一种机载计算机热设计与分析

杨 林，张丰华，田 沣

(西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引 言

随着机载高密度计算机应用越来越广泛，整机的热设计越来越重要。硬件设计师选择更加模块化的方式进行设计，选择体积更小、功能更强的芯片支撑电路设计，电路模块的功能越来越强大，这导致部分电路板的局部热流密度较高。同时，机载计算机所处设备舱的环境为高温、高湿等恶劣环境，机载计算机的重量要求非常苛刻，这给整机结构设计和热设计提出更高要求[1]。在设计过程中，结构设计师要根据机载计算机所处振动要求、整机功耗、重量要求、安装方式等因素进行统筹考虑，既要满足机载计算机的散热稳定可靠，同时也要满足强度、刚度、重量、环境试验等方面的要求。文中的机载计算机在满足强度、刚度、重量、环境试验等前提下，采用三维设计方法，对整机进行合理布局、减重优化、多次迭代，通过仿真软件对整机进行热分析和优化，使其达到使用要求。

1 热设计

1.1 整机热设计方案

机载计算机包括机箱和6个功能模块,可达到LRU(现场可更换单元)级别。外形尺寸为223 mm×194 mm×320 mm，总质量不超过8 kg，机箱重量不超过3 kg。机载计算机的散热方式一般有：自然散热、强迫风冷、液冷等方式。一般地，强迫风冷分为贯穿风冷和侧壁风冷，液冷分为贯穿液冷和侧壁液冷。自然散热方式的特点是可靠性高，成本低，但是散热效率较低。强迫风冷的特点是散热能力强，是自然散热能力的数倍，但是需要额外的供风装置，一般是风机或飞机的环控供风。液冷散热能力更强，是强迫风冷散热能力的数倍，但是结构复杂，需要额外的液冷系统作支撑。综合考虑机载计算机的功耗、安装位置、安装环境、安装方式、内部功能模块排列、计算机散热通道等因素，确定计算机的结构图如图1所示。

图1 机载计算机结构图

计算机采取强迫风冷散热方式，并且为保证计算机的环境适应性，采取侧壁强迫风冷方式。

1.2 模块热设计方案

确定机载计算机的散热方式为侧壁强迫风冷方式后，功能模块的热设计重点为：

(1) 合理排列模块顺序，既要满足功能模块和模板的交联功能，又要满足芯片的许用温度限制[2]；

(2) 将功耗密度高的模块排列在风量较大的位置；

(3) 优化芯片布局，将发热量大的芯片，如CPU芯片均匀布局，并且放置在模块的入风口侧，尽可能放置在模块的边缘位置[3]；

(4) 优化电路板设计，合理增加覆铜位置和比例；

(5) 优化结构设计，增加功能模块和机箱的接触面积，增大锁紧力矩，减小粗糙度。典型模块的结构图如2所示。

图2 机载计算机典型模块结构图

2 热仿真分析

2.1 简化模型

热仿真一般使用FLOTHERM软件进行。为减少仿真计算时间，提高仿真效率，需对仿真模型进行简化：去掉计算机内部和外部的圆角、小孔、局部凸凹特征等细小特征[4]；简化出风口和入风口的多孔特征；简化风道中的散热翅片；简化内部接线区、接插件、弯角件、保护组件等无功耗组装件；简化模块器件，包括非功耗器件和功耗器件的简化；简化模块和印制板上的倒角、刻字等各种修饰特征；简化标准件，如螺钉、螺母、弹垫、平垫等；去掉表面处理、喷漆等特征。通过一系列合理简化后得到机载计算机仿真模型如图3所示。

图3 高密度计算机热仿真模型

2.2 网格划分

对机载计算机整机进行网格划分，细小结构处的网格不少于3个，功耗芯片厚度方向网格不少于3个，网格最大纵横比不超过20，重点芯片网格最大纵横比不超过10，同时，在芯片周围区域进行适度的网格膨胀，以保证网格过渡均匀[5]。

2.3 热仿真

通过实施上文第1节中的优化措施，当环境温度为70 ℃，环控供风温度，即入口温度为40 ℃时，经过多次迭代仿真，整机最高温度从102 ℃降为89.2 ℃，整机温度分布更均匀，各模块温差更小。整机温度分布图如图4和图5所示。典型模块的温度如图6所示。

图4 整机内部温度分布图 图5 整机表面温度分布图

图6 典型模块的温度分布图

3 结 语

探讨了某机载计算机的热设计与分析，在满足计算机的功能性能指标下，综合考虑强度、刚度、重量、使用环境等因素，选择合适的散热方式，利用热仿真软件FLOTHERM软件对计算机进行仿真，经过多次方案调整和仿真迭代，使整机和模块达到热平衡，使芯片在许用温度内工作，最终满足用户要求，为其它机载计算机的热设计提供参考依据。

参考文献：

[1] 邱成悌，赵惇殳，蒋全兴,等.电子设备结构设计原理[M]. 南京：东南大学出版社，2005.

[2] 苗 力.轴流风机机箱散热结构的仿真优化设计[J].发电与空调，2012(4)：62-65.

[3] 张娅妮.某机载电子设备热设计[J].现代电子技术，2013(3)：151-153.

[4] 杨 林.某高密度计算机结构设计与分析[J].机械工程师，2015(2)：136-138.

[5] 杨 林.一种高密度计算机热设计和分析[J].机械工程师，2017(3)：16-17.