散热器失效分析及优化设计-绳冉冉

散热器失效分析及优化设计周俊杰，绳冉冉，孙宝庆（郑州大学化工与能源学院，河南 郑州 450001）摘要摘要：：将有限元分析方法和优化设计理论相结合，以ANSYS 软件为工具，构建了散热器的优化设计。

首先，对散热器进行数值模拟分析，研究了散热器的失效部位。

然后，对散热器的结构尺寸进行了多目标驱动优化。

在保证安全性的前提下，使得散热器质量减少了12.24%，为该类散热器的设计探索提供了新的方法。

关键词:散热器；有限元；失效分析；优化设计Failure analysis andOptimization Design about radiatorZHOU Junjie, SHENG Ranran ，Sunaoqing(Department of Chemical and Energy , Zhengzhou University,Henan Zhengzhou 450001，Henan ，China)Abstract:To combine finite element analysis method with the optimization design theory, based on the tool of ANSYS software, build the optimization design model of radiator.Firstly,numerical simulation analysis was carried out on the radiator,study the failure parts of the radiator.Secondly,analysis multi-objective optimization the copper radiator ,s structure and size.On the premise of safety, the material of the radiator reduce 12.24% , so as to find a new way to design this kind of radiator.Key words: radiator; finite element ; failure analysis;optimization design 引言引言随着电子技术的迅速发展，电子器件的高频、高速以及集成电路的密集和小型化，使得单位容积电子器件的发热量快速增长。

电子器件正常的工作温度范围一般为-5-65℃。

研究资料表明，单个半导体元件的温度每升高10 ℃，系统可靠性降低 50%[1]。

由此可见，芯片散热问题是影响计算机性能能否提升的关键因素。

翅片散热器是一种在电子器件中使用范围比较广的散热器，换热方式为与空气进行对流换热。

按照引起流动的原因而论，可分为自然对流和强迫对流。

自然对流的表面传热系数虽然比较低（<10W/K.m 2），但因为其无活动部件、性能稳定并且制造成本低这些优点，得到最广泛应用。

关于自然对流散热器的设计优化，Avram Bar-Cohen 、J. Richard Culham 和M.Michael Yovanovich 已经做了大量的研究[2][3][4]。

在这些文章中，基本研究的是垂直布置的翅片散热器。

高一博、罗小兵等人对水平布置的翅片散热器进行优化，分析了设计尺寸与表面换热系数、换热量和耗材的关系[5]。

本文从实际应用的角度，对散热器导热性能进行模拟研究，对其结构进行优化设计。

首先，利用 ANSYS Workbench 软件建立某款设计中的带翅片散热器的热固耦合计算模型，着重分析在散热器厚度方向不同区域的散热性能。

根据分析结果，提出散热器结构改进的方案。

在相同的散热需求下，新结构能节约12.24%的材料。

1.1.散热器芯片尺寸优化问题的确定散热器芯片尺寸优化问题的确定散热器芯片尺寸优化问题的确定研究发现，散热器芯体结构尺寸对散热器性能有很大影响。

例如，翅片高度H 、波距G 、波峰数M 、通道数N 等，都是影响散热器传热特性及流阻特性的重要因素[6]。

本文的目的就是通过调整散热器芯体尺寸获得优化设计方案。

查阅相关文献得知，散热器的结构设计必须满足以下要求:（1）散热器传给空气的热量Q 应大于发动机及传动装置所要求的散热量Q 1，以保证发动机的冷却水温度和润滑油温度维持在安全的范围内，一般把Q 取为(2.10~1.20)Q 1;（2）散热器气侧的泵耗功率应尽可能小，至少应小于允许的泵耗功率;（3）在满足散热要求的条件下，散热器应具有最少的材料消耗和最小成本;（4）翅片的间距(管带的波距G)不宜太小，以免阻力过大或发生堵塞。

因此，设计散热器时应根据冷却系统的要求，在给定的空间容积条件下，求得最大散热量，同时获得尽量小的风扇泵耗功率;或者是在Q 和P 值一定的前提下，使散热器所消耗的材料最少(或成本最低)[7]。

可见，这是一个多重目标的优化问题。

在优化设计中，材料的耗量(或成本)与翅片的厚度，高度有密切的关系。

所以，在本文的优化设计过程中，以翅片厚度、高度、数目为变量，在散热器散热量、强度满足实际需求的条件下，以质量最小为最终目标。

2.2.数学物理模型数学物理模型数学物理模型电子器件在工作过程中产生的热量必须通过散热器迅速散发到环境（在此为空气）中，以免结温过高而烧毁电子器件。

在此模型中，电子器件即热源产生的热量先传导至散热器基板下表面；然后热量经过基板传导至上表面和翅片；基板上表面和翅片与环境进行对流换热和热辐射，最终将电子器件产生的热量散发到环境中[8]。

为了分析模型，减少计算量，对散热器进行合理简化：（1）假定每个翅片间距流道是均匀的；（2）翅片材料各向同性且热物理性质为常数；（3）散热器基板所受热量分布均匀；（4）环境温度恒定；（5）无接触热阻和扩散热阻；（6）整个分析过程是在翅片达到稳态，即热平衡的情况下进行的。

2.1几何模型建立散热器简化后的几何模型如图2.1（a）所示。

设置散热器的长、宽、高分别为L、W、H，肋片厚度、高度、数目、间距分别为t、H f、N、b。

在ANSYS Workbench中的DM模块直接建立散热器的三维模型。

首先，在平面创建草图，通过拉伸操作创建散热器基板。

然后，利用拉伸、阵列等操作建立散热器翅片。

创建后的模型如图 2.1(b)所示。

散热器各尺寸数据如表 2.1所示。

(a)散热器外形尺寸图(b)散热器三维模型图图2.1散热器几何模型图表2.1散热器尺寸参数数据表（mm）类型翅片型散热器L×W×H（mm）130×100×44肋片厚度t（mm）0.5肋片高度H f（mm）39肋片数目N（mm）41肋片间距b（mm） 1.982.2网格划分采用自动划分法对模型进行网格划分，散热器基板最小尺寸设为1mm，翅片最小尺寸设为0.2mm。

网格划分如图2.2所示。

由图（b）网格划分情况统计图可以看出，最终划分的网格节点数为810215，单元数为193052。

(a)网格划分图(b)网格划分情况统计图图2.2 网格分析图2.3物理参数及载荷约束设置因为铝具有价格低、质量轻和高导热系数等特点，而铝合金的力学性能优于金属铝的，故翅片散热器制造材料广泛使用铝合金[9]。

该散热器采用6061号铝合金。

热源产生的热量先传导至散热器基板下表面，然后热量经过基板传导至上表面和翅片，基板上表面和翅片与环境进行对流换热和热辐射，最终将电子器件产生的热量散发到环境中。

对散热器基板施加热流密度为6.25×10-2 W/mm 2的热量。

散热器翅片通过对流换热和热辐射两种方式散热。

根据铝合金的散热特性，设对流换热系数为5×10-5 W/(mm 2。

c)，发射率为0.4。

环境温度设为22。

C 。

3.3.分析求解分析求解分析求解3.1温度场求解结果及分析散热器的温度场及总热流结果如图3.1所示。

由图(a)可以看出，散热器受热面处温度较高，最高温度为61.70。

C 。

由图(b)可以看出，总热流集中在散热器两侧壁面上，最大热流为0.313W/mm 2。

(a)散热器温度分布 (b)散热器总热流分布图3.1温度场求解结果3.2应力场求解结果及分析将温度场数据导入静力求解器中，散热器的总变形及热应力求解结果如图3.2所示。

由图(a)可以看出，散热器基板前后面变形最大，最大变形为5.79×10-2mm。

由图(b)可以看出，热应变集中在散热器受热面上，最大热应变为9.11×10-4mm/mm。

(a)散热器总变形图(b)散热器热应变图图3.2散热器应力分析图由于受热面的大小是由实际工程条件决定的，所以不能随便改变受热面的尺寸。

但散热器翅片的结构可根据实际散热需要做出合理优化，因此本文将散热器翅片厚度、高度、数目（即间距）作为优化参数，对散热器进行优化。

散热器优化分析4.散热器优化分析4.散热器优化分析4.1目标驱动优化的实验设计应用Workbench进行优化分析时通常先定义状态参数和目标参数，查看响应分析、优化分析、求解并验证结果。

定义散热器的状态参数为散热器质量和最大总变形。

然后根据散热器的结构限制，给定翅片厚度变化条件为0.45mm≤Thickness≤0.55mm，翅片高度变化条件为35mm≤Height≤43mm,翅片数目变化条件为36≤Number≤44。

并且，将翅片厚度、高度、数目都设为连续型变量。

求解目标为质量最小，最大总变形不超过0.08mm，最高温度不超过65。

C。

4.2响应面的搜索结果4.2.1最大、最小值搜索结果响应面的最大值、最小值结果如图4.1所示。

由图可以看出，当翅片厚度、高度、数目均为最小值时，散热器质量最小。

当翅片厚度、高度、数目均为最大值时，最大总变形及最高温度取得最小值。

说明合理地设置散热器结构，在保证相同的散热量条件下，可以减轻散热器质量。

4.1最大、最小值搜索结果图4.2.2响应面的参数灵敏度结果图4.2为响应面的参数灵敏度结果。

由图可知，翅片高度对散热器质量的灵敏度最大，即翅片高度对散热器质量影响最大。

并且，翅片高度增大，散热器质量也将增大。

翅片数目对散热器最大变形量的灵敏度最大，且翅片数目增多，散热器的最大变形量将减小。

翅片高度对散热器最高温度的灵敏度最大，且翅片高度增大，散热器最高温度减小。

从以上分析可以看出，翅片高度对散热器各个性能的灵敏度最大。

图4.2响应面的参数灵敏度结果图4.2.3响应面结果图4.3为响应面结果图。

图（a）为散热器质量对翅片高度、数目的响应结果。

图中蓝色区域质量较小，红色区域质量较大。

由图可以看出，翅片高度较小，数目较少时，散热器质量较小，与前述结论一致。