王晨陽　趙銘

摘 要：隨著中國通航小型飛機(jī)飛行訓(xùn)練任務(wù)量的逐年攀升，機(jī)載電子設(shè)備使用頻率加大，出現(xiàn)故障的頻次也隨之升高。從多年的維修檢測中發(fā)現(xiàn)，故障機(jī)件多數(shù)是由于元器件溫度過高而失效的。因此，本課題結(jié)合電路仿真軟件，建立典型機(jī)載電子設(shè)備的電路熱學(xué)模型，仿真模擬穩(wěn)態(tài)溫度場分布狀況，可及早的預(yù)知故障元器件，為此類電子設(shè)備的維修和改進(jìn)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：機(jī)載電子設(shè)備；有限元；熱分析

中圖分類號：V267 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）04-0132-03

Abstract： With the increasing number of flight training tasks of China's navigation small aircraft， the frequency of on-board electronic equipment is increasing， and the frequency of failure is also increasing. From many years of maintenance and inspection， it is found that most of the faulty components fail because of the high temperature of the components. This topic unifies the electric circuit simulation software， establishes the electrical circuit thermal model of the typical airborne electronic equipment， simulates the steady-state temperature field distribution situation， may predict the breakdown component as soon as possible， thus providing a theoretical basis for the maintenance and improvement of this kind of electronic equipment.

Keywords： airborne electronic equipment； finite element； thermal analysis

引言

隨著中國通航小型飛機(jī)飛行訓(xùn)練任務(wù)量的逐年攀升，機(jī)載電子設(shè)備使用頻率加大，出現(xiàn)故障的頻次也隨之升高。目前常用的訓(xùn)練機(jī)Cessna172、PA44-180型飛機(jī)經(jīng)常送修的電子設(shè)備諸如KX165系列、KR87、KT76A、KN62A等。據(jù)維修工程師統(tǒng)計(jì)，這些電子設(shè)備除了小部分人為的損傷外，其余的故障均是由電容、晶體管、電阻、集成塊等元件失效引起的。

研究表明，半導(dǎo)體元件的溫度每升高10℃，可靠性降低50%。針對航空機(jī)載電子設(shè)備而言，電子設(shè)備長期處于環(huán)境溫度高、溫差變化大、條件苛刻的情況。電子設(shè)備的電路板和部分元器件會隨所處的熱環(huán)境影響，導(dǎo)致設(shè)備溫度的上升或者降低。由于電子設(shè)備對于工作環(huán)境的要求較為嚴(yán)苛，溫度的變化會導(dǎo)致其性能下降，無法可靠工作，嚴(yán)重時(shí)，甚至降低工作壽命或者造成損壞。因此，本文將以基于有限元方法的熱分析技術(shù)為基礎(chǔ)，對典型機(jī)載通信導(dǎo)航電子設(shè)備進(jìn)行分析和研究。熱分析結(jié)果可以及早的預(yù)知故障元器件，為以后機(jī)載電子設(shè)備排故工作提供必要的理論依據(jù)；對原有熱設(shè)計(jì)中性能下降的地方加以改進(jìn)，提高機(jī)載電子設(shè)備元器件可靠性具有十分重要意義。

1 FloTHERM軟件介紹

FloTHERM是一款由英國Flomerics公司開發(fā)的一款專門用于電子散熱領(lǐng)域的3D熱仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，該軟件擁有豐富的智能元件模型庫，能夠提供便捷強(qiáng)大的熱流仿真模型?？蓱?yīng)用于PCB板、封裝元件、集成電路和系統(tǒng)設(shè)備等不同方面。Flotherm軟件的核心熱分析模塊，可以完成從虛擬模型建立、網(wǎng)格劃分、求解計(jì)算、分析報(bào)告到Visual Editor可視化后處理等功能。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，可通過FloTHERM軟件求解電子設(shè)備內(nèi)外的熱傳導(dǎo)、對流換熱和熱輻射規(guī)律，預(yù)測電子設(shè)備內(nèi)部的溫度分布、氣流流動和熱量傳遞過程。根據(jù)仿真結(jié)果可以識別該電子設(shè)備存在的熱風(fēng)險(xiǎn)，并且能夠進(jìn)一步提高產(chǎn)品的可靠性。

FloTHERM軟件的工作流程如圖1所示：

2 傳熱學(xué)理論基礎(chǔ)

傳熱學(xué)是研究由溫度差引起的熱能傳遞規(guī)律的科學(xué)。通過分析熱傳遞規(guī)律及熱傳遞現(xiàn)象，解決日常生活及工程實(shí)踐中與傳熱有關(guān)的問題，其傳遞的基本方式分為三種，即導(dǎo)熱、對流換熱和輻射換熱。在傳熱學(xué)理論中，同樣滿足能量守恒方程：

導(dǎo)熱屬于物理特性，能夠在固體、液體及氣體的內(nèi)部或它們的交界面處發(fā)生，在航空電子設(shè)備中，高溫元件將熱量傳遞給與之接觸的低溫PCB板，PCB板內(nèi)部的高溫部分將熱量傳遞給低溫部分，這些都屬于熱傳導(dǎo)的范疇。導(dǎo)熱Fourier 定律：Qc=-AλΔT

依靠著流體運(yùn)動，把能量由一處傳遞到另一處的現(xiàn)象稱為熱對流。一般情況下，對于相同流體，自然對流速率要小于強(qiáng)迫對流速率，因而強(qiáng)迫對流的換熱能力更強(qiáng)。1701年牛頓提出了計(jì)算對流換熱的基本公式，稱為對流Newton 冷卻定律：Qh=-hAΔT。

熱輻射是物體由于自身溫度或熱運(yùn)動而向外輻射電磁波的現(xiàn)象，是物體通過電磁輻射的形式把熱能向外發(fā)散的傳熱方式。輻射Stefan-Bolzman定律：Qε=εσA（T14-T24）。該定律指出，在輻射換熱計(jì)算中，確定黑體在某個(gè)溫度下全波長范圍內(nèi)的輻射能力至關(guān)重要。

3 熱仿真實(shí)例及研究

3.1 熱分析模型建立

實(shí)驗(yàn)對象為KX165甚高頻通訊收發(fā)機(jī)設(shè)備，如圖2所示，在正常情況下，該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)通訊接收（COMM Receiver）、通訊發(fā)射（COMM Transmitter）、導(dǎo)航（Navigation）功能。該設(shè)備外部由金屬殼體封裝，在駕駛面板上由一塊顯示屏和按鈕構(gòu)成，內(nèi)部主要為一塊PCB集成電路板，用于控制飛機(jī)的通訊導(dǎo)航頻率。其中，絕大部分電子元器件都集中在PCB控制板上，各電子元器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量通過殼體內(nèi)空氣對流換熱，將熱量傳遞到鋁合金殼體上，殼體再將熱量傳遞到外界環(huán)境。為了快速準(zhǔn)確的獲得實(shí)驗(yàn)熱仿真數(shù)據(jù)，需要運(yùn)用幾何模型或者智能元件模型的等效替換法，建立熱分析模型，對于仿真效果影響不大的部分，諸如小功率元器件等，需要進(jìn)行適當(dāng)程度的簡化處理。

3.2 網(wǎng)格劃分

在幾何模型建立好之后，即可運(yùn)用FloTHERM軟件自帶的網(wǎng)格工具對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。FloTHERM軟件自帶“None、Coarse、Medium、Fine”四種網(wǎng)格劃分類型。其中，“None”選項(xiàng)能夠保證在KX 165模型的邊界上創(chuàng)造網(wǎng)格，從而提高了分析精度，但運(yùn)算較為復(fù)雜?！癈oarse、Medium、Fine”三種選項(xiàng)之間的差別是系統(tǒng)網(wǎng)格劃分的尺寸精度不同，“Fine”網(wǎng)格劃分最為稠密，精度較高；“Coarse”網(wǎng)格劃分相對稀疏，精度較差，但求解最為迅速。在對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分之后，便可以通過“Grid Summary”選項(xiàng)檢查網(wǎng)格的尺寸比。為便于求解，可將網(wǎng)格長寬比控制在20單位以內(nèi)，一般情況下，對于非重要的元器件，可以進(jìn)行網(wǎng)格簡化處理。對于重要元器件的仿真，可以對其進(jìn)行網(wǎng)格局域化，通過建立物體各個(gè)方向上的網(wǎng)格約束，提高計(jì)算精度，如圖3所示。

3.3 求解計(jì)算

在對KX 165模型進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分之后，點(diǎn)擊Solve start按鈕即可進(jìn)行求解計(jì)算。軟件自動計(jì)算的參數(shù)終止計(jì)算殘差值與仿真項(xiàng)目的參數(shù)設(shè)置密切相關(guān)，對于參數(shù)殘差值在某個(gè)值附近穩(wěn)定或波動時(shí)，求解計(jì)算選項(xiàng)的調(diào)整有助于參數(shù)殘差曲線的收斂，如圖4所示。

KX165甚高頻通訊收發(fā)機(jī)設(shè)備的熱仿真結(jié)果如下圖所示，可以看到，收斂監(jiān)控曲線是呈穩(wěn)態(tài)分布，說明在一定約束條件下，熱仿真符合實(shí)驗(yàn)要求。結(jié)合模型圖可以發(fā)現(xiàn)，電路板中心核心部件的溫度最高，呈深紅色；靠近殼體部分溫度最低，接近周圍大氣溫度。這些仿真結(jié)果與實(shí)際物理現(xiàn)象相符，具有一定的熱學(xué)參考依據(jù)，如圖5所示。

4 結(jié)束語

4.1 建模因素引起的誤差分析

建立一個(gè)合理的熱分析模型，是保證熱分析結(jié)果精確的前提。PCB板一般由絕緣體和銅材料經(jīng)過高溫高壓處理后制作而成，故PCB板中銅的含量對熱傳導(dǎo)影響很大。由于FloTHERM軟件其建模和參數(shù)的設(shè)定都有一定的估算性，而且對于各個(gè)模塊的邊界處的網(wǎng)格劃分也缺乏平滑過渡，所以其計(jì)算存在一定程度的誤差。以本項(xiàng)目所研究的KX165系列電子設(shè)備為例，其生產(chǎn)廠家在手冊中一律采用簡化模型，不提供封裝模型。所以在仿真過程中必須對于部分元器件的參數(shù)特性，進(jìn)行詳細(xì)設(shè)置，并對圖像進(jìn)行合理修正，才能達(dá)到較為理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4.2 傳熱學(xué)及流體力學(xué)對實(shí)驗(yàn)的影響

熱傳導(dǎo)主要由材料的傳導(dǎo)率決定。對于給定的材料，可通過材料手冊查到傳導(dǎo)率。但材料如果是復(fù)合材料，其具體成分往往很難獲得，因而傳導(dǎo)率很難準(zhǔn)確選擇，而且手冊中的數(shù)據(jù)都是在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室中獲得的，通常模擬的環(huán)境不能真實(shí)的反映工程實(shí)際。

在自然對流時(shí)，需要考慮輻射的影響。而發(fā)射率又是影響輻射的主要參數(shù)。物體表面的氧化層、表面粗糙程度、劃痕、污染等都會影響發(fā)射率。對流換熱是一種十分復(fù)雜的換熱過程。流體的物性、換熱表面的幾何條件、流體物態(tài)的改變及換熱面的邊界條件等對對流換熱都有影響。

4.3 紅外線成像與FloTHERM軟件仿真對比分析

紅外檢測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能非接觸遙控測量，直接顯示實(shí)時(shí)圖像，靈敏度較高，檢測速度快。但正是由于紅外線成像儀靠溫度的差別來成像，因而其檢測靈敏度與熱輻射率相關(guān)，因此對于機(jī)載電子設(shè)備的內(nèi)部的復(fù)雜電路，尤其對于多層PCB板的情況，需要在仿真時(shí)，對部分電路板進(jìn)行簡化修正，方可達(dá)到預(yù)期效果。

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