有限元熱分析

熱設計 2024-11-20

隨著電子設備不斷向小型化、多功能化和高性能化方向發展，電子設備內器件的功耗和熱流密度不斷增加，電子設備過熱問題越來越突出，如果不能有效進行散熱設計，將直接影響系統可靠性和工作壽命。國外統計資料表明，電子元器件溫度每升高２℃，可靠性下降10％，溫升50℃時的壽命只有溫升25℃時的1/6，高溫因素會大大增加電子產品的故障率，熱設計一直是電子設備設計的關鍵技術之一。

傳統熱設計方法中設計師依靠以往經驗設計樣機，通過樣機的各種試驗和測試發現設計問題和缺陷，然后進一步優化改進，往往需多次反復才能基本定型，已難以滿足現代電子設備周期短、難度高的研制要求。

熱仿真分析能夠在方案階段比較真實模擬出系統的熱分布狀況,對熱設計方案可行性進行全面分析確定出系統的溫度最高點,通過對數字方案優化設計,可消除存在的熱設計問題,可以在樣機制作前就能判斷設計是否滿足產品的熱可靠性,從而縮短產品開發周期,降低開發成本,提高產品一次通過率。因此,電子行業正急需推廣融入仿真技術的熱設計方法。

1、電子設備熱仿真與可靠性

電子設備種類繁多，使用環境復雜，尤其在國防領域使用的抗惡劣環境電子設備，不但需要防鹽霧、防潮濕、抗振動，還要體積小、重量輕、散熱性能良好，為此抗惡劣環境電子設備通常采用全封閉結構，電子設備內器件過熱問題相對工業領域應用的電子設備更加突出。解決電子設備過熱問題以提高產品可靠性的相關技術稱為電子設備散熱技術，包括熱設計、熱仿真及熱測試，是發現、解決電子設備熱缺陷、提高電子設備可靠性不可缺少的技術手段。熱設計、熱仿真及熱測試技術的集成以及在電子產品開發中的并行應用，可以極大地縮短產品開發周期，提高產品的可靠性，保證電子產品的綜合性能。

熱仿真技術是電子設備散熱技術的重要環節，可以在方案階段對熱設計方案可行性、有效性進行全面分析，提高產品可靠性和一次設計成功率。

2、熱仿真優勢和實際應用

以計算流體動力學（CFD）為核心的熱仿真軟件、計算機輔助工程（CAE）方法使得設計師能夠運用虛擬仿真技術構造虛擬樣機，優化電子設備的熱設計，借助于熱仿真軟件強大的后處理能力，幫助設計師較為準確地預測散熱系統的效果，找到影響系統散熱能力的關鍵點，并可快速對優化措施的效果進行模擬，對影響系統散熱效果的多種因素及影響程度進行定量的綜合分析，為選擇費效比最優的散熱措施提供依據，減少設計、生產、再設計和再生產的費用，縮短高性能電子設備的研制周期。因此，在設計階段對產品熱設計進行熱仿真已經成為設計過程中必不可少的一個環節。