基于Icepak的机车电力设备控制器的温度仿真分析

（中车大连机车研究所有限公司电力电子事业部，大连 116021）

0 引言

随着现代化技术的迅猛发展，工程界对以有限元技术为主的CAE技术的认识不断提高，CAE技术越来越得到重视，各行业纷纷引进先进的CAE软件，以提升产品的研发水平。铁路行业向来以产品性能作为设计的主要关注点，在引入DFMEA作为产品设计可靠性分析的同时，也需要其他CAE软件对产品关键性能进行计算机辅助分析，以对产品样机在投入例行试验和型式试验前形成较为准确的性能评估，进而做到提前发现问题并及时处理，有效缩短设计时间和研发成本。

1 分析对象及分析工具

1.1 电力设备控制器

文章以一种国外出口的内燃机车用电力设备控制器为研究对象。本控制器主要完成输出电压（中间直流电压）、电流、功率的控制，转矩加载率给定的控制，低恒速控制，冗余控制。

控制器采用4U84TE机箱结构，由两套软硬件相同的控制器组成电路板为3U标准结构（100×160 mm），系统配置上采取双机热备冗余措施，以提高系统运用可靠性。电路板插件布局如图1所示，结构如图2所示。

图1 电路板插件布局

图2 电力设备控制器结构

1.2 ANSYS Workbench

Workbench是ANSYS公司提出的协同仿真平台[1]，目的在于解决企业产品研发过程中CAE软件的异构问题。Workbench可提供CAD双向参数链接互动，优化设计工具等新功能，具有强大的结构、流体、热、电磁及其互相耦合分析学的功能，可将整个仿真流程更加紧密地组合在一起。

1.3 Icepak

Icepak软件由Fluent公司专门为电子产品工程师定制开发的专业的电子热分析软件，可以解决各种不同层次级别的散热问题，文章将从系统级和板卡级两个级别分析控制器的内部温度[2]。

2 系统级仿真

2.1 模型简化

目前在有限元分析领域，复杂几何模型的应用越来越普遍，如复杂的机箱外形，散热器齿片，通风孔等。模拟这些复杂的几何形状将可以直接使用 CAD模型。导入的模型结构越复杂详细，使结果越为准确，但是由于网格划分的单元过多，会导致分析过程缓慢。为了达到仿真结果准确性和缩短分析时间二者之间的平衡，本研究在不影响结果的大致准确性的前提下，对三维模型进行了简化处理，略去了非核心部件（如：把手、助拔器、屏蔽条等）和核心部件的非关键特征（如：安装孔、倒圆角等）。

2.2 模型导入

在Workbench平台下新建工程，并将Icepak仿真模块加入工程中，在Icepak仿真界面下，通过“Model->CADdata->Load”命令导入简化的模型。在CADdata界面下，将PCB裸板和PCB元件板定义为Plates属性，将风扇定义为Fans属性，将机箱壳体定义为Blocks属性。

2.3 模型参数设定

由于Icepak默认的实体材质为铝合金，而PCB裸板及元件的材质导热性能及密度与铝合金相差较大，故需要通过“Creat Object->Materials”命令为PCB创建两种材质并将材质属性赋予相应板卡。

控制器在工作时，板卡上元器件会产生热量，根据电路原理，计算得到相应电路板上最大功耗如表1所示。

表1 PCB最大功耗表

本文使用的风扇型号为AD1212DB-A71GL，风扇的流量为：1.618 m3/min，在FANS中设置风扇的相关参数，其中，风扇类型为：Intake，表示流体从机箱外部流入机箱内部，与Exhaust相对。

通过Icepak自带的Heat sinks功能对散热器进行创建。设置类型为：Extruded，并设置基板位置、基板厚度、整体高度、翅片数量、翅片厚度、流向等参数。

2.4 网格划分

有限元分析中，需要生成计算性网格作为求解过程的输入条件，网格包含了计算域中的离散化单元，Icepak对每个离散化单元进行热流耦合方程的求解。在Icepak中，可以自动/手动划分网格参数，网格参数的设置分为全局和对象局部两种层次，这种柔性的网格划分方式使网格效率显著提高。

2.5 求解

在求解过程中，需要对Basic parameters、Basic settings以及Advanced settings相关参数进行设置。Basic parameters中，设置求解参数为流体和温度，流体类型为紊流（以雷诺数为判断依据）；Basic settings中，设置方程迭代次数为100；Advanced settings中，设置离散方式为一阶方程，设置松弛因子数值以加速收敛过程，使求解趋于稳定之。

2.6 后处理

点击“Run solution”图标进行求解，求解完成后，通过“Post->Plane cut”对仿真结果进行显示。切面处温度仿真结果和流体速度仿真结果如图3和图4所示。

图3 切面处温度仿真结果

图4 切面处流体速度仿真结果

由图3可见，控制器中温度最高点位于PS-1处，故板卡级仿真选取PS-1电路板作为仿真对象以细化分析。

3 板卡级仿真

zoom-in 模型关注的是系统级模型中的局部情况，这种聚焦将生成更为详细的模型并获取更为准确的结果，却不会增加整个系统的仿真规模。在文章中，将会创建一个 zoom-in 模型，用来实现对温度最高的PS-1电路板的更为细化的仿真分析[3]。

通过“Post->Create zoom-in Model”创建zoom-in模型，在“Zoom-inmodeling”对话框中对边界尺寸和边界条件进行设置。模型建立完毕后，同样需要经过网格划分、求解和后处理过程，由于这些过程与前面的系统级仿真过程类似，这里就不再赘述。最后，在Objectface显示方式下，PS-1电路板zoomin模型的温度仿真结果如图5所示。

图5 PS-1发热元件表面温度仿真结果

4 结束语

如图5所示，PS-1电路板上，温度最高点位于电源模块中心处，温升ΔT=65.9-20≈46℃，经查电源模块的用户手册，该款电源模块的使用温度高达100℃，故判断控制器结构设计满足散热要求。目前，控制器已通过严格的型式试验。试验过程中，对控制器PS-1电路板进行温度测量，稳态温升为48.5℃，实际值与理论计算值仅相差2.5℃，从实际上进一步验证了结构设计的合理性和仿真结果的准确性。

同时，整个系统如果不采用zoom-in简化，所需网格数在100万以上，仅网格划分就需要30 min。而采用了zoom-in的功能后，系统级网格数仅为12万，网格划分和求解时间总共不超过20 min。由此可得出以下结论：

用Icepak实现的机车用电力设备控制器的温度仿真结果满足设计要求，结果准确可靠。

Icepak提供的zoom-in功能，显著提高了仿真效率，缩短了仿真时间。