随着电子技术的不断发展,现代电子设备的特征尺寸不断减小,内部复杂性不断增加,并且对其工作频率和功率的需求不断提高,从而使得其在工作过程中会受到电磁场、热场等多个物理场的作用和影响。因此,电子设备的设计方法除了需要保证主要的电磁性能外,还需要对散热性能等影响可靠性的因素进行评估,并且需要考虑其相互作用的电磁-热等多物理场耦合问题,从而使其综合性能达到最优。在分析这些问题的研究方法中,理论分析方法只适用于简单结构的分析,对于现代电子设备日益复杂的结构来说已经不再适用;实验测试方法测试周期长、成本较高,而且测试场地、周围环境和人为因素都会对实验结果产生干扰,可能会产生较大误差;而随着计算机技术的发展,通过数值分析方法以及CAE技术对电磁-热等多物理场耦合问题进行仿真分析是一种经济且高效的手段。因此,研究高效数值分析方法及CAE技术并开发用于电子设备的电磁-热耦合仿真CAE软件具有重要的意义。本文重点围绕基于有限元法的电磁-热耦合仿真及CAE技术开展一系列的研究工作,针对电子设备涉及到的电磁分析问题、热分析问题以及电磁-热耦合问题,进行了相应的高效仿真技术研究,并在此基础上开发了电磁-热耦合仿真CAE软件,主要工作及创新点可以概括为以下五个方面:1.提出了一种基于有限元法的高效电磁仿真技术。首先,由于大型有限元线性稀疏矩阵的求解会消耗大部分的计算资源,需要采用合适的矩阵求解方法提升有限元分析的效率,因此提出了基于预处理广义共轭残差迭代法的p型多重网格预处理与多波前块不完全楚列斯基分解预处理相结合的混合PMG-MFBICF预处理技术来提高矩阵的求解效率。然后,针对无限大周期结构问题,通过引入周期边界条件,将难处理的无限大周期结构问题转化为对周期单元的有限区域分析,从而节省计算资源的消耗。最后,开发了基于有限元法的高频电磁仿真求解器EMS,并通过数值仿真算例结果证明了该求解器的高效性和精确性。2.提出了一种基于超限元法的高速互连系统仿真技术。首先,在第二章有限元电磁仿真研究的基础上,将Helmholtz方程与端口模式函数展开相结合,推导出有限元公式,并获得基于超限元法的有限元矩阵方程,可以直接获得多波导端口的模式网络参数,并为后面的多导体端口终端网络参数的获取提供了基础。然后,针对高速互连系统的多导体端口问题,进一步将超限元法与终端理论相结合,推导出模式散射参数到终端网络参数的转换公式以及终端网络参数到差分网络参数的转换公式,从而可以准确、方便地完成对多导体端口网络参数的仿真分析研究。最后,开发了基于超限元法的三维仿真求解器TFES,并通过数值仿真算例结果对该求解器进行数值验证。3.提出了一种基于有限元法的高效热仿真技术。首先,针对非线性热问题,采用p型标量多重网格预处理技术及非精确牛顿-拉夫逊方法对辐射边界热问题进行精确高效仿真分析,采用非线性接触边界方法以及能量泛函极小化技术对随温度变化的非线性接触热问题进行精确高效仿真分析。然后,针对大规模复杂结构的热分析问题,采用基于内罚的非重叠型区域分解方法,并通过块雅可比和MFBICF预处理技术来提高大规模矩阵的求解效率。最后,开发了基于有限元法的三维热传导仿真求解器TCS,并通过数值仿真算例结果验证了该求解器的高效性和精确性。4.提出了一种行波管电磁-热耦合仿真技术。首先,针对材料参数的温变属性,研究了可变材料参数仿真技术,通过采用插值方法来拟合非线性温变曲线。然后,针对电磁-热耦合仿真中的多场结果耦合问题,采用弱耦合方式,提出了网格级耦合精确求解技术,实现了电磁求解域与热求解域网格的联合生成、高频介质损耗热计算以及电子轰击热源精确加载等功能,从而实现了多场数据的无缝对接,并基于求解过程控制,最终能够准确、自动地实现电磁-热耦合仿真分析。5.基于上述仿真技术,开发了一款具有完全自主知识产权的电磁-热耦合仿真CAE软件ETCS。该软件具有完备的前处理模型设置、仿真分析和后处理显示等模块,可以实现对高频电磁问题、热传导问题、电磁-热耦合等问题的高效精确仿真分析,并帮助用户提升对相关问题的仿真设计能力,降低设计成本,缩短设计时间,从而可以更好地进行产品设计。