，求解稳态时的温度场和流体场。

电子设备机箱内部元器件的温度分布情况如图3所示。

电子设备机箱内部切断面的温度分布情况如图4所示。

计算区域内的流体（空气）场的分布情况如图5所示。

后处理分析结果表明：

（1）机箱外壳最高温度为45℃，局部较高温度分布在底板上电源安装位置，电源所产生的热量主要靠底板向外传导。

（2）机箱内部元器件工作温度最高的是主控板上的CPU（60℃），且主控板上产生了局部温度聚集。

（3）根据切断面的温度分布可见，机箱内部环境温度约为35℃。

4 热设计分析结论及结构优化建议

电子设备在稳态工作时，机箱内主控制板上CPU工作温度（60℃）未超过允许的温度上限，可以正常工作;且机箱内部的温度环境（约35℃）满足其他电子元器件的工作条件。因此，电子设备的散热结构设计方案满足散热要求。

为了降低主控制板上的CPU附近的局部温度聚集，建议可以通过为主控制板设计一块翅片散热器来增加主控制板与外界环境的散热面积，以提高主控制板的散热能力，进一步提高产品的可靠性。散热结构优化方案如图6所示。

5 结束语

本文给出了一种基于Icepak的典型航天电子设备散热分析方法，并且对该电子设备的散热性能进行了仿真分析和结构优化设计。结果表明该电子设备的散热结构设计满足散热要求，同时对局部散热结构进行了优化，进一步提高了设备的可靠性。

参考文献：

[1]任恒，刘万钧，黄靖，等.基于Icepak的机箱热设计研究[J].电子科学技术，2015，2（6）：639-644.

[2]李忠，潘军，韩磊，等.基于Icepak的火炮驱动器热分析[J].电子机械工程，2019，8（4）：39-43.

[3]王永康.ANSYS Icepak电子散热基础教程[M].北京：国防工业出版社，2015.

[4]包烨舒.室内电子机箱热设计技术研究[D].浙江大学，2012.