有限元热分析

热设计 2024-11-20

随着电子设备不断向小型化、多功能化和高性能化方向发展，电子设备内器件的功耗和热流密度不断增加，电子设备过热问题越来越突出，如果不能有效进行散热设计，将直接影响系统可靠性和工作寿命。国外统计资料表明，电子元器件温度每升高２℃，可靠性下降10％，温升50℃时的寿命只有温升25℃时的1/6，高温因素会大大增加电子产品的故障率，热设计一直是电子设备设计的关键技术之一。

传统热设计方法中设计师依靠以往经验设计样机，通过样机的各种试验和测试发现设计问题和缺陷，然后进一步优化改进，往往需多次反复才能基本定型，已难以满足现代电子设备周期短、难度高的研制要求。

热仿真分析能够在方案阶段比较真实模拟出系统的热分布状况,对热设计方案可行性进行全面分析确定出系统的温度最高点,通过对数字方案优化设计,可消除存在的热设计问题,可以在样机制作前就能判断设计是否满足产品的热可靠性,从而缩短产品开发周期,降低开发成本,提高产品一次通过率。因此,电子行业正急需推广融入仿真技术的热设计方法。

1、电子设备热仿真与可靠性

电子设备种类繁多，使用环境复杂，尤其在国防领域使用的抗恶劣环境电子设备，不但需要防盐雾、防潮湿、抗振动，还要体积小、重量轻、散热性能良好，为此抗恶劣环境电子设备通常采用全封闭结构，电子设备内器件过热问题相对工业领域应用的电子设备更加突出。解决电子设备过热问题以提高产品可靠性的相关技术称为电子设备散热技术，包括热设计、热仿真及热测试，是发现、解决电子设备热缺陷、提高电子设备可靠性不可缺少的技术手段。热设计、热仿真及热测试技术的集成以及在电子产品开发中的并行应用，可以极大地缩短产品开发周期，提高产品的可靠性，保证电子产品的综合性能。

热仿真技术是电子设备散热技术的重要环节，可以在方案阶段对热设计方案可行性、有效性进行全面分析，提高产品可靠性和一次设计成功率。

2、热仿真优势和实际应用

以计算流体动力学（CFD）为核心的热仿真软件、计算机辅助工程（CAE）方法使得设计师能够运用虚拟仿真技术构造虚拟样机，优化电子设备的热设计，借助于热仿真软件强大的后处理能力，帮助设计师较为准确地预测散热系统的效果，找到影响系统散热能力的关键点，并可快速对优化措施的效果进行模拟，对影响系统散热效果的多种因素及影响程度进行定量的综合分析，为选择费效比最优的散热措施提供依据，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。因此，在设计阶段对产品热设计进行热仿真已经成为设计过程中必不可少的一个环节。