基于ANSYS的機箱熱仿真及結構改進設計

趙偉

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊 050081）

近年來，電子技術的發展主要呈現以下幾種趨勢[1-2]。第一，電子系統的集成度越來越高，其熱流密度不斷增加。第二，電子產品向微型化方向發展，功率更大，外形尺寸越來越小。第三，電子產品已經應用于各個領域，其適用環境不斷擴大，而所處熱環境差異較大。這些發展趨勢使電子設備過熱問題越來越突出。資料表明，半導體溫度升高，會降低其可靠性[3]。電子設備溫度每降低1 ℃，其失效率將下降4%。因此，對產品進行熱仿真并找出良好的散熱途徑和方法是提高產品可靠性的關鍵。

有限元分析模型的繪制需要消耗大量時間，且需要掌握建模技巧和有限元方面的專業知識。ANSYS Workbench則可以提供CAD風格可視化建模環境，將以往用戶難以掌握的建模技巧、單元關鍵字控制、邊界條件加載等做成圖標式命令。將A Workbench強大的前處理和A Classic個性化設置相結合，不僅可以加快模型前的處理工作，還可用熟悉的命令進行各種控制，顯著加快模型創建進度[4-5]。

1 機箱的組成

本文以一款電子設備機箱為例。該機箱主要由外形框架和內部模塊組成，分為前后兩個區域。機箱采用插卡式模塊設計，機箱中部為轉接母版，前部豎插3個模塊和電源模塊，后部安裝3個模塊。它的結構三維模形如圖1所示。

2 機箱熱設計分析

機箱的使用環境溫度最高為40 ℃，散熱方式為內部傳導和外表面自然散熱。根據設備各發熱器件功耗計算，設備工作時整個機箱的總發熱功率按90 W計算。機箱熱設計時，熱流密度的計算方法為：

式中，Q為設備熱功耗，S為有效散熱面積。

圖1 某電子設備機箱的結構設計

體積功率密度計算公式為：

式中，V為設備體積。

本機箱總功耗為90 W，其熱流密度和體積功率密度分別為：

工作環境通風條件好的場合，散熱器表面的熱流密度大于0.039 W·cm-2而小于0.078 W·cm-2。工作環境通風條件惡劣的場合，散熱器表面的熱流密度大于0.024 W·cm-2而小于0.078 W/cm-2。這兩種條件必須采用強迫風冷。本款機箱散熱器表面的熱流密度為0.014 8 W·cm-2，綜合使用環境等因素，機箱設計為自然冷卻的散熱設計。它采用主要發熱模塊布局熱管的冷板散熱設計，大大提高了板卡熱量對機箱外壁的傳導速率，可以有效降低設備內部板卡的溫度。

由機箱內部模塊基本布局可知，信號采集板卡、基帶板卡、信道單元以及綜合處理單元等熱源相對集中，更加需要輔助冷卻手段導出機箱內部熱量。根據以上的散熱分析及全封閉EMC屏蔽設計要求，采用冷板導冷的散熱方式。機箱結構設計采用各功能板卡增加冷板，冷板和機箱外壁緊密接觸。機箱外壁設計有大量散熱翅片，通過自然對流實現機箱外壁與環境的熱交換。

為了更好地進行散熱，在機箱左右側外表面設計有散熱翅，增大了散熱面積并設計了散熱齒。由于散熱齒高度不大于10 mm，可以按散熱齒間距不小于1.2倍散熱齒高度來確齒間距。自然對流散熱條件下，整個散熱系統達到熱平衡的時間較長，所以自然散熱機箱的散熱器的基板和散熱齒厚應足夠，以滿足瞬時熱負荷的沖擊。綜合考慮機箱外壁散熱效果和機箱加工成本因素，機箱外壁散熱器底板厚取3.5 mm、齒高7.5 mm、齒厚1.5 mm以及齒間距8.5 mm。

3 熱管選型設計

熱管的使用可以把需要冷卻的電子元器件直接安裝在熱管上，或者將需要冷卻的元器件裝在平板上，然后把熱管嵌在平板內。根據板卡結構和熱源的分布，將熱管設計為嵌入平板式安裝。散熱器件和板卡結構接觸處涂導熱膠，以減小接觸熱阻，充分發揮熱管的傳熱性能。

根據監測，接收機信道與時頻處理單元功耗加上信號采集與綜合處理主板功耗為26 W，基帶信號處理板單個模塊功耗為6.5 W。由于各模塊板卡槽位的尺寸限制，熱管選用常用的作為工作液。在材料上，選用與工質水相容性較好的銅，選型為粉末燒結型銅質熱管。

熱管的長度選擇上，要使熱管盡可能覆蓋發熱器件，并依據各板卡的結構尺寸，選擇熱管的長度l1=0.30 m、l2=0.23 m。

選用泰瑞斯科技生產的直徑為6 mm的燒結熱管管，型號TRS-6-336。該型號熱管長度l1=0.30 m時，其傳輸功率可達到35.7 W（40×0.3÷0.336）；長度為l2=0.23 m時，其傳輸功率可達到27.4 W（40×0.23÷0.336），完全能滿足機箱內部功耗26 W和6.5 W的散熱需求。因此，在信號采集與綜合處理主板上裝3根長度300 mm左右的熱管，基帶信號處理板分別裝一根230 mm的熱管，

4 熱仿真

依據以上結構設計及機箱工作環境，應用ANSYS Workbench模塊對整機進行熱仿真，模塊仿真結果如圖2和圖3所示。

圖2 機箱內部各模塊溫度

由仿真結果可知，信號處理和綜合處理冷板底部獨立模塊處導冷效果較差，原因是芯片散熱處的導熱路徑為直角過度，熱量不能順利導出。通過更改結構設計，將熱量集中位置的結構改為利于傳熱的斜接結構形式，增加了熱傳導面積，優化了傳熱路徑。

5 結語

通過ANSYS有限元仿真軟件熱仿真結果可以看出，熱仿真可以有效驗證機箱的散熱設計是否合理，機箱內部的各模塊能否在要求的工作環境中穩定工作，溫度能否控制在合理范圍內，同時也能發現結構設計中存在的設計缺陷，并依據仿真結果針對性地進行優化設計，以有效避免因結構設計不足引起的熱量集中問題。

熱仿真模型較為復雜，且仿真模型和設定的各種邊界條件與實際數據存在差別，因此需要與試驗樣機的試驗結果進行比對，從而提高仿真準確度，進一步優化結構設計。使用ANSYS有限元仿真軟件可以在產品設計初期快速地找出設計缺陷，以便更快發現結構設計中的薄弱點，大大縮減了產品研發周期。工程實踐中CAE的深入開展，使電子設備結構設計領域進入了一個新階段。