開放式強(qiáng)迫風(fēng)冷機(jī)柜強(qiáng)度及散熱性能驗(yàn)證

倪 明，侯世紅

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

隨著我國(guó)海軍力量邁向深藍(lán)，遠(yuǎn)程戰(zhàn)略運(yùn)輸、投送能力跨越式發(fā)展，對(duì)現(xiàn)有各類車載設(shè)備抗振動(dòng)、抗沖擊性能提出了更為嚴(yán)苛的要求。機(jī)柜作為通用類集成平臺(tái)，廣泛用于各類艦載、車載、機(jī)載軍用系統(tǒng)中，使用環(huán)境相對(duì)惡劣，諸如車載、艦載裝備，其使用環(huán)境存在振動(dòng)、沖擊等嚴(yán)酷工況；與此同時(shí)，隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，各類電氣設(shè)備、電路及元器件均呈現(xiàn)高集成、大功率的發(fā)展趨勢(shì)，機(jī)柜產(chǎn)品作為各類電子模塊集成平臺(tái)，其散熱性能不僅對(duì)內(nèi)部功能模塊穩(wěn)定運(yùn)行存在直接影響，更是進(jìn)一步提升模塊性能指標(biāo)的主要限制因素。開放式強(qiáng)迫風(fēng)冷機(jī)柜以環(huán)境空氣為散熱流體，利用換熱風(fēng)機(jī)推動(dòng)完成機(jī)柜內(nèi)換熱循環(huán)，較之普通密閉機(jī)柜能有效提升散熱能力。 開放式機(jī)柜產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、定型過(guò)程中，需論證各類振動(dòng)工況，確定機(jī)柜的振動(dòng)特性符合軍品參數(shù)要求,散熱風(fēng)道設(shè)計(jì)合理、有效，散熱能力滿足要求。研究機(jī)柜產(chǎn)品激勵(lì)響應(yīng)及散熱能力的方法主要分為實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值仿真，其中仿真計(jì)算具有研究成本低、效率高等特點(diǎn)，可作為產(chǎn)品開發(fā)的初級(jí)設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

1 研究對(duì)象

開放式強(qiáng)迫風(fēng)冷機(jī)柜柜體為整體鑄造，本文根據(jù)開放式機(jī)柜艦載裝備抗沖擊性能要求及實(shí)際散熱需求，采用有限元分析軟件Ansys完成模型建立、簡(jiǎn)化及靜力學(xué)分析，根據(jù)機(jī)箱內(nèi)模塊實(shí)際極限功率熱耗情況完成機(jī)柜極限散熱性能分析。

通過(guò)三維軟件建立開放式機(jī)柜三維模型，將機(jī)柜三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件Ansys，利用靜力學(xué)分析模塊對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行邊界設(shè)置，有限元網(wǎng)格劃分，添加載荷，設(shè)置約束方式，建立機(jī)柜有限元模型，利用軟件內(nèi)置求解器對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)及沖擊響應(yīng)分析計(jì)算；將模型導(dǎo)入Icepak熱分析模塊，設(shè)置邊界條件及初始條件，對(duì)模型進(jìn)行散熱情況分析，完成機(jī)柜穩(wěn)態(tài)溫度云圖，仿真過(guò)程如圖1所示。

圖1 仿真流程圖

2 模型分析

根據(jù)機(jī)柜在實(shí)際使用過(guò)程中承受載荷情況分析，機(jī)柜電子設(shè)備固定于各組合內(nèi)，組合通過(guò)兩側(cè)導(dǎo)軌將受力傳遞至機(jī)柜骨架上，各導(dǎo)軌通過(guò)過(guò)渡板與機(jī)柜骨架連接，因此可以將設(shè)備的結(jié)構(gòu)載荷加載到模型骨架和導(dǎo)軌過(guò)渡板的接觸面上，根據(jù)機(jī)柜的實(shí)際使用狀態(tài)，對(duì)機(jī)柜底部減震器和背部減震器與固定接觸面采取固連的約束條件。在該計(jì)算模型中，由上至下共分為5層,各組合重量分別為38.5 kg、41 kg、45 kg、40 kg、18.9 kg (合計(jì)183.4 kg)。

在該模型分析中，各構(gòu)件主要材料為鋼和鋁，其材料物性參數(shù)如表1所示。

表1 模型材料基本物性參數(shù)

為了保證計(jì)算精度及減小模型運(yùn)算量，結(jié)合機(jī)柜模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工程實(shí)際，在有限元建模時(shí)做以下兩點(diǎn)簡(jiǎn)化：

(1) 將螺栓連接簡(jiǎn)化為固連；

(2) 將各組合視為密度均勻的實(shí)體(載荷)。

經(jīng)過(guò)有限元網(wǎng)格劃分，得到機(jī)柜的有限元模型，如圖2所示。該模型共有212 938個(gè)單元，390 465個(gè)節(jié)點(diǎn)。幾何模型的總質(zhì)量為337.1 kg。

圖2 機(jī)柜網(wǎng)格模型

3 靜力學(xué)仿真

3.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析能初步確定系統(tǒng)的固有頻率狀態(tài)，通過(guò)與國(guó)軍標(biāo)要求進(jìn)行計(jì)算比對(duì)，進(jìn)一步確定機(jī)柜抗振性能合規(guī)。

根據(jù)模態(tài)基礎(chǔ)理論，得到離散化n自由度系統(tǒng)動(dòng)力平衡方程如下：

(1)

式中：M為質(zhì)量矩陣；X為位移矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；F(t)為激振力列陣。

在實(shí)際工程仿真工作中，常常忽略阻尼結(jié)構(gòu)對(duì)研究對(duì)象固有頻率及振型的影響，故通過(guò)公式(1)可得出無(wú)阻尼狀態(tài)的自由振動(dòng)表達(dá)式為：

(2)

機(jī)柜各節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)諧振動(dòng)位移為：

x=X·sin(ωt+φ)

(3)

式中，x為各節(jié)點(diǎn)振型向量；ω為對(duì)應(yīng)階固有頻率；φ為相位角。

將式(3)代入式(2)中解得：

(K-ω2·M)·X=0

(4)

上式存在非零解的充分條件為：

|K-ω2·M|=0

(5)

將上式展開可得特征解為：

0<ω1≤ω2≤…≤ωn

(6)

式中:ωn為第n階固有頻率。

為有效確定機(jī)柜模型低頻截止頻率及應(yīng)力響應(yīng)，一般只分析低階特征值?，F(xiàn)通過(guò)有限元分析軟件Ansys，得到機(jī)柜在給定約束條件下的前4階固有頻率如表2、圖3所示。

表2 各階模態(tài)頻率

圖3 機(jī)柜1～4階約束模態(tài)應(yīng)力影響形變?cè)茍D

根據(jù)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GB1060規(guī)定，本次研究機(jī)柜歸屬乙類設(shè)備，分析系統(tǒng)的截止頻率按以下公式確定：

(7)

在本機(jī)柜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，總質(zhì)量為337.1 kg，計(jì)算得到系統(tǒng)的截止頻率fc=71.47 Hz，由仿真分析結(jié)果可知，系統(tǒng)的一階固有頻率為107.8 Hz，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 振動(dòng)仿真

根據(jù)GJB150.16 A-2009軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法中對(duì)軍用裝備的振動(dòng)要求[1]，選擇組合輪式車輛振動(dòng)環(huán)境為振動(dòng)輸入環(huán)境，功率譜密度如表3、圖4所示。

表3 振動(dòng)功率譜密度參數(shù)

圖4 組合輪式車輛振動(dòng)環(huán)境PSD圖

將功率譜密度參數(shù)輸入振動(dòng)計(jì)算模塊，得到機(jī)柜振動(dòng)響應(yīng)分析結(jié)果如圖5所示，在給定的振動(dòng)環(huán)境輸入條件下，得到機(jī)柜的最大應(yīng)力為58.91 MPa，并未超出材料的屈服極限，因此在此振動(dòng)環(huán)境下，機(jī)柜的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足振動(dòng)要求。

3.3 沖擊仿真[2]

根據(jù)機(jī)柜的實(shí)際使用狀態(tài)，將機(jī)柜底部和背部減震器與支撐板固定，按照GJB1060內(nèi)沖擊設(shè)計(jì)加速度求解方法及機(jī)柜設(shè)計(jì)參數(shù)要求，設(shè)置沖擊設(shè)計(jì)加速度峰值為42 g，編輯垂向剛性連接施加沖擊譜(沖擊持續(xù)時(shí)間5.5 ms，峰值為42 g)，總觀測(cè)時(shí)間為8 ms，譜型如圖6所示。

圖5 機(jī)柜振動(dòng)分析平均應(yīng)力云圖

圖6 加速度輸入譜線

得到機(jī)柜的沖擊載荷響應(yīng)如圖7(a)所示，最大載荷應(yīng)力為315.75 MPa，通過(guò)查看各部件的應(yīng)力狀態(tài)可知，最大應(yīng)力出現(xiàn)點(diǎn)為背部減震器與機(jī)柜的連接點(diǎn)，其應(yīng)力狀態(tài)如圖7(c)所示。

圖7 機(jī)柜、背部減震器及不含減震器的機(jī)柜本體平均應(yīng)力云圖

通過(guò)對(duì)比機(jī)柜各部件的應(yīng)力狀態(tài)可知，機(jī)柜承受沖擊載荷后的最大應(yīng)力(315.75 MPa)點(diǎn)位于背部減震器上，機(jī)柜主體(含各組合)的最大應(yīng)力為126.17 MPa。由于減震器強(qiáng)度較高，315.75 MPa未超過(guò)其屈服應(yīng)力；同時(shí)機(jī)柜本體所承受的應(yīng)力較低，未超過(guò)其材料屈服極限：由力學(xué)分析可知，機(jī)柜的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

4 散熱仿真

4.1 散熱要求

開放式機(jī)柜擬實(shí)現(xiàn)散熱能力：?jiǎn)螜C(jī)柜散熱≤1 100 W，風(fēng)機(jī)組件功耗≤200 W，其中機(jī)柜內(nèi)安裝的標(biāo)準(zhǔn)密閉機(jī)箱允許散熱≤300 W，開放式機(jī)箱允許散熱≤400 W，模塊極限溫度≤60 ℃。

4.2 模型簡(jiǎn)化

機(jī)柜內(nèi)部由上至下布置1個(gè)密閉機(jī)箱(7U，15個(gè)熱源模塊，總熱耗為300 W)和2個(gè)開放式機(jī)箱(9U，10個(gè)帶散熱片的熱源模塊，總熱耗為400 W)，總散熱量1 100 W；風(fēng)機(jī)組件為機(jī)柜風(fēng)道提供風(fēng)壓，簡(jiǎn)化風(fēng)機(jī)組件和機(jī)柜的連接，將其視為一個(gè)整體進(jìn)行建模；將對(duì)散熱影響較小的倒角、螺紋孔、密封圈槽、減震器、加強(qiáng)筋等特性進(jìn)行簡(jiǎn)化；各構(gòu)件材料為Al-Extruded，換熱介質(zhì)為Air。由于機(jī)柜內(nèi)熱源分布較為分散，選用抽風(fēng)冷卻形式，機(jī)柜上部布置2只軸流風(fēng)機(jī)，出風(fēng)口靠機(jī)柜后側(cè)，由下至上進(jìn)行抽風(fēng)，輸入功率65 W，轉(zhuǎn)速2 300 r/min，風(fēng)量13 m3/min；各組合背部安裝1只軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)為抽風(fēng)形式，機(jī)柜內(nèi)風(fēng)道布置如圖8所示[3]。系統(tǒng)散熱量計(jì)算公式如下：

Q=Δ(T0-Tx)×q×Cp

(8)

式中：Q為系統(tǒng)散熱功率；T0為冷卻流體的初始溫度；Tx為冷卻流體的出口溫度；q為風(fēng)機(jī)風(fēng)量；Cp為空氣比熱容(常溫值)。

圖8 機(jī)柜內(nèi)部風(fēng)道走向

4.3 仿真計(jì)算

計(jì)算強(qiáng)迫對(duì)流仿真時(shí)，自然對(duì)流和輻射的功率占比極小，本次計(jì)算忽略自然對(duì)流及輻射換熱的影響[4]。

邊界條件：設(shè)置環(huán)境溫度(風(fēng)道進(jìn)口溫度)為40 ℃；熱載荷設(shè)置：密閉機(jī)箱總熱耗為300 W；開放式機(jī)箱總熱耗為2×400 W；機(jī)柜內(nèi)總熱載荷為1 100 W。

4.4 仿真結(jié)果

機(jī)柜、機(jī)箱及模塊溫度場(chǎng)云圖如圖9所示。

由熱仿真[5]結(jié)果可知：

(1) 機(jī)柜內(nèi)部風(fēng)道設(shè)計(jì)合理，流場(chǎng)內(nèi)流通順暢，不存在短路及回流現(xiàn)象，出風(fēng)口最低溫度≥44 ℃，由公式(2)求得，風(fēng)冷系統(tǒng)散熱功率≥2 242.5 W，滿足機(jī)柜散熱要求；

(2) 機(jī)柜內(nèi)越靠近機(jī)柜上部的組合入口處溫度越高，自下至上呈梯度分布；

(3) 密閉式機(jī)箱整體溫度普遍高于開放式機(jī)箱；

(4) 各類機(jī)箱及內(nèi)部模塊溫度均得到有效控制，模塊極限溫度57.73 ℃，處于正常范圍。

圖9 機(jī)柜剖面、機(jī)箱、模塊溫度分布云圖

5 結(jié)束語(yǔ)

基于有限元分析軟件Ansys，建立開放式機(jī)柜的有限元模型，進(jìn)行模態(tài)分析、振動(dòng)、抗沖擊性能分析及熱仿真分析。由分析結(jié)果可知，機(jī)柜在靜力學(xué)、抗振、抗沖擊、散熱性能等方面均滿足GJB1060相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范及預(yù)期設(shè)計(jì)要求。仿真結(jié)果可為后期設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證提供指導(dǎo)。