基于ANSYS的机箱热仿真及结构改进设计

赵伟

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄 050081）

近年来，电子技术的发展主要呈现以下几种趋势[1-2]。第一，电子系统的集成度越来越高，其热流密度不断增加。第二，电子产品向微型化方向发展，功率更大，外形尺寸越来越小。第三，电子产品已经应用于各个领域，其适用环境不断扩大，而所处热环境差异较大。这些发展趋势使电子设备过热问题越来越突出。资料表明，半导体温度升高，会降低其可靠性[3]。电子设备温度每降低1 ℃，其失效率将下降4%。因此，对产品进行热仿真并找出良好的散热途径和方法是提高产品可靠性的关键。

有限元分析模型的绘制需要消耗大量时间，且需要掌握建模技巧和有限元方面的专业知识。ANSYS Workbench则可以提供CAD风格可视化建模环境，将以往用户难以掌握的建模技巧、单元关键字控制、边界条件加载等做成图标式命令。将A Workbench强大的前处理和A Classic个性化设置相结合，不仅可以加快模型前的处理工作，还可用熟悉的命令进行各种控制，显著加快模型创建进度[4-5]。

1 机箱的组成

本文以一款电子设备机箱为例。该机箱主要由外形框架和内部模块组成，分为前后两个区域。机箱采用插卡式模块设计，机箱中部为转接母版，前部竖插3个模块和电源模块，后部安装3个模块。它的结构三维模形如图1所示。

2 机箱热设计分析

机箱的使用环境温度最高为40 ℃，散热方式为内部传导和外表面自然散热。根据设备各发热器件功耗计算，设备工作时整个机箱的总发热功率按90 W计算。机箱热设计时，热流密度的计算方法为：

式中，Q为设备热功耗，S为有效散热面积。

图1 某电子设备机箱的结构设计

体积功率密度计算公式为：

式中，V为设备体积。

本机箱总功耗为90 W，其热流密度和体积功率密度分别为：

工作环境通风条件好的场合，散热器表面的热流密度大于0.039 W·cm-2而小于0.078 W·cm-2。工作环境通风条件恶劣的场合，散热器表面的热流密度大于0.024 W·cm-2而小于0.078 W/cm-2。这两种条件必须采用强迫风冷。本款机箱散热器表面的热流密度为0.014 8 W·cm-2，综合使用环境等因素，机箱设计为自然冷却的散热设计。它采用主要发热模块布局热管的冷板散热设计，大大提高了板卡热量对机箱外壁的传导速率，可以有效降低设备内部板卡的温度。

由机箱内部模块基本布局可知，信号采集板卡、基带板卡、信道单元以及综合处理单元等热源相对集中，更加需要辅助冷却手段导出机箱内部热量。根据以上的散热分析及全封闭EMC屏蔽设计要求，采用冷板导冷的散热方式。机箱结构设计采用各功能板卡增加冷板，冷板和机箱外壁紧密接触。机箱外壁设计有大量散热翅片，通过自然对流实现机箱外壁与环境的热交换。

为了更好地进行散热，在机箱左右侧外表面设计有散热翅，增大了散热面积并设计了散热齿。由于散热齿高度不大于10 mm，可以按散热齿间距不小于1.2倍散热齿高度来确齿间距。自然对流散热条件下，整个散热系统达到热平衡的时间较长，所以自然散热机箱的散热器的基板和散热齿厚应足够，以满足瞬时热负荷的冲击。综合考虑机箱外壁散热效果和机箱加工成本因素，机箱外壁散热器底板厚取3.5 mm、齿高7.5 mm、齿厚1.5 mm以及齿间距8.5 mm。

3 热管选型设计

热管的使用可以把需要冷却的电子元器件直接安装在热管上，或者将需要冷却的元器件装在平板上，然后把热管嵌在平板内。根据板卡结构和热源的分布，将热管设计为嵌入平板式安装。散热器件和板卡结构接触处涂导热胶，以减小接触热阻，充分发挥热管的传热性能。

根据监测，接收机信道与时频处理单元功耗加上信号采集与综合处理主板功耗为26 W，基带信号处理板单个模块功耗为6.5 W。由于各模块板卡槽位的尺寸限制，热管选用常用的作为工作液。在材料上，选用与工质水相容性较好的铜，选型为粉末烧结型铜质热管。

热管的长度选择上，要使热管尽可能覆盖发热器件，并依据各板卡的结构尺寸，选择热管的长度l1=0.30 m、l2=0.23 m。

选用泰瑞斯科技生产的直径为6 mm的烧结热管管，型号TRS-6-336。该型号热管长度l1=0.30 m时，其传输功率可达到35.7 W（40×0.3÷0.336）；长度为l2=0.23 m时，其传输功率可达到27.4 W（40×0.23÷0.336），完全能满足机箱内部功耗26 W和6.5 W的散热需求。因此，在信号采集与综合处理主板上装3根长度300 mm左右的热管，基带信号处理板分别装一根230 mm的热管，

4 热仿真

依据以上结构设计及机箱工作环境，应用ANSYS Workbench模块对整机进行热仿真，模块仿真结果如图2和图3所示。

图2 机箱内部各模块温度

由仿真结果可知，信号处理和综合处理冷板底部独立模块处导冷效果较差，原因是芯片散热处的导热路径为直角过度，热量不能顺利导出。通过更改结构设计，将热量集中位置的结构改为利于传热的斜接结构形式，增加了热传导面积，优化了传热路径。

5 结语

通过ANSYS有限元仿真软件热仿真结果可以看出，热仿真可以有效验证机箱的散热设计是否合理，机箱内部的各模块能否在要求的工作环境中稳定工作，温度能否控制在合理范围内，同时也能发现结构设计中存在的设计缺陷，并依据仿真结果针对性地进行优化设计，以有效避免因结构设计不足引起的热量集中问题。

热仿真模型较为复杂，且仿真模型和设定的各种边界条件与实际数据存在差别，因此需要与试验样机的试验结果进行比对，从而提高仿真准确度，进一步优化结构设计。使用ANSYS有限元仿真软件可以在产品设计初期快速地找出设计缺陷，以便更快发现结构设计中的薄弱点，大大缩减了产品研发周期。工程实践中CAE的深入开展，使电子设备结构设计领域进入了一个新阶段。