基于Icepak分析某电子机箱散热.pdf
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1、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
2、: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
3、 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 c
4、alculations.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
5、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
6、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
7、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 C
8、AD 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
9、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
10、,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 componen
11、t 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。
12、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
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