劉曉雯

（唐山學(xué)院 機(jī)電工程系，唐山 063000）

基于ANSYS專用計(jì)算機(jī)機(jī)箱溫度場(chǎng)分析與實(shí)驗(yàn)

劉曉雯

（唐山學(xué)院 機(jī)電工程系，唐山 063000）

0 引言

專用計(jì)算機(jī)機(jī)箱是一個(gè)電子元器件高度集中的物理環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境中的電子設(shè)備受到溫度、電磁、振動(dòng)、濕度等因素的影響，如果設(shè)計(jì)不合理將導(dǎo)致電子設(shè)備功能下降[1]。為了保證這些電子設(shè)備的正常工作，通常把機(jī)箱做成密閉的，從而盡量減少外在因素的影響[2]。但是密閉機(jī)箱卻會(huì)使機(jī)箱內(nèi)的熱量不能及時(shí)散出，從而導(dǎo)致溫度升高，影響電子元器件的壽命[3]。

電源、主板等發(fā)熱元件的輸出功率通常只占輸入功率很小一部分，其余大部分功率都轉(zhuǎn)換為熱能[4]。隨著電子設(shè)備向大功率和小型化方向發(fā)展，溫度過高問題越來越受到重視[5]。所以采用ANSYS軟件對(duì)機(jī)箱進(jìn)行熱分析是十分必要的。本文以專用計(jì)算機(jī)機(jī)箱為對(duì)象，研究專用計(jì)算機(jī)機(jī)箱內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布，最后得到專用計(jì)算機(jī)的熱學(xué)仿真規(guī)范，以便指導(dǎo)更深一步的研究工作和生產(chǎn)實(shí)踐。

1 專用計(jì)算機(jī)機(jī)箱的熱分析

1.1 機(jī)箱的物理環(huán)境分析

專用計(jì)算機(jī)機(jī)箱的部件大致可以分為兩種，一種為發(fā)熱部件：電源，主板，顯卡；另一種是結(jié)構(gòu)部件：上下導(dǎo)軌板，后面板，側(cè)面板，大面板，小面板，散熱板，接口板以及散熱風(fēng)扇等。電源、主板等發(fā)熱元件在工作時(shí)，輸出功率通常只占輸入功率的很小一部分，大部分功率都轉(zhuǎn)換為熱能。發(fā)熱部件產(chǎn)生的熱量主要靠傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種方式傳導(dǎo)給箱體內(nèi)側(cè)板[6]。由于專用計(jì)算機(jī)機(jī)箱內(nèi)部是密閉的空間，后面板帶有風(fēng)扇，所以大部分熱量由對(duì)流和傳導(dǎo)帶走，輻射的熱量只占很小一部分，所以在進(jìn)行仿真時(shí)可以用適當(dāng)增加對(duì)流系數(shù)來代表輻射的影響[7]。

強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱是一種典型的冷卻方案。強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)是由上下導(dǎo)軌板和后面板組成的散熱空氣通道來實(shí)現(xiàn)的?？諝饬鲃?dòng)通道如圖1所示。

圖1 氣流通道

1.2 機(jī)箱ANSYS模型的建立

ANSYS中的模型可以通過兩種方法得到，一種是直接在ANSYS軟件中建立，通過建立關(guān)鍵點(diǎn)，線，面，體，最后通過相加，相減，疊分，粘結(jié)等布爾運(yùn)算，使模型成為一個(gè)整體。這類方法只適用于一些比較簡(jiǎn)單的形狀規(guī)則的模型。對(duì)于一些比較復(fù)雜的模型，尤其是一些復(fù)雜的三維模型，一般是通過專業(yè)的三維建模軟件如Pro/ENGINEER，SolidWorks等建立模型，再導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行下一步分析[8]。

本文使用Pro/ENGINEER建立專用計(jì)算機(jī)機(jī)箱的模型，然后再導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行分析。在Pro/ENGINEER中建立模型后，有兩種導(dǎo)入ANSYS軟件的方法[9]：

1）通過中間格式IGES導(dǎo)入模型

IGES是一種通用格式，可以在各種建模軟件和仿真分析軟件之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。ANSYS本身內(nèi)置了IGES轉(zhuǎn)換過濾器，支持IGES格式文件的輸入。但是采用這種方法導(dǎo)入復(fù)雜模型時(shí)，會(huì)產(chǎn)生特征丟失的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響ANSYS有限元分析的準(zhǔn)確性。

2）建立Pro/ENGINEER與ANSYS的接口。

ANSYS軟件內(nèi)嵌了Pro/ENGINEER接口程序，可以將Pro/ENGINEER的模型數(shù)據(jù)傳導(dǎo)到ANSYS軟件中。在安裝ANSYS的時(shí)候選擇ANSYS Connection For Pro/ENGINEER模塊，這個(gè)模塊的作用是將Pro/ENGINEER中生成模型的命令轉(zhuǎn)換為擴(kuò)展名是.anf的命令流文件，ANSYS可以識(shí)別和讀取這個(gè)文件，從而重新生成模型。

本文采用ANSYS 10.0與Pro/ENGINEER2.0進(jìn)行連接，連接成功之后會(huì)在Pro/ENGINEER軟件的主菜單中產(chǎn)生新的菜單項(xiàng)ANSYS10.0。在Pro/ENGINEER中建立三維模型之后，點(diǎn)擊ANSYS10.0按鈕，選擇ANSYSGeom選項(xiàng)，則可以啟動(dòng)模型導(dǎo)入模塊。ANSYS界面出現(xiàn)后，點(diǎn)擊ANSYS軟件主菜單的【plot】|【volumes】子菜單選項(xiàng)，則會(huì)在ANSYS的顯示窗口中顯示模型。如圖2所示為通過接口程序從Pro/ENGINEER導(dǎo)入ANSYS后專用計(jì)算機(jī)機(jī)箱模型的效果圖。

圖2 機(jī)箱的ANSYS模型

1.3 機(jī)箱參數(shù)的設(shè)置

在進(jìn)行仿真分析的過程前，需要先確定幾個(gè)參數(shù)的數(shù)值[10]。實(shí)際機(jī)箱的材料多種多樣，在模擬仿真時(shí)為了得到準(zhǔn)確的結(jié)果需要輸入真實(shí)的材料信息，但是在找到正確的加載條件之前，為了更快的找到加載條件，可以假定機(jī)箱模型的材料都是硬鋁。硬鋁的比熱容是880KJ/(kg.K)，熱導(dǎo)率是2236w/(m.k)，密度是2800kg/m3，取自然對(duì)流為20w/(m2.k)，強(qiáng)制對(duì)流取100w/(m2.k)。

電源的發(fā)熱功率是40w，主板的發(fā)熱功率是40w，接口板的發(fā)熱功率是10w。在ANSYS中要換算成熱生成率Q：

主板的熱生成率是：

接口板的熱生成率是：

1.4 后處理

在求解完成后，經(jīng)過后處理，可以得到機(jī)箱整體的溫度分布圖，如圖3所示。

圖3 機(jī)箱整體溫度分布

圖4 機(jī)箱內(nèi)部溫度分布圖

由圖3可知機(jī)箱溫度穩(wěn)定后最大溫度是48.834℃，最低溫度是30.717℃。機(jī)箱外圍的溫度分布規(guī)律是：靠近電源一邊的溫度比較高，另一邊溫度比較低。

圖4是機(jī)箱內(nèi)部溫度分布圖。由圖可知，最大溫度產(chǎn)生在主板上，電源、主板和接口板處的溫度普遍比較高。后面板大部分的溫度比較低，而底板的大部分溫度比較高。由分析可知，后面板處是氣流通道，散熱速度快，所以后面板處的溫度比較低；因?yàn)殡娫础⒅靼搴徒涌诎宓臒崃恳徊糠种苯觽鲗?dǎo)給底板，另外底板主要通過和導(dǎo)軌板的接觸傳導(dǎo)熱量，所以底板的溫度大部分比較高。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

在機(jī)箱的電源、主板、接口板、大面板、后面板、側(cè)面板上分別選一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，然后使用溫度測(cè)量?jī)x測(cè)量出機(jī)箱穩(wěn)定后這幾個(gè)點(diǎn)的溫度。與仿真分析的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

從結(jié)果對(duì)比來看，利用模型分析的結(jié)果和實(shí)際測(cè)量的結(jié)果之間還存在誤差，主要有以下三種原因：

1）計(jì)算的模型是簡(jiǎn)化后的模型，而實(shí)際環(huán)境下機(jī)箱的導(dǎo)熱途徑比較復(fù)雜，簡(jiǎn)化必然導(dǎo)致結(jié)果有所偏差。

2）加載的熱生成率也是在理想狀態(tài)下計(jì)算得出的，而實(shí)際中的邊界條件比仿真時(shí)的要復(fù)雜的多。

3）由于仿真的環(huán)境溫度都是20℃，而實(shí)際當(dāng)中環(huán)境溫度會(huì)略有改變，這也會(huì)使結(jié)果有所偏差。

為了得到更加精確的結(jié)果，可以通過改善上述因素達(dá)到目的。雖然誤差比較大，但是對(duì)比計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果可知，利用ANSYS軟件進(jìn)行熱學(xué)的仿真是可行的，在仿真過程中提取的仿真模型及所施加的邊界條件是合理的。通過提高邊界條件和載荷的精度可以得到更加合理的分析結(jié)果。

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Temperature field analysis and experiment of dedicated computer chassis based on ANSYS

LIU Xiao-wen

建立專用計(jì)算機(jī)的三維模型后，通過Pro/ENGINEER和ANSYS軟件接口將模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中，通過選擇網(wǎng)格單元、設(shè)置材料特性參數(shù)、劃分網(wǎng)格、施加載荷和邊界條件、后處理等操作，得到機(jī)箱整體和關(guān)鍵部件的溫度分布云圖。通過與試驗(yàn)結(jié)果相比較，驗(yàn)證了ANSYS軟件熱學(xué)仿真的可行性和合理性，為設(shè)計(jì)人員對(duì)專用計(jì)算機(jī)機(jī)箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

專用計(jì)算機(jī)；三維模型；軟件接口；機(jī)箱；溫度場(chǎng)分析；熱學(xué)仿真

劉曉雯（1983 -），女，講師，碩士，研究方向?yàn)榉菢?biāo)機(jī)械設(shè)計(jì)、產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)。

TH122

A

1009-0134(2014)05(下)-0044-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).12

2013-11-18