基于Icepak分析某电子机箱散热.pdf

第30卷 第12期2023年12月仪器仪表用户INSTRUMENTATIONVol.302023 No.12基于Icepak分析某电子机箱散热程文虎，杜昌堂，谢金金（南京熊猫通信科技有限公司，南京 210007）摘 要：以一种典型的电子机箱为案例，通过公式计算得到机箱内部元件的温升和采用的冷却方式，然后使用 ANSYSIcepak 软件对建立的简化电子机箱进行散热模拟计算，完成了机箱的材料定义，网格划分，对机箱进行了精确的热模拟计算。重点比较了公式计算结果和热模拟计算结果，为其他同类机箱散热设计提供参考依据。关键词：ANSYS Icepak 软件；电子机箱；散热中图分类号：TP31 文献标志码：AAnalysis of Heat Dissipation in an Electronic Chassis Based on IcepakCheng Wenhu，Du Changtang，Xie Jinjin（Nanjing Panda Communication Technology Co.,Ltd.,Nanjing,210007,China）Abstract：This article takes a typical electronic case as an example,calculate the temperature rise of internal components in the chassis and the cooling method used through formulas,Then use ANSYS Icepak software to conduct heat dissipation simulation calculations on the established simplified electronic chassis,implements the material definition and grid division of the chassis,and performs accurate thermal simulation calculations.The focus was on comparing the formulas calculation results with the thermal simulation calculation results,Provide reference basis for heat dissipation design of other similar chassis.Key words：ANSY Icepak software；electronic chassis；heat dissipation收稿日期：2023-08-25作者简介：程文虎（1984-），男，安徽安庆人，硕士研究生，工程师，产品结构设计师，研究方向：电子产品散热设计。DOI:10.3969/j.issn.1671-1041.2023.12.009文章编号：1671-1041(2023)12-0038-040 引言热设计就是通过合理的散热方式保证良好的热环境，确保电子设备可靠的工作。随着电子技术的迅速发展，电子设备的结构越来越复杂，越来越趋于小型化，热功耗日益增加，过高的温升必将影响设备的可靠性。据统计有超过一半的故障是由热引起的，并且故障率会随温度升高成指数式增长，因此电子设备的散热问题引起人们的广泛关注。Icepak 软件热仿真是一种高效、简便、经济的技术手段，其结果可以与公式计算的结果进行比较，针对性地对电子产品的热设计方案进行优化。基于 ANSYS Icepak 的车载电源机箱热仿真分析1得出机箱外壳的温度受环境的影响大，散热鳍片能有效降低机箱背面的温度。基于 Icepak的某电子设备散热设计2分析了某电子设备散热设计过程，验证通过公式选择散热方式的合理性，从而缩短产品的研发周期。基于 Icepak 的电子机箱散热分析3模拟电子设备内部温度场分布情况，实现对整个设备结构是否满足设计目的的快速验证。本文通过经验公式计算产品的温升和选择的散热方式，介绍了某电子设备散热分析过程，通过 ANSYS Icepak 平台进行设备热仿真分析，对比经验公式的计算结果进行比较，减少从设计到生产，再设计再生产循环，分析结果将为电子机箱设备的散热结构提供参考。1 电子机箱热设计1.1 物理模型设计在建立 Icepak 热仿真分析模型的过程中，一个基本的原则是应尽量使用 Primitives，这样才有利于顺利划分高质量的网格。如果并不想使用 Primitives 来构建模型，那么就应该考虑采用带有一致网格参数控制、多级网格加密控制和允许阶梯型网格解析的 N/C ASM 来对重点区域进行网格程文虎基于Icepak分析某电子机箱散热第12期39划分。实际中，经常采用的方法是通过 CAD 软件进行模型设计，然后利用 CAE 前处理模块中的数据接口将模型导入至 CAE 软件中。显然，这种 CAD 模型往往不属于 Icepak Primitives。通常现有的 CAE 软件并不提供复杂的建模功能，面临的一个重大挑战是如何将 CAD 模型改造成适合网格划分和仿真分析的 CAE 模型。在很多情况下，CAD 模型包含很多设计细节，如细小的孔、圆角以及建模过程中形成的小面等。这些细节往往不是基于结构分析的考虑，保持这些细节会加大网格划分的难度，增加单元数量，甚至会掩盖问题的主要矛盾，对求解计算和分析结果造成重大影响。再者，导入的 CAD 模型中的一些几何和拓扑错误也可能会导致网格划分失败或不正确，在导入的过程中有时还会出现缝隙和丢面现象。应根据仿真分析的目的，权衡模型详细程度和计算资源消耗之间的关系，抓住主要因素来建立正确、可靠、切实、可行的分析模型，否则会顾此失彼而无法完成一个仿真分析4。本研究以标准 1U 机箱模型为例，如图 1 所示。该设备外形尺寸为长 高 深=482.6mm43.6mm250mm，主要由主板单元和电源单元组成，PCB 板底部贴导热硅胶，热量通过传导至底板散热。仿真时对模型进行相应的简化，将电路板上较小、功率较低的元件，如电容、电阻等删除，将起连接作用的紧固件，如螺钉、螺母、平垫、弹垫等删除，对一些不影响结构散热的圆角倒角、电连接器等删除，忽略机箱内部线缆的热损耗，简化 PCB 板，忽略板上对热传导影响不大的开孔。虽然对产品进行了局部的简化，删除了部分元件，但是删除的元件发热较小，对整个产品的散热影响较小，对减少 Icepak 软件的网格划分数量，提高软件的计算速度有较大的提高。1.2 模型参数输入各发热元件的材料热导率和发热功耗见表 1，主要发热部分是内部元件，其余的离散元器件由于发热量比较小，估算中忽略。机箱外壳的材料为铝型材料，忽略导热硅胶与 PCB 板，导热硅胶与底板之间的接触热阻，各发热器件采用热导率 13.5W/mK 材料，系统总功耗为 6.5W，环境温度 20。图1 机箱模型Fig.1 Chassis model表1 元件材料热耗信息表Table 1 Heat consumption information of component materials表2 PCB板各层材料信息表Table 2 Material information of each layer of PCB board从表 1 中可以看出发热量大的是 U1 和 U2，且分布集中，其它元件的发热量相对较小，且分布分散。1.3 主板单元PCB建立电路板模型由于电路板是 FR4 和多层铜箔组成的复合材料，并且各层铜箔分布不一，因而电路板呈现各向异性的热导率。ANSYS Icepak 提供基于对象的建模方式，建立电路板模型。PCB 板 尺 寸 为 250mm（长）150mm（宽）2mm（厚）共包含 4 层铜箔，各层铜箔、FR4 的厚度及含铜率百分比见表 2。计算得到此电路板切向热导率为 44.5352W/mK，法向热导率为 0.411673W/mK。1.4 网格划分1.4.1 网格类型网格划分是由 CAD 模型向 CAE 分析模型转换的核心工作，划分出兼顾计算可行性和结构可靠性的网格是确保仿真质量的前提。Icepak 软件提供了方便的自动化网格生成器，其中包括非结构化网格、六面体主导网格、笛卡尔正交网格。它们各有所长，适合处理不同类型的模型。从网格形状的角度，可将网格划分为六面体主导网格（Mesher-HD）和六面体网格（Hexa），Mesher-HD 简称为HD 网格。其中，HD 网格又可按不带额外控制和带额外控制的方式来生成，带额外控制的如正交化 HD 网格、多级HD 网格，以及是否存在 HD 网格边界使用一致网格参数等，六面体网格又可按“坐标化”和“非结构化”方式来生成。1.4.2 网格使用场合HD 网格是 Icepak 默认的首选网格类型，适合用来对 Icepak Primitives 和导入的 CAD 对象进行划分（此处的CAD 对象是与 Primitives 相对的）。CAD 对象只能使用 HD第30卷40 仪器仪表用户 INSTRUMENTATION图2 冷却方法的选择Fig.2 Selection of cooling methods图3 适用于密封单元内部的冷却Fig.3 Applies to the cooling inside the sealing unit网格划分，例如由其他 CAD 软件生成的中间格式模型，这些模型不加处理时，绝大多数情况下不是 Primitives。HD网格主要由包含六面体、四面体、棱柱体以及金字塔的混合网格模型形成，其中六面体网格占据大多数。采用先进算法，可以得到十分逼近 CAD 几何体形状的 HD 网格，还可以采用笛卡尔正交化 HD 网格，配合多级网格控制来对复杂 CAD 对象进行边界加密的正交化解析（或者称之为阶梯型网格解析），这将在倾斜的表面或曲面处使用正交化网格来近似地解析几何。因此，HD 网格类型具有普遍的适应性。Hexa unstructured 网 格 主 要 适 合 于 用 来 对 Icepak Primitives 进行贴体化的网格划分，对所有 Primitives 的形状解析效果均较好，其中只包括含有六面体网格，而使用Hexa unstructured 划分的网格均为六面体。如果整个模型中仅仅只包含有 Primitives，那么选用该类型网格就值得推荐。但是，如果对仅仅包含 Primitives 的 N/C ASM 使用 Hexa unstructured 网格划分，则该 N/C ASM 的边界不能和多边形对象相交。在某些场合中，例如长直的薄波纹片焊接在风道内，如果采用 HD 网格解析这些波纹片，有时会产生质量问题，建议采用 Hexa unstructured 网格进行解析。Hexa cartesian 网格也主要适合于对较简单的 Icepak Primitives 进行划分，一个显著特点是所有网格均对齐于总体坐标轴。也就是说，不论是 2D 还是 3D 网格，其生长方向始终沿着坐标轴，网格均为正交形状的四边形或六面体。在这种情况下，如果遇到含有倾斜面、曲面等边界的 Icepak Primitives（如斜台、圆柱），则在边界上自动使用“Stair-stepped”控制，即使是在倾斜面、曲面边界上仍将生成正交网格，对此应谨慎考虑，这意味着使用 Hexa cartesian 网格，将会关闭“O-grid”过渡网格。三维模型在导入前将不规则模型与弧形进行了简化，故使用 Mesher-HD 六面体占优网格单元数为 75512。2 电子机箱热分析计算2.1 机箱热设计要求与原则结构热设计要求设计出适合本设备需求的冷却系统，在热源至最终散热环境之间提供一条把热量迅速传递出去的低热阻通道，以便满足设备的可靠性要求。结合实际情况，使得各个设备具有良好的散热性能和耐温性能，在预期的热环境下，把电子元器件的温度控制在规定的数值以下，确保设备在规定的工作环境温度范围内能稳定可靠的工作，在规定的贮存温度范围内结构功能不受损坏，设备具有良好的环境适应性。设备具有高可靠性，所采用的元器件、零件、部件及材料选择充分考虑设备所处的环境温度，合理进行热设计，确保元器件的温度不超过最高允许温度，满足系统的可靠性指标要求。冷却系统具有良好的维修性，生产、维护方便，冷却系统有良好的安全性设计。2.2 机箱热设计计算机箱设备的总功耗：=6.5W。设备箱体的尺寸（WHD）为：430mm39.6mm250mm。箱体的表面积：A=2（433.96+4325+3.9625）=1344.28cm2。箱体的体积：V=433.9625=4257cm3热流密度：=/A=6.51344.28=0.0048W/cm2。体积功率密度：V=/V=6.54257=0.0015W/cm3。由于热流密度=0.0048W/cm2，当采用自然空气冷却时，对应图 2（冷却方法的选择）可发现，设备的整体温升约为 20左右。在该温升下，设备可正常工作。参考图3（适用于密封单元内部的冷却），体积功率密度 V=0.0015W/cm3 0.009W/cm3，理论上可采用自然空气冷却的散热方式。热量通过“元件导热硅胶机箱外壳周围环境”这条散热途径有效地将元件产生的热量传至外部环境。程文虎基于Icepak分析某电子机箱散热第12期41自然散热一般包括热传导、热对流、热辐射 3 种热量交换方式5。为了提高机箱的散热，采用以下几种方式：尽量使发热元件分散放置于设备内部空间，保证每个发热元件侧边留有足够的空隙。发热元件产生的热量传递给侧边空气，经空气热传导到设备壳体，通过壳体将热量散布到周围环境中；使用高导热系数的柔性导热硅胶垫，将发热元件的热功耗元器件和机箱壳体无间隙连接，降低整个热传导途径的热阻，从而将元器件产生的热量迅速导到机箱壳体上；为提高导热效率，机箱结构件采用导电氧化处理。3 Icepak散热仿真3.1 设置松弛因子及判断求解收敛性由于流体力学中要求解非线性方程，在求解过程中，控制变量的变化是很有必要的，这时就需要通过松弛因子来实现。它控制变量在每次迭代中的变化，也就是说变量的新值为原值加上变化量乘以松弛因子。松弛因子可控制收敛的速度和改善收敛的状况，如果松弛因子取值为 1，相当于迭代计算值不使用松弛因子，如果大于 1 则可称为超松弛因子，可加快计算收敛速度，而如果小于 1 则可称为欠松弛因子，可改善收敛条件。欠松弛因子主要用于防止两次迭代值相差太大而引起非线性迭代过程的迭代。Icepak 默认的松弛因子值在 0 1之间，越小表示两次迭代值之间变化越小，也就是越稳定，但收敛也就越慢。一般来讲，在收敛曲线不是很好的时候，可考虑采用一个较小的松弛因子。在 Icepak 中默认的欠松弛因子适合大多数情况，但是对于一些特殊的非线性问题，如某些流动剧烈的湍流或者高 Reynolds 数自然对流问题，在计算开始时要慎重减少欠松弛因子。对于大多数流动，加大松弛因子使残差在经过 4 5 步的迭代后仍然增长，且残差变化幅度达到几个量级，就需要减小松弛因子重新进行计算。建议自然对流压力、流量松弛因子分别为0.7,0.3。一般从以下 3 个方面判断 Icepak 热分析结果的收敛性：1）监控点处的参量值（基本上）不再随计算步数的增加而变化。2）各个参量的残差随计算步数的增加而降低，最后趋于平缓。3）要满足质量守恒或者是质量与能量守恒。特别要指出的是，即使前两个判据都已经满足了，也并不表示已经得到合理的收敛解了。因为，如果松弛因子设置得太紧，各参数在每步计算的变化都不是太大，也会使前两个判据得到满足，此时就要看第三个判据了。还需要说明的就是：一般希望在收敛的情况下，残差越小越好，但是残差曲线是全场求平均的结果，其大小并不一定代表计算结果的好坏，有时即使计算的残差很大，但结果也许是好的，关键是要看计算结果是否符合物理事实，即残差的大小与模拟的物理现象本身的复杂性有关，应从实际物理现象上看计算结果并判断其合理性6。3.2 热仿真计算结果根据上面计算结果，该设备可使用自然散热方式。首先在 Creo 中建立 CAD 模型，简化后导入 Icepak 中，定义材料和功率，划分网格，最大迭代次数 100 次，环境温度20，考虑辐射影响。根据初始条件求解得到机箱达到热稳态时的发热元件温度分布情况如图 4，可以看出，发热元件 U1，U2 温度高，最高温升 22.5。这与公式计算得到的设备整体温升约为20左右一致。4 结束语本文主要是以一个自然散热机箱的散热案例，通过公式计算了机箱内部的温升，推导机箱的冷却方式，然后与Icepak 软件散热仿真结果进行比较，两种方法得出的结果一致。从而缩短产品的研发周期，为其他电子机箱设备的结果设计提供参考。参考文献：彭锦,李海霞,张翔,等.基于ANSYS Icepak的车载电源机箱热仿真分析J.上海师范大学学报（自然科学版）,2022,.51(04):544-549.苏志强.基于Icepak的某电子设备散热设计J.舰船电子对抗,2022,43(03):126-128.陈明辉,周瑜,马士杰,等.基于Icepak的电子机箱散热分析J.电视技术,2021,46(05):132-135.任恒,刘万钧,黄靖,等.基于Icepak的密闭机箱热设计研究J.电子科学技术,2015,02(06):639-644.刘恒,张学新,陈正江.基于Icepak的通信电子设备热设计及优化研究J.通信技术,2014,47(09):1104-1108.李昂,杨诚,贾艺歌,等.基于Icepak电源插件散热仿真分析J.仪器仪表用户,2021,28(05):56-59.图4 发热元件温度分布云图Fig.4 Temperature distribution cloud diagram of heating element123456