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摘要：伴随电子产品热流密度不断加大，热仿真系统在热设计方面的使用日益普遍。文章基于某紧凑型大功耗天线罩中设备的恶劣条件应用时的热设计计算，分析了热设计的具体思路和常规设计计划，并详细分析了Ⅰcepak系统在整个设计环节的使用情况，突出了Ⅰcepak系统在热设计方面的关键性。
关键词：Ⅰcepak系统;电子产品;热设计;运用分析
伴随电子技术的不断进步，电子元部件逐渐微型化，而功耗却不断提高，使部件与产品的热流密度不断加大。统计表明，电子设备异常有55%是由于冷却系统设计不合理导致的。因此，热设计时电子产品结构设计方面不能忽视的重要一环，科学的热规划可以有效提高电子元部件及设备的稳定性。
1、概述
图1 提出了依靠Ⅰcepak（实线）与传统规划（虚线）的两类产品研发模式的对比。产品研发者利用Pro/E等大型3D CAD设计系统展开产品的3D设计，创建产品的仿真样机，依靠Ⅰcepak的设备设计用于仿真样机上的模拟替代了在物理样机上的检测，如此可以削减甚至去掉物理样机的加工，明显简化开发流程，减少研发成本，提升设计效果。所以非常适用于物理样机加工周期长、成本昂贵的繁琐产品研发。
2、电子产品的散热方式
2.1传导
传导是因为动能从一个分子移至另一个分子而造成的热传递。传导能够在固体、液体和气体中出现，其是在不透明固体内出现传热的唯一方式。针对电子产品，传导是种非常关键的传热形式。
采用传导实现散热的方法包括：扩大接触范围、选取导热系数高的物料、减小热流通路、提升接触面的表面性能、在接触面加导热脂和加导热垫、接触压力平衡等。
2.2对流
对流属于固体表面与流体表面之间传热的重要形式。对流包括自有对流与强迫对流，属于电子产品常见的一种散热形式。设备设计中提及的风冷散热与水冷散热均是对流散热形式。
2.3辐射
辐射属于在真空状态下传热的唯一形式，其是量子由辐射体至吸收体的转变。提升辐射散热的办法有：提升冷体黑度、加大辐射体和冷体检的角值、扩大辐射范围等。
3、Ⅰcepak软件分析
3.1功能与特征
Ⅰcepak系统是专业的、面向项目师的电子设备热控分析系统，能够处理各种不同种类与尺度的热流耦合虚拟问题，在航空与航天电子产品、通信、电气、电源产品、通用电气与家电等各个领域得到普遍使用。
Ⅰcepak系统的特征是：①创模迅速，具有多个模型直接接口、固有的模型库、多种外形的几何模型。②智能网格形成，采取非结构化网格科技，支撑四面体、六面体、柱体和混合网格种类[1]。③普遍的模型性能，具有客户模拟环节所要的多种物理模型，涉及流动模型与传热模型。④解算作用，采取CFD求解器。⑤可视化后置加工。
3.2虚拟分析流程
1）依靠Ⅰcepak系统所提供的依靠对象的模型板块对部件级、板级合系统级情况进行创模。
2）确定边界条件，像热流密度、导热率以及传热值、初始温度等运算时所需要的参量。
3）确定整个软件的热计算范围。
4）确定各种材料的物理性质。
5）检测模型与物体定义，对运算范围实施网格分类，存储形成的网格信息。
6）检测气流，在求解以前经过估算Reynolds与Peclet参量以明确用层流方式或者湍流方式。
7）利用Ⅰcepak求解器读取存储的网格信息，设置监测点，开始求解。
8）检查求解结果，借助Ⅰcepak的后处理性能来体现监测点的每项参量曲线（如果都收敛，表示网格良好，求解结果有效）、速度向量切面、气温云图和速度、温度及压力最高值等。
4、热设计和虚拟计算
首先，根据自然散热形式對产品的初始模型实施摸底计量，虚拟其发热状况，明确高温部件的位置和最大温度等，为后续的热设计带来借鉴依据。然后，依靠摸底计量的结果与产品的实际应用状况展开热设计。
4.1建立CFD模型
模型构建包含几何大小、物性参量、边界条件的设置，而物性参量包含材质、辐射、人员以及流动状态。针对该产品，机箱箱体中的结构繁琐，因此依靠Ⅰcepak导进CAD初始模型，基于此借助Ⅰcepak模型库中的Cabinet、Block、Source及PCB分别设置机箱的运算域、盖板、热源以及PCB板。元部件数量多是该产品的一大特征，为简化模型提高计算速度，对元部件展开了相应简化[2]。基本原则是每个模块上只留下发热量很大的部件，而忽视发热量很小的部件，将这些发热功耗等效地加于对应的PCB板上。根据自然散热的情况设置边界条件，流体是空气。图2是该产品的CFD模型。
4.2网格分类
网格分类是整个虚拟过程的关键环节，决定了计算结果的稳定性。网格种类选取Hexahedral unstructured，依靠这一模型的热功耗布局情况及结构性质，把电源模板、处理板及14路T/R通路分别创建为单独的Assembly，建立非持续网格。在Global Setting内启动Mesh Assemblies Separately选项对这几个Assembly展开局域加密实现网格分类[3]。网格分类好后点击Mesh control内的Quality选项，测试网格性能。Ⅰcepak包含四个网格性能判断标准，而面对齐是最关键的判定标准，指最小单元值超过0.15就表示网格效果好，最小单元值小于0.05就表示网格不达标。点击面对齐选项，呈现最小单元值超过0.15，所以网格效果良好，符合计算标准。网格分类情况见图3。
4.3求解运算
模型求解之前要先展开气流检测，明确模型流态。当Re<2200时，流动状态是层流;当Re>2200且Re>104时，流动状态是层流过渡为紊流;当Re>104时，流动状态是紊流。通过计算Re=1335.8，流程设定是层流，采取零方程模型。点击solve进行计算，由于网格质量很高，模型残差曲线迅速收敛。图4是模型于自然对流条件下的温度布局图。
通过图4得知，当环境温度是60℃时，部件的最大温度（108.99℃）超出了设计需要的极限值（85℃），同时机箱中的温度都超过100℃，针对这种情况急需对模型采用科学的散热方法。
4.4分析和规划改进
经过对该产品的运行原理、应用条件以及周围环境等分析能够发展设备有如下几类热源：
（1）各元部件、PCB等在局限的密封空间内耗散许多热量，进而导致很大的热流密度;
（2）机箱中各功能PCB分布紧凑、间距很小且产生了叠层安装现象，影响内部气流流动;
（3）密封机箱经过倒流、对流与热辐射的方式与周边环境实现热交转。
针对类似该设备的现象，一般的散热措施是：①增加散热口;②添加散热片;③添加风机实现强迫对流散热;④提升机箱超外部的散热性能。
参考文献：
[1]王娟，杨刚，熊强.Ⅰcepak 在电子设备水冷热设计中的应用[J].电子机械工程，2015，（6）：19-21.
[2]于德江，李振超，王欢.Ⅰcepak在电子设备热设计中的应用[J].科技创新与应用，2014，（23）：37-37，38.
[3]于德江 李振超 王欢.Ⅰcepak在电子设备热设计中的应用[J].科技创新与应用，2014，0（23）.
关键词：Ⅰcepak系统;电子产品;热设计;运用分析
伴随电子技术的不断进步，电子元部件逐渐微型化，而功耗却不断提高，使部件与产品的热流密度不断加大。统计表明，电子设备异常有55%是由于冷却系统设计不合理导致的。因此，热设计时电子产品结构设计方面不能忽视的重要一环，科学的热规划可以有效提高电子元部件及设备的稳定性。
1、概述
图1 提出了依靠Ⅰcepak（实线）与传统规划（虚线）的两类产品研发模式的对比。产品研发者利用Pro/E等大型3D CAD设计系统展开产品的3D设计，创建产品的仿真样机，依靠Ⅰcepak的设备设计用于仿真样机上的模拟替代了在物理样机上的检测，如此可以削减甚至去掉物理样机的加工，明显简化开发流程，减少研发成本，提升设计效果。所以非常适用于物理样机加工周期长、成本昂贵的繁琐产品研发。
2、电子产品的散热方式
2.1传导
传导是因为动能从一个分子移至另一个分子而造成的热传递。传导能够在固体、液体和气体中出现，其是在不透明固体内出现传热的唯一方式。针对电子产品，传导是种非常关键的传热形式。
采用传导实现散热的方法包括：扩大接触范围、选取导热系数高的物料、减小热流通路、提升接触面的表面性能、在接触面加导热脂和加导热垫、接触压力平衡等。
2.2对流
对流属于固体表面与流体表面之间传热的重要形式。对流包括自有对流与强迫对流，属于电子产品常见的一种散热形式。设备设计中提及的风冷散热与水冷散热均是对流散热形式。
2.3辐射
辐射属于在真空状态下传热的唯一形式，其是量子由辐射体至吸收体的转变。提升辐射散热的办法有：提升冷体黑度、加大辐射体和冷体检的角值、扩大辐射范围等。
3、Ⅰcepak软件分析
3.1功能与特征
Ⅰcepak系统是专业的、面向项目师的电子设备热控分析系统，能够处理各种不同种类与尺度的热流耦合虚拟问题，在航空与航天电子产品、通信、电气、电源产品、通用电气与家电等各个领域得到普遍使用。
Ⅰcepak系统的特征是：①创模迅速，具有多个模型直接接口、固有的模型库、多种外形的几何模型。②智能网格形成，采取非结构化网格科技，支撑四面体、六面体、柱体和混合网格种类[1]。③普遍的模型性能，具有客户模拟环节所要的多种物理模型，涉及流动模型与传热模型。④解算作用，采取CFD求解器。⑤可视化后置加工。
3.2虚拟分析流程
1）依靠Ⅰcepak系统所提供的依靠对象的模型板块对部件级、板级合系统级情况进行创模。
2）确定边界条件，像热流密度、导热率以及传热值、初始温度等运算时所需要的参量。
3）确定整个软件的热计算范围。
4）确定各种材料的物理性质。
5）检测模型与物体定义，对运算范围实施网格分类，存储形成的网格信息。
6）检测气流，在求解以前经过估算Reynolds与Peclet参量以明确用层流方式或者湍流方式。
7）利用Ⅰcepak求解器读取存储的网格信息，设置监测点，开始求解。
8）检查求解结果，借助Ⅰcepak的后处理性能来体现监测点的每项参量曲线（如果都收敛，表示网格良好，求解结果有效）、速度向量切面、气温云图和速度、温度及压力最高值等。
4、热设计和虚拟计算
首先，根据自然散热形式對产品的初始模型实施摸底计量，虚拟其发热状况，明确高温部件的位置和最大温度等，为后续的热设计带来借鉴依据。然后，依靠摸底计量的结果与产品的实际应用状况展开热设计。
4.1建立CFD模型
模型构建包含几何大小、物性参量、边界条件的设置，而物性参量包含材质、辐射、人员以及流动状态。针对该产品，机箱箱体中的结构繁琐，因此依靠Ⅰcepak导进CAD初始模型，基于此借助Ⅰcepak模型库中的Cabinet、Block、Source及PCB分别设置机箱的运算域、盖板、热源以及PCB板。元部件数量多是该产品的一大特征，为简化模型提高计算速度，对元部件展开了相应简化[2]。基本原则是每个模块上只留下发热量很大的部件，而忽视发热量很小的部件，将这些发热功耗等效地加于对应的PCB板上。根据自然散热的情况设置边界条件，流体是空气。图2是该产品的CFD模型。
4.2网格分类
网格分类是整个虚拟过程的关键环节，决定了计算结果的稳定性。网格种类选取Hexahedral unstructured，依靠这一模型的热功耗布局情况及结构性质，把电源模板、处理板及14路T/R通路分别创建为单独的Assembly，建立非持续网格。在Global Setting内启动Mesh Assemblies Separately选项对这几个Assembly展开局域加密实现网格分类[3]。网格分类好后点击Mesh control内的Quality选项，测试网格性能。Ⅰcepak包含四个网格性能判断标准，而面对齐是最关键的判定标准，指最小单元值超过0.15就表示网格效果好，最小单元值小于0.05就表示网格不达标。点击面对齐选项，呈现最小单元值超过0.15，所以网格效果良好，符合计算标准。网格分类情况见图3。
4.3求解运算
模型求解之前要先展开气流检测，明确模型流态。当Re<2200时，流动状态是层流;当Re>2200且Re>104时，流动状态是层流过渡为紊流;当Re>104时，流动状态是紊流。通过计算Re=1335.8，流程设定是层流，采取零方程模型。点击solve进行计算，由于网格质量很高，模型残差曲线迅速收敛。图4是模型于自然对流条件下的温度布局图。
通过图4得知，当环境温度是60℃时，部件的最大温度（108.99℃）超出了设计需要的极限值（85℃），同时机箱中的温度都超过100℃，针对这种情况急需对模型采用科学的散热方法。
4.4分析和规划改进
经过对该产品的运行原理、应用条件以及周围环境等分析能够发展设备有如下几类热源：
（1）各元部件、PCB等在局限的密封空间内耗散许多热量，进而导致很大的热流密度;
（2）机箱中各功能PCB分布紧凑、间距很小且产生了叠层安装现象，影响内部气流流动;
（3）密封机箱经过倒流、对流与热辐射的方式与周边环境实现热交转。
针对类似该设备的现象，一般的散热措施是：①增加散热口;②添加散热片;③添加风机实现强迫对流散热;④提升机箱超外部的散热性能。
参考文献：
[1]王娟，杨刚，熊强.Ⅰcepak 在电子设备水冷热设计中的应用[J].电子机械工程，2015，（6）：19-21.
[2]于德江，李振超，王欢.Ⅰcepak在电子设备热设计中的应用[J].科技创新与应用，2014，（23）：37-37，38.
[3]于德江 李振超 王欢.Ⅰcepak在电子设备热设计中的应用[J].科技创新与应用，2014，0（23）.