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34.ICEPAK软件三维热分析及应用

icepak Icepak 2011-10-19 15:08:29

ICEPAK软件三维热分析及应用

李增辰 (信息产业部电子第54研究所)

摘要:本文阐述了当前电子行业热分析的形势,介绍了Icepak软件的应用范围及技术特点,以机箱为例介绍Icepak软件在电子系统的应用。

关键词: 热分析 Icepak软件机箱

前言

随着电子技术的发展,尤其是微电子技术的发展,电子元器件和设备的尺寸正迅速缩小,而功率却一直在增大。使得单位体积容纳的热量越来越多,特别是在恶劣环境下的电子产品要求必须是全封闭的,降噪条件下的电子产品要求拆去风扇,使得电子产品的散热环境更差,为了达到容许的温度,设计人员要提高散热效率、改善换热环境。因此电子设备的热设计在整个产品的设计中占有越来越重要的地位,在这种环境下,传统的热设计方法已经很难适应需要,为了保证设备正常工作,就必须要对电子设备进行科学的热设计。如今电子产品的设计已进入了面向并行工程的CAD/CAE/CAM时代,设计及评估人员都面临着掌握热仿真技术的极大挑战。

热仿真能够在样品和产品开始之前确定和消除热问题,借助热仿真可以减少设计成本、提高产品的一次成功率,改善电子产品的性能和可靠性,减少设计、生产、再设计和再生产的费用,缩短高性能电子设备的研制周期。热分析软件能够比较真实的模拟系统的热状况,应用热分析软件,在设计过程中就能预测到各元器件的工作温度值,这样就可纠正不合理的布排,取得良好的布局,从而可以缩短设计的研制周期。其次,经过若干次的改进设计,设计工程师可以对电子设备进行有效的热控制,使它在规定的温度极限内工作,从而可以提高电子设备的可靠性。

下面介绍一种在热分析领域较优秀的软件-Icepak软件,它是由美国Fluent公司开发的专业的热分析软件。

Icepak软件

Icepak软件是面向热产品设计和分析工程师的软件,采用热设计分析所专用的机柜、风扇、印刷电路板、阻尼、通风口等模型。建模过程快捷、网格生成与计算都是自动进行的。整个软件采用统一的集成化的环境界面。使用者能在较短的时间内将该软件应用于实际的设计分析中。另外,该软件也不要求使用者有较深的流体力学知识背景。

应用范围

Icepak作为专业的热分析软件,在产品设计和开发的各个阶段,Icepak都可以帮助客户优化设计。以解决各种不同类型问题:

系统级(Systems)  ——对电子设备机箱、机柜及方舱等系统级问题的热分析。利用Icepak可以模拟气流在机柜中的流动,通过调整风扇和通风口的不同尺寸大小、形状及其它选项,进行数值模拟,从而以最小的代价得到最优的设计。

组件级(Components) ——用于电子模块,散热器,PCB板级别的热分析。通过有效地模拟一个或多个散热片或由数目巨大的散热片组成的散热器,可以得到研究对象的温度分布、流场分析及传热情况。用户可以根据自己的需要用Icepak建立特殊要求的散热器模型。

封装级(Packages) ——用于对元器件级别的热分析。通过详细模拟元器件及相邻元器件间的传热介质,发现设计中存在的问题,并为进一步设计提供理论依据。

技术特点:

建模快速

MCAD输入----Pro/E的直接接口,IGES,DXF

ECAD/IDF输入----IDF(如,Mentor Graphics, Cadence)的直接输入

现成的模型库----箱体、块、风扇、PCB板、通风口、自由开口、空调、板、壁面、管道、源、阻尼器、散热片、离心风机、太阳幅射、各种封装件模型等,用户可以直接从Icepak的菜单调用现成的模型

各种形状的几何模型----六面体、棱柱、圆柱、同心圆柱、椭圆柱、椭球体,斜板、多边形板、方形或圆形板,Icepak可以构造各种形状的几何模型

Icepak依靠鼠标来选取、定位以及改变预定义对象的大小、因而使模型的建立快捷方便,可以表达复杂几何而无须近似简化。同时Icepak网站还以很快的速度不断提供新的模型库,如各类风机、无限定的多层PCB板、各类散热器等等。

自动网格生成

Icepak采用非结构化网格技术。支持四面体、五面体、六面体、柱体以及混合网格类型。网格参数完全由用户自行控制,如果需要对某个特征实体加密网格,加密网格不会影响到其它对象。

广泛的模型能力

Icepak拥有用户模拟过程所需要的各种物理模型,包括流动模型和传热模型。这些模型具有足够的精度和可靠性。传热模型包括强迫对流、自然对流和混合对流模型、固体中的热传导模型、流体与固体之间的耦合传热模型、表面与表面间的热辐射模型。另外,用户还可以模拟层流、湍流,稳态及非稳态流动。

解算功能

求解器----采用Fluent5……CFD(计算流体动力学)求解器

有限体积方法(Finite Volume Method), 非结构化网格的求解器

并行算法,能够实现UNIX或NT的网络并行

可视化后置处理

面向对象的、完全集成的后置处理环境

可视化速度矢量图、等值面图、粒子轨迹图、网格图、切面云图、点示踪图

可以通过以下格式输出:postscripts, PPM, TIFF, GIF, JPEG和RGB格式

动画可以存成MPEG格式的多媒体文件

实例

电子设备中,机箱是比较典型的结构形式,由于结构尺寸的限制,机箱内部一般布满了电子元器件,对散热的要求较高。借助于Icepak软件,可以清楚的计算出机箱内部的热分布情况,从而可以正确的排列器件的分布,正确配置散热风机。

下面以某电子系统的收发信机箱为例简要谈一下Icepak在热分析中的应用。

应用Icepak软件,首先要对机箱进行简化,将实体转化为Icepak认可的模型。对于热分析有较大影响的散热器、高发热量的器件要建立详细的模型,而对热分析没有影响较小的细节方面可以简化模型,这样不但可以提高求解的速度,并且还能把主要精力放在问题的求解上。

图1-1所示的系统是设计的原始方案,其中功率放大器的热功耗为94W,DC/DC模块的热功耗为20W,接收机与中心发射机的热功耗均为5W,机箱除气孔及风扇开口外密封,并且要求在环境温度为60℃时,机箱内的温度不得超过80℃。

本系统中机箱内部器件的发热量高,空气的流动不畅,必须靠风扇来强迫风冷,由于对温度的要求苛刻,为了保证系统的可靠性,必须保证温度在允许的范围内。应用Icepak软件,可以在设计阶段分析机箱内部的热分布情况,从而省掉样机的生产,缩短生产周期。

  Icepak仿真-系统是设计的原始方案

  图1-1

应用Icepak软件初步运算表明,机箱内的局部温度达到100℃以上,必须更改设计,机箱内各器件的尺寸已经固定,只能靠改变它的位置及增加风扇来降低机箱内的温度。首先我们在功率放大器的后端增加了一个风扇,如图1-2所示。模拟运算的结果表明,温度仍然高于80℃。我们曾经尝试改变DC/DC模块和功率放大器的相对位置,但是对散热效果影响不大。

Icepak模拟运算的结果

图1-2

根据机箱内的温度分布和气流流动分析,可以知道,两个风扇吹出的风没有完全集中到两个最大的发热元件上,为此,我们想出一个办法,在DC/DC模块和功率放大器外侧加上挡板,如图1-3所示,这样两个风扇之间形成一个较为集中的风道,有利于机箱内部器件的散热,图1-4是Icepak软件计算的机箱内部空气的模拟流动示意图。从图中可以看出,大部分的空气经由散热片流出,使两个发热量最大的器件的温度降到允许的范围内。

两个风扇之间形成一个较为集中的风道,有利于机箱内部器件的散热

图1-3

Icepak软件计算的机箱内部空气的模拟流动示意图

图1-4

图1-5是机箱内部切面的气流运动矢量图。通过矢量图,可以清楚的知道,空气在空间是怎样运动的,从而对器件的分布有指导意义。

机箱内部切面的气流运动矢量图

图1-5

  图1-6是由Icepak软件分析的机箱内部的器件发热状况。根据实际的工况用Icepak软件模拟出实际的发热状况。

由Icepak软件分析的机箱内部的器件发热状况

图1-6

后记

电子设备工作时,各主要元器件的温度分布情况是设计工程师非常关心的事情,应用Icepak软件,在设计过程中就能预测到各元器件的工作温度值,这样就可纠正不合理的布排,取得良好的布局,从而可以缩短设计的研制周期。其次,经过若干次的改进设计,设计工程师可以对电子设备进行有效的热控制,使它在规定的温度极限内工作,从而可以提高电子设备的可靠性。

利用Icepak软件强大的热分析功能,在电子设备设计过程中可以考虑一些重要的热性能信息,从而使电子设计工作大为改观。首先,利用ICEPAK建立电子系统及电子元器件的精确的计算模型,在此基础上计算气流的流动状态和整个流场的换热情况,及时发现设计中的问题。然后,通过改变各种设计参数进行模拟,直到找到最佳的设计方案,从而避免了生产昂贵的实际样机,并减少了生产实际样机的时间和费用,压缩了设计过程,提前了产品的交货期。

 

参考文献

(1) Icepak Training Notes .北京海基科技发展有限公司

(2)〔美〕D.S.斯坦伯格著.电子冷却技术.北京:航空工业出版社.1990

(3) 杨世铭 陶文铨著.传热学.北京:高等教育出版社.1998

Icepak资料下载:  FLUENT第一届中国用户大会论文集33-40.pdf

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