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FLOTHERM热分析软件在星载控制计算机设计中的应用

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FLOTHERM 热分析软件在星载控制计算机设计中的应用

于 坤 华更新 王国良 衣学慧 北京控制工程研究所

摘要 本文从阐述热设计对于星载控制计算机的重要性入手,在对热设计验证方法的比较与分析后引出了主题—— 电子行业热分析软件FLOTHERM,并通过具体示例介绍了使用FLOTHERM 软件对星载控制计算机进行分析计算的仿真流程及工作重点。

关键词 星载控制计算机热分析仿真
1 引 言
随着对星载控制计算机小型化智能化要求的不断提高,不仅需要更广泛地使用大规模集成电路和表面贴装器件,而且产品的布局布线密度、工作频率和功耗也都有所增加。
据统计,电子元器件的故障率与其工作温度密切相关:当工作温度超过元器件材料的温度极限,将会造成元器件的性能下降,甚至损坏;即使在额定温度上,元器件也可能由于持续工作时间过长而发生故障。其中,大量使用的半导体器件和微电路对温度最为敏感,其故障率将随温度升高呈指数关系增长。因此,热设计和热分析正日益成为星载控制计算机设计的重要方面。
在设计阶段中,我们已根据经验对星载控制计算机进行了详细的热设计,对元器件、单机或整机的温度变化进行了控制—— 其中的重点是通过元器件的选择、电路降额设计及结构设计,减少了温度变化对产品性能的影响,使产品能在较宽的温度范围内正常工作。
按照传统工作方式,必须要等到产品生产出来后进行热平衡试验,才能得到其温度的分布信息,从而对所采取的热设计措施进行验证。由于这种验证方法是真实产品在真空环境下进行的,所以具有很高的可信度。然而,它的高昂代价和准备工作的复杂性也是不可忽视的。因此,如果能够进行准确的计算机热模型仿真,便可以提早发现问题,从而节省大量的时间和经费,缩短产品研制周期,提高产品质量和可靠性。经过比较,我们选用了电子行业热分析的标准软件FLOTHERM进行这项工作。
2 FLOTHERM 软件简介
FLOTHERM 软件是英国FLOMERICS公司开发的专业电子热仿真软件,其特点是:采用了成熟的CFD (Computational Fluid Dynamic计算流体动力学)仿真技术并拥有大量专门针对电子工业而开发的模型库,可以对系统散热、温度场及内部流体运动状态进行高效、准确、简便的定量分析。热设计 https://www.resheji.com
FLOTHERM软件包主要拥有以下模块:
a·FLOTHERM 一核心热仿真模块;主要工具有:项目管理器“Project Manager,,和绘图板“Drawing board”。
b·FLOMCAD 一计算机辅助机械设计(MCAD)软件接lZl模块;其完全支持PRO/ENGINEER、CATIA、UG、I—DEAS和AutoCAD等MCAD软件建立的三维几何实体模型。
c.FLOEDA 一电子设计自动化(EDA)MENTOR GRAPHIC,ZUKEN等EDA软件。
d.FLOMOTION 一仿真结果后处理模块;
3 仿真流程
软件接口模块; 其完全支持CADENCE,用图形、动画的方式呈现仿真结果。
我们使用FLOTHERM 软件对星载控制计算机进行热分析仿真的基本流程如图1所示。
通过FLOTHERM 软件导人设计数据,
建立产品的热等效模型,然后对其进行仿真计算,在仿真参数得到基本确认后,便
可将仿真结果作为验证和改进产品热设计措施的依据之一。
下面,以双机冷备份星载控制计算机产品为例,对热分析仿真的主要阶段进行详细介绍。
3.1 建模阶段
如图2所示,建模阶段的工作包括了三个部分:数据导人、结构组合和仿真设
定,其中,仿真设定是本阶段的工作重点。

3.1.1 数据导入

我们通过FLOMCAD 模块,导人用AutoCAD设计的机箱和电路板框架信息;通过FLOEDA模块,导人用CAD ENCE设计的印制板与元器件信息。
值得注意的是,在AutoCAD 的设计中包含大量用于机械加工的信息,比如倒角、圆弧、圆孔等。但这些对于热仿真并不重要的几何信息,却会大大增加热模型的复杂性。因此,我们使用FLOMCAD模块导人数据时,在不影响热特性的前提下,对特定部位和零件的信息进行了筛选与简化。
3.1.2 结构组合
当设计数据成功导人后,在“项目管理器”窗口中便按照数据的从属关系形成了产品整机的模型结构树,其中包含着该模型的全部信息。
选中并展开结构树的数据夹后,即可在“绘图板” 窗口中同步显示所选对象,在其外侧的线框则表示星载控制计算机产品的机箱结构和拟定的仿真空间。通过鼠标可以对显示内容进行放大、旋转等多种操作,检查和调整各组成部分的相对位置,从而组合成立体模型。从图3中可以清楚地了解到整个产品的组成:STRUCTURES是机械结构数据夹,PCBS是电路板数据夹。整机中包括总线板BUS、容错管理板FT,以及两个互为备份的单
机(OBGA、OBC—B)。考虑到散热,各电路板都安装有与机箱相同材料的金属框架。
3,1.3 仿真设定
为整机结构完成如下的设定工作后,便可形成具备热特性的仿真模型。
a,准确分析
机箱和电路板框架均使用铝合金材料。电路板为四层印制板,中间为平铺的电源层与地层。元器件有金属膜电阻、陶瓷封装集成电路(部分自带散热片)以及自行研制的变压器
等。
热量传导路径:元器件一PCB板*-~PCB板框架一机箱侧壁一机箱安装底板一卫星本体。
示例产品是双机冷备份,因此存在3种工况:A机工作、B机工作和双机切换过程。
b.设定热特性参数
* 结构参数 主要包括:尺寸(Size)、位置(Location)、元件热阻(Resistance)和功耗(Power),(resheji.com)以及所选用的材料属性(Materia1)。
我们通过改变元器件的功耗,可以达到区分产品工况的目的。
.....

4 总 结
由于FLOTHERM 热分析软件具有运算方法可靠、模块划分合理、操作界面直观、数据管理系统的优势,因此我们在较短时间内便构建起了产品的热模型,成功完成了热仿真分
析任务,也验证了热设计措施的有效性。
随着材料库和环境库的不断完善,可以建立更准确的热模型,以便尽早对产品的热设计措施进行量化评估,并使热分析仿真结果成为指导改进热设计措施的可靠依据— —这也正是
我们使用FLOTHERM 软件对星载控制计算机进行热分析仿真的最终目标。

参考文献
1 Flotherm 全球标准专业电子系统热设计软件
2 可靠性设计与分析.国防工业出版社

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