引言

隨著電子技術的迅速發展，電子器件的高頻、高速以及集成電路的密集和小型化，使得單位容積電子器件的發熱量快速增長。電子器件正常的工作溫度范圍一般為-5~65℃。研究資料表明，單個半導體元件的溫度每升高10℃，系統可靠性降低50%。由此可見，芯片散熱問題是影響計算機性能能否提升的關鍵因素。

翅片散熱器是一種在電子器件中使用范圍比較廣的散熱器，換熱方式為與空氣進行對流換熱。按照引起流動的原因而論，可分為自然對流和強迫對流。自然對流的表面傳熱系數雖然比較低（<10W/K.m2），但因為其無活動部件、性能穩定并且制造成本低這些優點，得到最廣泛應用。關于自然對流散熱器的設計優化，Avram Bar-Cohen、J.Richard Culham和M.Michael Yovanovich已經做了大量的研究。在這些文章中，基本研究的是垂直布置的翅片散熱器。高一博、羅小兵等人對水平布置的翅片散熱器進行優化，分析了設計尺寸與表面換熱系數、換熱量和耗材的關系。

本文從實際應用的角度，對散熱器導熱性能進行CAE模擬研究，對其結構進行優化設計。首先，利用ANSYS Workbench軟件建立某款設計中的帶翅片散熱器的熱固耦合計算模型，著重分析在散熱器厚度方向不同區域的散熱性能。根據分析結果，提出散熱器結構改進的方案。在相同的散熱需求下，新結構能節約12.24%的材料。

1 散熱器芯片尺寸優化問題的確定

研究發現，散熱器芯體結構尺寸對散熱器性能有很大影響。例如，翅片高度H、波距G、波峰數M、通道數N等，都是影響散熱器傳熱特性及流阻特性的重要因素。本文的目的就是通過調整散熱器芯體尺寸獲得優化設計方案。

查閱相關文獻得知，散熱器的結構設計必須滿足以下要求:

（1）散熱器傳給空氣的熱量Q應大于發動機及傳動裝置所要求的散熱量Q1，以保證發動機的冷卻水溫度和潤滑油溫度維持在安全的范圍內，一般把Q取為(2.10~1.20)Q1;

（2）散熱器氣側的泵耗功率應盡可能小，至少應小于允許的泵耗功率;

（3）在滿足散熱要求的條件下，散熱器應具有最少的材料消耗和最小成本;

（4）翅片的間距(管帶的波距G)不宜太小，以免阻力過大或發生堵塞。

因此，設計散熱器時應根據冷卻系統的要求，在給定的空間容積條件下，求得最大散熱量，同時獲得盡量小的風扇泵耗功率;或者是在Q和P值一定的前提下，使散熱器所消耗的材料最少(或成本最低)。可見，這是一個多重目標的優化問題。在優化設計中，材料的耗量(或成本)與翅片的厚度，高度有密切的關系。所以，在本文的優化設計過程中，以翅片厚度、高度、數目為變量，在散熱器散熱量、強度滿足實際需求的條件下，以質量最小為最終目標。

2 數學物理模型

電子器件在工作過程中產生的熱量必須通過散熱器迅速散發到環境（在此為空氣）中，以免結溫過高而燒毀電子器件。在此模型中，電子器件即熱源產生的熱量先傳導至散熱器基板下表面；然后熱量經過基板傳導至上表面和翅片；基板上表面和翅片與環境進行對流換熱和熱輻射，最終將電子器件產生的熱量散發到環境中。

為了分析模型，減少計算量，對散熱器進行合理簡化：

（1）假定每個翅片間距流道是均勻的；

（2）翅片材料各向同性且熱物理性質為常數；

（3）散熱器基板所受熱量分布均勻；

（4）環境溫度恒定；

（5）無接觸熱阻和擴散熱阻；

（6）整個分析過程是在翅片達到穩態，即熱平衡的情況下進行的。

2.1幾何模型建立

散熱器簡化后的幾何模型如圖2.1（a）所示。設置散熱器的長、寬、高分別為L、W、H，肋片厚度、高度、數目、間距分別為t、Hf、N、b。在ANSYS Workbench中的DM模塊直接建立散熱器的三維模型。首先，在平面創建草圖，通過拉伸操作創建散熱器基板。然后，利用拉伸、陣列等操作建立散熱器翅片。創建后的模型如圖2.1(b)所示。散熱器各尺寸數據如表2.1所示。

圖2.1 散熱器幾何模型圖

表2.1 散熱器尺寸參數數據表（mm）

2.2網格劃分

采用自動劃分法對模型進行網格劃分，散熱器基板最小尺寸設為1mm，翅片最小尺寸設為0.2mm。網格劃分如圖2.2所示。由圖（b）網格劃分情況統計圖可以看出，最終劃分的網格節點數為810215，單元數為193052。

圖2.2 網格分析圖

2.3物理參數及載荷約束設置

因為鋁具有價格低、質量輕和高導熱系數等特點，而鋁合金的力學性能優于金屬鋁的，故翅片散熱器制造材料廣泛使用鋁合金。該散熱器采用6061號鋁合金。熱源產生的熱量先傳導至散熱器基板下表面，然后熱量經過基板傳導至上表面和翅片，基板上表面和翅片與環境進行對流換熱和熱輻射，最終將電子器件產生的熱量散發到環境中。對散熱器基板施加熱流密度為6.25×10^-2W/mm²的熱量。散熱器翅片通過對流換熱和熱輻射兩種方式散熱。根據鋁合金的散熱特性，設對流換熱系數為5×10^-5W/(mm²°c)，發射率為0.4。環境溫度設為22°C。

3 分析求解

3.1溫度場求解結果及分析

散熱器的溫度場及總熱流結果如圖3.1所示。由圖(a)可以看出，散熱器受熱面處溫度較高，最高溫度為61.70°C。由圖(b)可以看出，總熱流集中在散熱器兩側壁面上，最大熱流為0.313W/mm²。

圖3.1 溫度場求解結果

3.2應力場求解結果及分析

將溫度場數據導入靜力求解器中，散熱器的總變形及熱應力求解結果如圖3.2所示。由圖(a)可以看出，散熱器基板前后面變形最大，最大變形為5.79×10^-2mm。由圖(b)可以看出，熱應變集中在散熱器受熱面上，最大熱應變為9.11×10^-4mm/mm。

圖3.2 散熱器應力分析圖

由于受熱面的大小是由實際工程條件決定的，所以不能隨便改變受熱面的尺寸。但散熱器翅片的結構可根據實際散熱需要做出合理優化，因此本文將散熱器翅片厚度、高度、數目（即間距）作為優化參數，對散熱器進行優化。

4 散熱器優化分析

4.1目標驅動優化的實驗設計

應用Workbench進行優化分析時通常先定義狀態參數和目標參數，查看響應分析、優化分析、求解并驗證結果。

定義散熱器的狀態參數為散熱器質量和最大總變形。然后根據散熱器的結構限制，給定翅片厚度變化條件為0.45mm≤Thickness≤0.55mm，翅片高度變化條件為35mm≤Height≤43mm,翅片數目變化條件為36≤Number≤44。并且，將翅片厚度、高度、數目都設為連續型變量。求解目標為質量最小，最大總變形不超過0.08mm，最高溫度不超過65°C。

4.2響應面的搜索結果

4.2.1最大、最小值搜索結果

響應面的最大值、最小值結果如圖4.1所示。由圖可以看出，當翅片厚度、高度、數目均為最小值時，散熱器質量最小。當翅片厚度、高度、數目均為最大值時，最大總變形及最高溫度取得最小值。說明合理地設置散熱器結構，在保證相同的散熱量條件下，可以減輕散熱器質量。

4.1 最大、最小值搜索結果圖

4.2.2響應面的參數靈敏度結果

圖4.2為響應面的參數靈敏度結果。由圖可知，翅片高度對散熱器質量的靈敏度最大，即翅片高度對散熱器質量影響最大。并且，翅片高度增大，散熱器質量也將增大。翅片數目對散熱器最大變形量的靈敏度最大，且翅片數目增多，散熱器的最大變形量將減小。翅片高度對散熱器最高溫度的靈敏度最大，且翅片高度增大，散熱器最高溫度減小。從以上分析可以看出，翅片高度對散熱器各個性能的靈敏度最大。

圖4.2 響應面的參數靈敏度結果圖

4.2.3響應面結果

圖4.3為響應面結果圖。圖（a）為散熱器質量對翅片高度、數目的響應結果。圖中藍色區域質量較小，紅色區域質量較大。由圖可以看出，翅片高度較小，數目較少時，散熱器質量較小，與前述結論一致。圖（b）為散熱器最大總變形量對翅片高度、數目的響應結果。圖中藍色區域散熱器的最大總變形量較小，即翅片高度較大、數目較多區域。圖（c）為散熱器最高溫度對翅片高度、數目的響應結果。圖中藍色區域散熱器的最高溫度較小，即翅片高度較大、數目較多區域。

圖4.3 響應面結果圖

4.3目標驅動優化

進入Optimization界面，設置幾何體質量最小，最大總變形不超過0.08mm，最高溫度不超過65°C，并進行優化更新。使用響應面生成1000個樣本點，最后程序給出最好的3個候選結果。三組候選結果顯示在優化列表中，如圖4.4所示。優化結果以星級的多少排列方案的優劣。

從圖中可以看出，對于散熱器質量和最大總變形項，三組的星級數都為2。而對于最高溫度項，C組星級數為1，其他兩項都為0。說明在散熱器質量和最大總變形量優化效果相差不大的情況下，C組最高溫度最低，安全系數最高。因此，可選取C組優化結果作為最終優化結果。散熱器優化前質量為0.49kg，優化后質量為0.43kg，質量縮減了12.24%。

圖4.4 目標驅動優化結果圖

5 結論

根據CAE數值模擬結果，可以得到如下結論：

（1）散熱器受熱面處溫度較高，最高溫度為61.7°C。總熱流集中在散熱器基板的兩側壁面上，最大熱流為0.313W/mm²。

（2）散熱器前后基板面變形最大，最大變形為5.79×10^-2mm。熱應變集中在散熱器受熱面上，最大熱應變為9.11×10^-4mm/mm。

（3）翅片高度對散熱器質量、最高溫度的靈敏度最大。翅片高度減小，散熱器質量減小，但散熱器最高溫度將增大。翅片數目對散熱器最大總變形量的靈敏度最大，且翅片數目增大，散熱器的最大總變形量將減小。

（4）最終優化結果為：翅片厚度為0.456mm,高度為35.067mm，翅片數目為39。散熱器優化前質量為0.49kg,優化后質量為0.43kg，質量縮減了12.24%。