劉曉雯

(唐山學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 唐山 063000)

軍用加固機(jī)溫度場分析及實(shí)驗(yàn)研究

劉曉雯

(唐山學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 唐山 063000)

采用Flotherm軟件對軍用加固機(jī)進(jìn)行熱仿真分析，并對機(jī)箱實(shí)際穩(wěn)態(tài)溫度進(jìn)行了測量，得出的模擬結(jié)果與實(shí)際情況吻合，由此提出了軍用加固機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，以改善軍用加固機(jī)的散熱性能。

軍用加固機(jī)；熱分析；溫度場；優(yōu)化

0 引言

軍用加固機(jī)作為應(yīng)用于高科技領(lǐng)域的軍用電子設(shè)備，其工作環(huán)境十分復(fù)雜。為了使機(jī)箱具有防水、防塵和良好的電磁屏蔽功能，一般將機(jī)箱設(shè)計(jì)成一個(gè)密閉箱體[1]，由此內(nèi)部發(fā)熱元器件散發(fā)的熱量無法順利導(dǎo)出，從而引起機(jī)箱內(nèi)部溫度過高，導(dǎo)致電子設(shè)備或系統(tǒng)性能下降，影響設(shè)備的可靠性[2]。元器件的工作溫度每升高10 ℃，其可靠性將減半[3]。為了預(yù)測元器件工作時(shí)的升溫情況，筆者利用Flotherm軟件對軍用加固機(jī)機(jī)箱進(jìn)行熱仿真分析，并對主板外蓋板及電源進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

1 軍用加固機(jī)機(jī)箱結(jié)構(gòu)及對流流場分析

軍用加固機(jī)由發(fā)熱部件和結(jié)構(gòu)部件組成。發(fā)熱部件：電源、主板、接口板；結(jié)構(gòu)部件：后面板、上下導(dǎo)軌板、側(cè)面板、小面板、大面板、散熱板、接口板以及散熱風(fēng)扇等。圖1為軍用加固機(jī)機(jī)箱三維模型。

圖1 軍用加固機(jī)機(jī)箱三維模型

加固機(jī)采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，由上下導(dǎo)軌板和后面板組成的散熱空氣通道實(shí)現(xiàn)散熱。圖2為加固機(jī)箱體強(qiáng)迫對流流場模擬圖，圖中顯示箱體內(nèi)對流氣體是從大面板的進(jìn)氣孔進(jìn)入，經(jīng)過導(dǎo)軌板與大面板之間的波紋板風(fēng)道，最后從后面板組件中的插座板和風(fēng)扇排出。

圖2 加固機(jī)箱體強(qiáng)迫對流流場

圖3為主板外蓋板強(qiáng)迫對流流場模擬圖，展示了機(jī)箱內(nèi)部主板、接口板和電源之間對流流場的分布。因?yàn)闄C(jī)箱內(nèi)部是密閉的環(huán)境，所以氣流在內(nèi)部元件之間形成循環(huán)對流。

圖3 主板外蓋板強(qiáng)迫對流流場

2 軍用加固機(jī)溫度場仿真分析

2.1 熱模型的建立及導(dǎo)入

根據(jù)傳熱特點(diǎn)，簡化CAD模型結(jié)構(gòu)，略去不影響熱路模型的局部細(xì)節(jié)及小插件，從而提高運(yùn)算速度與模型仿真精度[4]。簡化后的機(jī)箱結(jié)構(gòu)及各零部件的結(jié)構(gòu)模型如圖4-7所示。

圖4 機(jī)箱結(jié)構(gòu)及其簡化模型

圖5 電源結(jié)構(gòu)及其簡化模型

圖6 主板結(jié)構(gòu)及其簡化模型

圖7 接口板結(jié)構(gòu)及其簡化模型

系統(tǒng)中發(fā)熱元件共有9個(gè)，各個(gè)元器件在主板模型上的位置如圖8所示。

圖8 主板元器件分布圖

2.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)網(wǎng)格劃分準(zhǔn)則，網(wǎng)格長寬比控制在20以內(nèi)時(shí)整體網(wǎng)格的質(zhì)量處于良好狀態(tài)[5]，因此采用Region類型的局部劃分。由于系統(tǒng)中存在高熱量元件，使得求解域內(nèi)的熱量分布不均，又因?yàn)橹靼迳系脑骷囟仁欠抡嫠P(guān)注的重點(diǎn)，所以將細(xì)密的局部網(wǎng)格應(yīng)用于主板上，而對其它模塊均采用Medium網(wǎng)格。設(shè)定后系統(tǒng)的總體網(wǎng)格分布情況如圖9所示。

圖9 設(shè)定后系統(tǒng)的總體網(wǎng)格分布情況

2.3 結(jié)果分析

圖10為軟件內(nèi)部求解器進(jìn)行600次迭代后得到的殘差曲線。各條曲線均在10以下，可以忽略，認(rèn)為曲線收斂。殘差曲線收斂，表明散熱系統(tǒng)穩(wěn)定，系統(tǒng)內(nèi)每時(shí)每刻產(chǎn)生的熱量均可以被及時(shí)地散放到系統(tǒng)的外部，沒有熱量蓄積，系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)溫度保持恒定。

圖11為探針各點(diǎn)的溫度曲線，J線代表CPU的中心溫度，H線表示顯卡的中心溫度，I線表示橋芯片的中心溫度，C線代表加固機(jī)箱體的中心溫度。表1為主板元器件的模擬溫度。通過圖11和表1可以看出各項(xiàng)仿真溫度在合理的范圍內(nèi)，說明該軍用加固機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較合理。

圖10 殘差曲線

圖11 探針各點(diǎn)的溫度曲線

表1 主板元器件溫度 ℃

圖12為主板外蓋板溫度云圖。圖中顯示主板外蓋板的溫度在45℃～80℃之間，最高溫度出現(xiàn)在主板風(fēng)扇中心下部的散熱片上，其下方是熱功率高達(dá)15 W的CPU，它體積小發(fā)熱功率高，所以造成此處散熱片的溫度最高。

圖12 主板外蓋板溫度云圖

圖13為主板溫度分布圖。雖然元器件Chip1，Chip2，Chip3，Chip4發(fā)熱功率相同，但是在系統(tǒng)散熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的溫度相差很大。Chip4的溫度為67.3 ℃，而Chip3，Chip2，Chip1的溫度逐漸上升，Chip1高達(dá)到77.4 ℃，成為主板上溫度最高的元件。其長期在高溫下工作會導(dǎo)致設(shè)備性能和可靠性降低，影響整個(gè)主板的正常工作，加速元器件的老化和失效。因此應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)拇胧?，使溫度過高的元器件的溫度下降[6]。

圖13 主板溫度分布圖

圖14為機(jī)箱Y方向溫度分布云圖，整個(gè)加固機(jī)溫度最高點(diǎn)位于兩塊電源的上部。由于重力作用造成電源上部和下部溫度分布極不均勻，溫差大。電源局部溫度過高會造成電源內(nèi)部某些部件性能和可靠性降低，加速元器件的老化和失效[7]。因此應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)拇胧?，使溫度過高的元器件的溫度下降。

圖14 機(jī)箱Y方向溫度分布云圖

3 軍用加固機(jī)現(xiàn)場溫度實(shí)測

3.1 測量方法

把軍用加固機(jī)放置在35 ℃的恒溫箱中，先保溫4 h，再工作2 h后，在CPU，顯卡、橋芯片、Chip1，Chip2，Chip3，Chip4，電源外表面、機(jī)箱中心處分別放置K型熱電偶，進(jìn)行溫度檢測。

3.2 測量結(jié)果

仿真溫度與測量溫度見表2。通過對比發(fā)現(xiàn)，仿真分析結(jié)果數(shù)值均高于熱電偶實(shí)際測量數(shù)值。最大偏差為5.9 ℃，最小為0.8 ℃。主板電路板上最熱點(diǎn)位于監(jiān)控點(diǎn)Chip1處的原因，在于此處的元器件相對于Chip2，Chip3，Chip4來說，距離主板通風(fēng)孔較遠(yuǎn)，空氣流通量小，熱阻高且元器件功率密度較大。CPU處溫度較高的原因是該元器件的功率密度較大所致。

表2 仿真溫度和測量溫度

3.3 誤差分析

仿真溫度測量與采用紅外熱成像測量都會不可避免地產(chǎn)生各種誤差，原因如下：

(1)由于熱電偶測量的是物體表面溫度，測量結(jié)果與被測目標(biāo)的表面狀況有關(guān)。而仿真分析測量的是元器件中心的溫度，一般情況下，元器件的中心溫度要大于其表面的溫度，而表2也反映了這種情況。

(2)元器件功耗的準(zhǔn)確測定是比較困難的。雖然電路板的總功耗可以很方便地確定和測試，但對于元器件的功耗在無法測試獲得的情況下，只能根據(jù)廠商提供的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)，這也是造成數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差的原因。

(3)PCB從通電達(dá)到穩(wěn)態(tài)的溫度平衡是一個(gè)緩慢的過程，實(shí)驗(yàn)測試往往不能在PCB完全達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)進(jìn)行，達(dá)到穩(wěn)態(tài)之前的溫升是非常緩慢的，從而會產(chǎn)生一定的誤差。而這一點(diǎn)也正好佐證了仿真數(shù)據(jù)普遍高于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。

4 軍用加固機(jī)的優(yōu)化改進(jìn)

4.1 Chip1，Chip2的改進(jìn)方案

(1)用導(dǎo)熱改善散熱。采用導(dǎo)熱系數(shù)大的材料(如銅板、鋁板)作散熱板，以消除局部過熱現(xiàn)象；在PCB上設(shè)計(jì)導(dǎo)熱孔，使發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量沿PCB的厚度方向散發(fā)；還可采用金屬芯PCB改善散熱。

(2)增加散熱面積。采用薄型化、多層化的PCB，提高PCB銅箔剩余率，改善等效傳熱系數(shù)；在發(fā)熱元件上安裝散熱器，將發(fā)熱元件直接安裝在金屬框體上以提高散熱能力。

通過比較，用增加散熱面積改善散熱性能的方法簡單可行。因此，在主板蓋板上增加兩個(gè)凸臺，使它們緊緊貼在Chip1，Chip2的表面，這樣可以通過與其緊連的凸臺將熱傳遞到主板蓋板上，增加了散熱面積，從而降低了元件本身的溫度。圖15為改進(jìn)后的主板外蓋板結(jié)構(gòu)示意圖。

圖15 改進(jìn)后的主板外蓋板結(jié)構(gòu)

圖16和圖17分別為改進(jìn)前后主板溫度分布云圖。由圖16，17和表3可知，改進(jìn)主板外蓋板結(jié)構(gòu)后，Chip1，Chip2的溫度降低了10 ℃左右，Chip1，Chip2，Chip3，Chip4的工作溫度趨于一致，改進(jìn)方案效果明顯，大大提高了Chip1，Chip2工作的穩(wěn)定性和可靠性。

圖16 改進(jìn)前Chip1，Chip2，Chip3，Chip4溫度云圖

圖17 改進(jìn)后Chip1，Chip2，Chip3，Chip4溫度云圖

表3 主板外蓋板結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后各元件的溫度對比 ℃

4.2 電源改進(jìn)方案

由圖14可知，電源上半部分溫度過高，應(yīng)降低其熱阻。在電源上半部分和機(jī)箱之間建立一條低熱阻通路，使其將產(chǎn)生的熱量盡快傳導(dǎo)出去，從而使電源局部過高的溫度降下來。參考Chip1，Chip2的改進(jìn)方案，在電源上部和機(jī)箱壁之間加裝導(dǎo)熱銅板，如圖18所示，這樣電源到機(jī)箱壁的熱阻大大降低，易于熱量的導(dǎo)出，從而使電源局部過高的溫度降下來。

圖18 改進(jìn)后的電源結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

本文研究了軍用加固機(jī)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了熱仿真分析，通過與現(xiàn)場實(shí)測的結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的合理性，并得到以下結(jié)論：①軍用加固機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較合理，針對主板外蓋板及電源溫度過高的缺陷，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，效果良好。②仿真結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測兩者吻合，表明計(jì)算機(jī)仿真可以模擬現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)，并可在一定程度上代替某些實(shí)驗(yàn)分析。

[1] 陳恩.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)研究[J].制冷，2009(3)：53-59.

[2] 雷宏東.某型加固計(jì)算機(jī)的主機(jī)機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械管理開發(fā)，2010，25(5)：7-9.

[3] 孫曉君.電子元器件可靠性增長方法和技術(shù)[J].黃山學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，11(3)：51-55.

[4] 李建軍，李俊山，李釗，等.基于特征的三維模型簡化算法研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19(11)：2434-2436.

[5] 邢靜忠，李軍.ANSYS的建模方法和網(wǎng)格劃分[J].中國水運(yùn)，2006，6(9)：116-118.

[6] 吳宜珍.艦載軍用加固計(jì)算機(jī)的熱設(shè)計(jì)[J].今日電子，2005(3)：76-77.

[7] 沈娣麗，上官同英，孟雅俊，等.遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)床與液壓，2011，39(18)：89-93.

(責(zé)任編校：夏玉玲)

An Analysis and Experimental Research of the Temperature Field of Military Reinforcement Machinery

LIU Xiao-wen

(Department of Electromechanical Engineering， Tangshan College， Tangshan 063000， China)

The author of this paper performed a thermal simulation analysis of military reinforcement machinery with the help of Flotherm， measured the actual steady temperature of the machinery cases， found that the simulation results agreed with the actual situation， and accordingly put forward an optimization scheme of strengthening military machinery structure to improve the radiating performance.

military reinforcement machinery； thermal analysis； temperature field；optimization

TH703.9；TJ03

A

1672-349X(2015)03-0055-04

10.16160/j.cnki.tsxyxb.2015.03.019