某高密度計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

楊林， 常于敏， 醋強(qiáng)一， 周堯

（西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710065）

0 引言

隨著高密度計(jì)算機(jī)模塊化程度越來越高，功能越來越復(fù)雜，同時(shí)，計(jì)算機(jī)安裝空間非常狹小，這就要求高密度計(jì)算機(jī)既要滿足必備的性能要求，又要使產(chǎn)品小型化。本文中的高密度計(jì)算機(jī)在綜合考慮功能、體積、散熱、電磁兼容等因素情況下，合理布局，采用三維設(shè)計(jì)方法，通過仿真軟件對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化，使其滿足相應(yīng)的國軍標(biāo)試驗(yàn)要求［1］。

1 高密度計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該高密度計(jì)算機(jī)包括機(jī)箱和4個(gè)功能模塊,采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊通過母板實(shí)現(xiàn)各類信號(hào)的連接，可快速更換，達(dá)到LRU（現(xiàn)場可更換單元）級(jí)別。面板連接器通過焊接方式和母板交聯(lián)。由于安裝載體內(nèi)部尺寸嚴(yán)格限制，高密度計(jì)算機(jī)的外形尺寸不得超過200 mm×104 mm×78 mm（長×寬×高），重量不超過 2.5 kg。

1.1 整體布局設(shè)計(jì)

根據(jù)高密度計(jì)算機(jī)的功能需要以及快卸要求，必須將功能分解為4個(gè)模塊。同時(shí)綜合考慮模塊芯片布局、連接器選型和散熱設(shè)計(jì)等因素［2-3］，得到高密度計(jì)算機(jī)的整體布局。選取其中典型的兩種布局如圖1所示。

進(jìn)一步分析兩種布局得知，當(dāng)模塊垂直于底板時(shí)，由于模塊兩側(cè)固定距離較大，剛度相對(duì)較弱，對(duì)元器件的可靠性不利。同時(shí)，當(dāng)模塊垂直于底板時(shí)，元器件所產(chǎn)生的熱源和空氣之間的散熱通道熱阻較大，機(jī)箱所能提供的換熱面積較小，不利于元器件散熱。綜上，選取模塊平行于底板的布局作為最終結(jié)構(gòu)方案。高密度計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 計(jì)算機(jī)整體布局圖

圖2 高密度計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.2 熱設(shè)計(jì)

電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中，最重要的是使元器件所產(chǎn)生的功耗能夠迅速地通過傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射傳遞出去，從而降低元器件的結(jié)溫，保證元器件的正常使用。考慮到整機(jī)功耗為28 W左右，而安裝載體空間極為狹小，因此將自然冷卻方式作為高密度計(jì)算機(jī)的散熱方式。自然冷卻的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高、成本低，它不需要通風(fēng)機(jī)或泵之類的冷卻劑驅(qū)動(dòng)裝置，避免了因機(jī)械部件的磨損或故障影響系統(tǒng)可靠性的弊病。根據(jù)自然冷卻的規(guī)律，采取以下措施提高高密度計(jì)算機(jī)的散熱性能：a）優(yōu)化模塊布局，將功耗大的器件布局在模塊兩側(cè)，縮短散熱通路；b）優(yōu)化機(jī)箱散熱肋條，通過仿真得到最優(yōu)散熱肋條間距和厚度；c）優(yōu)化模塊散熱冷板，通過仿真得到最優(yōu)散熱冷板厚度和間距；d）優(yōu)化散熱冷板，增加模塊接觸面積，增加鎖緊長度，進(jìn)一步降低接觸熱阻；e）增大散熱接觸面積，通過計(jì)算機(jī)頂部貼合導(dǎo)熱襯墊，使計(jì)算機(jī)溫度進(jìn)一步降低。

2 高密度計(jì)算機(jī)有限元分析

根據(jù)國軍標(biāo)中關(guān)于飛機(jī)外掛的振動(dòng)要求，外掛的響應(yīng)是安裝在外掛內(nèi)設(shè)備的輸入振動(dòng)。高密度計(jì)算機(jī)要安全可靠地工作，必須要承受一定壓力和變形。因此對(duì)高密度計(jì)算機(jī)進(jìn)行有限元分析。

2.1 環(huán)境條件

高密度計(jì)算機(jī)承受載體的寬帶振動(dòng)條件，振動(dòng)激勵(lì)范圍是20～2 000 Hz，耐久振動(dòng)圖譜如圖3所示，其中：f1=500，f2=1500，W1=0.01，W2=0.024。

圖3 高密度計(jì)算機(jī)耐久振動(dòng)圖譜

2.2 有限元建模

高密度計(jì)算機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)合理簡化是正確進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)。電子設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，將模塊連接器按重量分布簡化，去掉大部分圓角，忽略模型上的各種標(biāo)識(shí)，對(duì)分析結(jié)果影響很小的零件不用裝配，如密封圈、標(biāo)牌等。簡化后的計(jì)算機(jī)模型如圖4所示。

圖4 簡化后的計(jì)算機(jī)模型

在三維建模軟件中建立產(chǎn)品模型并輸出STEP格式文件［6］，導(dǎo)入到 Patran 2010 for MD Nastran。在 Patran 中采用最常用的四面體十節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。這里采用四面體十結(jié)點(diǎn)網(wǎng)格（Tet10）對(duì)各零件進(jìn)行劃分，各零件之間通過接觸表裝配組合。其中四面體單元42 413個(gè)，結(jié)點(diǎn)86 214個(gè)。有限元模型如圖5所示。

圖5 有限元模型

2.3 模態(tài)分析

為了掌握高密度計(jì)算機(jī)整機(jī)各階固有頻率和其動(dòng)力特性，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)是產(chǎn)品剛度的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。模態(tài)越高，剛度越大。高密度計(jì)算機(jī)的前六階模態(tài)如圖6所示。

前六階模態(tài)固有頻率和所在的振動(dòng)位置各不相同，前六階模態(tài)分析結(jié)果見表1。

表1 前六階模態(tài)分析結(jié)果

機(jī)載電子設(shè)備的一階固有頻率一般在300 Hz 左右［4］，而 本文中的機(jī)載電子設(shè)備一階固有頻率為756.6Hz，整機(jī)固有頻率為993Hz。機(jī)箱整體振型比較均勻，整體剛度良好。

2.4 隨機(jī)響應(yīng)分析

該高密度計(jì)算機(jī)采用4個(gè)M4螺釘和載體相連接。經(jīng)過對(duì)XYZ三個(gè)方向進(jìn)行仿真發(fā)現(xiàn)，XYZ三個(gè)方向隨機(jī)響應(yīng)應(yīng)力如圖7所示。其中，X方向應(yīng)力最大，為16.8 MPa，位于機(jī)箱安裝孔附近。高強(qiáng)度鋁合金在常溫下的疲勞極限σ-1為137 MPa。計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力小于材料的疲勞極限，滿足高周疲勞強(qiáng)度的要求。因此，在耐久振動(dòng)條件下結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生破壞，計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足振動(dòng)要求

XYZ三個(gè)方向隨機(jī)響應(yīng)位移如圖8所示。其中，Y方向位移最大（為0.1 mm），位于頂部模塊中部。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中提供的計(jì)算方法［5-6］，根據(jù)高密度計(jì)算機(jī)中模塊PCB的尺寸和元器件位置，PCB和元器件的相對(duì)位移約為0.000 4 mm，滿足元器件的使用條件。

圖6 高密度計(jì)算機(jī)前六階模態(tài)

圖7 XYZ方向應(yīng)力圖

圖8 XYZ方向位移圖

3 結(jié)論

本文主要探討了某高密度計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析，綜合考慮高密度計(jì)算機(jī)的功能需求和使用環(huán)境，得出整體布局方案。利用Patran2010建立高密度計(jì)算機(jī)的有限元模型，對(duì)高密度計(jì)算機(jī)進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證是否滿足高密度環(huán)境要求。此高密度計(jì)算機(jī)實(shí)物已通過了各類試驗(yàn)，使用情況良好，這也驗(yàn)證了軟件分析結(jié)果的正確性，為其它類似高密度設(shè)備設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。

［1］ GJB150-1986 軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法［S］.

［2］ 邱成悌，趙惇殳，蔣全興，等.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.南京：東南大學(xué)出版社，2005.

［3］ 余建祖，高紅霞，謝永奇.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)及分析技術(shù)［M］.2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［4］ 周傳月，鄭紅霞，羅慧強(qiáng)，等.MSC.Fatigue疲勞分析應(yīng)用與實(shí)例［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

［5］ Steinberg D S.Vibration Analysis for Electronic Equipment［M］.New York：Wiley-Interscience，2000.

［6］ 楊林，張豐華，姜紅明，等.基于強(qiáng)度仿真的某機(jī)載電子設(shè)備機(jī)箱減重研究［J］.機(jī)械工程師，2013（8）：171-173.