摘 要

现代电子设备已经广泛应用与军事、工程、民生等各个领域，从高性能的手机、笔记本等便携式电子产品到军用电子设备，电子产品功能越来越复杂，体积越来越小，结构也越来越紧凑，这直接导致了电子设备的热功率急剧上升，故障发生率也越来越高。因此，为增强电子设备的可靠性与稳定性，热设计成为工程师不得不考虑的关键因素之一。

本文运用热设计的方法，对某环控机柜的进行反向设计。结合高温试验与Ansys Icepak仿真计算，评估环控机柜在55℃条件下性能，验证机柜功能是否达到预期要求，并在此基础上提出环控机柜散热改进方案，进行反向设计，为之后机柜的二次设计提供参考，在一定程度上降低机柜研发成本。

关键词：环控机柜，Ansys Icepak，热设计，反向设计

Abstract

Modern electronic devices have been widely used in various fields such as military, engineering, and people's livelihood. From high-performance mobile phones, notebooks and other portable electronic products to military electronic devices, the functions of electronic products have become more and more complicated, and the volume has become smaller and smaller, and the structure has also been increasing. The more compact, this directly leads to a sharp increase in the thermal power of electronic equipment, and the occurrence of failures is also increasing. Therefore, in order to enhance the reliability and stability of electronic devices, thermal design has become one of the key factors that engineers have to consider.

This paper uses the thermal design method to reverse design a certain environmental control cabinet. Combining high temperature test with Ansys Icepak simulation calculation, the performance of the environmental control cabinet at 55°C was evaluated to verify whether the function of the cabinet meets the expected requirements. Based on this, a heat-dissipation improvement plan for the environment-controlled cabinet was proposed and a reverse design was performed for the cabinet. The secondary design provides a reference to reduce the Ramp;D costs of the cabinet to some extent.

Keywords: environmental control cabinet, Ansys Icepak, thermal design, reverse design

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题研究的目的及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3课题来源与研究方法 2

1.3.1 课题来源 2

1.3.2 研究方法 2

1.4 本文的技术难点与主要工作 2

1.4.1 技术难点 2

1.4.2 主要任务 3

1.5本文各章内容安排 3

第2章 热设计理论基础 4

2.1传热学的基本概念 4

2.1.1 热对流 4

2.1.2 热传导 5

2.1.3 热辐射 5

2.2CFD热仿真基础 6

2.2.1 流体力学基础方程——N-S方程 6

2.2.2 数值法 7

第3章 机柜结构特点与工作环境 7

3.1 机柜结构特点 7

3.2 机柜工作环境 8

第4章 数据采集与高温试验 8

4.1试验数据采集系统 8

4.1.1 传感器选型 9

4.1.2 NES-75-12开关电源 11

4.1.3 485接口转换器 12

4.1.4 温度监测点布局 13

4.1.5 热负载模拟 14

4.2 数据采集系统调试 16

4.3高温试验 17

4.3.1 实验条件 17

4.3.2 试验设备 17

4.3.3 试验程序 17

4.3.4 试验数据整理 17

第5章 机柜热设计建模与仿真分析 18

5.1热分析软件介绍 18

5.1.1 ANSYS Icepak软件 18

5.1.2 Flotherm软件 19

5.2 环控机柜热分析 19

5.2.1 机柜热设计问题分析 21

5.2.2 机柜3D模型建立 21

5.2.3机柜模型的简化 23

5.2.4 网格划分 23

5.2.5 网格质量检查 26

5.2.6 边界条件设定 29

5.2.7 计算结果误差分析 32

第6章 环控机柜散热优化 35

6.1 环控机柜散热优化问题思路 35

6.2 环控机柜散热问题优化方案的提出 35

6.3 Icepak仿真计算结果分析 36

6.3.1环控机柜改进后热模型 36

6.3.2环控机柜改进后计算结果 38

第7章 总结与展望 40

7.1 总结 40

7.2 展望 40

参考文献 41

致 谢 42

第1章 绪论

1.1课题研究的目的及意义

现代电子科学技术正在以超乎想象的速度发展着，科技的进步必定会伴随着日新月异新技术的不断涌现。电子设备与电子元器件已经被广泛运用到了军事、民生、工程等等众多方面，与此同时，电子设备的功能日趋强大，面临的工况也日益复杂，这使得它们往要尽可能性能优秀、体积小、结构紧凑的方向发展；同时，电子设备处理的信息量越来越大，运算速度越来越快，集成度越来越高。因此电子设备的热流密度越来越大，温升也越来越快，尤其是核心电子器件。这导致了电子设备过热越发严重，有研究数据表明，55%的电子设备失效是由温度过高引起的温度的升高直接导致设备的发生故障的频次提高，甚至导致设备的损坏，过热问题严重的影响到电子产品的可靠性与稳定性^[1]。因此，对电子设备进行热设计，使其能够有效地散热，让电子设备的冷却效果达到最优化，已经成为了现代电子工程领域中一个十分重要的课题。

本文研究的课题是一个反向设计课题，研究对象是环控机柜，要求外部环境55℃时，内部温度控制在40℃左右。本课题解决了某负载电子设备环境适应性问题，达到扩大负载电子设备工作温度范围的目的。目前，环控机柜已经设计完成并通过部分测试，本文主要对其高温特性进行研究，运用高温试验与热设计仿真的手段考察环控机柜设计合理性；并在此基础上提出环控机柜散热改进方案，对环控机柜进行反向设计，为环控机柜的二次研发设计提供论参考。

1.2国内外研究现状

大约在20世纪60年代中期，国外就开始针对电子设备的过热现象，发展了电子设备的热设计技术（热模拟、热控制、热测试等）^[2]。到了20世纪70年代，为了适应高效性能大型电子设备的冷却要求，一系列具有实际应用意义的热设计和热分析的工程软件应运而生，如 Ansys、Flotherm 和 Icepak 等等应用软件。早期，结构设计人员大部分都是凭借自己的个人经验或经验公式来进行热设计分析，研究工作量大，过程也十分繁琐，错误率高，设计周期也相应比较长。然而伴随着高性能大型复杂设备的出现，这种落后的方法已经完全无法满足热设计的需求了，其不足之处主要是：