一种机载计算机热设计与分析

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。

3)将饱和水煤样放入干燥箱中，期间不断取出称重，称重时间根据实际需要调整，直到达到目标干燥质量后将煤样取出，立即放入密封袋中自然冷却至室温备用。

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：

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。

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。

MS条件：EI源，电子能量70 eV；离子源温度200℃，四级杆温度150℃，质量数扫描范围35～350 amu。

绿道作为生态环境保护的重要手段，具有保护栖息地、维护物种多样性、改善城市小气候、修复生态环境等生态功能[1-2]。城市化发展过程中，城市扩张会带来诸多负面效应，城市绿地功能退化，生境破碎化现象越来越严重。基于低碳生态的城市绿道规划的核心是协调城市开发与生态格局保护，建立支持生态功能发挥的可持续的土地利用模式。本文结合杭州临安青山湖绿道规划设计实践，探讨基于低碳生态理念的绿道规划策略。

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]。

(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。

(2) 将功耗密度高的模块排列在风量较大的位置；

  

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

(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]；

  

图3 高密度计算机热仿真模型

2.2 网格划分

(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]；

2.3 热仿真

20 m脚内侧运球过杆数据上，可以发现试验后实验班与对照班在20 m脚内侧运球过杆的平均时间上均有明显的进步，合作学习法和传统的教学方法都可以提高运球过杆技术，但样本T检验后发现，其p值＜0.05，差异非常显著，说明实验班采用合作学习模式所取得的成绩要明显好于对照班。

  

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。

[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.

参考文献：

无论是打赢“三大攻坚战”，还是深化经济、政治、文化、社会、生态、党建等各领域改革，都不可能毕其功于一役，必须锲而不舍、久久为功。看清楚时和势，保持定力和耐心，不为任何风险所惧，不为任何干扰所惑，方能坚如磐石、行稳致远。

[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.

2.3.3 重复性试验 精密称取药材样品（编号：S2）适量，共6份，按“2.2.2”项下方法制备供试品溶液，再按“2.1”项下色谱条件进样测定。以岩白菜素峰的保留时间和峰面积为参照，记录各共有峰的相对保留时间和相对峰面积。结果，14个共有峰相对保留时间的RSD均小于3%（n＝6），相对峰面积的RSD均小于4%（n＝6），表明本方法重复性良好。

[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.