FLOTHERM 熱分析軟件在星載控制計算機設(shè)計中的應(yīng)用

于 坤 華更新 王國良 衣學(xué)慧 北京控制工程研究所

摘要 本文從闡述熱設(shè)計對于星載控制計算機的重要性入手，在對熱設(shè)計驗證方法的比較與分析后引出了主題—— 電子行業(yè)熱分析軟件FLOTHERM，并通過具體示例介紹了使用FLOTHERM 軟件對星載控制計算機進(jìn)行分析計算的仿真流程及工作重點。

關(guān)鍵詞 星載控制計算機熱分析仿真
1 引 言
隨著對星載控制計算機小型化智能化要求的不斷提高，不僅需要更廣泛地使用大規(guī)模集成電路和表面貼裝器件，而且產(chǎn)品的布局布線密度、工作頻率和功耗也都有所增加。
據(jù)統(tǒng)計，電子元器件的故障率與其工作溫度密切相關(guān)：當(dāng)工作溫度超過元器件材料的溫度極限，將會造成元器件的性能下降，甚至損壞；即使在額定溫度上，元器件也可能由于持續(xù)工作時間過長而發(fā)生故障。其中，大量使用的半導(dǎo)體器件和微電路對溫度最為敏感，其故障率將隨溫度升高呈指數(shù)關(guān)系增長。因此，熱設(shè)計和熱分析正日益成為星載控制計算機設(shè)計的重要方面。
在設(shè)計階段中，我們已根據(jù)經(jīng)驗對星載控制計算機進(jìn)行了詳細(xì)的熱設(shè)計，對元器件、單機或整機的溫度變化進(jìn)行了控制—— 其中的重點是通過元器件的選擇、電路降額設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少了溫度變化對產(chǎn)品性能的影響，使產(chǎn)品能在較寬的溫度范圍內(nèi)正常工作。
按照傳統(tǒng)工作方式，必須要等到產(chǎn)品生產(chǎn)出來后進(jìn)行熱平衡試驗，才能得到其溫度的分布信息，從而對所采取的熱設(shè)計措施進(jìn)行驗證。由于這種驗證方法是真實產(chǎn)品在真空環(huán)境下進(jìn)行的，所以具有很高的可信度。然而，它的高昂代價和準(zhǔn)備工作的復(fù)雜性也是不可忽視的。因此，如果能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的計算機熱模型仿真，便可以提早發(fā)現(xiàn)問題，從而節(jié)省大量的時間和經(jīng)費，縮短產(chǎn)品研制周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。經(jīng)過比較，我們選用了電子行業(yè)熱分析的標(biāo)準(zhǔn)軟件FLOTHERM進(jìn)行這項工作。
2 FLOTHERM 軟件簡介
FLOTHERM 軟件是英國FLOMERICS公司開發(fā)的專業(yè)電子熱仿真軟件，其特點是：采用了成熟的CFD (Computational Fluid Dynamic計算流體動力學(xué))仿真技術(shù)并擁有大量專門針對電子工業(yè)而開發(fā)的模型庫，可以對系統(tǒng)散熱、溫度場及內(nèi)部流體運動狀態(tài)進(jìn)行高效、準(zhǔn)確、簡便的定量分析。熱設(shè)計 http://m.aji87.cn
FLOTHERM軟件包主要擁有以下模塊：
a·FLOTHERM 一核心熱仿真模塊；主要工具有：項目管理器“Project Manager，，和繪圖板“Drawing board”。
b·FLOMCAD 一計算機輔助機械設(shè)計(MCAD)軟件接lZl模塊；其完全支持PRO／ENGINEER、CATIA、UG、I—DEAS和AutoCAD等MCAD軟件建立的三維幾何實體模型。
c．FLOEDA 一電子設(shè)計自動化(EDA)MENTOR GRAPHIC，ZUKEN等EDA軟件。
d．FLOMOTION 一仿真結(jié)果后處理模塊；
3 仿真流程
軟件接口模塊； 其完全支持CADENCE，用圖形、動畫的方式呈現(xiàn)仿真結(jié)果。
我們使用FLOTHERM 軟件對星載控制計算機進(jìn)行熱分析仿真的基本流程如圖1所示。
通過FLOTHERM 軟件導(dǎo)人設(shè)計數(shù)據(jù)，
建立產(chǎn)品的熱等效模型，然后對其進(jìn)行仿真計算，在仿真參數(shù)得到基本確認(rèn)后，便
可將仿真結(jié)果作為驗證和改進(jìn)產(chǎn)品熱設(shè)計措施的依據(jù)之一。
下面，以雙機冷備份星載控制計算機產(chǎn)品為例，對熱分析仿真的主要階段進(jìn)行詳細(xì)介紹。
3．1 建模階段
如圖2所示，建模階段的工作包括了三個部分：數(shù)據(jù)導(dǎo)人、結(jié)構(gòu)組合和仿真設(shè)
定，其中，仿真設(shè)定是本階段的工作重點。

3．1．1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

我們通過FLOMCAD 模塊，導(dǎo)人用AutoCAD設(shè)計的機箱和電路板框架信息；通過FLOEDA模塊，導(dǎo)人用CAD ENCE設(shè)計的印制板與元器件信息。
值得注意的是，在AutoCAD 的設(shè)計中包含大量用于機械加工的信息，比如倒角、圓弧、圓孔等。但這些對于熱仿真并不重要的幾何信息，卻會大大增加熱模型的復(fù)雜性。因此，我們使用FLOMCAD模塊導(dǎo)人數(shù)據(jù)時，在不影響熱特性的前提下，對特定部位和零件的信息進(jìn)行了篩選與簡化。
3．1．2 結(jié)構(gòu)組合
當(dāng)設(shè)計數(shù)據(jù)成功導(dǎo)人后，在“項目管理器”窗口中便按照數(shù)據(jù)的從屬關(guān)系形成了產(chǎn)品整機的模型結(jié)構(gòu)樹，其中包含著該模型的全部信息。
選中并展開結(jié)構(gòu)樹的數(shù)據(jù)夾后，即可在“繪圖板” 窗口中同步顯示所選對象，在其外側(cè)的線框則表示星載控制計算機產(chǎn)品的機箱結(jié)構(gòu)和擬定的仿真空間。通過鼠標(biāo)可以對顯示內(nèi)容進(jìn)行放大、旋轉(zhuǎn)等多種操作，檢查和調(diào)整各組成部分的相對位置，從而組合成立體模型。從圖3中可以清楚地了解到整個產(chǎn)品的組成：STRUCTURES是機械結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)夾，PCBS是電路板數(shù)據(jù)夾。整機中包括總線板BUS、容錯管理板FT，以及兩個互為備份的單
機(OBGA、OBC—B)。考慮到散熱，各電路板都安裝有與機箱相同材料的金屬框架。
3，1．3 仿真設(shè)定
為整機結(jié)構(gòu)完成如下的設(shè)定工作后，便可形成具備熱特性的仿真模型。
a，準(zhǔn)確分析
機箱和電路板框架均使用鋁合金材料。電路板為四層印制板，中間為平鋪的電源層與地層。元器件有金屬膜電阻、陶瓷封裝集成電路(部分自帶散熱片)以及自行研制的變壓器
等。
熱量傳導(dǎo)路徑：元器件一PCB板*-~PCB板框架一機箱側(cè)壁一機箱安裝底板一衛(wèi)星本體。
示例產(chǎn)品是雙機冷備份，因此存在3種工況：A機工作、B機工作和雙機切換過程。
b．設(shè)定熱特性參數(shù)
* 結(jié)構(gòu)參數(shù) 主要包括：尺寸(Size)、位置(Location)、元件熱阻(Resistance)和功耗(Power)，(resheji.com)以及所選用的材料屬性(Materia1)。
我們通過改變元器件的功耗，可以達(dá)到區(qū)分產(chǎn)品工況的目的。
.....

4 總 結(jié)
由于FLOTHERM 熱分析軟件具有運算方法可靠、模塊劃分合理、操作界面直觀、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的優(yōu)勢，因此我們在較短時間內(nèi)便構(gòu)建起了產(chǎn)品的熱模型，成功完成了熱仿真分
析任務(wù)，也驗證了熱設(shè)計措施的有效性。
隨著材料庫和環(huán)境庫的不斷完善，可以建立更準(zhǔn)確的熱模型，以便盡早對產(chǎn)品的熱設(shè)計措施進(jìn)行量化評估，并使熱分析仿真結(jié)果成為指導(dǎo)改進(jìn)熱設(shè)計措施的可靠依據(jù)— —這也正是
我們使用FLOTHERM 軟件對星載控制計算機進(jìn)行熱分析仿真的最終目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)
1 Flotherm 全球標(biāo)準(zhǔn)專業(yè)電子系統(tǒng)熱設(shè)計軟件
2 可靠性設(shè)計與分析．國防工業(yè)出版社

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