WJ 20309—2016《軍用計算機數字化熱設計與分析要求》標準解析

段紅 歐陽長青

[摘 要] 對兵器行業標準WJ 20309-2016《軍用計算機數字化熱設計與分析要求》中關于密閉式軍用計算機和非密閉式軍用計算機的熱設計過程中包含的主要技術要素和數字化熱分析等主要技術內容進行了分析，為正確理解和使用本標準提供參考。

[關鍵詞] 軍用計算機；數字化；熱設計；分析

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 07. 037

[中圖分類號] F273 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2019）07- 0094- 03

0 引言

軍用計算機是軍事裝備的重要組成部分，戰爭環境的惡劣及現代高科技電子戰對軍用計算機的可靠運行提出了更高要求，研發人員需要解決軍用計算機的諸如電磁兼容性設計、熱設計、防振動抗沖擊設計等物理設計關鍵技術，而其中軍用計算機的熱設計是保證其可靠運行的重要手段。

由中國兵器裝備集團自動化研究所起草的WJ 20309-2016《軍用計算機數字化熱設計與分析要求》就是對軍用計算機數字化熱設計與分析經驗的總結。

本文著重解析密閉式軍用計算機和非密閉式軍用計算機熱設計過程中包含的各技術要素和數字化熱仿真的基本要求、一般步驟等主要內容。

1 密閉式軍用計算機的熱設計

1. 1 冷卻方法的選擇

軍用計算機主要采用自然冷卻、強迫空氣冷卻、間接液體冷卻、熱管傳熱等4種冷卻方法。對于密閉式軍用計算機可選擇自然冷卻方法，主要傳熱方式應采用金屬導熱。

1. 2 內部元器件的布局安裝設計

（1） 元器件的布局應符合氣流的流動特性及有利于提高氣流紊流程度；

（2） 元器件的布局應根據其允許溫度分類，按照耐熱程度遞增的方式布局；

（3）應盡可能減小安裝界面的熱阻及傳熱途徑的熱阻；

（4）盡量降低空氣或其他冷卻劑的溫度梯度；

（5）對溫度敏感的熱敏器件應安裝在冷區，不應安放在發熱器件的周邊；

（6）將高溫元器件安裝在內表面黑度高、外表面黑度低的箱體中，這些箱體與散熱器應有良好的導熱連接；

（7）減少高溫和低溫元器件之間的輻射耦合，加屏蔽板形成熱區與冷區；

（8）以傳導冷卻的元器件宜獨立安裝在導熱構件上；

（9）不發熱元器件宜安裝于箱體內溫度最低的區域；

（10）元器件導線是重要的導熱通路，引線盡可能粗大；

（11）功率電阻安裝可采取適當的冷卻措施以對減少周邊元器件的熱輻射；

（12）半導體應減少從大熱源及金屬導熱通路的發熱部分吸收熱量，可采取隔熱屏蔽板措施；

（13）變壓器和電感應減小與其他器件間的相互熱作用，宜將它安裝在箱體內的單獨一角或安裝在一個獨立的箱體內。

1. 3 印制電路板的自然冷卻設計

1. 3.1 材料的選擇

（1）宜選用新型合金、樹脂石墨纖維、粉末加強復合材料等高導熱材料；

（2）導熱條（板）通常選用導熱性能好的銅、鋁合金制成。

1. 3.2 印制電路板上元器件排布要求

（1）用熱仿真軟件對印制電路板進行熱分析，對內部最高溫升進行設計控制；

（2）把發熱高、輻射大的元器件專門設計安裝在一個印制板上；

（3）板面熱容量均勻分布，盡量不要把大功耗器件集中布放，如無法避免，則要把矮的元器件放在氣流的上游，并保證足夠的冷卻風量流經熱耗集中區；

（4）使傳熱橫截面盡可能的大；

（5）元器件布局應考慮到對周圍零件熱輻射的影響。對熱敏感的部件、元器件（含半導體器件）應遠離熱源或將其隔離；

（6）液態介質的電容器應遠離熱源；

（7）附加子板、元器件風道與通風方向一致；

（8）發熱元器件應盡可能地置于印制板的上方，條件允許時應處于氣流通道上；

（9）熱量較大或電流較大的元器器件不能放置在印制板的角落和四周邊緣，盡量安裝于散熱器上，并遠離其他器件，并保證散熱通道通暢；

（10）信號放大器外圍器件盡量采用溫漂小的元器件；

（11）盡可能地利用金屬機箱或底盤散熱。

1. 3.3 布線要求

（1）大電流線條盡量布置在印制板表面層，在不能滿足要求的條件下，可考慮采用匯流排；

（2）熱應力點考慮應力平衡措施并加粗線條；

（3）散熱銅皮需采用消熱應力的開窗法，利用散熱阻焊適當開窗，宜采用表面大面積銅箔，并根據器件功耗、環境溫度及允許最大結溫來計算合適的表面散熱銅箔面積；

（4）對印制板上的接地安裝孔采用較大焊盤，以充分利用安裝螺栓和印制板表面的銅箔進行散熱；

（5）盡可能多安放金屬化過孔， 且孔徑、盤面盡量大，依靠過孔幫助散熱。

1. 4 機箱的熱設計

密閉式軍用計算機機箱應作為自然冷卻散熱通道，在熱設計時可采用以下方法：

（1）增加箱體內表面的黑度；

（2）降低箱體內表面與發熱器件接觸面的表面粗糙度值；

（3）盡量增大箱體散熱面積。

1. 5 散熱器的選擇

對于熱流密度較高的元器件，自然對流溫升過高時，可以選用散熱器以增加散熱表面。選擇散熱器時應根據公式（1）和公式（2）計算出擬選擇散熱器應小于的熱阻R■值，再根據GB7423.3-1987查得選擇的散熱器熱阻R■只要低于R■就能滿足熱設計要求。

Rt=（tj-ta）/P（1）

R■=Rt-Rj-Rb（2）

公式（1）和公式（2）中：

Rt-總熱阻；

tj-元器件結溫；

ta-環境溫度；

P-元器件功率；

R■-擬選散熱器應小于的熱阻；

Rj-元器件內熱阻；

Rb-界面熱阻。

公式（1）和公式（2）中的tj、Rj、P可由元器件手冊查出，ta 和Rb由所需熱設計的密閉式軍用計算機工作環境得出。

2 非密閉式軍用計算機的熱設計

2.1 冷卻方法的選擇

非密閉式軍用計算機當其熱流密度超過0.08 W/cm2，體積功率密度超過0.18 W/cm3，采用強迫空氣冷卻方式。

2.2 熱計算

非密閉式軍用計算機的熱計算參考GJB/Z27-1992中9.1的規定進行。

2.3 通風機的選用

選擇通風機時主要考慮風量和風壓這兩個主要參數。根據軍用計算機風量系統所需風量和風壓及空間大小確定通風機的類型。當要求風量大、風壓低的設備，盡量采用軸流式通風機，反之，則采用離心式通風機。通風機的選擇應考慮與系統的匹配。

當通風機的風量足夠而風壓不足時，可采用通風機串聯工作方式；當通風機的風壓足夠而風量不足時，可采用通風機并聯使用的方式。

2.4 強迫空氣冷卻系統的設計

強迫空氣冷卻系統的設計主要是將熱源的工作溫度控制在規定的范圍內，以及盡可能減少冷卻系統輸送空氣所需的冷卻功率。同時也應盡量減少冷卻系統的體積、重量、成本及降低噪音等。強迫空氣冷卻系統設計的步驟包括：

（1）確定冷卻空氣入口和出口的溫度和壓力；

（2）根據可靠性要求確定每個元器件的最高允許溫度；

（3）根據電特性和空間位置以及冷卻功率的要求確定每個元器件的排列和布置方式；

（4）確定雷諾數；

（5）根據系統的結構尺寸和確定的雷諾數，計算空氣流過每個元器件或元器件組的質量流量；

（6）計算系統的總壓力損失及需要的冷卻功率。

2.5 系統壓力損失及計算

通風系統壓力損失包括沒和阻力損失和局部阻力損失兩種。沒和損失是由氣流相互運動產生的阻力及氣流與系統（或管道）的摩擦所引起的，局部阻力損失是氣流方向發生變化或管道截面發生突變所引起的損失。具體計算參考GJB/Z 27-1992中9.3的規定。

2.6 內部元器件的布局安裝設計

箱體內部元器件的布局安裝設計按本文1.2.2的要求進行。

2.7 印制電路板的強迫空氣冷卻設計

印制電路板的強迫空氣冷卻設計按本文1.2.3的要求進行。

2.8 風道的設計

風道設計應滿足以下基本原則：

（1）盡量采用直通風道，避免氣流的轉彎，在氣流急劇轉彎的地方，應采用導風板使氣流逐漸轉向，使壓力損失達到最小；

（2）盡量避免風道的驟然擴展和收縮；

（3）進出風口設置距離應盡量遠，防止氣流短路；

（4）在機箱的面板、側板、后板沒有特別要求一般不要開通風孔，防止氣流短路；

（5）風道設計時為避免上游插框的熱量帶入下游插框，可以采用獨立風道，分開散熱；

（6）風道設計應保證插框單板或模塊散熱均勻，避免在回流區和低速區產生熱點；

（7）對于并聯風道應根據各風道散熱量的要求分配風量， 避免風道阻力不合理布局造成的風道高低壓區短路。

2.9 機箱的設計

非密閉式軍用計算機的機箱應滿足下列要求：

（1）進氣孔應設置在機箱下側或底部，但不要過低，以避免外部物質或水滴濺入機箱內部；

（2）排氣孔應設置在靠近機箱的頂部，但不要設置在機箱的頂部，以免外部物質或水滴落入機箱內部；

（3）空氣應自機箱的下方向上循環，應采用專用的進氣孔或排氣孔；

（4）應使冷卻空氣從熱源流過，防止氣流短路；

（5）應在進氣孔設置過濾網，防止異物進入機箱。

3 軍用計算機數字化熱分析

3.1 熱仿真設計的基本要求

Flotherm軟件是專門用于電子設備冷卻的熱控分析軟件，在方案設計階段，用軟件預測熱設計的可行性，優化主要元器件的位置、通風孔和通風機的大小、位置；確定系統的溫升，找出系統中的熱點和死點，了解系統中通過風機、排風孔的空氣在印制電路板間的流動；在詳細設計階段用軟件驗證方案階段分析結果的準確性；估計印制電路板上元器件的溫度；精確計算元器件周圍的空氣溫度；確定芯片的結溫、元器件的溫度、優化散熱器設計等。

3.2 Flotherm熱仿真步驟

3.2.1 建立模型

根據實際的系統，用Flotherm 提供的各種工具，在畫圖窗口中建立對應的模型，也可從CAD軟件中導入已建好的三維模型；在建模時，對實際系統中那些對熱分析影響不大的零部件，要進行簡化。

3.2.2 賦于屬性

模型中的每一個物體，都要賦予適當的屬性，這些屬性包括位置、大小、材料、表面狀況、熱方面的性能等。賦予的方法是：選中該物體，點右鍵，彈出菜單，選擇要賦予的屬性項。

3.2.3 設置求解域和相應的邊界條件

求解域是熱分析軟件求解器計算的空間區域，它可以和建立的模型相同大小，也可以大于模型。一般在強迫空氣冷卻的情況下，求解域與模型等大，在自然冷卻時，求解域大于模型。

邊界條件是賦予求解域六個面的空氣壓力、空氣溫度、對流換熱系數、空氣沿三個方向的速度，求解器會根據模型的情況，在計算時選取上述六個參數中的某些參數。

3.2.4 劃分網格

模型建好后，在求解前，需要劃分網格。網格劃分的一般原則是：

（1）關鍵點公差設置為1至2；

（2）網格的長寬比小于等于50；

（3）網格任意方向的大小要大于求解域；

（4）網格大小在某個方向的變化要漸進，不能太劇烈；

（5）靠近邊界的地方，網格要小。

3.2.5 求解

設置好重力方向（系統默認為Y-）、環境溫度、壓力等系統參數后，就可以求解。在求解前，要對模型進行自動檢查，Flotherm 會給出系統存在的信息、警告和錯誤。

3.2.6 分析結果

求解收斂后，查看計算的結果有三種方法：

（1）在 Visualization Window 的窗口中可以顯示求解域中最大的溫度（壓力、速度）及其位置；可以沿 X、Y、Z三個方向生成截面，用云圖的方法顯示截面上每個網格的溫度（壓力、速度）；可以用鼠標作為探測器，顯示出截面上每個網格的溫度（壓力、速度）值；可以顯示等溫面；可以顯示流場中一條線上各點流動的軌跡等；

（2）在 Table 表中可以用表格的形式，列出模型中各個物體的名稱、屬性；列出求解域中每個網格的溫度（壓力、速度）值；列出通過每個面的空氣流量、散發的熱量及平均溫度；列出風扇的工作點等；

（3）用 Flomation 可以仿真系統中空氣的流動。

4 結 論

軍用計算機的熱設計是采用適當可靠的方法控制計算機內部所有電子元器件的溫度，使其在所處的工作環境條件下不超過穩定運行要求的最高溫度，以保證軍用計算機正常運行的安全性，長期運行的可靠性。因為高溫對絕大多數電子元器件將產生嚴重影響，會導致電子元器件的失效，進而引起軍用計算機甚至整個軍事裝備的失效。

本標準在國內同類標準的編制尚屬首次，它不僅在技術內容上具有科學性、先進性和實用性，而且可操作性好，填補了在兵器行業中軍用計算機數字化熱設計領域的空白，對軍用計算機類電子設備的設計水平和設計質量具有重要意義。

主要參考文獻

[1]WJ 20309-2016 軍用計算機數字化熱設計與分析要求[S].2016.

[2]GJB 322A-1998 軍用計算機通用規范[S].1998.

[3]GJB/Z 27-1992 電子設備可靠性熱設計手冊[S].1992.

[4]GJB/Z 35-1993 元器件降額準則[S].1993.