浸沒式液冷水箱輕量化設計與仿真分析

張海龍

（浪潮電子信息產業股份有限公司 高效能服務器與存儲技術國家重點實驗室，濟南 250101）

液冷服務器一問世，便以巨大的優勢得以迅速發展。浸沒式液冷是液冷的一種。水箱作為浸沒式液冷的基礎部件，其自身可靠性對液冷系統來說至關重要。傳統的水箱是槽鋼拼焊組成外部支撐框架，內部裝配塑料內膽。從制造與成本方面來講，它存在加工不易、造價高昂、自身質量較大以及吊裝搬運不易等缺點。從可靠性方面來講，由于焊接工序的存在，它很容易出現焊點銹蝕，且焊接應力大，使用壽命低，存在安全隱患。從強度方面來講，傳統水箱以管狀結構加平板結構為主體，非常不利于承壓。

1 傳統水箱結構

本文以浸沒式液冷水箱為研究對象。傳統水箱的三維結構如圖1所示。

圖1 傳統水箱結構三維模型

從圖1可以看出，傳統水箱結構的框架是43根槽鋼拼焊組成外圍框架，內部裝配金屬內膽而成的裝配結構。它的半剖截面圖，見圖2。

圖2 傳統水箱結構半剖模型

水箱內膽會盛入大量的冷卻液，因此對內膽的密封性和強度有很高的要求。傳統水箱設計大量使用焊接工藝，而焊接工藝一旦控制不好，就容易產生氣孔、夾渣、咬邊以及裂紋等不良工藝現象，嚴重影響焊縫處的連接強度。由于該結構為全鋼結構，質量很大，在吊裝運輸時也存在安全隱患。

基于以上種種缺點，考慮對原結構進行輕量化設計。目前，比較成熟的輕量化手段有3種：

（1）采用輕型材料，最典型的是以塑代鋼；

（2）優化結構，常見的有尺寸優化、形狀優化、拓撲優化、形貌優化等；

（3）先進的制造工藝，如激光焊、熱成型、一體成型[1]。

對于有密封要求的水箱，考慮取消支撐框架，內膽與外殼合二為一，采用一體成型工藝。同時，為了滿足增加剛度低于承壓變形，一體成型結構需添加加強筋。

取出箱體側壁進行受力分析，側壁等效為平板受靜水壓的彎曲變形。根據鐵木辛柯板殼理論，板的彎曲剛度為[2]：

式中，E為板材料楊氏模量，h為板厚，v為材料泊松比。從式（1）可以看出，影響板剛度的主要是楊氏模量、厚度和泊松比，尤以厚度最為敏感。當所用塑料材料楊氏模量與鋼材料楊氏模量相差20倍時，只需起加強筋使肉厚變為原來的2.7倍，即可達到相同的剛度。

2 新水箱結構設計

2.1 確定輪廓尺寸

需要先確定新水箱的外廓與尺寸。參照壓力容器的設計方式，為了減小二次應力[3]，外部設計成圓弧形，長邊與短邊使用圓弧光滑連接。

2.2 確定內部結構

經試算，新水箱的剛度若要達到與原結構等同的剛度，則壁厚為原來的2.7倍，成型時無法滿足要求。因此，考慮參照冰箱的設計方式，將外殼與內膽的一體成型結構做成空心結構，內部填充硬質聚氨酯材料，以此增加剛度。一體成型結構及其內部空間，如圖3所示。新水箱的三維模型，如圖4所示。

圖3 一體成型結構及其內部空間

圖4 新水箱的三維模型

3 仿真分析

采用有限元靜力分析法對兩種形式的箱體進行承壓強度剛度分析。

3.1 網格劃分

采用通用前處理軟件對水箱進行網格劃分等前處理操作，對槽鋼、金屬內膽進行抽中面操作，再對該中面進行網格劃分[4]。一體成型結構與內部填充物采用四面體進行網格劃分。這里不考慮焊接單元的失效，因此焊接連接采用剛性單元模擬。此外，一體成型結構與內部填充物采用共節點連接[5]。

3.2 材料屬性

本仿真模型所涉及零件多為槽鋼與塑料，槽鋼采用Q235鋼板，塑料外殼采用ABS加玻纖，聚氨酯硬質泡沫采用Hyperfoam材料本構模型。計算前，需要獲取體積壓縮靜水壓力-體應變曲線。仿真模型所用到的材料性能，如表1所示。

表1 材料物理性能

3.3 邊界條件

仿真計算時，約束條件及載荷條件如圖5所示。約束支撐腳全部自由度，對內膽內壁面施加靜水壓。

圖5 水箱有限元仿真約束與載荷邊界

3.4 計算結果對比

計算完成后，兩種形式水箱變形云圖分別見圖6和圖7。

圖6 原水箱承壓工況變形云圖

圖7 新水箱承壓工況變形云圖

將原水箱與新水箱重要參數列于表2。

表2 原水箱與新水箱重要參數對比

由表2可知，新水箱不僅質量小、變形小，而且強度也更高，安全系數為3.4，遠優于原水箱的0.91。

4 結語

本文以浸沒式液冷水箱為研究對象，在綜合考慮焊接水箱存在的種種不足的情況下，借鑒壓力容器與冰箱的設計方案，設計了一款新型水箱，并進行了承壓工況下仿真分析。仿真結果表明，采用新工藝方案，新型設計的一體成型水箱減少了焊接工藝的不確定性，減少了拼焊結構普遍存在的應力集中現象。新的水箱質量更輕，剛度更高，強度也有較大提升。本研究對服務器行業輕量化設計有著重要的示范和引導意義。