散热片结构优化设计

1、CPU散热片结构优化设计张远波1熊蔡华（1.华中科技大学机械科学与工程学院湖北武汉 430074）Email: zha ng0316摘 要 本文运用 APDL（Ansys Parameter Design Language）语言，在 ANSYS开发环境中对 平板式散热片进行结构优化设计，并给出实例验证本文提出的方法。关键词散热片优化设计 APDL 目标函数 中图分类号：TH123+.1文献标识码：BResearch on Optimizati on of CPU Heat Si nksYuanbo Zhang Caihua Xiong（School of Mecha ni cal Scie n

2、ee & Engin eeri ng, Huazh ong Uni versity of Scienceand Techno logy, Wuhan 430074）Abstract : A method of designing and optimizing the plate-fin heat sinks using ANSYS parameter Design Language（APDL） was introduced in this paper, and an example was given to verify this method.Key words : heat sink， o

3、ptimization ， APDL， objective function1. 概述CPU功率的不断提升直接导致了更多热量的产生，为了能在有限的散热空间内仍能使 CPU正常运行，必须提高散热片的散热性能，而传统的基于经验设计散热片的方法已很难 继续提高散热片的散热性能。为了提高散热性能，本文在不改变现有工况（如散热空间、散热片材质及风扇送风量）的前提下，对传统散热片进行结构优化设计。传统的散热片形状如图1所示，其作用是把CPU（功率大约为80W）中产生的热量散发出去，使 CPU在运行时的温度不超过安全的定值（一般为70C80C ）。为更快的把 CPU上产生的热量散发出去，散热片通常采用导热系

4、数高的金、铜、铝等材料。然而，为了降低 成本，一般选择铝质材料。图1传统散热片形状2. 优化算法2.1 APDL参数化建模APDL是一门可用来自动完成有限元分析或通过参数化方式建立分析模型的脚本语言。如图1所示的平板式散热片，在已知翅片数 （N=16）和底座长、宽（0.08 m x 0.08m的情况下, 只需Xp X2、X3 （ X1为散热片翅片厚度、 X2为散热片底座厚度、 X3为散热片整体高度，分*国家自然科学基金重点项目（50436010、全国优秀博士论文作者专项基金资助项目（200027）、国家重点基础研究发展计划（973计划）2005CB724100资助、新世纪优秀人才支持计划（NC

5、ET-05-0651别如图1所示)三个参数就可以通过 APDL语言建立散热片的有限元分析模型。2.2散热片的热分析APDL语言建立散热片有限元模型后所进行的热分析过程，实质就是通过有限元素法求解散热片各个节点的温度值，其原理是：在直角坐标中，从散热片中任意取出一个立方形控制体，表面积为 A，表面外法向为n。根据热力学第一定律有 ：9?z。卄？刃一?y?一刘+9?k-TXk9?-?x?T?T莎?+qv= Q?t式中入为散热片的导热系数， T为温度，qv为内热源的发热率， t为时间，cv为比热。因为散热片为各向同性材料，所以入= =人=人=常数，则式可写成:?2T?2t?y2 + ?z2+ qv

6、/ 入二Pv ?T入? TV，其边界曲面为?2t?z2-T2)dS) =02由于散热片是具有内热源的三维导热问题，所以当散热片的体积为S，根据变分原理由方程(2)推导出:? ?T ?T ?T ?T ?T?TM /灯入莎)+ 亦(?)+)+ qv- 2畀 T ?dxdydz) = 0 假定散热片周围流体的介质温度Tf和散热片表面与周围介质之间的对流换热系数a已知，即散热片边界曲面 S满足第三类边界条件，也即当 S = Sa时，有：?T-吃)w = a(Tw-Tf)把(4)式代入式，可导出:?T-qvT + pc一 Tdxdydz- ? T把散热片离散成 也就是离散方程，由E个单元和m个节点，对每

7、个待求的节点温度可以建立一个代数方程, m个代数方程可组装成系统方程 :?CT+KT =Q(6)式中C为比热矩阵，K为热传导矩阵，Q为节点热流率向量。求解(6)式，可得到各个节点的温度值 4。2.3优化过程的数学模型为了在有限空间内使散热片的散热性能达到最好，应使散热片中温度最高的节点温度尽可能小。因此，散热片结构优化模型可描述如下：MinXmRzeTMP (X )?x, ? 1 ?X =?X2? = X? ?X3 ?s. t.ai Xi X2、x3设定取值区间。假设x3=0.03m , x1=0.003m，当x2取值区间为0.0008mx2切.005m时，根据前面的优化模型，可得到优化结果如

8、图Ji.7 5,0丄工2 ： 丄=弼H了. 7%，丄富 $l.Z7. OSSS-S855.711底座厚度赵忌2所示。3131图2 TMP与底座厚度x2的关系曲线0.0008m x1切.004m（散热片翅片的厚假设x3=0.03m , x2=0.002m，当x1的取值区间为度不能超过0.004m，如果超过这个值，其散热效果会随着翅片间散热空间的减少而降低）时,根据前面的优化模型，可得到优化结果如图3所示。、i.華0Xr工3 r I-/? PX.XrSWT .ZV-9l皐斗丄3 -T1?翅片厚JXl/ni电2丄 OS4-?图3 TMP与翅片厚度x1的关系曲线31假设x1=0.003m , x2 =

9、0.002m ,当x3的取值区间为 0.02m 0& 12 .0052 -S.1SS3.5823 .STS. 2032.5S7 -#913.3&-55T. 7 7S散熱片的高JXa/m通信地址：湖北省武汉市华中科技大学东13舍230室 张远波收邮编：430074通信地址：湖北省武汉市华中科技大学东13舍230室 张远波收邮编：430074图4 TMP与散热片整体高度 x3的关系曲线对散热片进行多参数优化时，取三个参数取值范围为：0.002mwx1切.0035m、0.002m wx2 0.0025m、0.028m x3 O.035m ,并取初值为：x1 =0.003m、x2 =0.002m、x3

10、 =0.03m ,通过分析计算得到最高点温度为TMP =70.548 C。优化后的最优结果为：xi =0.00342m ,x2 =0.00202m , x3 =0.0349m, TMP =68.154 C。结束语本文提出了 CPU散热片结构优化算法，并以平板式散热片为例，验证了本文提出的优化算法的可行性，为热优化的工程应用提供了一种有效方法。本文创新点本文将ANSYS的优化算法应用于散热片的优化设计中，并通过实例得到验证。参考文献1 龚曙光，谢桂兰.ANSYS操作命令与参数化编程.北京：机械工业出版社，20032 朱谷君.工程传热传质学.北京：航空工业出版社，19893 美Saeed Moaveni.有限元分析-ANSYS理论与应用.北京：电子工业出版社，20034 周顺生，范晋伟等.有限元分析在数控铳床热变形方面的研究.微计算机信息2005 (8)：63-64+11作者简介 张远波(1980.03),男，硕士研究生，研究方向：机电表面功能结构及相关热物理问题 的基础研究Brief In troducti on of Author:Zhang Yua