随着现代电子技术的快速发展,诸如大功率真空电子器件、大规模或超大规模集成电路等各种复杂电子器件被广泛地应用于电子设备和武器装备中。当前多功能雷达、有源相控阵系统、毫米波装备、空间军事通信等军事应用以及5G通信、云计算、物联网等民用需求对电子器件性能提出了更高的要求,性能的不断提高不可避免地将带来严重的散热问题。在高性能电子器件的设计过程中,高功率对散热的制约已经成为设计中重要的考虑因素,功率密度及其引起的热效应也已经成为大功率电子器件进一步小型化的羁绊。因此,快速准确地对高性能、大功率复杂电子器件进行热分析,进而更好地设计散热结构就显得尤为重要。然而,采用现有的数值计算方法很难满足当前复杂电子器件热分析的需要。因此,迫切需要针对复杂电子器件研究更加精确高效的三维热分析数值计算方法与CAD软件。本论文主要围绕复杂电子器件热分析的快速有限元理论与CAD技术开展研究工作,工作的主要内容及创新点可以概括为以下五个方面。1、提出了一种适用于任意复杂电子器件的三维热分析有限元快速求解方法,该方法主要包含以下四种新技术:(1)提出了一种通用的接触热阻有限元数值求解技术,该技术既不需要对几何模型进行修改,也不需要引入接触单元,大大提高了接触热阻问题的求解效率。(2)在有限元弱形式的离散过程中采用了高阶叠层标量基函数,具体包括二阶叠层标量基函数和三阶叠层标量基函数,在相同求解精度下使得网格数目大幅减少。(3)利用高阶叠层型基函数的叠层性,提出了一种基于二阶、三阶基函数的p型多重网格预处理技术,大幅度提高了有限元矩阵方程的求解效率。(4)提出了一种改进的非精确Newton-Raphson迭代方法,使得有限元非线性方程组的求解效率大幅度提高。2、基于现有的针对封闭环境辐射换热计算的有限元理论,提出了一种通用的针对非封闭环境的辐射换热有限元求解技术。它主要包括以下两个关键技术:(1)基于流行的Hemi-cube法开发了一款高效率的角系数求解器,该求解器包含了各种计算机图形学的常用算法,如射线相交、隐藏面技术等。(2)提出了一种先进的针对非封闭环境的辐射换热有限元理论,其最终产生的有限元矩阵满足对称正定性。3、提出了一种基于有限元的区域分解快速求解技术,它既可以用来求解连续场问题,也可以用来求解接触热阻问题,主要包括以下三个创新:(1)引入了一种基于接触热阻的新型传输条件,并采用内罚方式进行了有限元弱形式的推导。相比于现有的区域分解方法,该区域分解方法的最大优势是不需要引入多余的未知量,并且最终形成的有限元矩阵满足对称正定性。(2)采用两层预处理的预处理共轭梯度法进行有限元矩阵方程的求解,相比于传统的有限元方法在计算时间和内存消耗上都有着更加优越的性能表现。(3)针对区域交界面上网格非匹配的情况,提出了一种联合网格构建技术,可以高效地完成复杂多尺度问题的求解。4、针对微波管收集极组件,提出了一种电-热-力多物理场协同仿真技术。首先使用微波管模拟器套装(MTSS)进行微波管电参数的计算,其次将电参数导入我们所开发的有限元热分析代码,经过处理得到热源信息并进一步进行热分析。最后将热分析计算的温度场结果导入到我们所开发的热应力快速求解器TSS中来进行热形变的计算。TSS求解器结合了二阶叠层标量基函数、多波前块不完全Choleski分解预处理以及p型多重网格预处理等多种预处理技术,其计算效率要优于商业软件ANSYS。5、在上述复杂电子器件热分析快速有限元相关理论的基础上,开发了一款具有完全自主知识产权的热分析仿真设计软件TS。该软件包含了以上所提出的所有快速求解技术,并且具有友好的用户操作界面、高质量的网格生成器、快速准确的有限元求解器以及丰富多彩的后处理计算和显示模块。该软件计算性能要优于广泛使用的商业软件ANSYS、CST MPHYSICS STUDIO。目前该软件已经在中国电子科技集团公司第十二研究所、中国科学院电子学研究所以及南京三乐集团有限公司发布了多个版本并用于实际真空电子器件的热分析和热设计中。