基于SolidWorksSimulation的CPU散熱器優化設計

2019-07-19 05:45:01潘濤王開松許寧

山東工業技術 2019年17期

潘濤王開松許寧

摘要：CPU芯片的散熱對其是否能夠正常運作起到關鍵作用，因此對CPU散熱研究有重要意義，強迫風冷CPU散熱是最為常用的一種散熱方法。利用SolidWorks Simulation對CPU芯片散熱器進行了強迫對流的條件下的溫度分布及靜應力情況分析，并根據溫度分布和靜應力分析結果，對CPU芯片散熱器尺寸進行優化設計，從而為散熱器的設計和制造提供了可靠的依據。

關鍵詞：CPU散熱器;Simulation;熱力分析;強制對流

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.113

0 引言

隨著計算機科學的不斷發展，計算機CPU芯片的速度在不斷提高，CPU散熱問題也越來越突出。其原因在于CPU的工作溫度關系到計算機的穩定性和使用壽命，只有其工作溫度保持在合理的范圍內，計算機才可能進行長久有效的工作[1]。CPU空冷強迫式對流散熱器成本低、工藝簡單、性能可靠，在散熱器中占有主導地位。為更快把熱量散發出去，散熱片通常采用導熱系數高的金、銅、鋁等材料; 為降低成本并且兼顧散熱性能，一般選擇銅質材料[2]。散熱器的散熱效果主要取決于散熱器中翅片高度、翅片厚度及翅片間距，本文通過建立散熱器模型，對散熱器進行熱力分析、靜應力分析及優化設計，以達到在基本結構不變的情況下，散熱器性能的最優設計。在對散熱器優化的過程中，總計出散熱器設計中存在的普遍性規律，為以后的散熱器設計提供了重要的參考依據。

1 優化方案的制定

首先，為CPU散熱器假定一枚工作對象，其主要參數如表1。

CPU發熱的主要性能指標為熱設計功（TDP），TDP功耗是處理器的基本物理指標。它的含義是當處理器達到負荷最大的時候，釋放出的熱量，單位同樣以W計量。TDP也并非恒定不變，但是單顆處理器的 TDP值是固定的。而散熱器必須保證在處理器TDP最大的時候，處理器的溫度仍然在設計范圍內。根據CPU散熱器的特性，可知其主要性能指標為散熱效果，故需要對散熱器進行熱力分析，另散熱器的材質會因為受熱產生應力、位移變形所以需對其進行靜應力分析。最后，根據熱力分析結果和靜應力分析結果選擇適當的優化變量和優化約束條件，以最小溫度為目標進行優化。

2 優化過程

2.1 CPU散熱器三維模型的建立

風冷散熱器的工作原理是通過表面接觸，將CPU 散發的熱量傳遞到熱傳導系數高的散熱鰭片上，再通過上端風扇產生對流風迫使鰭片表面堆積的熱量和空氣發生熱交換，從而將熱量散發到空氣中[3]。

在CPU散熱器的設計中，其散熱效果主要受到對流面積，對流系數的影響，對流系數主要由CPU散熱風扇決定，而對流面積則是CPU散熱器的主要設計因素。

建立模型如圖2所示，其外觀尺寸為135×75×165.5mm，其翅片厚度為1.75mm，其翅片間距為1mm。材料為銅。

2.2 熱力分析

2.2.1 生成熱力算例

單擊算例顧問的向下箭頭，然后選擇新算例，在類型中選擇熱力，確定后右鍵單擊算例圖標，選擇屬性，將求解類型選擇為穩態。

2.2.2 指派散熱器材料

在 Simulation 算例樹中，右鍵單擊散熱器，然后選擇應用/編輯材料，選擇紅銅合金下的銅作為散熱器的材料。

2.2.3 應用熱量和對流

單擊熱載荷，并選擇熱量，出現如圖3所示界面，將所選實體面設置為圖2所示面1，在熱量下將單位設為SI，將熱量設為CPU散熱器的假定工作對象I7 7700 CPU的熱設計功耗。

單擊熱載荷，并選擇對流，出現如圖4所示界面，將所選實體面選擇為所有敞開面，在熱量下將單位設為SI，將對流系數設置為70W/（m2.k），總環境溫度設置為298k。

2.2.4 網格化模型并查看熱力結果

在 Simulation 算例樹中，右鍵單擊網格，然后選擇生成網格，選擇合適的網格密度，在網格參數中，選擇基于曲率的網格，確定如圖5所示參數，并在選型下，選擇運行（求解）分析。

在 Simulation 算例樹中，打開結果文件夾，雙擊熱力1顯示圖解。根據圖6所示熱力圖解可以看出散熱器模型的最高溫度為41.3攝氏度，最低溫度為24.9攝氏度，該溫度可以達到CPU所需散熱要求。

2.3 靜應力分析

2.3.1 生成靜應力算例

單擊算例顧問的向下箭頭，然后選擇新算例，在類型中選擇靜應力分析，確定后右鍵單擊算例圖標，選擇屬性，在解算器下選擇FFEPlus，在流動/熱力效應選項卡上，在熱力選項下，選擇熱力算例的溫度，并在應變為零時的參考溫度內輸入298k。

2.3.2 指派散熱器材料

將熱力算例中的零件文件夾拖動到靜應力分析算例。

2.3.3 固定散熱器

在 Simulation 算例樹中，右鍵單擊夾具，然后選擇固定幾何體，在夾具的面、邊線、頂點框中，選擇散熱器底部的四個孔。

2.3.4 網格化模型并查看靜應力結果

網格化方法與熱力分析中網格化方法一致。生成應力圖解如圖7，生成位移圖解如圖8，生成應變圖解如圖9。通過查看圖7可知最大應力為1.608e+008N/m2，最小應力為5.697e+002N/m2，均小于銅的屈服力2.586e+008N/m2。通過查看圖8可知最大位移為0.0153mm，最小位移為1e-030mm，位移較小符合要求。通過圖9可知，最大應變為8.767e-004，最小應變為4.117e-009，應變較小，符合要求。

2.4 通過設計算例的形狀優化

2.4.1 生成新設計算例

右鍵單擊靜應力分析算例選項卡，然后單擊選取生成新設計算例，單擊設計算例選項，在設計算例質量下選擇高質量（較慢）。

2.4.2 定義變量視圖中相關參數

將翅片厚度及翅片間距設置為變量，位移及應力設置為約束，熱力最小化設置為目標。具體參數見圖10。

2.4.3 查看優化結果

通過定義變量視圖中的相關變量并運行，可得44種情形，其中38種情形運行成功。運行結果見圖11。

3 結論

本文通過SolidWorks Simulation對CPU散熱器進行了有限元分析，通過對CPU散熱器的熱力分析、靜應力分析及形狀優化得出以下結論：

（1）未優化前散熱器模型與優化后散熱器模型散熱效果基本一致，最初設計基本合格;

（2）通過優化分析發現影響散熱器散熱性能的主要因素為翅片間距，在翅片間距達到3mm以上時，溫度明顯增高;

（3）翅片間距對散熱器的應力影響較大，在翅片間距為3mm時，應力處于最大值;