超声电源热管理：从数值仿真、优化设计到实验验证的全流程

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211、985硕士，从业16年+

从事结构设计、热设计、售前、产品设计、项目管理等工作，涉足消费电子、新能源、医疗设备、制药信息化、核工业等领域。

熟练运用Flotherm、FloEFD、XT、Icepak、Fluent等ANSYS、西门子系列CAE软件，解决问题与验证方案设计，十多年技术培训经验。

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本期给大家带来的是关于超声电源热管理：从数值仿真、优化设计到实验验证的全流程研究内容，希望对大家有帮助。

背景

随着电子行业技术的飞速发展，设备的组成元器件正朝着小尺寸、大功率的方向发展。由此造成元器件的热流密度逐步上升，当热流密度超过一定上限时会使元器件工作时的温度太高而引发热失效问题。

外科医疗设备对稳定性要求更苛刻，因此，对医疗设备进行热设计研究对其稳定性提升有重要意义。

研究路径

通过对本课题的研究，我们充分利用热分析软件结合合理的热设计优化方案，可以在产品设计阶段对设备的散热进行模拟分析，减少由于散热不良导致的失效，为产品的可靠性设计提供重要的依据，从而缩短产品的研发周期，对实际工程应用具有一定的指导意义。

理论计算、仿真分析与实验测试相结合

研究内容

本文以外科医疗设备为研究对象，运用Solidworks和FloTHERM建立相关的几何模型，并对稳态温度场进行求解，通过遗传算法对影响其热特性的因素进行优化设计，获得最优设计方案，最后通过仿真与实验对比验证有效性。

• 讨论数值传热学、流体力学和基于有限容积法计算温度场在热设计领域的工程应用。

• 阐述建立、离散、线性化有限容积法求解温度场的积分控制方程过程；阐述该设备结构特点和边界条件，并进行热源分析、初始模型简化、仿真计算。

• 运用遗传算法对散热器、通风量和开孔位置、内部风道进行多参数变量的结构优化，应用基于DoE实验设计的SO顺序优化进行仿真分析。

• 对样机进行温升测试，将仿真结果和实验数据进行对比分析。

数值传热学

数值传热学（Numerical Heat Transfer, NHT）又称计算传热学(Computational Heat Transfer, CHT),是指对描写流动与传热问题的控制方程才用数值方法通过计算机予以求解的一门传热学与数值方法相结合的交叉学科。

基本思想：把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场（如速度场，温度场，浓度场等），用一系列有限个离散点（称为节点，node）上的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点上变量之间关系的代数方程（称为离散方程，discretization equation），求解所建立起来的代数方程以获得所求解变量的近似值。上述基本思想可以用左图来表示。

结构特点

结构组成：

主机外壳，风扇，内部功率器件，PCB主板及LED屏。

主要尺寸：

• 主机外壳尺寸：353*282*150mm

• 主板（大板）尺寸：310.5*180*1.6mm，LED小板尺寸：123*78.5*1.6mm

结构装配：

机箱的上下壳体由1mm厚的冷轧钢板，经过冲压、折弯、冲孔等加工工艺制作而成，通过铆接工艺将螺栓柱装配到底壳，以便安装电路板、电感，同时用螺丝装配的方式固定上下盖。

内部结构分布图

边界条件

• 环境参数：

• 设备工作环境：25℃

• 设计目标：

• 元器件最大工作上限温升：60℃

• 热源分布：

• 设备内部主要元器件包括芯片D1、D2、D3、T1以及其他元器件分布如下图所示。

模型简化

仿真计算

优化设计

主要内容：

• 遗传算法对散热器设计优化、通风量和开孔位置、内部风道进行多参数变量的结构优化。

• 应用基于DoE实验设计的SO循序优化进行仿真分析。

遗传算法基本思想

散热器的优化问题属于有约束多变量优化问题，本文取的目标函数是散热器与环境之间的热阻，设计变量是肋高、肋长、肋厚、肋片数目、基板厚度等。

在本次优化设计中，采用了遗传算法和数值仿真相结合的方法进行优化设计。通过对散热肋片的设计，使得设备整体散热性能得到提高。

散热器优化数值仿真

散热器结构尺寸示意

多参数变量：

• H：齿高，单位毫米

• B：基板厚度，单位毫米，变量（2,8）

• D：齿厚，单位毫米，变量（0.5,2）

• L：宽度，单位毫米

• N：散热齿数，变量（3,8）

散热器优化数据

部分优化数据

整机优化流程

基于DoE实验设计的SO顺序优化方法

多参数变量：

• B：基板厚度，单位毫米，变量（2,8）

• D：齿厚，单位毫米，变量（0.5,2）

• N：散热齿数，变量（2,20）

• 进风口1开孔长度：单位毫米，变量（112,150）

• 进风口1开孔宽度：单位毫米，变量（43,60）

• 进风口1开孔位置：相对Z方向（368,468）

• 进风口2开孔长度：单位毫米，变量（170,270）

优化条件：

据多参数变量仿真，侦测点温度的最低值

优化设计数据（前十组）

最优方案

最优方案：

通过二十组多参数变量的DoE实验分析，基于FloTHERM软件的Command Center功能模块进行SO顺序优化设计，得出20组优化后的结果，并找出其中最优的方案，此时D1温度为80.73℃，D2温度为79.34 ℃ ，D3温度为79.19 ℃。

优化结构：

此时，侧面进风口尺寸为133.07mm*57.06mm，底面进风口尺寸170.00mm*27.74mm；侧面孔相对Z方向位置为394.36mm

散热器基板厚度2.5mm，齿厚0.96mm，齿数8个，

局部最优方案

实验测试

测试条件：

恒温恒湿箱@25℃

测试方法：

热电偶线头，涂抹导热硅脂，然后连接在样机侦测点，降低接触热阻，温度测试仪上显示各通道的温度值。

创新点

1.工程实用的模型简化技术

Solidworks三维模型简化，对于不影响散热器的结构（倒圆角等）进行删减，减少模型处理时间。

FloTHERM软件的FloMCAD接口对接三维模型（STEP、IGES等）中间格式，可进行小孔、圆角等模型简化操作，提高设计效率。

2.精确划分模型网格

非结构化网格节点分布可以是无序的，能较好的处理复杂几何结构问题。采用一定准则进行优化判定，生成高质量的网格，且可自定义控制网格的大小和节点的密度，构造自适应网格。

3.数值仿真与优化计算结合

通过FloTHERM软件的热仿真功能进行初步模拟，得出初始条件的温度场与速度场。

结合遗传算法技术、基于FloTHERM的DoE实验设计的SO顺序优化方法进行优化计算，避免了大规模计算，提升设计效率。

4.热仿真与实际测试结合

通过热仿真与实际测试结果对比，证明仿真的有效性。

热仿真分析指导实际工程设计与研发生产，为降低综合成本、提高整体性能提供依据。