王玉龍，寧 蒙

(中國(guó)船舶集團(tuán)公司第七一三研究所 ，河南 鄭州 450015)

0 引 言

軍用加固計(jì)算機(jī)作為處理計(jì)算信息核心設(shè)備，在復(fù)雜海上作戰(zhàn)環(huán)境中要求其能夠適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境，如高濕、高溫、腐蝕、強(qiáng)震等。為滿足軍用設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)要求，軍用加固計(jì)算機(jī)在結(jié)構(gòu)上一般設(shè)計(jì)為金屬的密封箱體。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的硬件性能得到了顯著的提高，但伴隨著各板卡性能的提升，其發(fā)熱量也顯著的增加。為了使得軍用加固計(jì)算機(jī)在高溫高濕環(huán)境下正常工作，計(jì)算機(jī)機(jī)箱須具備良好的抗高溫散熱性能。由于軍用加固計(jì)算機(jī)的高封閉性，其散熱處理比較繁瑣，目前多采用熱傳導(dǎo)和強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式進(jìn)行散熱，因此在散熱過(guò)程中風(fēng)扇引起的噪聲比較大，影響工作人員的正常使用。

前蘇聯(lián)的一批研究者在1964年研究各國(guó)250萬(wàn)件專利的基礎(chǔ)上提出了TRIZ理論。他們認(rèn)為TRIZ理論可提高發(fā)明成功率、縮短發(fā)明周期及提高問(wèn)題的可預(yù)見(jiàn)性。TRIZ理論經(jīng)過(guò)60年發(fā)展已經(jīng)在日本、美國(guó)、蘇聯(lián)及一些歐洲國(guó)家解決了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的新品研發(fā)難題。筆者采用TRIZ理論的發(fā)明問(wèn)題解決原理，對(duì)軍用加固計(jì)算機(jī)的散熱功能進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)探討，為新型海軍軍用加固計(jì)算機(jī)散熱設(shè)計(jì)提供新思路。

1 TRIZ理論分析

TRIZ理論不僅是面最全面的創(chuàng)新理論[1]，也加快了人們發(fā)明創(chuàng)造的進(jìn)程，提高了創(chuàng)新產(chǎn)品的質(zhì)量[2]。它是在研究多學(xué)科領(lǐng)域原理的基礎(chǔ)上形成的理論體系。技術(shù)進(jìn)化原理是TRIZ理論的核心，技術(shù)進(jìn)化的推動(dòng)力是解決沖突，解決技術(shù)系統(tǒng)的一般矛盾可降低進(jìn)化速度，解決阻礙其進(jìn)化的深層次沖突是使其產(chǎn)生突變的唯一方式[3]，再根據(jù)TRIZ進(jìn)化法則定義設(shè)計(jì)問(wèn)題中的矛盾沖突，再通過(guò)矛盾沖突矩陣、物-場(chǎng)模型、39個(gè)工程參數(shù)求出該TRIZ 問(wèn)題的普適解，再參考實(shí)際設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題、實(shí)際使用功能需求、實(shí)際設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的各種限制因素，得到實(shí)際中問(wèn)題的特解，消除設(shè)計(jì)中的矛盾沖突，進(jìn)而解決問(wèn)題[4]。圖1 為解決一般發(fā)明問(wèn)題的求解流程。

圖1 問(wèn)題求解流程

2 問(wèn)題描述

2.1 加固計(jì)算機(jī)機(jī)箱組成

某艦軍用加固計(jì)算機(jī)箱體由前面板部件、圍框、后蓋板部件、風(fēng)機(jī)部件組成，結(jié)構(gòu)外形如圖2所示。

圖2 加固計(jì)算機(jī)箱體結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)左右側(cè)板、上下蓋板組成圍框的主要骨架，前、后面板均使用緊固件安裝在箱體上，形成完成的箱體，如圖3所示。

圖3 加固計(jì)算機(jī)圍框正面圖

加固計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)箱內(nèi)部各6U模塊會(huì)釋放大量熱量，通過(guò)該結(jié)構(gòu)可以給加固計(jì)算機(jī)散熱，否則影響加固計(jì)算機(jī)的正常工作使用。

2.2 工作原理

當(dāng)前某艦船上加固計(jì)算機(jī)多采用熱傳導(dǎo)和強(qiáng)迫風(fēng)冷相結(jié)合的方式進(jìn)行散熱。模塊工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，首先通過(guò)傳導(dǎo)的方式傳遞到圍框的上下蓋板上。圍框的上下蓋板設(shè)計(jì)有風(fēng)道，采用從前面板進(jìn)風(fēng)、后面板出風(fēng)的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式，通過(guò)后面板風(fēng)扇將熱量帶走。從而實(shí)現(xiàn)機(jī)箱的散熱。機(jī)箱風(fēng)扇系統(tǒng)如圖4、5所示。

圖4 加固計(jì)算機(jī)前面板-進(jìn)風(fēng)口

2.3 現(xiàn)有解決方案及缺點(diǎn)

當(dāng)加固計(jì)算機(jī)在某艦船上正常使用過(guò)程中，尤其在夏天后置風(fēng)扇轉(zhuǎn)速快，導(dǎo)致噪聲比較大，影響使用人員的正常使用，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致誤聽(tīng)命令，從而影響戰(zhàn)爭(zhēng)指揮決策。

圖5 加固計(jì)算機(jī)機(jī)箱風(fēng)道流向

針對(duì)上述問(wèn)題，采用傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，目前機(jī)箱散熱設(shè)計(jì)多采用降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速或者在后置風(fēng)扇中加入溫度傳感器，雖然噪聲在一定程度上得到降低，但是散熱效果會(huì)受影響，嚴(yán)重時(shí)加固計(jì)算機(jī)的計(jì)算性能會(huì)損耗。

漕河渡槽原槽身伸縮縫采用了3道止水設(shè)計(jì)。第1道為埋入式橡膠止水帶，位于結(jié)構(gòu)厚度中部，混凝土澆筑時(shí)埋入，止水帶寬352mm，厚8mm；第2道為聚硫密封膠，在止水預(yù)留槽下部，厚度2cm；第3道為連體式止水裝置，可更換止水是在混凝土上預(yù)留凹槽，預(yù)埋螺栓，待混凝土具有一定的強(qiáng)度后裝配上去。這種止水裝置由錨固螺栓、柔性黏結(jié)材料、U型橡膠止水帶、止水壓塊和螺母橡膠蓋帽組成，安裝時(shí)將止水帶及底部柔性黏結(jié)材料壓緊，封堵止水帶與止水槽底面間隙，達(dá)到止水效果。

2.4 新系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

加固計(jì)算機(jī)正常開(kāi)機(jī)后，散熱效果較好且盡量不產(chǎn)生噪聲或者產(chǎn)生的噪聲不影響使用人員正常工作。另外設(shè)計(jì)的散熱系統(tǒng)應(yīng)組裝簡(jiǎn)單、環(huán)保、低噪聲。

3 功能分析

功能的載體是產(chǎn)品，是其核心、本質(zhì)、競(jìng)爭(zhēng)力。用戶欲購(gòu)買的并非產(chǎn)品本身，而是產(chǎn)品的有用功能。因此分析了解產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)是非常有意義的。功能分析的主要目的是以圖表的形式表現(xiàn)抽象的系統(tǒng)，使設(shè)計(jì)者更直觀的了解產(chǎn)品所具備的功能特征，而非從技術(shù)的角度去分析系統(tǒng)。因此建立產(chǎn)品的功能模型是非常重要的。

3.1 功能定義

功能作為滿足需求的屬性，從實(shí)現(xiàn)角度來(lái)講是對(duì)技術(shù)系統(tǒng)的理解。產(chǎn)品一般分為多個(gè)組件，其總體功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠各組件之間的相互作用。

功能可定義為一個(gè)對(duì)象作用于其他對(duì)象同時(shí)改變其他對(duì)象技術(shù)參數(shù)的行為。如圖6所示，組件A與組件B為獨(dú)立對(duì)象，組件A具有特定的功能并作用于組件B，組件B因受組件A的功能作用改變了其自身的技術(shù)參數(shù)。一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)需要組件A并非其本身的結(jié)構(gòu)，而是其具備的功能可作為作用主體或工具，作用于系統(tǒng)組件B，組件B通常稱為作用對(duì)象。

圖6 組件間的功能關(guān)系的圖示表達(dá)

從句法表達(dá)的角度和功能的定義方面考慮可以采用“動(dòng)詞+ 名詞”組成的短語(yǔ)來(lái)表示[5]。其中，動(dòng)詞是實(shí)現(xiàn)功能的方式，詞匯本身需簡(jiǎn)練、準(zhǔn)確，并有高度概括性，這是一個(gè)功能抽象化的過(guò)程，其有助于產(chǎn)生新的方案解。

功能可依據(jù)主動(dòng)元件在系統(tǒng)中起的作用劃分為：充分作用、有害作用、過(guò)度作用、不足作用。如圖7所示，要提高技術(shù)系統(tǒng)整體的理想度，可進(jìn)一步調(diào)整過(guò)度作用與不足作用，并將有害作用消除。

圖7 加固計(jì)算機(jī)圍框正面圖

3.2 功能模型的建立

TRIZ理論中使用裁剪將系統(tǒng)有用功能重新分配給系統(tǒng)或超系統(tǒng)中的其它組件，裁剪是一種有效的解決發(fā)明問(wèn)題的工具，能夠降低成本、優(yōu)化系統(tǒng)最終達(dá)到消除有害作用的目的。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)用裁剪方法的基礎(chǔ)是功能分析，運(yùn)用功能分析以及裁剪方法可降低成本或復(fù)雜程度。

3.3 功能分析

功能的載體是產(chǎn)品，產(chǎn)品的核心、本質(zhì)和競(jìng)爭(zhēng)力是功能。用戶要購(gòu)買的是產(chǎn)品承載與體現(xiàn)的有用功能，而不是產(chǎn)品本身。因此，需要對(duì)產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)了解，充分分析產(chǎn)品的功能。在分析產(chǎn)品時(shí)應(yīng)從功能的角度分析，將抽象的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為具體圖表，這樣更有助于設(shè)計(jì)者更加直觀的了解產(chǎn)品必須具備的功能與特征，從而進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)者在分析產(chǎn)品的的過(guò)程中最重要的是建立產(chǎn)品功能模型。

通過(guò)圖8可知，加固計(jì)算機(jī)在正常使用過(guò)程中，各模塊會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，因此模塊產(chǎn)生發(fā)熱是有害作用；另外通過(guò)機(jī)箱風(fēng)扇可以將各板卡模塊產(chǎn)生的部分熱量去除，但是風(fēng)扇在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生噪聲，影響操作人員指揮使用，因此風(fēng)扇產(chǎn)生噪聲是有害作用；同時(shí)，熱量通過(guò)風(fēng)道流通不順暢作用也是不足的，從而影響了整個(gè)散熱系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的理想度。

圖8 加固計(jì)算機(jī)機(jī)箱散熱功能模型

4 問(wèn)題解決

應(yīng)用TRIZ工具中的沖突解決理論、功能裁剪等，得到所有創(chuàng)新解，并確立最終解。

首先根據(jù)已有產(chǎn)品技術(shù)系統(tǒng)的功能模型，如圖8所示，發(fā)現(xiàn)功能模型中的有害作用、不足作用及過(guò)剩作用等問(wèn)題，如圖9所示。

TRIZ中一條重要的進(jìn)化路線是裁剪，通過(guò)裁剪將系統(tǒng)中某些組件或元件去除，而系統(tǒng)本身仍然能夠保留有用的功能。在分析產(chǎn)品功能時(shí)，裁剪作為一個(gè)重要的步驟，它的目的是研究各個(gè)功能點(diǎn)是否為必需，當(dāng)該功能點(diǎn)是必需時(shí)，判斷系統(tǒng)的其它元件是否可完成有用功能。

由上述分析可知，問(wèn)題的組件是“風(fēng)扇”和“風(fēng)道”，需對(duì)問(wèn)題組件進(jìn)行裁剪分析。由裁剪規(guī)則四可知，當(dāng)主動(dòng)組件的功能能夠被新組件完成時(shí)，該主動(dòng)組件的作用可以被裁剪掉，因此采用一個(gè)新的組件來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)箱散熱且不會(huì)產(chǎn)生噪聲的功能，將“風(fēng)扇”和“風(fēng)道”進(jìn)行裁剪，裁剪后的功能模型如圖10所示。

圖9 裁剪功能模型

圖10 裁剪后功能模型

經(jīng)過(guò)裁剪后，模塊產(chǎn)生的熱量無(wú)法傳遞至機(jī)箱外，可以通過(guò)以下方法解決此問(wèn)題。

由于該加固計(jì)算機(jī)多由于海上艦船，因此可通過(guò)吸收海水通過(guò)入口進(jìn)入腔體內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，將CPU等模塊產(chǎn)生的熱量快速進(jìn)行冷卻，保證了加固計(jì)算機(jī)具有良好的散熱效果，實(shí)用性強(qiáng)。

其中加固計(jì)算機(jī)分為三個(gè)區(qū)域，上中下分別為散熱區(qū)、硬件區(qū)、散熱區(qū)，并且三區(qū)之間相互獨(dú)立且封閉，散熱區(qū)放置冷卻水腔體，硬件區(qū)放置各模塊。加固計(jì)算機(jī)內(nèi)部模塊分別硬件區(qū)上表面和下表面通過(guò)散熱銅塊相接觸，上冷卻水腔體與下側(cè)表面采用硅脂材料接觸，下冷卻水腔體與上側(cè)表面采用硅脂材料接觸，可將熱量從接觸面通過(guò)導(dǎo)熱硅脂傳入溫度低的冷卻水腔體，從而將熱量帶走，如圖11所示。

冷卻水腔體采用平面結(jié)構(gòu)，如圖12和13所示，較管狀結(jié)構(gòu)與熱源接觸面更大，散熱效果會(huì)更好。本方案為新型海軍加固計(jì)算機(jī)散熱設(shè)計(jì)提供新的設(shè)計(jì)思路和思考方向，但是該設(shè)計(jì)方案的可靠性還需進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖11 改進(jìn)后加固計(jì)算機(jī)正面圖

圖12 冷卻水腔體平面圖 圖13 冷卻水腔體平面圖

5 結(jié) 語(yǔ)

基于TRIZ中的功能裁剪的解決理論，針對(duì)加固計(jì)算機(jī)的散熱和降噪問(wèn)題進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，一方面通過(guò)傳輸流動(dòng)的冷媒水結(jié)構(gòu)加強(qiáng)了散熱效果；另一方面低溫海水得到優(yōu)化再利用，在海上艦船具有較高的參考價(jià)值，為下一代海軍加固計(jì)算機(jī)提供新解決方案。