气动加热对空空导弹内部电路的温度影响分析

    杨科??

    

    

    

    摘要： 空空导弹弹体尾部组件所处位置特殊， 工作环境严酷， 本文基于FloTHERM建立该组件的热仿真模型并进行计算分析， 以明确气动加热对弹体内部电路的温度影响程度， 为保证元器件留有足够的温升余量提供数据支撑。 结果表明， 受试产品内部电路的温升相对滞后， 而壳体温度峰值时间为内部电路温升迅速变化的分界点， 且随自主飞时间的延长温升越为显著。

    关键词： 热设计； 热仿真； 气动加热

    中图分类号： TN784文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2017）01-0074-05[SQ0]

    0引言

    电子设备工作时， 设备和元器件的输出功率往往只占输入功率的一部分， 其功率损失一般都以热能形式散发出去， 因而元器件和设备会发热。 随着电子元器件及电子设备功率密度的不断增加， 温度已成为影响其可靠性的主要因素之一[1-2] 。

    随着温度的升高， 电子元器件及电子设备的失效率呈指数增长趋势[2] ， 一般地， 环境温度每升

    高10 ℃， 失效率增大1倍以上， 因此称为10 ℃法则[2-3]。 据统计， 超过55%的电子设备的失效是由温度过高引起的[3-7]， 即电子设备的主要失效形式是热失效。

    在空空导弹使用过程中， 自主飞阶段的气动加热给弹体内部电路的正常工作带来恶劣影响， 这对气动加热的电路热设计提出更高要求。 因此实际工作中， 有效利用热分析软件进行热分析， 为复杂环境下产品的热设计提供手段支持， 可提高产品一次成功率， 缩短研制周期， 降低成本[2]。

    针对空空导弹某组件进行热仿真分析， 明确气动加热对组件内部电路的温度影响程度， 以便进行内部电路热设计时保证足够的温升余量， 使元器件最高温度控制在允许的温度范围内， 从而达到设计要求。

    1基本理论

    热传递包括热传导、 对流换热、 辐射换热三种形式， 传热过程遵循能量守恒定律。 热传导基本定律是Fourier定律： 在纯导热中， 单位时间内通过给定面积的热流量， 正比于该地垂直于导热方向的截面面积及其温度变化率， 其计算公式如下：

    杨科： 气动加热对空空导弹内部电路的温度影响分析

    由于连续方程、 能量方程、 动量方程是相互耦合的， 以及热控制方程的非线性及复杂性， 在定解条件下很难求出其解析解， 数值计算便成为解决这一问题的有力工具。 利用数值计算方法对上述非线性方程进行离散化， 得到一组代数方程组。 微分方程的区域离散方法很多， 其中以控制容积法最为常用。 电子设备热仿真软件FloTHERM基于计算流体动力学（CFD）理论， 采用蒙特卡罗法， 可以解决三维流场及基于面积细分高精度的辐射计算问题[9-13]。

    本文基于FloTHERM对某型空空导弹的某组件进行建模和仿真分析。

    2分析对象及建模

    对于正常布局的空空导弹而言， 弹体尾部的组件大都套装在发动机尾喷管之外。 如此可见， 此类组件通常会受到空中气动加热、 高温尾焰以及发动机尾喷管三个部位的温度影响， 因此对内部电路的热设计提出很高要求。 某型空空导弹弹体尾部组件的结构组成如图1所示， 其中将内部执行机构进行简化。

    结合受试产品的CAD模型， 并根据热分析信息要求， 将受试产品CAD模型转化为CFD模型。

    模型中默认结构材料为铝合金2A12； 其中电路板材料为FR4， 覆铜率按10%处理； 关键元器件按照SOIC封装设定； 尾喷管按照15-5PH设定； 前壳体为钛合金； 由于需要重点考虑气动加热对内部电路的影响， 必须设定各类材料的表面发射率， 详细的材料属性见表1。

    3热仿真分析

    3.1边界设定

    本文主要分析空空导弹自主飞阶段气动加热

    （1） 40 s末， 气动加热对内部电路影响很小， 壳体温升120 ℃， PCB板和自检模块分别仅有3.8 ℃和1.8 ℃温升， 可见温升相对滞后；

    （2） 60 s末， 壳体内壁温升151 ℃， PCB板和自檢模块分别有11.3 ℃和6.3 ℃左右的温升。 当内壁温升提高至251 ℃， PCB板和自检模块温升分别再有4 ℃和2.3 ℃的提高。 根据热辐射理论可知， 物体的辐射力随温度的升高呈现非线性增长， 即60 s末内壁温升提高至351 ℃， PCB板和自检模块的温升至少达到19.3 ℃和10.9 ℃；

    （3） 90 s末， PCB板和器件温升比较明显， 尤其峰值温度提高后， PCB板和器件分别会有20～30 ℃温升。

    由此可见， 随着空空导弹自主飞行时间的增长， 气动加热对内部电路的温度影响程度更为显著， 而壳体温度的峰值时间为温升迅速增大的分界点。 为了保证内部电路关键元器件的温升余量， 提出如下建议：

    （1） 在考虑壳体内外隔热的同时， 需要根据气动加热仿真得到温升结果， 对内部电路的热设计进行优化改进；

    （2） 改进空空导弹动力系统， 可采用双脉冲发动机， 飞行速度达到最高马赫数后用小推力巡航， 从而减小壳体气动加热效应。

    4结论

    本文基于FloTHERM模拟某组件气动加热条件， 分析内部电路的温度场分布特性。 通过仿真计算， 受试产品内部电路的温升相对滞后， 40 s前气动加热对内部电路影响很小； 而壳体温度峰值时间为内部电路温升迅速变化的分界点， 即60 s末壳体内壁温升151 ℃， PCB板和自检模块分别有11.3 ℃和6.3 ℃左右的温升， 且随自主飞时间的延长温升越为显著。

    参考文献：

    [1] 吕永超，杨双根. 电子设备热分析、 热设计及热测试技术综述及最新进展 [J].电子机械工程， 2007， 23（1）： 5-10.

    Lü Yongchao， Yang Shuanggen. A Review of Thermal Analysis， Thermal Design and Thermal Test Technology and Their Recent Development[J]. ElectroMechanical Engineering， 2007， 23（1）： 5-10.（in Chinese）

    [2] 于慈远， 于湘珍， 杨为民. 电子设备热分析/热设计/热测试技术初步研究[J].微电子学， 2000， 30（5）： 334-337.

    Yu Ciyuan， Yu Xiangzhen， Yang Weimin. A Preliminary Study on the Techniques for Thermal Analysis/Design/Test of Electronic Equipments[J]. Microelectronics， 2000， 30（5）： 334-337.（in Chinese）

    [3] 电子工业部标准化研究所.可靠性工程师热设计指南[S].1985： 30-37.

    Institute of Standardization， Ministry of Electronics Industry. Reliability Engineer Thermal Design Guide[S]. 1985： 30-37.（in Chinese）

    [4] 国防科工委军用标准化中心全国军事装备可靠性标准化技术委员会.电子设备可靠性热设计手册实施指南[S]. 1992： 1-22.

    National Standardization Technical Committee for Military Equipment Reliability. Electronic Equipment Reliability Thermal Design Manual Implementation Guide[S]. 1992： 1-22.（in Chinese）

    [5] Janicki M， Napieralski A. Modeling Electronic Circuit Radiation Cooling Using Analytical Thermal Model[J].Microelectronics Journal， 2000， 31（9-10）： 781-785.

    [6] 姚寿广， 马哲树， 罗林， 等. 电子电器设备中高效热管散热技术的研究现状及发展[J].华东船舶工业学院学报： 自然科学版， 2003， 17 （4）： 9-12.

    Yao Shouguang， Ma Zheshu， Luo Lin， et al. Improvement of Heat Pipe Technique for High Heat Flux Electronics Cooling[J]. Journal of East China Shipbuilding Institute： Natural Science Edition， 2003， 17（4）： 9-12.（in Chinese）

    [7] Belhardj S， Mimouni S， SaidaneA，et al. Using Microchannels to Cool Microprocessors： a TransmissionLineMatrix Study[J]. Microelectronics Journal， 2003， 34（4）： 247-253.

    [8] 龙天渝. 计算流体力学[M].重庆： 重庆大学出版社， 2007.

    Long Tianyu. Computational Fluid Dynamics[M]. Chongqing： Chongqing University Press， 2007.（in Chinese）

    [9] 夏显忠， 陶光勇， 夏利锋. 基于CFD的FLOTHERM在机载液晶显示器热分析的应用[J]. 电子机械工程， 2007， 23（3）： 7-10.

    Xia Xianzhong， Tao Guangyong， Xia Lifeng. Application of CFD Based FLOTHERM in the Thermal Design of Airborne LCD[J]. ElectroMechanical Engineering， 2007，23（3）： 7-10.（in Chinese）

    [10] 杨世铭， 陶文铨. 传热学[M]. 4版. 北京： 高等教育出版社， 2006： 134-143.

    Yang Shiming， Tao Wenquan. Heat Transfer[M]. 4th ed. Beijing：Higher Education Press， 2006： 134-143.（in Chinese）

    [11] 邱成悌， 趙惇殳，蒋全兴，等. 电子设备结构设计原理[M]. 南京： 东南大学出版社， 2005.

    QiuChengdi， Zhao Dunshu， Jiang Quanxing， et al. Principles of Electronic Equipment Structural Design[M]. Nanjing： Southeast University Press， 2005.（in Chinese）

    [12] 周筱洁. 求解不可压流体N-S方程的四阶精度有限容积紧致格式[J]. 苏州大学学报： 自然科学版， 2005， 21 （3）： 1-8.

    Zhou Xiaojie.A FourthOrder Finite Volume Compact Method for the Incompressible NavierStokes Equations[J]. Journal of Suzhou University： Natural Science Edition， 2005， 21（3）： 1-8.（in Chinese）

    [13] 付桂翠， 王香芬， 姜同敏. 高可靠性航空电子设备热分析中的有限体积法[J]. 北京航空航天大学学报， 2006， 32 （6）： 716-720.

    Fu Guicui， Wang Xiangfen， Jiang Tongmin. Finite Volume Method in Thermal Analysis of Avionics[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2006， 32（6）： 716-720.（in Chinese）