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35960字硕士毕业论文密封电子设备热设计探讨

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:35960字
论点:电子设备,设计,分析
论文概述:

本文首先根据传热学原理进行热计算,并使用结构设计软件,设计出原理样机,再通过热仿真软件对设备进行了系统级的热分析,得到设备的温度场、热流分布图,然后对结构模型进行加工,得

论文正文:

第一章导言

1.1项目意义及国内外研究现状综述
1.1.1项目来源
本项目来源于中国电子科技股份有限公司第五十研究所的工作需要。在中国电子科技股份有限公司第50研究所的研发期间,发现随着电子技术的飞速发展,大功率和高功率密度器件得到了广泛的开发和应用。然而,如何合理有效地散热以提高其可靠性是一个难题。然而,舰载、机载和车载电子系统通常在非常高温的热环境中工作。统计数据显示,70%的电子设备故障与过高的热环境有关。随着温度的升高,故障率呈指数级增加[1],而著名的10℃法则[2]也指出,每当半导体器件温度升高10℃时,半导体器件的可靠性降低50%。因此,电子设备的热设计和热分析一直受到国内外研究部门的关注。与此同时,现代武器系统的电子设备正日益向高集成度、高功率、高可靠性、小型化和轻量化方向发展。同时,不断增加的功耗使得热流密度急剧上升。如果在设计阶段不重视电子设备的散热设计,元件产生的热流将得不到有效控制,特别是在恶劣的工作环境或复杂的电子设备中,一些元件的工作温度可能上升,导致整个电子系统不稳定甚至失效。本文基于我公司目前的设计现状,通过对一种在恶劣环境条件下使用的密封电子设备的设计计算,阐述了一些散热设计的设计思路和具体散热结构,并通过一个电子设备密封机柜的设计实例来说明。

1.1.2研究项目的意义
2000年,海外正常运行时间研究所预测电阻设备的散热面积将在8年内翻两番[3]。这在当时听起来令人惊讶,但实际情况已经大大超出了[的预期。现在对电子产品散热的研究已经被推到[电子产品研发全过程的前沿。解决电子设备过热问题和提高产品可靠性的相关技术称为电子设备热技术。它主要包括三大技术:热分析、热设计和热测试[6】。科学合理地应用这三种技术可以大大缩短电子产品的开发周期,提高产品开发设计的经济性,保证电子产品的综合性能。目前,国外在这一领域的研究技术相对成熟,已经取得了许多应用和理论成果。随着我国电子工业的发展落后于国外,电子设备热技术的研究也相对滞后。它仍处于初级阶段,水平相对较低。然而,近年来,航空空航天和军事研究的重要性和紧迫性逐渐得到承认。热分析、热设计和热测试技术是提高电子产品可靠性的重要方法。对于电子设备,热分析、热设计和热测试应从三个层面进行:部件、电路板和环境。随着传热、热能工程、流体力学、计算机等学科的进一步发展,以及新仪器和新材料的出现,电子设备的热分析、热设计和热测试技术必将取得更大的成果。目前,国内外还没有集成热分析、热设计和热测试技术的计算机辅助系统。热传递是一个复杂的过程。为了便于分析和研究,根据传热的物理性质,传热可以分为三种基本形式,即热传导、热对流和热辐射。热传导(heat conduct),也称为热传导,是指根据物体内部微观粒子的运动和碰撞,在同一物体内部温度不同的部件之间或与不同温度直接接触的物体之间发生热传递的现象。热传导的基本定律是傅立叶定律。对流传热是指当流动流体和与流动流体接触的固体表面具有不同温度时,两者之间的传热过程。根据流体流动的不同原因,可分为自然对流和强制对流。根据流动特性,有层流和湍流。热辐射是指一个物体发射电磁能量,被其他物体吸收并转化为热量的热交换过程。当温度高于绝对零度时,物体将持续地将热能转换成辐射能,并向外辐射热量。与此同时,物体不断吸收周围物体投射到其上的热辐射能量,并将其转化为热能。电子设备热分析(thermal analysis of electronic equipment),又称热模拟,是在电子设备概念设计阶段通过数学手段获得温度分布的一种方法。它使电子设备设计者和可靠性设计者能够在设计阶段发现产品的热缺陷,从而改变他们的设计。

第二章热设计基础理论

2.1热传递的基本概念
密封的电子设备是由某个武器系统指定的ATR机柜的形式。它需要满足许多功能,包括无线电台联网、有线联网、自动柜员机交换、战术互联网接入、光纤通信等功能。同时,设备结构和体积要求严格,机柜外部尺寸严格限制在256毫米(宽)×194毫米(高)×315毫米(深)。根据上述情况,没有足够的空间空一起设计多个功能模块,只有独立的功能模块板可以用于设计、安装、操作和使用。图2示出了整个密封电子设备的示例图。该设备为密封防雨设备。其外壳由铝合金(2A12)焊接而成。外壳和盖板被选择为分成整个机器的前部和后部。设备的工作环境为:-40℃~ 55℃;高温(60℃)储存4小时,正常工作。其次,改进设备的内部结构。由于在密封的电子设备中对流和辐射是困难的,传导成为主要的散热手段。我们应该尽最大努力通过合理的布局使气流阻力最小化。本设计中,高功耗加热装置通过导热硅脂直接与单元板安装板连接,每个单元板通过插座直接与主机主板连接,减少了连接电缆,有利于气流循环。散热路径最短,热阻最小,避免热量在箱体内循环。每个单元的功能电路板之间的间距相对较小,导致层压安装,这不利于更好的内部气流循环。考虑到设计早期的这一因素,电路板设计者应根据对流散热原理,交错排列每个电路板的大型加热装置空,因为热量空气体总是从低水平流向高水平,这有利于热流的流动,从而增加散热效果。本发明避免了同一水平面上大型加热装置造成的热量积累,提高了芯片的失效概率。

第三章结构设计与分析.......11
3.1总体结构设计方案........11
3.2密封电子设备的内部结构和主要部件.......12
3.3主要加热部件和热设计原则.......15
3.4密封电子设备的热设计........15
3.5密封电子设备的设计步骤.......16
3.6本章摘要.......17
第4章热设计仿真软件及仿真平台.........18
4.1 ANSYS软件简介.......18
4.2 ANSYS分析流程.........18
4.3 Ansys软件设置....19
4.4解决方案和结果分析....22
4.5密封电子设备热分析仿真平台的建立........22
4.6本章摘要....24
第五章温度场测量和结构设计优化.........25
5.1铂电阻测温及其优点.......25
5.2密封电子设备内部温度场的测量.......28
5.3本章摘要.......41

结论

本文采用铂电阻接触测温法对密封电子设备内部温度场进行热测试,并利用热分析软件ANSYS对设备内部温度场进行热分析。通过热试验和热分析结果的比较,不断优化设备的三维计算机辅助设计模型,最终得到与真实模型相似的简化模型。利用该模型进行有限元计算,选定试验点的最大温度偏差在20%以内。电子设备内部温度场的热测试和热分析为设备的优化设计提供了有效的参考。在研究过程中,电子设备的热测试是在研究工作的前沿进行的,测试结果准确可靠,便于仿真结构与测试结果的比较。在接下来的研究工作中,根据模拟工作的要求,也可以随时进行有效的补充测量。在利用ANSYS软件进行有限元计算的过程中,遇到了网格划分内存不足的问题。本文采用直接从硬件平台升级和增加内存容量的方法来解决这一问题,既保证了计算精度,又增加了计算时间。最终建立的电子设备三维计算机辅助设计模型已经通过了对设备24小时工作状态的检查。相信它可以用来模拟设备在其他状态下的内部温度场,优化设备的设计。本研究的主要目的是提高公司的产品热分析和热设计能力,提高公司的产品结构设计水平。

参考
[1]邱成提,赵盾淑,蒋全兴,电子设备结构设计原理[M],南京:东南大学出版社,2002
[2]傅桂翠,高泽西,方志强,电子设备热分析技术研究[J],电子机械工程,2004(1),13-16
[3]正常运行时间研究所,数据处理、计算机系统和电信设备热密度趋势[R],纽约:正常运行时间研究所白皮书,2004 a3g无线网络网关的系统级热设计与测试[j],SEMIN THER研讨会,2006.154,16-22
[6]卢永超,杨双根,电子设备热分析、热设计与热测试技术的总结与最新进展[J],电子机械工程,2007.23(1),5-10
[7]周敏,任丙利,张一圣,电子设备自然散热设计模拟[J],电子产品可靠性与环境试验 高端服务器系统热解决方案开发[J >,SEMIN THERM symposium,2005.9,33-38
[10]卢永超,杨双根,电子设备热分析、热设计和热测试技术概述及最新进展[J >,电子机械工程,2007.23(1),5-10