专业工程硕士毕业论文篇一
第一章 绪论
1.1 课题的意义及国内外研究现状综述
1.1.1 课题的来源
随着温度的增加，其失效率成指数增长趋势[1],而著名的10℃法则[2]也指出：半导体器件的温度每升高10℃,其可靠性就会降低50%。所以，对电子设备进行热设计和热分析，早已引起了国内外研究部门的重视。与此同时，现代武器系统电子设备，越来越向高集成、高功率、高可靠性、及小型化轻量化的方向发展。同时功耗的不断加大，使得热流密度急剧上升，如果在设计阶段不注重电子设备的散热设计，那么元器件所产生的热流将得不到有效控制，特别是在工作环境比较恶劣或电子设备比较复杂的情况下某些元件的工作温度就有可能上升到导致整个电子系统的工作不稳定乃至失效。本论文正是基于本公司目前的设计现状，通过对某密封式电子设备在严酷环境条件下使用时的设计计算，阐述了热设计的一些设计思路和具体散热结构，并通过对某电子设备密闭机箱的设计实例加以说明。随着电子技术的高速发展，电子产品的集成度越来越高，热流密度越来越大。电子产品的这些发展趋势使得电子设备过热问题越来越突出，严重地影响到电子产品的可靠性和稳定性。在2000年，国外的Uptime研究所曾预言8年内电阻设备中的散热面积将会翻两番[3]。这在当时听起来很让人吃惊，但是实际的情况早已大大地超出这个预期[4]。现在电子产品的散热研究被推到了整个电子产品研发过程的最前沿[5]。解决电子设备过热问题，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：热分析、热设计及热测试三大技术[6]。科学合理地应用这三大技术，可以极大地缩短电子产品的研发周期，提高产品研发设计的经济性，保证电子产品的综合性能。目前,国外在这方面的研究技术较为成熟,取得了许多应用和理论上的成果。而国内由于电子工业的发展落后于国外,因此在电子设备热技术方面的研究也相应滞后,尚处于初期阶段，水平较低，但这几年也逐渐认识到了该研究对航空航天及军事方面的重要性及迫切性。
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1.2 电子设备热设计研究的现状
1.2.1 世界发达国家热设计状况研究
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，得到工程样机，并进行温度测试实验，通过测试来了解该设备的温度场分布，进而验证热仿真的准确性。然后对热分析仿真方案进行改进，经过多次改进得到了最优的密封式电子设备热分析仿真方案，最后将该方案加工装配，得到的最终样机，经过温度测试与仿真数值的比较，确定相对误差小于20%。最终使得结构设计满足设备的研制总要求。美国在 70 年代就颁发了可靠性热设计手册；日本电器公司 1985 年推出的巨型计算机已采用水冷技术；而且国外很多公司都在致力于各种电子设备冷却方法的计算机辅助热分析软件的开发,力求快速准确地计算出电子设备的温度分布。Jonathon Weiss 等人通过对电子元件封装的热分析,提出电子系统可靠性的关键是保持 IC 的结点温度低于允许工作温度点。美国奥克兰大学 B. Cahlon 等对对流冷却及对电子元件的优化布局进行了研究,建立了电子设备强迫对流冷却的数学模型。
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第二章 热设计基本理论
2.1 传热学的基本概念
本章主要阐述了传热学的基本概念、热测量技术的基本方法。讨论了几种热测量技术的优缺点及热测量项目。最后从宏观方面阐述了热设计的基本方法。热对流是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。热对流仅能发生在流体中，而且由于流体中的分子同时在进行着不规则的热运动，因而热对流必然伴随有热传导现象。工程上感兴趣的是流体流过一个物体表面是流体与物体表面间的热量传递过程。对流换热可以分为两类：自然对流和强制对流。自然对流是由于流体冷、热各部分的密度不同而引起的。而如果流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作用所造成的，则称为强制对流。凡是温度高于绝对零度的物体都会向外界以电磁波的形式发射能量，这种过程称为热辐射，简称为辐射。物体发射的电磁波所具有的能量称为辐射能。物体一边在向外界发射能量，一边也在吸收周围物体投射到它表面上的热辐射，并把这些辐射能重新转变成热能。辐射换能是指物体之间的相互吸收和辐射的总效果。当物体与环境处于热平衡状态时，虽然其辐射换能量等于零，但表面上的热辐射仍在不断地进行。
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2.2 热测量技术及热测试项目
2.2.1 热测量技术
对密封式电子设备内部温度场测试，为后来的仿真工作提供一个参考依据。通过对比测试，进行优化设计，选择合理、可行的结构设计方案，并通过热设计软件进行仿真模型验证。该密封式电子设备采用是某武器系统指定的ATR机箱形式，其需要满足的功能较多，包括无线电台组网、有线组网、ATM交换、战术互联网接入、光纤通信等功能，而同时设备结构体积要求严格，机箱外形尺寸严格限制在256mm（宽）×194mm（高）×315mm（深）以内。根据上述情况，没有足够空间将多个功能模块合并设计，只能采用独立功能模块插板的形式设计、安装、操作及使用。该密封式电子设备的整机样图如图2所示。该设备为密封防雨设备，其机壳由铝合金(2A12)焊接而成，壳体和盖板选择在整机的前后部分分型。设备的工作环境为：-40℃～55℃；高温（60℃）储存4小时，正常工作。该密封式电子设备由前面板单元、控制单元及后面板单元等部分组成。前面板单元是整个设备的人机界面，电气接口较多，并且包括一个电源开关及多个指示灯。后面板单元整机的电源模块，+24V电源输入，为整机供电。中间部分为整台设备的核心部分，即控制单元，它包括一个机箱，以及九种完成不同功能的单元插板组成。
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第三章 结构设计与分析 .......11
3.1 总体结构设计方案 ........11
3.2 密封式电子设备内部结构和主要组件 ....12
3.3 主要发热部件及热设计原则 ......15
3.4 密封式电子设备的热设计 ........15
3.5 密封式电子设备的设计步骤 ......16
3.6 本章小结 ....17
第四章 热设计仿真软件和仿真平台 .........18
4.1 ANSYS 软件介绍 .....18
4.2 ANSYS 的分析流程 .........18
4.3 ANSYSY 软件设置 ....19
4.4 求解与结果分析 ....22
4.4.1 进行求解 ........22
4.4.2 结果分析 ........22
4.5 密封式电子设备热分析仿真平台的建立 ........22
4.5.1 设备热分析仿真平台的硬件配置 ......22
4.3.2 设备热分析仿真平台的软件配置 ......23
4.6 本章小结 ....24
第五章 温度场测试及结构设计优化 .........25
5.1 铂电阻测温及其优点 ......25
5.2 密封式电子设备内部温度场的测量 .......28
5.3 本章小结 .....41
第六章 密封式电子设备系统级热分析
6.1 密封式电子设备系统级热分析一般步骤
密封式电子设备内部组件较多，且每个部件构造复杂。对该设备进行完整的 CAD建模，任务量太大，而且如果该设备的 CAD 模型过于复杂，加载到 ANSYS 软件中进行仿真计算，会导致网格划分数量巨大，直接导致计算过程出错。因此，对该设备进行 CAD 建模时必须要进行简化，保留对设备内热场分布和流场分布具有关键影响的部件等的主要特征，忽略不重要的局部特征。建好该设备 CAD 模型后载入到 ANSYS 软件中进行设置，包括初始 ANSYS 软件设置、网格划分设置、边界属性设置、待分析设备各部件材料属性设置、热源属性设置、各部件热传导热对流属性设置、各部件初始温度设置、求解设置、收敛条件设置等。ANSYS 软件求解完以后，对计算结果进行后处理，可以截取设备截面图查看设备某一截面内的热场分布，设备内部流迹线分布，组件表面温度截图分布，组件表面取点取值，得到设备内部各测试点对应的仿真温度值。将仿真温度值与测试温度值进行比较分析，得出仿真温度值与测试温度值的绝对误差和相对误差，并参考截面温度分布图和流场温度分布图，分析仿真值与测试值的一致性，对产生误差的原因进行分析，得出结构改良方案。回到 CAD 建模阶段，按照改良方案修改设备的 CAD 模型及 ANSYS 软件设置，不断优化热仿真模型，包括建立的 CAD 模型和 ANSYS 相应参数设置，进而模拟出能够满足设备及各个发热器件的工作温度的结构形式，并通过温度测试来验证热仿真分析的正确性，最终达到优化结构设计，满足设备使用及各种环境试验要求的目的。
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结论
本论文采用铂电阻接触式测温法对密封式电子设备内部温度场进行了热测试和运用热分析软件ANSYS对该设备内部温度场进行热分析。通过比较热测试和热分析的结果，不断优化该设备的三维CAD模型，最终得到一个和真实模型相近的简化模型。使用该模型进行有限元计算，得到的选定测试点的温度最大偏差在20%以内。电子设备内部温度场的热测试和热分析为该设备的优化设计提供了有效参考。在研究过程中，本文把电子设备的热测试工作提到研究工作的前端进行，得到准确可靠的测试结果，方便
