0  前言

在電子產(chǎn)品的散熱設(shè)計(jì)中,散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題,一定長(zhǎng)寬高的散熱片其翅片厚度?翅片間距?翅片個(gè)數(shù)存在多種組合,不同的組合對(duì)應(yīng)不同的熱阻?在散熱片詳細(xì)設(shè)計(jì)中,我們一般是根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定散熱片的齒厚及齒間距,這種情況下自己的經(jīng)驗(yàn)值往往不是最優(yōu)解,為使特定場(chǎng)景下散熱片的熱阻最低,此文將利用ANSYS ICEPAK和ANSYS designXplorer來(lái)對(duì)散熱器的幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化,以使得散熱器的熱阻值最小?

1 模型介紹

本文模型示意圖見(jiàn)圖1.1,PCBA產(chǎn)生的熱量通過(guò)導(dǎo)熱灌封膠將熱量導(dǎo)至殼體,殼體上加散熱筋以增大散熱面積提高自然對(duì)流散熱強(qiáng)度?本文通過(guò)SCDM將模型導(dǎo)入Icepak,然后在Icepak里自建模Heatsink以模擬機(jī)殼上的散熱筋,在Icepak中增加散熱筋后的模型示意圖見(jiàn)圖1.2,本案例翅片的方向與安裝方向相同為重力平行的方向,本案例中在SCDM中將PCBA進(jìn)行組合操作作為整體分析,實(shí)際中可省略此步驟對(duì)PCBA中各部件進(jìn)行參數(shù)設(shè)定,相對(duì)應(yīng)結(jié)果會(huì)更加貼近實(shí)際?各部件的參數(shù)見(jiàn)表1.3?

2 仿真分析

2.1定義散熱片的參數(shù)變量

本文主要對(duì)散熱片的翅片厚度及齒間距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算,需要在Icepak中對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行變量的定義,變量定義時(shí)需在字母前增加$,對(duì)應(yīng)的翅片間距及厚度設(shè)定如圖示?

2.2 函數(shù)的定義

因本文主要是通過(guò)優(yōu)化散熱片的齒間距及齒厚以使散熱片的熱阻最小,因此選擇散熱片的熱阻作為最終函數(shù),單擊Solve→Run optimization,打開(kāi)參數(shù)化優(yōu)化面板,在function中選擇thermal resistance of heatsink,單擊Object的下拉菜單,選擇散熱器模型?在Icepak中的操作見(jiàn)圖2.2

2.3 Ansys icepak變量參數(shù)進(jìn)入WB

經(jīng)過(guò)操作后需要將Icepak中的變量進(jìn)入WB,整體操作見(jiàn)圖2.3

2.4 網(wǎng)格控制面板設(shè)置

本案例中設(shè)定XYZ方向最大尺寸均為3,打開(kāi)Multilevel面板,設(shè)定PCBA的優(yōu)先級(jí)為1,其余保持0,網(wǎng)格需要保證貼體,將各部件的特征顯示處理?劃分后部分部件的網(wǎng)格顯示見(jiàn)圖2.4

2.5建立response surface optmization單元

雙擊Design Exploration中的Response Surface Optimization,建立響應(yīng)單元,設(shè)定后的響應(yīng)單元如圖2.5示,然后依次設(shè)定?

2.6數(shù)值變量輸入

本文針對(duì)散熱片的齒厚和齒間距進(jìn)行設(shè)定,齒間距及齒厚均設(shè)定為連續(xù)型離散型變量,通過(guò)設(shè)定兩者的值來(lái)求f0散熱片的熱阻信息?其中齒間距數(shù)值范圍為1mm-5mm,齒厚為1mm-3mm?設(shè)定過(guò)程見(jiàn)圖2.6所示?

2.7 Design points設(shè)定

上述設(shè)定完成后,需要設(shè)計(jì)不同工況下的計(jì)算,單擊工具欄中的preview,可顯示不同的工況信息,為使最終結(jié)果更加準(zhǔn)確可適當(dāng)增加工況計(jì)算的個(gè)數(shù)(默認(rèn)為9個(gè)),設(shè)定好的不同工況信息見(jiàn)圖2.7示

2.8 結(jié)果查看

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的計(jì)算后,不同工況下的計(jì)算均會(huì)完成,此次仿真設(shè)定迭代步數(shù)為200步?取某一工況下的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度,發(fā)現(xiàn)一定步長(zhǎng)之后,監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到穩(wěn)定,穩(wěn)定的溫度見(jiàn)圖2.8示

單擊響應(yīng)面板并Update后,可得出最終的計(jì)算結(jié)果,計(jì)算結(jié)果可顯示不同變量下散熱片的熱阻與其對(duì)應(yīng)關(guān)系,結(jié)果分別如圖2.9?圖2.10?圖2.11所示,通過(guò)下述三幅曲線圖,可直觀的看到散熱片熱阻隨各變量的變化,對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)?

2.9 Optimization優(yōu)化更新

雙擊Optimization進(jìn)入面板,可以設(shè)定變量,通過(guò)軟件計(jì)算得到想要的點(diǎn),如圖2.12所示,選定散熱片熱阻,并且求其最小值?通過(guò)計(jì)算可以得到候選值,候選值面板如圖2.13所示,總共三個(gè)候選點(diǎn),這點(diǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的熱阻是整個(gè)計(jì)算中熱阻最小的點(diǎn)? 

優(yōu)化后機(jī)殼的3D圖見(jiàn)圖2.14示 后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將齒厚設(shè)定為1,齒間距設(shè)定為1.95,結(jié)合工藝要求及ID設(shè)計(jì)確定機(jī)殼的開(kāi)模尺寸信息?

3 總結(jié)

通過(guò)本文讀者可以學(xué)習(xí)到如何通過(guò)Icepak與ANSYS designXplorer的聯(lián)合仿真確定最優(yōu)解,讀者可通過(guò)設(shè)定不同的求解變量進(jìn)行仿真分析,依據(jù)仿真結(jié)果來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì),將產(chǎn)品的散熱做到最優(yōu)?

作者簡(jiǎn)介：

王志強(qiáng),，熱設(shè)計(jì)工程師一枚，“T型”人才,，熱設(shè)計(jì)與機(jī)械設(shè)計(jì)能力兼?zhèn)洌瞄L(zhǎng)板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)散熱設(shè)計(jì),。