基于ANSYS的機(jī)箱熱仿真及結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

趙偉

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081）

近年來(lái)，電子技術(shù)的發(fā)展主要呈現(xiàn)以下幾種趨勢(shì)[1-2]。第一，電子系統(tǒng)的集成度越來(lái)越高，其熱流密度不斷增加。第二，電子產(chǎn)品向微型化方向發(fā)展，功率更大，外形尺寸越來(lái)越小。第三，電子產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，其適用環(huán)境不斷擴(kuò)大，而所處熱環(huán)境差異較大。這些發(fā)展趨勢(shì)使電子設(shè)備過(guò)熱問(wèn)題越來(lái)越突出。資料表明，半導(dǎo)體溫度升高，會(huì)降低其可靠性[3]。電子設(shè)備溫度每降低1 ℃，其失效率將下降4%。因此，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行熱仿真并找出良好的散熱途徑和方法是提高產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵。

有限元分析模型的繪制需要消耗大量時(shí)間，且需要掌握建模技巧和有限元方面的專業(yè)知識(shí)。ANSYS Workbench則可以提供CAD風(fēng)格可視化建模環(huán)境，將以往用戶難以掌握的建模技巧、單元關(guān)鍵字控制、邊界條件加載等做成圖標(biāo)式命令。將A Workbench強(qiáng)大的前處理和A Classic個(gè)性化設(shè)置相結(jié)合，不僅可以加快模型前的處理工作，還可用熟悉的命令進(jìn)行各種控制，顯著加快模型創(chuàng)建進(jìn)度[4-5]。

1 機(jī)箱的組成

本文以一款電子設(shè)備機(jī)箱為例。該機(jī)箱主要由外形框架和內(nèi)部模塊組成，分為前后兩個(gè)區(qū)域。機(jī)箱采用插卡式模塊設(shè)計(jì)，機(jī)箱中部為轉(zhuǎn)接母版，前部豎插3個(gè)模塊和電源模塊，后部安裝3個(gè)模塊。它的結(jié)構(gòu)三維模形如圖1所示。

2 機(jī)箱熱設(shè)計(jì)分析

機(jī)箱的使用環(huán)境溫度最高為40 ℃，散熱方式為內(nèi)部傳導(dǎo)和外表面自然散熱。根據(jù)設(shè)備各發(fā)熱器件功耗計(jì)算，設(shè)備工作時(shí)整個(gè)機(jī)箱的總發(fā)熱功率按90 W計(jì)算。機(jī)箱熱設(shè)計(jì)時(shí)，熱流密度的計(jì)算方法為：

式中，Q為設(shè)備熱功耗，S為有效散熱面積。

圖1 某電子設(shè)備機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

體積功率密度計(jì)算公式為：

式中，V為設(shè)備體積。

本機(jī)箱總功耗為90 W，其熱流密度和體積功率密度分別為：

工作環(huán)境通風(fēng)條件好的場(chǎng)合，散熱器表面的熱流密度大于0.039 W·cm-2而小于0.078 W·cm-2。工作環(huán)境通風(fēng)條件惡劣的場(chǎng)合，散熱器表面的熱流密度大于0.024 W·cm-2而小于0.078 W/cm-2。這兩種條件必須采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。本款機(jī)箱散熱器表面的熱流密度為0.014 8 W·cm-2，綜合使用環(huán)境等因素，機(jī)箱設(shè)計(jì)為自然冷卻的散熱設(shè)計(jì)。它采用主要發(fā)熱模塊布局熱管的冷板散熱設(shè)計(jì)，大大提高了板卡熱量對(duì)機(jī)箱外壁的傳導(dǎo)速率，可以有效降低設(shè)備內(nèi)部板卡的溫度。

由機(jī)箱內(nèi)部模塊基本布局可知，信號(hào)采集板卡、基帶板卡、信道單元以及綜合處理單元等熱源相對(duì)集中，更加需要輔助冷卻手段導(dǎo)出機(jī)箱內(nèi)部熱量。根據(jù)以上的散熱分析及全封閉EMC屏蔽設(shè)計(jì)要求，采用冷板導(dǎo)冷的散熱方式。機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用各功能板卡增加冷板，冷板和機(jī)箱外壁緊密接觸。機(jī)箱外壁設(shè)計(jì)有大量散熱翅片，通過(guò)自然對(duì)流實(shí)現(xiàn)機(jī)箱外壁與環(huán)境的熱交換。

為了更好地進(jìn)行散熱，在機(jī)箱左右側(cè)外表面設(shè)計(jì)有散熱翅，增大了散熱面積并設(shè)計(jì)了散熱齒。由于散熱齒高度不大于10 mm，可以按散熱齒間距不小于1.2倍散熱齒高度來(lái)確齒間距。自然對(duì)流散熱條件下，整個(gè)散熱系統(tǒng)達(dá)到熱平衡的時(shí)間較長(zhǎng)，所以自然散熱機(jī)箱的散熱器的基板和散熱齒厚應(yīng)足夠，以滿足瞬時(shí)熱負(fù)荷的沖擊。綜合考慮機(jī)箱外壁散熱效果和機(jī)箱加工成本因素，機(jī)箱外壁散熱器底板厚取3.5 mm、齒高7.5 mm、齒厚1.5 mm以及齒間距8.5 mm。

3 熱管選型設(shè)計(jì)

熱管的使用可以把需要冷卻的電子元器件直接安裝在熱管上，或者將需要冷卻的元器件裝在平板上，然后把熱管嵌在平板內(nèi)。根據(jù)板卡結(jié)構(gòu)和熱源的分布，將熱管設(shè)計(jì)為嵌入平板式安裝。散熱器件和板卡結(jié)構(gòu)接觸處涂導(dǎo)熱膠，以減小接觸熱阻，充分發(fā)揮熱管的傳熱性能。

根據(jù)監(jiān)測(cè)，接收機(jī)信道與時(shí)頻處理單元功耗加上信號(hào)采集與綜合處理主板功耗為26 W，基帶信號(hào)處理板單個(gè)模塊功耗為6.5 W。由于各模塊板卡槽位的尺寸限制，熱管選用常用的作為工作液。在材料上，選用與工質(zhì)水相容性較好的銅，選型為粉末燒結(jié)型銅質(zhì)熱管。

熱管的長(zhǎng)度選擇上，要使熱管盡可能覆蓋發(fā)熱器件，并依據(jù)各板卡的結(jié)構(gòu)尺寸，選擇熱管的長(zhǎng)度l1=0.30 m、l2=0.23 m。

選用泰瑞斯科技生產(chǎn)的直徑為6 mm的燒結(jié)熱管管，型號(hào)TRS-6-336。該型號(hào)熱管長(zhǎng)度l1=0.30 m時(shí)，其傳輸功率可達(dá)到35.7 W（40×0.3÷0.336）；長(zhǎng)度為l2=0.23 m時(shí)，其傳輸功率可達(dá)到27.4 W（40×0.23÷0.336），完全能滿足機(jī)箱內(nèi)部功耗26 W和6.5 W的散熱需求。因此，在信號(hào)采集與綜合處理主板上裝3根長(zhǎng)度300 mm左右的熱管，基帶信號(hào)處理板分別裝一根230 mm的熱管，

4 熱仿真

依據(jù)以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)箱工作環(huán)境，應(yīng)用ANSYS Workbench模塊對(duì)整機(jī)進(jìn)行熱仿真，模塊仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 機(jī)箱內(nèi)部各模塊溫度

由仿真結(jié)果可知，信號(hào)處理和綜合處理冷板底部獨(dú)立模塊處導(dǎo)冷效果較差，原因是芯片散熱處的導(dǎo)熱路徑為直角過(guò)度，熱量不能順利導(dǎo)出。通過(guò)更改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將熱量集中位置的結(jié)構(gòu)改為利于傳熱的斜接結(jié)構(gòu)形式，增加了熱傳導(dǎo)面積，優(yōu)化了傳熱路徑。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)ANSYS有限元仿真軟件熱仿真結(jié)果可以看出，熱仿真可以有效驗(yàn)證機(jī)箱的散熱設(shè)計(jì)是否合理，機(jī)箱內(nèi)部的各模塊能否在要求的工作環(huán)境中穩(wěn)定工作，溫度能否控制在合理范圍內(nèi)，同時(shí)也能發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的設(shè)計(jì)缺陷，并依據(jù)仿真結(jié)果針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以有效避免因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不足引起的熱量集中問(wèn)題。

熱仿真模型較為復(fù)雜，且仿真模型和設(shè)定的各種邊界條件與實(shí)際數(shù)據(jù)存在差別，因此需要與試驗(yàn)樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，從而提高仿真準(zhǔn)確度，進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。使用ANSYS有限元仿真軟件可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期快速地找出設(shè)計(jì)缺陷，以便更快發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的薄弱點(diǎn)，大大縮減了產(chǎn)品研發(fā)周期。工程實(shí)踐中CAE的深入開(kāi)展，使電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)入了一個(gè)新階段。