基于热分析技术的通航典型飞机电子设备维修方法研究

王晨阳　赵铭

摘 要：随着中国通航小型飞机飞行训练任务量的逐年攀升，机载电子设备使用频率加大，出现故障的频次也随之升高。从多年的维修检测中发现，故障机件多数是由于元器件温度过高而失效的。因此，本课题结合电路仿真软件，建立典型机载电子设备的电路热学模型，仿真模拟稳态温度场分布状况，可及早的预知故障元器件，为此类电子设备的维修和改进提供理论依据。

关键词：机载电子设备；有限元；热分析

中图分类号：V267 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）04-0132-03

Abstract： With the increasing number of flight training tasks of China's navigation small aircraft， the frequency of on-board electronic equipment is increasing， and the frequency of failure is also increasing. From many years of maintenance and inspection， it is found that most of the faulty components fail because of the high temperature of the components. This topic unifies the electric circuit simulation software， establishes the electrical circuit thermal model of the typical airborne electronic equipment， simulates the steady-state temperature field distribution situation， may predict the breakdown component as soon as possible， thus providing a theoretical basis for the maintenance and improvement of this kind of electronic equipment.

Keywords： airborne electronic equipment； finite element； thermal analysis

引言

随着中国通航小型飞机飞行训练任务量的逐年攀升，机载电子设备使用频率加大，出现故障的频次也随之升高。目前常用的训练机Cessna172、PA44-180型飞机经常送修的电子设备诸如KX165系列、KR87、KT76A、KN62A等。据维修工程师统计，这些电子设备除了小部分人为的损伤外，其余的故障均是由电容、晶体管、电阻、集成块等元件失效引起的。

研究表明，半导体元件的温度每升高10℃，可靠性降低50%。针对航空机载电子设备而言，电子设备长期处于环境温度高、温差变化大、条件苛刻的情况。电子设备的电路板和部分元器件会随所处的热环境影响，导致设备温度的上升或者降低。由于电子设备对于工作环境的要求较为严苛，温度的变化会导致其性能下降，无法可靠工作，严重时，甚至降低工作寿命或者造成损坏。因此，本文将以基于有限元方法的热分析技术为基础，对典型机载通信导航电子设备进行分析和研究。热分析结果可以及早的预知故障元器件，为以后机载电子设备排故工作提供必要的理论依据；对原有热设计中性能下降的地方加以改进，提高机载电子设备元器件可靠性具有十分重要意义。

1 FloTHERM软件介绍

FloTHERM是一款由英国Flomerics公司开发的一款专门用于电子散热领域的3D热仿真与优化设计软件，该软件拥有丰富的智能元件模型库，能够提供便捷强大的热流仿真模型。可应用于PCB板、封装元件、集成電路和系统设备等不同方面。Flotherm软件的核心热分析模块，可以完成从虚拟模型建立、网格划分、求解计算、分析报告到Visual Editor可视化后处理等功能。

基于以上优点，可通过FloTHERM软件求解电子设备内外的热传导、对流换热和热辐射规律，预测电子设备内部的温度分布、气流流动和热量传递过程。根据仿真结果可以识别该电子设备存在的热风险，并且能够进一步提高产品的可靠性。

FloTHERM软件的工作流程如图1所示：

2 传热学理论基础

传热学是研究由温度差引起的热能传递规律的科学。通过分析热传递规律及热传递现象，解决日常生活及工程实践中与传热有关的问题，其传递的基本方式分为三种，即导热、对流换热和辐射换热。在传热学理论中，同样满足能量守恒方程：

导热属于物理特性，能够在固体、液体及气体的内部或它们的交界面处发生，在航空电子设备中，高温元件将热量传递给与之接触的低温PCB板，PCB板内部的高温部分将热量传递给低温部分，这些都属于热传导的范畴。导热Fourier 定律：Qc=-AλΔT

依靠着流体运动，把能量由一处传递到另一处的现象称为热对流。一般情况下，对于相同流体，自然对流速率要小于强迫对流速率，因而强迫对流的换热能力更强。1701年牛顿提出了计算对流换热的基本公式，称为对流Newton 冷却定律：Qh=-hAΔT。

热辐射是物体由于自身温度或热运动而向外辐射电磁波的现象，是物体通过电磁辐射的形式把热能向外发散的传热方式。辐射Stefan-Bolzman定律：Qε=εσA（T14-T24）。该定律指出，在辐射换热计算中，确定黑体在某个温度下全波长范围内的辐射能力至关重要。

3 热仿真实例及研究

3.1 热分析模型建立

实验对象为KX165甚高频通讯收发机设备，如图2所示，在正常情况下，该设备可以实现通讯接收（COMM Receiver）、通讯发射（COMM Transmitter）、导航（Navigation）功能。该设备外部由金属壳体封装，在驾驶面板上由一块显示屏和按钮构成，内部主要为一块PCB集成电路板，用于控制飞机的通讯导航频率。其中，绝大部分电子元器件都集中在PCB控制板上，各电子元器件工作时产生的热量通过壳体内空气对流换热，将热量传递到铝合金壳体上，壳体再将热量传递到外界环境。为了快速准确的获得实验热仿真数据，需要运用几何模型或者智能元件模型的等效替换法，建立热分析模型，对于仿真效果影响不大的部分，诸如小功率元器件等，需要进行适当程度的简化处理。

3.2 网格划分

在几何模型建立好之后，即可运用FloTHERM软件自带的网格工具对模型进行网格划分。FloTHERM软件自带“None、Coarse、Medium、Fine”四种网格划分类型。其中，“None”选项能够保证在KX 165模型的边界上创造网格，从而提高了分析精度，但运算较为复杂。“Coarse、Medium、Fine”三种选项之间的差别是系统网格划分的尺寸精度不同，“Fine”网格划分最为稠密，精度较高；“Coarse”网格划分相对稀疏，精度较差，但求解最为迅速。在对模型进行网格划分之后，便可以通过“Grid Summary”选项检查网格的尺寸比。为便于求解，可将网格长宽比控制在20单位以内，一般情况下，对于非重要的元器件，可以进行网格简化处理。对于重要元器件的仿真，可以对其进行网格局域化，通过建立物体各个方向上的网格约束，提高计算精度，如图3所示。

3.3 求解计算

在对KX 165模型进行合理的网格划分之后，点击Solve start按鈕即可进行求解计算。软件自动计算的参数终止计算残差值与仿真项目的参数设置密切相关，对于参数残差值在某个值附近稳定或波动时，求解计算选项的调整有助于参数残差曲线的收敛，如图4所示。

KX165甚高频通讯收发机设备的热仿真结果如下图所示，可以看到，收敛监控曲线是呈稳态分布，说明在一定约束条件下，热仿真符合实验要求。结合模型图可以发现，电路板中心核心部件的温度最高，呈深红色；靠近壳体部分温度最低，接近周围大气温度。这些仿真结果与实际物理现象相符，具有一定的热学参考依据，如图5所示。

4 结束语

4.1 建模因素引起的误差分析

建立一个合理的热分析模型，是保证热分析结果精确的前提。PCB板一般由绝缘体和铜材料经过高温高压处理后制作而成，故PCB板中铜的含量对热传导影响很大。由于FloTHERM软件其建模和参数的设定都有一定的估算性，而且对于各个模块的边界处的网格划分也缺乏平滑过渡，所以其计算存在一定程度的误差。以本项目所研究的KX165系列电子设备为例，其生产厂家在手册中一律采用简化模型，不提供封装模型。所以在仿真过程中必须对于部分元器件的参数特性，进行详细设置，并对图像进行合理修正，才能达到较为理想的实验结果。

4.2 传热学及流体力学对实验的影响

热传导主要由材料的传导率决定。对于给定的材料，可通过材料手册查到传导率。但材料如果是复合材料，其具体成分往往很难获得，因而传导率很难准确选择，而且手册中的数据都是在标准实验室中获得的，通常模拟的环境不能真实的反映工程实际。

在自然对流时，需要考虑辐射的影响。而发射率又是影响辐射的主要参数。物体表面的氧化层、表面粗糙程度、划痕、污染等都会影响发射率。对流换热是一种十分复杂的换热过程。流体的物性、换热表面的几何条件、流体物态的改变及换热面的边界条件等对对流换热都有影响。

4.3 红外线成像与FloTHERM软件仿真对比分析

红外检测技术的优点是能非接触遥控测量，直接显示实时图像，灵敏度较高，检测速度快。但正是由于红外线成像仪靠温度的差别来成像，因而其检测灵敏度与热辐射率相关，因此对于机载电子设备的内部的复杂电路，尤其对于多层PCB板的情况，需要在仿真时，对部分电路板进行简化修正，方可达到预期效果。

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