FLOTHERM 熱分析軟件在星載控制計算機設計中的應用

于 坤 華更新 王國良 衣學慧 北京控制工程研究所

摘要 本文從闡述熱設計對于星載控制計算機的重要性入手，在對熱設計驗證方法的比較與分析后引出了主題—— 電子行業熱分析軟件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行分析計算的仿真流程及工作重點。

關鍵詞 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模集成電路和表面貼裝器件，而且產品的布局布線密度、工作頻率和功耗也都有所增加。
據統計，電子元器件的故障率與其工作溫度密切相關：當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工作時間過長而發生故障。其中，大量使用的半導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關系增長。因此，熱設計和熱分析正日益成為星載控制計算機設計的重要方面。
在設計階段中，我們已根據經驗對星載控制計算機進行了詳細的熱設計，對元器件、單機或整機的溫度變化進行了控制—— 其中的重點是通過元器件的選擇、電路降額設計及結構設計，減少了溫度變化對產品性能的影響，使產品能在較寬的溫度范圍內正常工作。
按照傳統工作方式，必須要等到產品生產出來后進行熱平衡試驗，才能得到其溫度的分布信息，從而對所采取的熱設計措施進行驗證。由于這種驗證方法是真實產品在真空環境下進行的，所以具有很高的可信度。然而，它的高昂代價和準備工作的復雜性也是不可忽視的。因此，如果能夠進行準確的計算機熱模型仿真，便可以提早發現問題，從而節省大量的時間和經費，縮短產品研制周期，提高產品質量和可靠性。經過比較，我們選用了電子行業熱分析的標準軟件FLOTHERM進行這項工作。
2 FLOTHERM 軟件簡介
FLOTHERM 軟件是英國FLOMERICS公司開發的專業電子熱仿真軟件，其特點是：采用了成熟的CFD (Computational Fluid Dynamic計算流體動力學)仿真技術并擁有大量專門針對電子工業而開發的模型庫，可以對系統散熱、溫度場及內部流體運動狀態進行高效、準確、簡便的定量分析。熱設計 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 一電子設計自動化(EDA)MENTOR GRAPHIC，ZUKEN等EDA軟件。
d．FLOMOTION 一仿真結果后處理模塊；
3 仿真流程
軟件接口模塊； 其完全支持CADENCE，用圖形、動畫的方式呈現仿真結果。
我們使用FLOTHERM 軟件對星載控制計算機進行熱分析仿真的基本流程如圖1所示。
通過FLOTHERM 軟件導人設計數據，
建立產品的熱等效模型，然后對其進行仿真計算，在仿真參數得到基本確認后，便
可將仿真結果作為驗證和改進產品熱設計措施的依據之一。
下面，以雙機冷備份星載控制計算機產品為例，對熱分析仿真的主要階段進行詳細介紹。
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：數據導人、結構組合和仿真設
定，其中，仿真設定是本階段的工作重點。

3．1．1 數據導入

我們通過FLOMCAD 模塊，導人用AutoCAD設計的機箱和電路板框架信息；通過FLOEDA模塊，導人用CAD ENCE設計的印制板與元器件信息。
值得注意的是，在AutoCAD 的設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雜性。因此，我們使用FLOMCAD模塊導人數據時，在不影響熱特性的前提下，對特定部位和零件的信息進行了篩選與簡化。
3．1．2 結構組合
當設計數據成功導人后，在“項目管理器”窗口中便按照數據的從屬關系形成了產品整機的模型結構樹，其中包含著該模型的全部信息。
選中并展開結構樹的數據夾后，即可在“繪圖板” 窗口中同步顯示所選對象，在其外側的線框則表示星載控制計算機產品的機箱結構和擬定的仿真空間。通過鼠標可以對顯示內容進行放大、旋轉等多種操作，檢查和調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品的組成：STRUCTURES是機械結構數據夾，PCBS是電路板數據夾。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 仿真設定
為整機結構完成如下的設定工作后，便可形成具備熱特性的仿真模型。
a，準確分析
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。
熱量傳導路徑：元器件一PCB板*-~PCB板框架一機箱側壁一機箱安裝底板一衛星本體。
示例產品是雙機冷備份，因此存在3種工況：A機工作、B機工作和雙機切換過程。
b．設定熱特性參數
* 結構參數 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，可以達到區分產品工況的目的。
.....

4 總 結
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、數據管理系統的優勢，因此我們在較短時間內便構建起了產品的熱模型，成功完成了熱仿真分
析任務，也驗證了熱設計措施的有效性。
隨著材料庫和環境庫的不斷完善，可以建立更準確的熱模型，以便盡早對產品的熱設計措施進行量化評估，并使熱分析仿真結果成為指導改進熱設計措施的可靠依據— —這也正是
我們使用FLOTHERM 軟件對星載控制計算機進行熱分析仿真的最終目標。

參考文獻
1 Flotherm 全球標準專業電子系統熱設計軟件
2 可靠性設計與分析．國防工業出版社

熱設計論文下載：FLOTHERM熱分析軟件在星載控制計算機設計中的應用.pdf

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