热仿真与汽车音响设计

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简述了电子产品失效的主因和传统的热设计的基本公式，说明了采用仿真软件进行热仿真的意义。并进一步阐述了热仿真技术在汽车音响散热片设计和整机设计中的应用。

热仿真；工作温度；传导；对流；轴射；散热片
　　1 电子产品的热失效
　　据统计，热失效是电子产品最主要的失效原因，温度超标引起的失效占所有失效的55%以上。不合理的热设计，将引起一系列的产品问题：（1）使元器件的工作温度超标，加速产品的失效；（2）产生热应力，使产品翘曲变形，甚至损坏；（3）严重时引起高温部分烧焦，甚至引起火灾。因此如何合理的热设计，降低产品的工作温度，将是产品设计工程师的一项重要工作。
　　2 热仿真
　　影响散热三要素为传导、对流和幅射。这三要素的基本公式如下所示。
　　导热的基本定律-傅立叶定律：
　　对流换热-牛顿冷却公式：
　　辐射能力：
　　从上述公式可看出，采用更好的导热材料（导热系数），增加散热材料厚度；增加散热面积（对流换热面积），甚至采用风扇、冷却液等强制冷却；增大表面幅射（表面黑度）等，均能有效地散热。
　　但汽车音响作为车载电子设备，因其空间有限，散热片越小越好；同时产品竞争激烈，经济因素也是产品设计必须考虑的关键因素。采用最合理的散热设计，是产品设计工程师面临的一项难题。复杂的热设计公式，使工程师无从下手；而各种不规则产品的形状，不规则工况，仅采用三个基本公式已无法算出实际散热效果，更使传统的热设计望而生畏。
　　随着电脑技术的快速发展，仿真技术也得到迅速的发展，仿真技术已开始进入普及使用阶段，越来越多公司采购了仿真软件。热仿真软件使热设计由复杂、深奥、难懂专业设计，变为只要具有些专业知识和相关的设计经验就可进行的设计。
　　现市场常用的热仿真软件很多，常用的有：
　　ICEPAK：一款由ANSYS公司出品的专业性分析软件，功能强大，但其网格较复杂，对于非专业仿真工程师而言，较难操作。
　　Flotherm：由Mentor公司出品，是目前最优秀的热仿真软件，功能强大，但类似于ICEPAK，对非专业仿真工程师而言，难于操作。其价格上也较贵。
　　FloEFD：也是由Mentor公司出品，是一款面向工程师的仿真软件，操作简单，仿真速度快，非常适宜产品设计工程师进行边设计边仿真工作。
　　至于采用哪种软件，可据产品的特点、热设计的要求、仿真的投入，并综合考虑客户的需求而选用合适的软件。
　　3 热仿真在汽车音响设计的应用
　　3.1 散热片设计
　　散热片是针对发热量大的元器件，如功放IC等专门设计的散热部件。散热片设计是汽车音响热设计中最重要的一环。利用热仿真技术，能快速分析散热片的散热情况，把握改正方法和方向。
　　目前汽车音响的散热材料一般采用铝板或铸铝，所以仿真也从此两方面考虑，以分析散热片是符合要求，及选用材料、工艺等。
　　如图1所示，是对散热片进行仿真的结果，从图上可直观看出散热片的温度状况。
　　（1）温度偏高，散热片的最高温度达184.59度。
　　（2）热传导不足，散热片的最高温度与最低温度差约50度。
　　为了改善散热效果，需从影响散热的三要素考虑。
　　方法1，增加散热面积。
　　仿真结果散热片的最高温度虽有所降低，但仍高达182.68度，散热改善不明显。
　　方法2，增加表面幅射系数。
　　仿真结果如图2示，散热片最高温度降为149.74度，下降明显。这是因为铝板散热片为银色，辐射系数小，但发黑处理后，辐射系数大幅提高，也即提高了散热的散热能力。散热片的最高温度和最低温度差为30多度，有了明显的降低，这主要是因为辐射降温造成的，散热片发黑并没有改善散热片的热传导能力。
　　方法3，增加散热片的热传导能力。
　　现将散热片的厚度，由3mm增加到4mm，增加散热片的横截面积，从而增加散热片热传导能力。在不采用发黑处理情况下，仿真结果如图3示，散热片最高温度147.9度，下降也较明显。
　　方法4，更换材料和设计。
　　将材料改为铸铝，铸铝的热辐射比铝板高，热传导能力较差。但是因采用铸造生产，中间可以加厚，以改善热传导，也即同时增加了散热片的辐射和热传导能力。仿真结果如图4示，散热片最高温度145.68度，下降也明显。
　　以上的每个仿真时间只需不到10分钟，设计人员可以边设计边仿真，可以快速分析和判定现设计方法有无问题；采用新优化设计后效果怎样；采用哪种方法散热更佳等。并综合产品的需求，包括时间进度、成本及交货等因素，选用最合理的方法。
　　3.2 整机热设计
　　对于整机产品来说，除了散热片外，产品的布局和结构设计也对散热效果影响很大。
　　如图5示，在外壳上开了散热圆孔后的仿真结果，产品内的窜动气流明显减少，热空气大部分从散热孔流出，同时也将机内的热量带走，起到很好的散热作用。
　　因此通过热仿真能很快分析产品设计存在什么问题，并对优化措施的效果作出了判定。我们很易判定，产品应采用有散热孔的方案。
　　此外，汽车音响工作温度较高，但很多元器件有其工作温度的限制，为了保证产品的质量和使用寿命，需要控制好各关键部件的工作温度。按传统的方法，需要对产品进行打样、组装和温升测试，利用各温度探头来测量各部件的温度。这种方法时间长（有时需数周时间），费用高（各种样品费用及工时投入），而且还会因操作人员的测试手法而产生差异。
　　利用仿真技术，只要有3D模型，就可进行仿真测试，不必产生额外的费用，而且时间短，一天内就可完成分析。
　　4 结束语
　　仿真技术的利用，改变了传统的设计模式。我们可以边设计边仿真，甚至在方案评估阶段就可进行仿真确认，使产品的问题在设计过程中提前发现并解决，降低设计成本和设计周期，也使产品的设计产量不再依赖于设计担当的能力。热仿真作为仿真分析一个部分，对于长期在较高温度下的汽车音响类产品，效果更明显。

fidelio

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