基于ANSYS專用計算機機箱溫度場分析與實驗

劉曉雯

（唐山學院 機電工程系，唐山 063000）

基于ANSYS專用計算機機箱溫度場分析與實驗

劉曉雯

（唐山學院 機電工程系，唐山 063000）

0 引言

專用計算機機箱是一個電子元器件高度集中的物理環境，在這個環境中的電子設備受到溫度、電磁、振動、濕度等因素的影響，如果設計不合理將導致電子設備功能下降[1]。為了保證這些電子設備的正常工作，通常把機箱做成密閉的，從而盡量減少外在因素的影響[2]。但是密閉機箱卻會使機箱內的熱量不能及時散出，從而導致溫度升高，影響電子元器件的壽命[3]。

電源、主板等發熱元件的輸出功率通常只占輸入功率很小一部分，其余大部分功率都轉換為熱能[4]。隨著電子設備向大功率和小型化方向發展，溫度過高問題越來越受到重視[5]。所以采用ANSYS軟件對機箱進行熱分析是十分必要的。本文以專用計算機機箱為對象，研究專用計算機機箱內部的溫度場分布，最后得到專用計算機的熱學仿真規范，以便指導更深一步的研究工作和生產實踐。

1 專用計算機機箱的熱分析

1.1 機箱的物理環境分析

專用計算機機箱的部件大致可以分為兩種，一種為發熱部件：電源，主板，顯卡；另一種是結構部件：上下導軌板，后面板，側面板，大面板，小面板，散熱板，接口板以及散熱風扇等。電源、主板等發熱元件在工作時，輸出功率通常只占輸入功率的很小一部分，大部分功率都轉換為熱能。發熱部件產生的熱量主要靠傳導、對流和輻射三種方式傳導給箱體內側板[6]。由于專用計算機機箱內部是密閉的空間，后面板帶有風扇，所以大部分熱量由對流和傳導帶走，輻射的熱量只占很小一部分，所以在進行仿真時可以用適當增加對流系數來代表輻射的影響[7]。

強迫風冷散熱是一種典型的冷卻方案。強迫風冷散熱系統是由上下導軌板和后面板組成的散熱空氣通道來實現的。空氣流動通道如圖1所示。

圖1 氣流通道

1.2 機箱ANSYS模型的建立

ANSYS中的模型可以通過兩種方法得到，一種是直接在ANSYS軟件中建立，通過建立關鍵點，線，面，體，最后通過相加，相減，疊分，粘結等布爾運算，使模型成為一個整體。這類方法只適用于一些比較簡單的形狀規則的模型。對于一些比較復雜的模型，尤其是一些復雜的三維模型，一般是通過專業的三維建模軟件如Pro/ENGINEER，SolidWorks等建立模型，再導入ANSYS軟件中進行下一步分析[8]。

本文使用Pro/ENGINEER建立專用計算機機箱的模型，然后再導入ANSYS軟件中進行分析。在Pro/ENGINEER中建立模型后，有兩種導入ANSYS軟件的方法[9]：

1）通過中間格式IGES導入模型

IGES是一種通用格式，可以在各種建模軟件和仿真分析軟件之間進行轉換。ANSYS本身內置了IGES轉換過濾器，支持IGES格式文件的輸入。但是采用這種方法導入復雜模型時，會產生特征丟失的現象，嚴重影響ANSYS有限元分析的準確性。

2）建立Pro/ENGINEER與ANSYS的接口。

ANSYS軟件內嵌了Pro/ENGINEER接口程序，可以將Pro/ENGINEER的模型數據傳導到ANSYS軟件中。在安裝ANSYS的時候選擇ANSYS Connection For Pro/ENGINEER模塊，這個模塊的作用是將Pro/ENGINEER中生成模型的命令轉換為擴展名是.anf的命令流文件，ANSYS可以識別和讀取這個文件，從而重新生成模型。

本文采用ANSYS 10.0與Pro/ENGINEER2.0進行連接，連接成功之后會在Pro/ENGINEER軟件的主菜單中產生新的菜單項ANSYS10.0。在Pro/ENGINEER中建立三維模型之后，點擊ANSYS10.0按鈕，選擇ANSYSGeom選項，則可以啟動模型導入模塊。ANSYS界面出現后，點擊ANSYS軟件主菜單的【plot】|【volumes】子菜單選項，則會在ANSYS的顯示窗口中顯示模型。如圖2所示為通過接口程序從Pro/ENGINEER導入ANSYS后專用計算機機箱模型的效果圖。

圖2 機箱的ANSYS模型

1.3 機箱參數的設置

在進行仿真分析的過程前，需要先確定幾個參數的數值[10]。實際機箱的材料多種多樣，在模擬仿真時為了得到準確的結果需要輸入真實的材料信息，但是在找到正確的加載條件之前，為了更快的找到加載條件，可以假定機箱模型的材料都是硬鋁。硬鋁的比熱容是880KJ/(kg.K)，熱導率是2236w/(m.k)，密度是2800kg/m3，取自然對流為20w/(m2.k)，強制對流取100w/(m2.k)。

電源的發熱功率是40w，主板的發熱功率是40w，接口板的發熱功率是10w。在ANSYS中要換算成熱生成率Q：

主板的熱生成率是：

接口板的熱生成率是：

1.4 后處理

在求解完成后，經過后處理，可以得到機箱整體的溫度分布圖，如圖3所示。

圖3 機箱整體溫度分布

圖4 機箱內部溫度分布圖

由圖3可知機箱溫度穩定后最大溫度是48.834℃，最低溫度是30.717℃。機箱外圍的溫度分布規律是：靠近電源一邊的溫度比較高，另一邊溫度比較低。

圖4是機箱內部溫度分布圖。由圖可知，最大溫度產生在主板上，電源、主板和接口板處的溫度普遍比較高。后面板大部分的溫度比較低，而底板的大部分溫度比較高。由分析可知，后面板處是氣流通道，散熱速度快，所以后面板處的溫度比較低；因為電源、主板和接口板的熱量一部分直接傳導給底板，另外底板主要通過和導軌板的接觸傳導熱量，所以底板的溫度大部分比較高。

2 實驗與結論

在機箱的電源、主板、接口板、大面板、后面板、側面板上分別選一個測量點，然后使用溫度測量儀測量出機箱穩定后這幾個點的溫度。與仿真分析的計算結果進行對比，如表1所示。

表1 仿真結果和試驗結果的對比

從結果對比來看，利用模型分析的結果和實際測量的結果之間還存在誤差，主要有以下三種原因：

1）計算的模型是簡化后的模型，而實際環境下機箱的導熱途徑比較復雜，簡化必然導致結果有所偏差。

2）加載的熱生成率也是在理想狀態下計算得出的，而實際中的邊界條件比仿真時的要復雜的多。

3）由于仿真的環境溫度都是20℃，而實際當中環境溫度會略有改變，這也會使結果有所偏差。

為了得到更加精確的結果，可以通過改善上述因素達到目的。雖然誤差比較大，但是對比計算結果和試驗結果可知，利用ANSYS軟件進行熱學的仿真是可行的，在仿真過程中提取的仿真模型及所施加的邊界條件是合理的。通過提高邊界條件和載荷的精度可以得到更加合理的分析結果。

[1]陸國權.世界電子元件現狀與發展趨勢[J].世界產品與技術,2003,(12):34-41.

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

[3]雷宏東.某型加固計算機的主機機箱結構設計[J].機械管理開發,2010,25(5):7-9.

[4]齊永強,何雅玲,張偉,郭進軍.電子設備熱設計的初步研究[J]. 現代電子技術,2003,(1):73-76,79.

[5]趙春林.電子設備的熱設計[J].電子機械工程,2002,18(5):40-42,58.

[6]楊世銘.傳熱學(第二版)[M].北京:高等教育出版社,1987:42.

[7]吳宜珍.艦載軍用加固計算機的熱設計[J].今日電子,2005,(3):76-77.

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

[9]楊萍,賀小明.ANSYS與Pro/E間無縫連接的應用研究[J].機械設計與制造,2006,(1):58-60.

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Temperature field analysis and experiment of dedicated computer chassis based on ANSYS

LIU Xiao-wen

建立專用計算機的三維模型后，通過Pro/ENGINEER和ANSYS軟件接口將模型導入到ANSYS軟件中，通過選擇網格單元、設置材料特性參數、劃分網格、施加載荷和邊界條件、后處理等操作，得到機箱整體和關鍵部件的溫度分布云圖。通過與試驗結果相比較，驗證了ANSYS軟件熱學仿真的可行性和合理性，為設計人員對專用計算機機箱的優化設計提供了理論依據。

專用計算機；三維模型；軟件接口；機箱；溫度場分析；熱學仿真

劉曉雯（1983 -），女，講師，碩士，研究方向為非標機械設計、產品優化設計。

TH122

A

1009-0134(2014)05(下)-0044-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).12

2013-11-18