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：

（1）工作相当繁琐，研制周期过长，研发成本高^[1]；

（2）无法获得最优设计或者局部的最优设计^[1]。

与国外的热设计发展状况进行比较，国内使用热设计软件分析的手段则起步比较晚，尚处于初级阶段，设计水平也相对比较低。做好热分析工作能有效的指导热设计，提高产品的可靠性，这一点已经越来越引起我国热设计工作者与生产管理部门的注意。对国外优秀的热设计软件进行二次开发，形成符合中国国情的软件，或者走自主研发的路线，设计自己的热设计软件已经成为必然之路^[3]。

1.3课题来源与研究方法

1.3.1 课题来源

本研究课题来源于企业实际项目，针对企业生产的某型号环控机柜进行热设计研究，评估环控机柜设计合理性，并在此基础上提出环控机柜散热的优化方案。环控机柜的设计出发点是为某电子设备提供适宜的环境条件，使得内部电子设备能够在恶劣环境气候条件下（高温、高湿、盐雾、振动等）长期可靠的运行。本文主要研究机柜高温条件下工作状况。

1.3.2 研究方法

热设计有两者常见方法：一种是对电子设备本身进行热设计。这种热设计方法要求设计者十分了解设备，由于受到设备本身结构、各项参数、工作条件等因素的约束，当设备工作环境十分恶劣时，这种设计方法往往不能满足设计要求。另一种方法是对电子设备工作环境的热设计，通过控制设备工作环境指标达到设备对工作环境的要求。由于无法得知电子设备详细信息，本文研究的环控机柜采用的是第二种方法

目前,热设计分析主要思路是数值求解和离散数学的数值求解算法，这种方法能充分发挥计算机的优势，可对复杂结构的传热情况进行高速有效求解，并且计算机能直观的展现热备不同区域的温度分布状况，极大提高了热设计工作人员的工作效率。

数值求解算法主要有三种：有限体积法（Finite Volume Method，简称FVM）、有限元法（Finite Element Method）、有限差分法（Finite Difference Method）^[4]。本文采用目前主流的专门用于热仿真软件Ansys18.2，它的理论基础就是有限元法。

1.4 本文的技术难点与主要工作

1.4.1 技术难点

（1）热分析建模技术

优良的模型是进行热分析的关键，模型是否能很好的反映电子设备的结构特点，直接影响到热分析结果的精确性。在实际工程中，有些器件在建模过程中需要忽略，但是电子设备种类繁多，结构复杂；哪些对器件热设计重要，哪些可以忽略，目前还没有统一的判别方法，难以建出与实际工况精确相符的模型，因此，好的模型往往需要工程师丰富的经验^[5]。

（2）模型网络划分的精确性

数值传热计算中，温度场与流场的求解都需要在离散化的网络系统中进行，网络是否贴体；以及网络质量的高低；网格数量的多少，直接影响求解的精度与速度。通常情况下，网络越贴体、质量越高、数量越多，求解计算的精度越高，但是计算时间相应越长^[6]。在实际电子设备中，由于结构复杂，如果不进行简化，几百万网格也是可能的。如此规模的网络计算时间可达十几甚至二十几小时，采用有限元方法的计算时间更长。因此需要对热分析物理模型进行简化，减小网格数量的同时保持计算精度，找到计算精度与网格数量的平衡点。

（3）边界条件与物理参数的确定

边界条件与物理参数是影响热分析的关键因素之一。但是在设计初期无法得到准确的边界条件，很难确定测试设备中各种材料的导热系数、元件的热功耗、冷却介质的物理特性^[6]。

（4）数据的采集与处理

虽然可以利用热仿真软件求得设备内部温度场与流场的分布，但是如何判断仿真结果是否准确，需要将仿真结果与实际测试数据进行对比。这就需要选择合适的传感器，在不影响设备正常散热的情况下，尽可能的准确采集各个温度监测点的温度。

（5）热设计的优化

在热设计过程中，优化目标往往与设备结构参数没有明显的函数关系，这就需要设计人员具有一定经验，经验越丰富，优化的结果往往越好。当然也可以选择用正交试验的方法来对设备的热设计方案进行优化，如何选择关键因素，并确定各因素水平，这也是一个难点^[7]。

1.4.2 主要任务

（1）选择传感器，搭建数据测量采集系统。

（2）环控机柜进行高温热试验，采集典型位置温度上传Easy Monitor上位机，并整理数据。

（3）在（1）、（2）的基础上，利用Ansys Icepak18.2热设计软件建模，计算机柜在55℃高温条件下内部温度场分布，验证机柜功能是否达到预期要求

（4）分析仿真与试验结果，提出环控机柜散热该机方案，对其进行反向设计，并对改进后的方案仿真计算，验证方案合理性，为之后机柜的二次设计提供参考。

1.5本文各章内容安排

本文对某环控机柜进行建模仿真。在此基础上对环控机柜反向设计，提出了环控机柜散热改进方案，并对改进后的方案进行了仿真计算。本文共分为七章，各章的主要内容分别为：

第一章为绪论。主要介绍了课题的背景背景和热设计国内外研究现状，以及课题研究的内容及意义。

第二章介绍了热设计相关概念及理论基础。

第三章介绍了机柜的结构特点及边界条件。

第四章详细介绍了数据采集系统及高温试验。包括数据采集系统的搭建、系统调试、高温试验过程及试验结果。

第五章详细介绍了机柜热设计建模与仿真分析。主要包括机柜热设计问题分析、热模型建立、仿真计算。

第六章对环控机柜散热问题进行了分析，并提出散热改进方案，对改进后的模型进行了仿真，对比优化前后机柜典型位置的温度数据，验证了优化方案的合理性。

第七章是总结与展望，对本次研究进行了总结。指出了研究中存在的一些问题。对以后机柜的二次开发进行了简单分析。

第2章 热设计理论基础

本章主要介绍了热设计相关理论和概念。

2.1传热学的基本概念

传热学是一门研究热量传递规律与温度分布的的科学，凡是有温差的地方就有热量的传递,传热现象普遍存在于自然界中^[8]。按照传热机理的不同，热传递可以分为三种基本方式：热对流、热传导、热辐射。

2.1.1 热对流

热对流是指流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程，仅能发生在流体当中，流体中分子的不规则热运动导致了热传递^[9]。按流体产生流动的原因，热对流分为两种基本形式：自然对流、强迫对流。自然对流是由流体温度分布不均而引起的；强迫对流，就是利用风机、发电机、水泵等装置强制流体发生对流；按流体性质来分，热对流可分为层流与湍流。层流是指流体流速较低时，相邻流层分子扩散，不存在流体指点的掺混^[9]；湍流是指流体流速超过某一临界值后，流体指点明显出现不规则掺混流动^[9]。层流是一种较为有规则的流体流动，层流从层流过度到湍流是流动失去稳定性的结果。

对流传热可以用牛顿冷却方程来描述^[9]：

（2.1）

式中：

——对流传热系数（）, 表示冷、热流体间温差,c传热面积时的热流量；

A ——固体壁面的换热面积；

——流体与壁面的温差；

从式（2.1）中可以看出，增强物体表面的对流换热能力关键是提高对流换热系数。影响对流换热系数因素主要有以下几个方面：

（1）流体流动的动力：强迫对流或是自然对流；

（2）流体的流动状态：层流或是湍流；

（3）流体的物理性质：流体的密度、粘度、导热系数等；

（4）换热表面的几何特征：换热表面的形状，表面粗糙度、面积大小等；

（5）流体有无相变。

2.1.2 热传导

互相接触的不同温度的物体，或者温度分布不均的同一物体，在无相对宏观位移的情况下所进行的热量传递过程，成为热传导。热传导的微观过程是：物体高温部分的晶体中节点微粒振动较大，低温部分的晶体中节点微粒振动较小，晶体内部的热能由动能较大的部分向动能较小的部分进行传导^[10]。热传导本质上是微观粒子的能量迁移。

热传导的基本规律由傅立叶公式描述，其表达式为^[10]：

（2.2）

式中：

——热流量，;

——对流传热系数（），表示冷、热流体间温差，传热面积时的热流量；

A——垂直于热流方向的截面面积；

dt/dx——温度t在x方向的变化率；

2.1.3 热辐射

一切温度高于绝对零度的物体都会以电磁波的形式向外发射能量，这种传热过程称为热辐射^[11]。物体向外界发射能量的同时也会吸收周围物体向它发射的能量，并将这些能量重新转变为热能，此过程称为辐射换能，当物体与环境处于热平衡状态时，辐射换能量等于零，但是物体表面仍然不断进行着热辐射。任意物体的辐射能力可以用斯蒂芬-玻尔兹曼定律计算^[12]：

[15] (2.2)

式中：

——物体的发射率，又称黑度，其值恒小于1；

——物体辐射面的面积；

——斯蒂芬玻尔兹曼常数;

——物体表面的温度)。

——物体被包容在一个很大空腔的表面温度)。

2.2CFD热仿真基础

热仿真模拟主要是利用计算机的数值计算来求解研究对象所处环境的温度场、流场等，属于CFD的范畴。计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）,主要是通过计算机数值计算和图像显示的方法来求解流体力学与传热学问题^[12]。通过CFD计算分析，可以显示研究对象世纪热分布特性，工程师可以在较短时间内深入了解研究对象的散热问题及产生的原因，定向定量的对研究对象进行结构、参数优化设计，从而达到改善研究对象热学性能的目的^[13]。

2.2.1 流体力学基础方程——N-S方程

热分析的理论基础是传热学与流体力学。传热学主要研究热量传递的规律，流体力学主要研究流体流动阻力与流体特性。

连续介质的流体力学基本方程为纳维——斯托克斯方程。包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。

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