基于ANSYS有限元分析的水下潛標(biāo)電子艙散熱系統(tǒng)研究

聶 嵩，陳 賡，劉 浩，林 航，郭颯君

（中國船舶第七一五研究所，杭州 310012）

0 引言

隨著海洋技術(shù)的快速發(fā)展和海防建設(shè)的持續(xù)推進，及時探測水下重要目標(biāo)信息和防止敵對勢力進行高度隱蔽的水下攻擊對于重要目標(biāo)的水下警戒告警設(shè)備變得愈發(fā)重要。為了獲得水下重要目標(biāo)信息，水下警戒告警設(shè)備需要在海洋中持續(xù)工作，因此設(shè)備的穩(wěn)定水下運行顯得至關(guān)重要。電子艙作為水下設(shè)備的核心組成部分之一，內(nèi)部安裝著各種電子元器件。某種類型的水下電子艙內(nèi)部配備有工控板，其工作時芯片很容易積聚高熱能，導(dǎo)致嚴(yán)重影響工控板性能和壽命。此外，水下電子艙還需要確保水密性，在使用或調(diào)試過程中，電子艙等設(shè)備往返于甲板和水下，需要面對高溫暴曬等復(fù)雜工況，僅僅通過密閉電子艙內(nèi)空氣介質(zhì)的自然對流無法將芯片的溫度控制在安全溫度內(nèi)[1]。

根據(jù)阿倫尼斯方程的預(yù)測，元器件的工作溫度升高10 ℃，其失效率將增大一倍左右[2]。同時，據(jù)統(tǒng)計，電子設(shè)備失效率中約55%是由于工作溫度超過規(guī)定值引起的[3]。因此，在進行電子艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須充分考慮工控板的散熱問題，以避免工控板因工作時產(chǎn)生的高溫而影響芯片性能、壽命甚至導(dǎo)致?lián)p壞。

本文對水下圓柱形電子艙的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了設(shè)計優(yōu)化，并建立了相應(yīng)的水下電子艙散熱結(jié)構(gòu)模型。首先，借助ANSYS 軟件對不同尺寸的散熱結(jié)構(gòu)的散熱效果進行了仿真計算和分析。在確定了散熱結(jié)構(gòu)的尺寸后，對其在實驗室常溫環(huán)境和水下工作環(huán)境下進行了仿真計算和分析。接著，將加工好的電子艙放置于溫度箱中進行了實機驗證，并通過對比實際試驗測量數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果，驗證了散熱結(jié)構(gòu)的散熱效果的有效性，并針對散熱結(jié)構(gòu)存在的潛在問題，提出了優(yōu)化方案。對于水下潛標(biāo)圓柱形類型電子艙散熱結(jié)構(gòu)仿真和設(shè)計提供了思路和方法。

1 散熱結(jié)構(gòu)熱理論

熱傳導(dǎo)是熱量從高溫物體傳向低溫物體或者從同一物體的溫度較高部分傳向溫度較低部分的現(xiàn)象，發(fā)生在固體、液體和氣體中，是固體傳熱最主要的方式[4]。熱流密度計算式為：

式中：q為熱流密度，W/m2；δ為壁厚，m；Δt為壁兩側(cè)表面的溫差；λ為熱導(dǎo)率或稱導(dǎo)熱系數(shù)，W（/m·℃），表示材料導(dǎo)熱能力的大小，其意義是指單位厚度的物體具有單位溫度差時，在它的單位面積上每單位時間的導(dǎo)熱量。

依靠流體來傳遞熱量的現(xiàn)象稱為熱對流。熱對流是由存在溫度差的流體和固體耦合而產(chǎn)生的熱交換現(xiàn)象[5]。工程中常見的是流體與不同溫度的固體表面之間產(chǎn)生熱量交換。用牛頓冷卻方程來描述熱對流，假設(shè)熱量離開溫度為tw的表面進入溫度為tf的周圍流體的傳熱速率遵循牛頓冷卻定律：

式中：h為對流換熱系數(shù)；tw為固體表面的溫度；tf為周圍流體的溫度。

發(fā)射輻射能是各類物質(zhì)的固有特性。熱傳導(dǎo)和熱對流都需要有冷、熱物體的直接接觸傳遞熱量，而熱輻射無須任何介質(zhì)。熱輻射指物體表面對外發(fā)射可見和不可見的射線，并被其他物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬倪^程。物體溫度越高，單位時間輻射的熱量越多[6]。在工程中通?？紤]兩個或兩個以上物體之間的輻射，系統(tǒng)中每個物體同時輻射并吸收熱量。它們之間的凈熱量傳遞可以用斯蒂芬-波爾茲曼方程來計算：

式中：q為熱流率；ε為輻射率；σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)；A1為輻射面1的面積；F12為由輻射面1到輻射面2的形狀系數(shù)；T1為輻射面1的絕對溫度；T2為輻射面2的絕對溫度。

如果流出系統(tǒng)的熱量等于流入系統(tǒng)的熱量加上系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱量，則系統(tǒng)處于熱的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，任意節(jié)點的溫度不會隨著時間的變化而變化[7]。設(shè)電子艙內(nèi)部導(dǎo)熱塊與芯片接觸面溫度為tw1，導(dǎo)熱塊厚度為δ1，導(dǎo)熱系數(shù)為λ1，導(dǎo)熱塊與電子艙內(nèi)壁接觸面溫度為tw2，電子艙厚度為δ2，導(dǎo)熱系數(shù)為λ2，電子艙外壁面溫度為tw3，外部流體溫度為tf1，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h。整個傳熱過程為熱量由熱流體經(jīng)導(dǎo)熱塊傳遞到電子艙壁，再經(jīng)熱對流傳遞到外部流體，熱傳遞過程如圖1所示。熱量由熱流體以導(dǎo)熱方式通過導(dǎo)熱塊，即

圖1 熱傳遞過程

熱量由熱流體以導(dǎo)熱方式通過電子艙壁，即

熱量由電子艙壁以對流傳熱方式傳給冷流體，即

熱傳遞過程可用以上式（4）～（6）表達。在穩(wěn)態(tài)傳熱情況下，以上3式的熱流密度q相等，整理后得：

2 電子艙散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

水下潛標(biāo)設(shè)備通常搭載了各種復(fù)雜的電子儀器和傳感器，用于收集海洋環(huán)境數(shù)據(jù)、測量水下物理參數(shù)、記錄聲學(xué)信號等。這些電子組件在工作過程中會產(chǎn)生大量熱量，如果不及時散熱，溫度過高會導(dǎo)致設(shè)備性能下降，甚至損壞關(guān)鍵部件。因此，電子艙散熱對水下潛標(biāo)設(shè)備的功能和穩(wěn)定性有著不可忽視的影響[8]，做好水下電子艙的散熱，對保護電子元件、提高設(shè)備性能、延長設(shè)備壽命、確保電子系統(tǒng)安全運行等至關(guān)重要。

常見的水下電子艙大多采用圓柱形的外形，如圖2（a）所示，這種設(shè)計可以提供較大的體積空間，容納更多的電子設(shè)備和傳感器，并且在水下運動時較為穩(wěn)定，且圓柱形的電子艙容易固定在潛標(biāo)等水下設(shè)備中，如圖2（b）所示，安置在潛標(biāo)中的圓柱形的電子艙方便安裝和拆卸，是應(yīng)用最廣泛的水下潛標(biāo)電子艙形式。

圖2 電子艙及潛標(biāo)系統(tǒng)示意圖

電子艙一般具備良好的水密性能，因此沒有散熱介質(zhì)向外流通，且其內(nèi)部空間小，電子元器件多，散熱條件很差，傳統(tǒng)散熱效率較高的小風(fēng)扇強制對流以及僅通過密閉電子艙內(nèi)空氣的自然對流散熱方式無法將芯片溫度控制在安全溫度內(nèi)。在結(jié)構(gòu)和儀器設(shè)置緊密的情況，設(shè)置對流散熱結(jié)構(gòu)受到空間限制時，傳導(dǎo)成為有效散熱的重要措施[9-10]。本文針對圓柱形電子艙內(nèi)工控板的散熱問題，利用散熱結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)效應(yīng)，設(shè)計了一種定制化散熱結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 圓柱形電子艙散熱結(jié)構(gòu)示意圖

為適應(yīng)電子艙形狀和內(nèi)部電路板結(jié)構(gòu)，散熱結(jié)構(gòu)一側(cè)采用圓弧形設(shè)計，寬度為L，另一側(cè)為方形接觸面，邊長為a，使用時，圓弧面和方形接觸面分別與電子艙壁和工控機芯片緊密貼合，從而實現(xiàn)將芯片產(chǎn)生的熱量經(jīng)導(dǎo)熱塊傳導(dǎo)至電子艙壁，熱量再經(jīng)電子艙壁傳導(dǎo)到電子艙外壁，通過電子艙外壁與外界流體對流的方式散熱。考慮輕量化和散熱效率的平衡，采用密度較小，導(dǎo)熱率較高且易加工的鋁合金作為散熱模塊的材料，在體積和質(zhì)量有限的前提下，最大發(fā)揮散熱效能。

3 ANSYS穩(wěn)態(tài)熱分析

熱仿真是一種有效的熱分析方法，可獲得設(shè)備的穩(wěn)態(tài)溫度分布和動態(tài)溫度變化，在電子艙熱設(shè)計中也有應(yīng)用[11-12]。使用ANSYS進行熱分析仿真的步驟如下[13-21]。

（1）建立幾何模型。在ANSYS中，可以使用CAD軟件或ANSYS自帶的幾何建模工具創(chuàng)建CPU散熱金屬塊的幾何模型。確保模型的精度和尺寸符合實際要仿真的對象。

（2）定義材料屬性。在ANSYS 中，需要為金屬塊定義合適的材料屬性。這包括熱導(dǎo)率、密度、熱容等參數(shù)，這些參數(shù)將影響散熱性能的仿真結(jié)果。

（3）設(shè)置邊界條件。確定模型的邊界條件是非常重要的。在這種情況下，需要將CPU 的表面設(shè)置為熱源，并施加適當(dāng)?shù)臒嵬炕驕囟?，以模擬CPU產(chǎn)生的熱量。

（4）設(shè)置散熱方式。定義散熱方式是模擬過程中的關(guān)鍵步驟?？梢栽O(shè)置金屬塊的表面為自然對流或強制對流，并設(shè)置對應(yīng)的換熱系數(shù)。如果金屬塊與其他部件相連接，還需要定義接觸面的換熱條件。

（5）網(wǎng)格劃分。在進行數(shù)值仿真之前，需要對幾何模型進行網(wǎng)格劃分。合適的網(wǎng)格劃分可以確保仿真的準(zhǔn)確性和計算效率。

（6）設(shè)置求解器參數(shù)。選擇合適的求解器，如穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱傳導(dǎo)求解器，并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，如收斂準(zhǔn)則、時間步長等。

（7）運行仿真。完成所有設(shè)置后，運行仿真，并等待結(jié)果生成。仿真時間取決于模型復(fù)雜性和計算機性能。

（8）后處理、結(jié)果分析。

3.1 仿真模型建立與網(wǎng)格劃分

電子艙內(nèi)沿軸向的熱量傳遞極少[22]，為節(jié)約計算時間，取電子艙內(nèi)工控板這一艙段熱仿真分析。選擇穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)求解器，根據(jù)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計，將模型中一些不必要的特征，比如螺釘、螺母、圓角、裝配孔等去除，以節(jié)省仿真計算時間，提高計算效率[23]。將簡化后如圖4（a）所示的模型導(dǎo)入到ANSYS 并進行網(wǎng)格劃分，如圖4（b）所示。

圖4 建模和網(wǎng)格劃分

3.2 邊界條件施加及仿真結(jié)果

在ANSYS 軟件中設(shè)置導(dǎo)熱塊材料為鋁合金，設(shè)置電子艙外殼材料為鈦合金。設(shè)置正方形芯片尺寸為r=40 mm，熱源功率為60 W。

首先假設(shè)甲板作業(yè)工況，設(shè)置邊界條件為空氣，環(huán)境溫度設(shè)置為40 ℃，散熱片與芯片接觸面與芯片邊長相同（a=r），分別對裝配長度L=80 mm 和L=140 mm 導(dǎo)熱版的電子艙進行穩(wěn)態(tài)熱仿真計算分析結(jié)果如圖5～6所示。

圖5 散熱塊寬度L=80 mm時溫度分布

在空氣中，熱源功率和散熱器與芯片接觸面積一定時，增大散熱模塊長度，到達穩(wěn)態(tài)后，電子艙內(nèi)外的最高溫度下降了6.031 ℃。

為了對散熱塊的尺寸進行優(yōu)化，在有限體積和質(zhì)量下，達到更高的散熱效率，在ANSYS 熱分析模型中加入3個探針，如圖7所示，探針分別位于散熱模塊與芯片接觸面中心，散熱模塊與電子艙內(nèi)壁接觸面中心點和散熱模塊與電子艙接觸面外壁中心處。

圖7 散熱模塊尺寸和溫度探針位置示意圖

當(dāng)芯片尺寸為r=40 mm、熱源功率為60 W、散熱器與芯片接觸面積相同時，3 個探針位置處穩(wěn)態(tài)熱求解結(jié)果隨散熱片寬度L變化的曲線如圖8所示。

圖8 不同散熱模塊寬度L結(jié)果對比

隨著散熱塊寬度L變大，ANSYS 穩(wěn)態(tài)熱求解的3 個探針處溫度逐漸降低，但當(dāng)散熱塊寬度L＞140 mm后，隨著散熱模塊寬度變大，3 個探針處溫度降低不明顯，因此再增大散熱塊寬度，對電子艙散熱的效果影響不大，考慮輕量化和散熱效率，選取散熱模塊寬度為L=140 mm。

保證芯片尺寸為r=40 mm，熱源功率為60 W 不變，設(shè)置選取散熱模塊寬度為L=140 mm，改變散熱模塊與芯片接觸面的邊長a，3個探針位置處穩(wěn)態(tài)熱求解結(jié)果隨散熱片寬度L變化的曲線如圖9所示。

圖9 不同接觸面寬度a結(jié)果對比

散熱模塊與芯片接觸面的邊長a的變化，對探針2和探針3處溫度影響不大，這是由于，接觸面邊長a的增大對總的散熱模塊質(zhì)量和體積影響不大，而探針1 位于散熱模塊與熱源芯片接觸面，隨著邊長a變大，探針1處溫度逐漸下降，但當(dāng)散熱模塊與芯片接觸面的邊長a＞1.3r后，繼續(xù)增加散熱模塊與芯片接觸面的邊長對探針1 處溫度影響變小。因此，考慮輕量化和散熱效率，取a=1.3r時，散熱模塊散熱效率最高。

3.3 仿真與實測數(shù)據(jù)對比

按照仿真優(yōu)化的后散熱模塊尺寸L=140 mm、a=1.3r加工散熱模塊，裝入電子艙后，將電子艙分別放置在40 ℃、25 ℃的恒溫箱中模擬空氣中的工況，并使電子艙淹沒在4 ℃冷水桶后放置在4 ℃恒溫箱模擬海底環(huán)境，電子艙保持開機運行，芯片發(fā)熱功耗約60 W，每隔15 min，打開恒溫箱，迅速測量電子艙內(nèi)外壁探針1、2、3 位置溫度，待溫度穩(wěn)定后再間隔15 min 重復(fù)3 次測溫取平均作為最終溫度，記錄最終溫度與仿真結(jié)果對比如圖10所示。

圖10 不同環(huán)境3個測量位置仿真與實測對比

設(shè)計的散熱模塊在40 ℃、25 ℃空氣中和4 ℃水中運行時，3 個測量點實測溫度與仿真溫度基本吻合，驗證了仿真方法的正確性，40 ℃空氣中工況下，散熱結(jié)構(gòu)與芯片接觸面最高溫度不超過76 ℃，能夠保證電子艙正常運轉(zhuǎn)，驗證了散熱模塊仿真和設(shè)計的正確性。

4 結(jié)束語

本文提出了一種圓柱形水下潛標(biāo)電子艙散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，針對水下電子艙內(nèi)部密閉空間設(shè)計了一款最優(yōu)化的電子艙散熱模塊，借助ANSYS 軟件穩(wěn)態(tài)熱分析對設(shè)計的散熱模塊散熱效能進行了模型簡化仿真，仿真和實驗相吻合驗證了仿真方法的正確性。研究證明散熱結(jié)構(gòu)的散熱效能與材料導(dǎo)熱面大小、與熱源接觸面大小有關(guān)，同時結(jié)果表明該散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足散熱要求。散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)遵循輕量化和高效，利用ANSYS 穩(wěn)態(tài)熱分析進行仿真，可以獲得最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸。這在水下潛標(biāo)電子艙運用越來越多，對水下電子艙輕量化、工作穩(wěn)定性和可靠性要求越來越高的今天，有著特別重要的意義。