黃 鵬 艷

(洛陽理工學(xué)院土木工程學(xué)院，河南 洛陽 471000)

隨著電子技術(shù)向高頻化、高集成化、高功率方向的發(fā)展，電子設(shè)備的發(fā)熱量越來越大。發(fā)熱量如果不能及時(shí)轉(zhuǎn)移，發(fā)熱量的增加將使得器件溫度急速惡化，造成產(chǎn)品失效[1]。水道散熱以其高換熱系數(shù)、大比熱容、噪聲小等特點(diǎn)，通過流體的熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)將發(fā)熱設(shè)備的熱耗帶走，成為設(shè)備散熱的首選方案。為保證高效的散熱，電子器件需與水道熱沉緊密貼合，盡可能減小界面熱阻，而水道腔體的抗壓性能就直接影響到水道產(chǎn)品的散熱性和安全使用的可靠性。

水道產(chǎn)品在生產(chǎn)測(cè)試和使用過程中，水道腔體內(nèi)部受壓，水道蓋板會(huì)發(fā)生輕微的變形，當(dāng)水道內(nèi)壓力值超過一定值后，水道產(chǎn)品的蓋板局部發(fā)生塑性變形，即出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象。鼓包現(xiàn)象的產(chǎn)生，對(duì)水道產(chǎn)品的安全性和可靠性、散熱元件的安裝、水道產(chǎn)品散熱效率造成重要影響。本文依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的力學(xué)評(píng)估準(zhǔn)則和平面度安裝要求，通過有限元數(shù)值仿真的方法，結(jié)合理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)水道產(chǎn)品的抗壓性能進(jìn)行研究。

1 抗壓機(jī)理分析

以水管、壓力容器等為例，如圖1所示，其中，a為水道內(nèi)徑，b為水道外徑，P為壓力，σθ為周向應(yīng)力，σr為徑向應(yīng)力。當(dāng)壓力P較小時(shí)，水道材料處于彈性狀態(tài)，水道結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生沿半徑方向膨脹的趨勢(shì)。隨著壓力的增加，水道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面將產(chǎn)生彈性范圍內(nèi)的徑向位移，當(dāng)壓力增大到某一值時(shí)，將在水道結(jié)構(gòu)內(nèi)表面產(chǎn)生塑性變形，直至延伸到外表面。在水道結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性變形和塑性變形之間，則存在一個(gè)臨界壓力Pe[2]，即當(dāng)壓力值P大于臨界應(yīng)力Pe時(shí)，水道結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形；反之，當(dāng)壓力值P小于臨界應(yīng)力Pe時(shí)，水道結(jié)構(gòu)只發(fā)生彈性變形。

根據(jù)彈性力學(xué)相關(guān)知識(shí)[3]，建立如下方程：

平衡方程為：

dσr/dr+σr-σθ/r=0

(1)

幾何方程為：

εr=du/dr,εθ=u/r

(2)

本構(gòu)方程為：

εr=(σr-γσθ)/E,εθ=(σθ-γσr)/E

(3)

其中，E為材料彈性模量；γ為泊松比。

當(dāng)壓力P達(dá)到水道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形時(shí)，在r=a處，σr-σθ應(yīng)有最大值，即水道結(jié)構(gòu)由內(nèi)表面開始屈服，則有(σr-σθ)r=a=σs，此時(shí)壓力為不發(fā)生塑性變形的臨界壓力Pe，表達(dá)式見式(4)。

(4)

以某硬管為例，硬管材料使用Q235[4]，其彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7.9×10-6kg/mm3，屈服強(qiáng)度為235 MPa，硬管內(nèi)徑為8 mm，外徑為10 mm。

按照式(4)可計(jì)算得到Q235硬管不發(fā)生塑性變形的臨界壓力為42.3 MPa。利用Radioss有限元仿真軟件對(duì)上述硬管建立有限元模型，并進(jìn)行在一定壓力作用下的仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖2所示，結(jié)果顯示當(dāng)壓力達(dá)到42.5 MPa時(shí)，硬管開始從內(nèi)表面發(fā)生屈服變形。

對(duì)理論計(jì)算和有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，水管開始發(fā)生變形都是從硬管的內(nèi)表面開始，且不發(fā)生塑性變形的臨界壓力值分別為42.5 MPa和42.3 MPa，兩者趨勢(shì)和計(jì)算結(jié)果幾乎一致，說明采用有限元仿真方法分析水道抗壓能力是正確和可行的。

2 抗壓試驗(yàn)分析

除了水管等儲(chǔ)液容器，還有一些矩形水道的散熱器，其通常是焊接或沖壓成型。以某散熱板為研究對(duì)象，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3a)所示。散熱器材料為5A06鋁合金[4]，彈性模量67 GPa，泊松比0.33，密度為2.7×10-6kg/mm3，散熱器水道蓋板厚度為2 mm，槽寬為8 mm，搭接區(qū)單邊3 mm，蓋板和水道通過焊接成型，考慮其為初始零應(yīng)力狀態(tài)。水道散熱器的打壓試驗(yàn)測(cè)試采用DH5981動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀、BE120-3A(11)-P150A應(yīng)變花、502粘結(jié)劑和手動(dòng)可調(diào)打壓測(cè)試儀。應(yīng)變測(cè)試采用半橋方式連接，試驗(yàn)開始前，將散熱蓋板清洗打磨，使應(yīng)變片完全粘貼在散熱蓋板上。為消除溫度以及粘貼等因素的影響，16個(gè)應(yīng)變片按如下編號(hào)粘貼，見圖3b)，并將應(yīng)變片采用半橋法連接，與DH5981動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀連通采集信號(hào)。散熱器與打壓測(cè)試儀相連，測(cè)試期間不允許將打壓測(cè)試儀斷開。緩慢加壓至目標(biāo)壓力值，并保持穩(wěn)定。在散熱板緩慢加壓至目標(biāo)壓力值時(shí)，散熱蓋板會(huì)發(fā)生一定的變形，粘貼在蓋板上的應(yīng)變片會(huì)實(shí)時(shí)記錄下蓋板變形的情況。

對(duì)散熱器水道從1 MPa開始緩慢加壓，同時(shí)利用應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)對(duì)散熱器的變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。利用該試驗(yàn)測(cè)試方法，分別對(duì)不同壓力值(1 MPa,3 MPa,5 MPa,6 MPa,8 MPa,10 MPa,12 MPa,14 MPa)下散熱器水道的抗壓變形情況進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)壓力值增加到6 MPa并保持穩(wěn)定時(shí)，可發(fā)現(xiàn)散熱蓋板中心位置微微鼓起，兩側(cè)搭接位置無明顯變化。此時(shí)利用應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)對(duì)散熱板在6 MPa壓力下蓋板變形情況進(jìn)行記錄，散熱板變形情況如圖4所示，當(dāng)壓力值增加到12 MPa并保持穩(wěn)定時(shí)，散熱板發(fā)生明顯的不可恢復(fù)塑性變形。

采用Radioss有限元數(shù)值仿真軟件對(duì)散熱板進(jìn)行建模分析，當(dāng)作用載荷為6 MPa壓力時(shí)，散熱板抗壓變形仿真結(jié)果如圖4所示。蓋板中心位置變形最大，兩側(cè)搭接位置變形較小，與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果變形趨勢(shì)相同。選擇有代表性的應(yīng)變片測(cè)試點(diǎn)做試驗(yàn)測(cè)試值和仿真結(jié)果對(duì)比如圖5所示。

為進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果和仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，增大壓力值進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。分別對(duì)散熱板在8 MPa,10 MPa壓力值下水道的抗壓變形情況進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試和仿真計(jì)算，利用應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)記錄散熱蓋板的變形情況，8 MPa,10 MPa壓力值下試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析如圖6所示。

通過試驗(yàn)測(cè)試和有限元數(shù)值仿真方法對(duì)本文所用散熱器上不同測(cè)試點(diǎn)在不同壓力條件下散熱抗壓結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析可知：散熱板在不同壓力值下，呈現(xiàn)蓋板中心位置變形大，兩側(cè)搭接位置變形小的趨勢(shì)；隨著壓力值的增大，散熱板上測(cè)試點(diǎn)的抗壓變形也在不斷增大，且當(dāng)壓力達(dá)到10 MPa時(shí)，散熱蓋板未屈服發(fā)生塑性變形；通過有限元數(shù)值仿真散熱板在6 MPa,8 MPa,10 MPa壓力下的抗壓變形，并且和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，采用有限元仿真散熱板的抗壓變化情況與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果趨勢(shì)一致，且各測(cè)試點(diǎn)仿真與試驗(yàn)誤差較小。

3 結(jié)語

水道產(chǎn)品為保證良好的密封性能和較高的可靠性，在生產(chǎn)測(cè)試和使用過程中了解水道產(chǎn)品的抗壓變形能力至關(guān)重要。水道產(chǎn)品的抗壓變形能力受多種因素的影響，如水道結(jié)構(gòu)、材料狀態(tài)、加工偏差、焊接、平面度要求等。本文抓住影響抗壓變形的主要影響因素，基于有限元數(shù)值仿真的方法，對(duì)產(chǎn)品水道腔體抗壓變形能力進(jìn)行研究。通過理論計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試等手段與有限元仿真方法對(duì)比分析，證明有限元數(shù)值仿真水道抗壓能力方法的正確性和可靠性，對(duì)產(chǎn)品工程師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期定量了解水道腔體的抗壓性能和后期保障水道產(chǎn)品的安全性和可靠性具有重要的工程應(yīng)用和參考價(jià)值。