浸没式液冷水箱轻量化设计与仿真分析

张海龙

（浪潮电子信息产业股份有限公司 高效能服务器与存储技术国家重点实验室，济南 250101）

液冷服务器一问世，便以巨大的优势得以迅速发展。浸没式液冷是液冷的一种。水箱作为浸没式液冷的基础部件，其自身可靠性对液冷系统来说至关重要。传统的水箱是槽钢拼焊组成外部支撑框架，内部装配塑料内胆。从制造与成本方面来讲，它存在加工不易、造价高昂、自身质量较大以及吊装搬运不易等缺点。从可靠性方面来讲，由于焊接工序的存在，它很容易出现焊点锈蚀，且焊接应力大，使用寿命低，存在安全隐患。从强度方面来讲，传统水箱以管状结构加平板结构为主体，非常不利于承压。

1 传统水箱结构

本文以浸没式液冷水箱为研究对象。传统水箱的三维结构如图1所示。

图1 传统水箱结构三维模型

从图1可以看出，传统水箱结构的框架是43根槽钢拼焊组成外围框架，内部装配金属内胆而成的装配结构。它的半剖截面图，见图2。

图2 传统水箱结构半剖模型

水箱内胆会盛入大量的冷却液，因此对内胆的密封性和强度有很高的要求。传统水箱设计大量使用焊接工艺，而焊接工艺一旦控制不好，就容易产生气孔、夹渣、咬边以及裂纹等不良工艺现象，严重影响焊缝处的连接强度。由于该结构为全钢结构，质量很大，在吊装运输时也存在安全隐患。

基于以上种种缺点，考虑对原结构进行轻量化设计。目前，比较成熟的轻量化手段有3种：

（1）采用轻型材料，最典型的是以塑代钢；

（2）优化结构，常见的有尺寸优化、形状优化、拓扑优化、形貌优化等；

（3）先进的制造工艺，如激光焊、热成型、一体成型[1]。

对于有密封要求的水箱，考虑取消支撑框架，内胆与外壳合二为一，采用一体成型工艺。同时，为了满足增加刚度低于承压变形，一体成型结构需添加加强筋。

取出箱体侧壁进行受力分析，侧壁等效为平板受静水压的弯曲变形。根据铁木辛柯板壳理论，板的弯曲刚度为[2]：

式中，E为板材料杨氏模量，h为板厚，v为材料泊松比。从式（1）可以看出，影响板刚度的主要是杨氏模量、厚度和泊松比，尤以厚度最为敏感。当所用塑料材料杨氏模量与钢材料杨氏模量相差20倍时，只需起加强筋使肉厚变为原来的2.7倍，即可达到相同的刚度。

2 新水箱结构设计

2.1 确定轮廓尺寸

需要先确定新水箱的外廓与尺寸。参照压力容器的设计方式，为了减小二次应力[3]，外部设计成圆弧形，长边与短边使用圆弧光滑连接。

2.2 确定内部结构

经试算，新水箱的刚度若要达到与原结构等同的刚度，则壁厚为原来的2.7倍，成型时无法满足要求。因此，考虑参照冰箱的设计方式，将外壳与内胆的一体成型结构做成空心结构，内部填充硬质聚氨酯材料，以此增加刚度。一体成型结构及其内部空间，如图3所示。新水箱的三维模型，如图4所示。

图3 一体成型结构及其内部空间

图4 新水箱的三维模型

3 仿真分析

采用有限元静力分析法对两种形式的箱体进行承压强度刚度分析。

3.1 网格划分

采用通用前处理软件对水箱进行网格划分等前处理操作，对槽钢、金属内胆进行抽中面操作，再对该中面进行网格划分[4]。一体成型结构与内部填充物采用四面体进行网格划分。这里不考虑焊接单元的失效，因此焊接连接采用刚性单元模拟。此外，一体成型结构与内部填充物采用共节点连接[5]。

3.2 材料属性

本仿真模型所涉及零件多为槽钢与塑料，槽钢采用Q235钢板，塑料外壳采用ABS加玻纤，聚氨酯硬质泡沫采用Hyperfoam材料本构模型。计算前，需要获取体积压缩静水压力-体应变曲线。仿真模型所用到的材料性能，如表1所示。

表1 材料物理性能

3.3 边界条件

仿真计算时，约束条件及载荷条件如图5所示。约束支撑脚全部自由度，对内胆内壁面施加静水压。

图5 水箱有限元仿真约束与载荷边界

3.4 计算结果对比

计算完成后，两种形式水箱变形云图分别见图6和图7。

图6 原水箱承压工况变形云图

图7 新水箱承压工况变形云图

将原水箱与新水箱重要参数列于表2。

表2 原水箱与新水箱重要参数对比

由表2可知，新水箱不仅质量小、变形小，而且强度也更高，安全系数为3.4，远优于原水箱的0.91。

4 结语

本文以浸没式液冷水箱为研究对象，在综合考虑焊接水箱存在的种种不足的情况下，借鉴压力容器与冰箱的设计方案，设计了一款新型水箱，并进行了承压工况下仿真分析。仿真结果表明，采用新工艺方案，新型设计的一体成型水箱减少了焊接工艺的不确定性，减少了拼焊结构普遍存在的应力集中现象。新的水箱质量更轻，刚度更高，强度也有较大提升。本研究对服务器行业轻量化设计有着重要的示范和引导意义。