潘濤 王開(kāi)松 許寧

摘 要：CPU芯片的散熱對(duì)其是否能夠正常運(yùn)作起到關(guān)鍵作用，因此對(duì)CPU散熱研究有重要意義，強(qiáng)迫風(fēng)冷CPU散熱是最為常用的一種散熱方法。利用SolidWorks Simulation對(duì)CPU芯片散熱器進(jìn)行了強(qiáng)迫對(duì)流的條件下的溫度分布及靜應(yīng)力情況分析，并根據(jù)溫度分布和靜應(yīng)力分析結(jié)果，對(duì)CPU芯片散熱器尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而為散熱器的設(shè)計(jì)和制造提供了可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：CPU散熱器;Simulation;熱力分析;強(qiáng)制對(duì)流

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.113

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)CPU芯片的速度在不斷提高，CPU散熱問(wèn)題也越來(lái)越突出。其原因在于CPU的工作溫度關(guān)系到計(jì)算機(jī)的穩(wěn)定性和使用壽命，只有其工作溫度保持在合理的范圍內(nèi)，計(jì)算機(jī)才可能進(jìn)行長(zhǎng)久有效的工作[1]。CPU空冷強(qiáng)迫式對(duì)流散熱器成本低、工藝簡(jiǎn)單、性能可靠，在散熱器中占有主導(dǎo)地位。為更快把熱量散發(fā)出去，散熱片通常采用導(dǎo)熱系數(shù)高的金、銅、鋁等材料; 為降低成本并且兼顧散熱性能，一般選擇銅質(zhì)材料[2]。散熱器的散熱效果主要取決于散熱器中翅片高度、翅片厚度及翅片間距，本文通過(guò)建立散熱器模型，對(duì)散熱器進(jìn)行熱力分析、靜應(yīng)力分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到在基本結(jié)構(gòu)不變的情況下，散熱器性能的最優(yōu)設(shè)計(jì)。在對(duì)散熱器優(yōu)化的過(guò)程中，總計(jì)出散熱器設(shè)計(jì)中存在的普遍性規(guī)律，為以后的散熱器設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。

1 優(yōu)化方案的制定

首先，為CPU散熱器假定一枚工作對(duì)象，其主要參數(shù)如表1。

CPU發(fā)熱的主要性能指標(biāo)為熱設(shè)計(jì)功（TDP），TDP功耗是處理器的基本物理指標(biāo)。它的含義是當(dāng)處理器達(dá)到負(fù)荷最大的時(shí)候，釋放出的熱量，單位同樣以W計(jì)量。TDP也并非恒定不變，但是單顆處理器的 TDP值是固定的。而散熱器必須保證在處理器TDP最大的時(shí)候，處理器的溫度仍然在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。根據(jù)CPU散熱器的特性，可知其主要性能指標(biāo)為散熱效果，故需要對(duì)散熱器進(jìn)行熱力分析，另散熱器的材質(zhì)會(huì)因?yàn)槭軣岙a(chǎn)生應(yīng)力、位移變形所以需對(duì)其進(jìn)行靜應(yīng)力分析。最后，根據(jù)熱力分析結(jié)果和靜應(yīng)力分析結(jié)果選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化變量和優(yōu)化約束條件，以最小溫度為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

2 優(yōu)化過(guò)程

2.1 CPU散熱器三維模型的建立

風(fēng)冷散熱器的工作原理是通過(guò)表面接觸，將CPU 散發(fā)的熱量傳遞到熱傳導(dǎo)系數(shù)高的散熱鰭片上，再通過(guò)上端風(fēng)扇產(chǎn)生對(duì)流風(fēng)迫使鰭片表面堆積的熱量和空氣發(fā)生熱交換，從而將熱量散發(fā)到空氣中[3]。

在CPU散熱器的設(shè)計(jì)中，其散熱效果主要受到對(duì)流面積，對(duì)流系數(shù)的影響，對(duì)流系數(shù)主要由CPU散熱風(fēng)扇決定，而對(duì)流面積則是CPU散熱器的主要設(shè)計(jì)因素。

建立模型如圖2所示，其外觀尺寸為135×75×165.5mm，其翅片厚度為1.75mm，其翅片間距為1mm。材料為銅。

2.2 熱力分析

2.2.1 生成熱力算例

單擊算例顧問(wèn)的向下箭頭，然后選擇新算例，在類型中選擇熱力，確定后右鍵單擊算例圖標(biāo)，選擇屬性，將求解類型選擇為穩(wěn)態(tài)。

2.2.2 指派散熱器材料

在 Simulation 算例樹(shù)中，右鍵單擊散熱器，然后選擇應(yīng)用/編輯材料，選擇紅銅合金下的銅作為散熱器的材料。

2.2.3 應(yīng)用熱量和對(duì)流

單擊熱載荷，并選擇熱量，出現(xiàn)如圖3所示界面，將所選實(shí)體面設(shè)置為圖2所示面1，在熱量下將單位設(shè)為SI，將熱量設(shè)為CPU散熱器的假定工作對(duì)象I7 7700 CPU的熱設(shè)計(jì)功耗。

單擊熱載荷，并選擇對(duì)流，出現(xiàn)如圖4所示界面，將所選實(shí)體面選擇為所有敞開(kāi)面，在熱量下將單位設(shè)為SI，將對(duì)流系數(shù)設(shè)置為70W/（m2.k），總環(huán)境溫度設(shè)置為298k。

2.2.4 網(wǎng)格化模型并查看熱力結(jié)果

在 Simulation 算例樹(shù)中，右鍵單擊網(wǎng)格，然后選擇生成網(wǎng)格 ，選擇合適的網(wǎng)格密度，在網(wǎng)格參數(shù)中，選擇基于曲率的網(wǎng)格，確定如圖5所示參數(shù)，并在選型下，選擇運(yùn)行（求解）分析。

在 Simulation 算例樹(shù)中，打開(kāi)結(jié)果文件夾，雙擊熱力1顯示圖解。根據(jù)圖6所示熱力圖解可以看出散熱器模型的最高溫度為41.3攝氏度，最低溫度為24.9攝氏度，該溫度可以達(dá)到CPU所需散熱要求。

2.3 靜應(yīng)力分析

2.3.1 生成靜應(yīng)力算例

單擊算例顧問(wèn)的向下箭頭，然后選擇新算例，在類型中選擇靜應(yīng)力分析，確定后右鍵單擊算例圖標(biāo)，選擇屬性，在解算器下選擇FFEPlus，在流動(dòng)/熱力效應(yīng)選項(xiàng)卡上，在熱力選項(xiàng)下，選擇熱力算例的溫度，并在應(yīng)變?yōu)榱銜r(shí)的參考溫度內(nèi)輸入298k。

2.3.2 指派散熱器材料

將熱力算例中的零件文件夾拖動(dòng)到靜應(yīng)力分析算例。

2.3.3 固定散熱器

在 Simulation 算例樹(shù)中，右鍵單擊夾具，然后選擇固定幾何體，在夾具的面、邊線、頂點(diǎn)框中，選擇散熱器底部的四個(gè)孔。

2.3.4 網(wǎng)格化模型并查看靜應(yīng)力結(jié)果

網(wǎng)格化方法與熱力分析中網(wǎng)格化方法一致。生成應(yīng)力圖解如圖7，生成位移圖解如圖8，生成應(yīng)變圖解如圖9。通過(guò)查看圖7可知最大應(yīng)力為1.608e+008N/m2，最小應(yīng)力為5.697e+002N/m2，均小于銅的屈服力2.586e+008N/m2。通過(guò)查看圖8可知最大位移為0.0153mm，最小位移為1e-030mm，位移較小符合要求。通過(guò)圖9可知，最大應(yīng)變?yōu)?.767e-004，最小應(yīng)變?yōu)?.117e-009，應(yīng)變較小，符合要求。

2.4 通過(guò)設(shè)計(jì)算例的形狀優(yōu)化

2.4.1 生成新設(shè)計(jì)算例

右鍵單擊靜應(yīng)力分析算例選項(xiàng)卡，然后單擊選取生成新設(shè)計(jì)算例，單擊設(shè)計(jì)算例選項(xiàng)，在設(shè)計(jì)算例質(zhì)量下選擇高質(zhì)量（較慢）。

2.4.2 定義變量視圖中相關(guān)參數(shù)

將翅片厚度及翅片間距設(shè)置為變量，位移及應(yīng)力設(shè)置為約束，熱力最小化設(shè)置為目標(biāo)。具體參數(shù)見(jiàn)圖10。

2.4.3 查看優(yōu)化結(jié)果

通過(guò)定義變量視圖中的相關(guān)變量并運(yùn)行，可得44種情形，其中38種情形運(yùn)行成功。運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)圖11。

3 結(jié)論

本文通過(guò)SolidWorks Simulation對(duì)CPU散熱器進(jìn)行了有限元分析，通過(guò)對(duì)CPU散熱器的熱力分析、靜應(yīng)力分析及形狀優(yōu)化得出以下結(jié)論：

（1）未優(yōu)化前散熱器模型與優(yōu)化后散熱器模型散熱效果基本一致，最初設(shè)計(jì)基本合格;

（2）通過(guò)優(yōu)化分析發(fā)現(xiàn)影響散熱器散熱性能的主要因素為翅片間距，在翅片間距達(dá)到3mm以上時(shí)，溫度明顯增高;

（3）翅片間距對(duì)散熱器的應(yīng)力影響較大，在翅片間距為3mm時(shí)，應(yīng)力處于最大值;

（4）在此類結(jié)構(gòu)散熱器設(shè)計(jì)中，翅片間距應(yīng)取3mm以下較為合適。

參考文獻(xiàn)：

[1]王宏偉，葛增杰，顧元憲，楊文彬.CPU散熱片溫度場(chǎng)模擬分析及其材料和尺寸選擇的研究[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2003（06）：725-729.

[2]耿德軍，胡艷.CPU散熱片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào)，201130（01）：82.

[3]黃潔，杜平安.CPU散熱器熱學(xué)性能的有限元分析[J].機(jī)械，2006（10）：29-31.