Оптимизация конструкции системы охлаждения электронного модуля с помощью применения системы автоматизированного проектирования solidworks

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ

ЭЛЕКТРОННОГО МОДУЛЯ С ПОМОЩЬЮ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

SOLIDWORKS

Самойленко Н.Э.

Воронежский государственный технический университет

Потапов С.С.

Воронежский государственный технический университет

Чепрасов И.В.

Воронежский государственный технический университет

Барагузин А.Ю.

Воронежский государственный технический университет

OPTIMIZATION OF THE CONSTRUCTION OF THE ELECTRONIC MODULE COOLING SYSTEM WITH THE OF THE COMPUTER AIDED DESIGN SOLIDWORKS

Samoylenko N.E.

Voronezh State Technical University Potapov S.S.

Voronezh State Technical University Cheprasov I. V.

Voronezh State Technical University Baraguzin A. Yu.

Voronezh State Technical University

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматривается конструкция биметаллического (медь—алюминий) паяного радиатора, эффективно охлаждающего элементы электронной аппаратуры с высокой неравномерностью тепловых потоков. Приведены характеристики радиатора и метод построения начальной (неоптимизированной) модели с учетом требуемых ограничений. С помощью модуля системы автоматизированного проектирования Solidworks Simulate было произведено тепловое исследование, на основе результатов которого осуществлена дальнейшая оптимизация конструкции. Оптимизация производилась в два этапа. Первый этап состоял в поиске оптимальной геометрии конструкции радиатора, где в роли переменных выступали толщины и высоты рёбер и планок. Второй этап заключался в постепенной замене материала элементов с меди на алюминиевый сплав. Рассмотрена общая структура файлов результатов проведенных исследований. Подробно описаны все сложности, с которыми авторы столкнулись в ходе оптимизации конструкции радиатора в среде САПР Solidworks, и способы их решения. Основными задачами, решаемыми с помощью разработанного алгоритма оптимизации, являются повышение точности, снижение трудоемкости и продолжительности поиска оптимальной конструкции, исключение влияния «человеческого» фактора.

ABSTRACT

This article deals with the design of a bimetallic (copper-aluminum) brazed radiator, effectively cooling elements of electronic equipment with high heat flow unevenness. The characteristics of the radiator and the method of constructing the initial (non-optimized) model with allowance for the required constraints are given. Using the CAD module of Solidworks Simulate, a thermal study was performed, based on the results of which further optimization of the design was carried out. Optimization was carried out in two stages. The first stage consisted in the search for the optimal geometry of the radiator design, where the thicknesses and heights of the ribs and strips played the role of variables. The second stage consisted in the gradual replacement of copper material by aluminum in the radiator model. The general structure of the files of the results of the conducted studies is considered. In detail all the difficulties that the authors encountered in the optimization of the design of the radiator in the CAD environment of Solidworks are described in detail, and the ways to solve them. The main tasks solved with the help of the developed algorithm of optimization are the increase of accuracy, the reduction of labor intensity and the duration of the search for the optimal design, the elimination of the influence of the "human" factor.

Ключевые слова: биметаллический радиатор, термическое исследование, оптимизация, Solidworks Simulate.

Keywords: bimetallic radiator, thermal study, design optimization, Solidworks Simulation

Необходимо оптимизировать конструкцию биметаллического радиатора (рис. 1). Такие радиаторы состоят из спаянных между собой ребер и планок. Основание радиатора образуют планки и торцы ребер. Каждое ребро запаяно в два параллельных основания. Толщина основания есть толщина планки. Как планки, так и ребра могут быть

медными и алюминиевыми в различных сочетаниях, например, по краям — из сплава алюминия, а в центре — из меди.

Рассмотрим вариант оптимизации конструкции системы охлаждения электронного модуля в целях минимизации его веса.

Рис. 1. Конструкция радиатора

Для обеспечения требуемого температурного режима электронных компонентов используется принудительное воздушное охлаждение. Несущими элементами конструкции являются пластины, образующие каналы прямоугольного сечения. На входе и выходе каналов (длиной L = 0,25 м) закреплены вентиляторы. На двух противоположных пластинах (основаниях радиатора) размещены тепловыделяющие элементы. Ширина оснований фиксирована. На основании 1 расположены два транзистора мощностью по 175 Вт, отстоящие на расстояние 10 мм. Удельная мощность тепловыделений каждого из них составляет 8 105 Вт/м2. Кроме того, на основании 1 размещены также три транзистора мощностью по 15 Вт. Размеры контактных площадок транзисторов 24*9 мм. На основании 2 расположены три преобразователя мощностью по 45 Вт, общее тепловыделение которых составляет 140 Вт. Размеры контактных площадок преобразователей 60*70 мм. При температуре воздуха на входе в каналы tвх = 50 °С необходимо обеспечить предельную температуру контактных площадок преобразователя (95 °С) и транзистора (80 °С).

Площадь оснований радиатора значительно превосходит площадь контакта локальных источников теплоты. Самые мощные источники теплоты находятся в центре основания, поэтому при расчетах появляется возможность применения алюминиевых ребер в крайних областях. В рассматриваемой конструкции радиатора толщина всех ребер одинакова, также одинакова и толщина всех планок. Искомыми параметрами являются: толщины двух оснований, ребер и планок между ними, количество медных ребер и планок, количество алюминиевых ребер и планок. Как показали предварительные

оценки, плотность теплового потока на основании 2 в 50 раз меньше, чем на основании 1. Поэтому на начальном этапе расчетов используем сплав алюминия для всех планок основания 2 и сплав меди — для планок основании 1. Все ребра медные. Учитывая высокую плотность теплового потока, выбираем толщину ребра d = 1 мм и толщину планки b = 1 мм. Начальная толщина обоих оснований 8 мм [1].

Построим модель радиатора в САПР SolidWorks. Сборка конструкции состоит из массива сопряженных друг с другом планок и ребер, массива транзисторов и преобразователей, закрепленных на основаниях радиатора. На рис. 2 представлены виды получившейся сборки.

Теперь, для проведения термического исследования и дальнейшей оптимизации конструкции, необходимо приложить к ней тепловые нагрузки и ограничения. Установка этих параметров производится в Solidworks Simulation. Согласно начальным условиям, в качестве нагрузки применили тепловую мощность, рассеиваемую с поверхностей транзисторов и преобразователей, в качестве ограничения было указано условие конвекции, назначенное на все внутренние поверхности воздушных каналов. Для расчета коэффициента конвекции использовали упрощенный алгоритм [2], учитывающий площадь поперечного сечения и длину канала, скорость потока воздуха, температуру окружающего воздуха и производительность вентиляторов. В результате получили, что при любой ширине канала от одного до двух миллиметров, коэффициент теплоотдачи принимает значения около 150 , что согласно приведенной таблице характерных коэффициентов теплоотдачи соответствует принудительной конвекции воздухом [3].

Рис. 2. Модель радиатора

После того, как все условия указаны, необхо- плотностью элементов для повышения точности

димо создать конечно-элементную сетку модели. проводимых расчетов [4]. Получившаяся сетка

Для исследований в этой работе будем использо- представлена на рис. 3. вать сетку на основе кривизны с максимальной

Рис. 3. Конечно-элементная сетка

Термический анализ показал, что температура основания самого теплонагруженного транзистора составляет 68° С, температура основания преобразователей около 52° С. Распределение температурных полей представлено на рис. 4.

Прежде чем приступить к оптимизации конструкции, требуется описать зависимости между размерами и другими параметрами модели с помощью уравнений. Это необходимо для упрощения работы с моделью и уменьшения количества сценариев, задействованных в будущем исследовании.

Так как, ширина планок и ребер в процессе оптимизации будет меняться, опишем параметр, отвечающий за шаг массива (всего в модели задействовано три массива - массив ребер, верхних и нижних планок, их шаг одинаков), как сумму ширины планки и ребра. Что бы ширина радиатора не выходила за допустимое значение необходимо контролировать количество элементов массивов. Опишем соответствующую переменную как результат деления максимально допустимой ширины радиатора в миллиметрах на шаг массива.

Рис. 4. Распределение температурных полей

Так как эта переменная может принимать дробные значения, что недопустимо для описания количества экземпляров, применим встроенную функцию "int", которая возвращает ближайшее целое число от значения результата деления. Число элементов массивов планок всегда на один меньше, чем число ребер, введем соответствующую зависимость в редактор уравнений, также сравняем ширину нижних и верхних планок. Получившаяся в результате система уравнений показана на рис. 5.

Теперь можно перейти к оптимизации конструкции. Сначала будет исследована возможность минимизации массы радиатора путем изменения толщин планок, ребер и оснований, затем, возможность замены материала крайних ребер и планок на алюминий. Такое разделение обусловлено необходимостью уменьшения количества сценариев, которое в случае проведения всех изменений в рамках одного исследования превышает допустимое количество в 4096.

Рис. 5. Окно редактора уравнений

При первой попытке проведения исследования оптимизации было обнаружено, что генерируемые программой сценарии приводят к фатальной ошибке: количество элементов массивов от сценария к сценарию то уменьшалось, то увеличивалось - это приводило к тому, что лишние ребра и планки, с назначенным на них коэффициентом конвекции

сначала удалялись, а затем добавлялись вновь, уже без него. Было принято решение генерировать сценарии вручную. Для этого было использовано ПО Microsoft Excel, в котором были описаны все необходимые сценарии в порядке уменьшения количества ребер. Общая структура получившегося файла представлена на рис. 6.

А В С О £

Набор проектирования, 144.4 Параметры, Состояние, 5(11ф1апк, ^ЫггеЬга, Н1, Н2 Едини цм измерен ни,, шт, тт, тт, тт Сцена рн-й 1,1,1,1, 4,4 , 1 4, 6 1Г1,4, а 1Г1, 4,10 1.1,6,4 1.1,6,6 1.1.6.& 1,1,6,10 1,1,4,4 II Сцена ри й 10,1,1,1, г, 6

Рис. 6. Общий вид сценариев

Сценарий J, 1 Сценарий 3,1 Сцена ри й 4,1 Сценарий S, 1 Сцена ри й &, 1 1С Сцена рн й 1,1

11 Сцена рнйЗу1

12 Сцена рнй9,1

Полученный файл был сохранен в формате .сбу и импортирован в САПР ЗоИсЬуогкв (рис. 7).

( I.' и

Рис. 7. Раздел конфигурирования оптимизации в БоН^огкз

В качестве переменных указали ширину планки и ребра и высоты оснований. Толщины ребер и планок менялись от 1 до 2 мм с шагом 0,5 мм, высоты оснований от 4 до 10 мм с шагом 2 мм. Модель будет самостоятельно перестраиваться при изменении этих параметров благодаря описанным выше зависимостям и уравнениям.

В качестве ограничений был использован результат проведенного ранее термического исследования. На основание самого теплонагруженного транзистора было наложено ограничение по температуре в 80° С.

В качестве цели оптимизационного исследования указали минимизацию массы (рис. 8).

Здесь, во время второй попытки проведения исследования, была обнаружена ошибка уже самой САПР. Несмотря на то, что в качестве контролируемого температурного параметра был указан "максимум выбранных объектов", назначенный нижней поверхности самого теплонагруженного транзистора, программа в ходе оптимизации выводила среднюю температуру этой поверхности транзистора, а не максимальную. В связи с этим возникла необходимость проведения дополнительного термического исследования, его результаты показаны на рис. 9.

Просмотр таблицы Просмотр результатов   У 146 из 146 сценариев завершены успешно. Качество исследовании проектирования: Высокое

Текучая Начальная

sfirplanl - 0 2мм 1мм

sltrrebra о— 1мм 1мм

HI о— 4мм 7мм

Н2 0 4мм 7мм

Термическая3 «353« 348 559« 34 1 024К

Масса г Минимизировать 8810160 12 785085

Лоп

Ь48 559К  МММ

Сценарий 1 Сценарий 2 Сценарий 3 Сценарий 4

1мм 1мм 1мм 1мм

1мм 1мм 1мм 1мм

4мм 4мм 4мм 4мм

4мм 6мм 8мм 10мм

343 S4SK 343 бвЖ 343723« 343 668«

12 372660 12 438460 12504260 12570060

Рис. 8. Результаты оптимизации

Полученная в результате оптимизации кон- высоты обоих оснований 4 мм, масса 8,81 кг. Масса струкция имеет следующие параметры: ширина до оптимизации составляла 12,79 кг, таким обра-планки 1 мм, ширина ребра 2 мм, число ребер - 32,

зом, она была снижена на 31%. Получившаяся температура основания транзистора составляет 78,32° С.

Рис. 9. Результат термического исследования

Перейдем к следующему исследованию оптимизации получившейся конструкции. Необходимо рассмотреть возможность замены материала крайних ребер и планок с меди на алюминий в целях уменьшения массы конструкции. Для этого необходимо создать индивидуальные конфигурации для

каждого из интересующих нас элементов с помощью функции "Добавить конфигурацию" в дереве модели. Симметричные элементы при этом имеют одну конфигурацию, например, крайние ребра имеют конфигурацию с именем "1", крайние планки - "2" и так далее, поочередно, от края кон-

струкции к ее центру.

Рис. 10. Конфигурирование исследования оптимизации

Теперь, в новом исследовании оптимизации создаем переменные, каждой из которых в целях уменьшения количества сценариев присваиваем пару "ребро-планка" (рис. 10). Всего переменных получилось десять, каждой из которых в ручном режиме создания сценариев назначили один из возможных материалов, медь или алюминий. Автоматический режим создания сценариев в данном случае не подходит, так как создает избыточное

количество (Ю2) Не нужных комбинаций, например, когда средние ребра алюминиевые, а крайние - медные.

Ограничения и цели остались такими же, как и в первом исследовании.

В результате оптимизации 16 медных ребер и планок были заменены на алюминиевые (рис. 11), масса снижена с 8,81 кг до 6,05 кг, что составляет 47,3% от первоначальной массы конструкции.

Ошибки с показаниями температуры не наблюдалось, следовательно, она возникает только при изменении в ходе оптимизации геометрических параметров модели.

Текущая Hasanbtian Оптимальная (8) Сценарий 1 Сценарий 2 Сценарий 3 Сценарий 4 Сценарий 5 Сценарий 6 CueHapHH 7 Сценарий 8 Сценарий 9 Сценарий 10

MTL1 Список материалов 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©воМюогкз та1епа15 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solid works materials 2014-0 ©solid works materials 2014-0 ©solidworks materials

MTL2 Список материалов 2014-0 (gsolidworks materials 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials Медь ©solidworks materials 2014-0 @solidv/orks materials 2014-0 ©воМюогкз та1епа15 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solid works materials 2014-0 ©solid works materials 2014-0 ©solidworks materials

MTL3 Список материалов 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials Медь ©solidworks materials Медь @solidv/orks materials 2014-0 та1епа15 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solid works materials 2014-0 ©solid works materials 2014-0 ©solidworks materials

MTL4 Список материалов 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials Медь ©solidworks materials Медь ©solidworks materials Медь ©воМюогкз та1епа15 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solid works materials 2014-0 ©solid works materials 2014-0 ©solidworks materials

MTL5 Список материалов 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials Медь ©solidworks materials Медь @solidv/orks materials Медь п^епа1з Медь ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solid works materials 2014-0 ©solid works materials 2014-0 ©solidworks materials

MTL6 Список материалов 2014-0 ©solidworks materials Me^b ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials Медь ©solidworks materials Медь @solidv/orks materials Медь та1епа15 Медь ©solidworks materials Медь ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solid works materials 2014-0 ©solid works materials 2014-0 ©solidworks materials

MTL7 Список материалов 2014-0 ©solidworks materials Me^b ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials Медь ©solidworks materials Медь ©solidworks materials Медь @зо№огкз та1епа1з. Медь ©solidworks materials Медь ©solidworks materials Медь ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials 2014-0 ©solid works materials 2014-0 ©solid works materials 2014-0 ©solidworks materials

MTL8 Список материалов 2014-0 ©solidworks materials Me^b ©solidworks materials 2014-0 ©solidworks materials Медь ©solidworks materials Медь ©solidworks materials Медь гпа1епа15 Медь ©solidworks materials Медь ©solidworks materials Медь ©solidworks materials Meflb ©solidworks materials 2014-0 ©solid works materials 2014-0 ©solid works materials 2014-0 ©solidworks materials

MTL9 Список материалов Медь ©solidworks materials Meflb ©solidworks materials Медь ©solidworks materials Медь ©solidworks materials Медь ©solidworks materials Медь @5о№огкз гпа1епа15 Медь ©solidworks materials Медь ©solidworks materials Медь ©solidworks materials Meflb ©solidworks materials Meflb ©solid works materials 2014-0 ©solid works materials 2014-0 ©solidworks materials

MTL10 Список материалов Медь ©solidworks materials Meflb ©solidworks materials Медь ©solidworks materials Медь ©solidworks materials Медь ©solidworks materials Медь гт^епа1а Медь ©solidworks materials Медь ©solidworks materials Медь ©solidworks materials Meflb ©solidworks materials Meflb ©solid works materials Медь ©solid works materials 2014-0 ©solidworks materials

ТермическаяЭ < 353К 352.83K 351.S47K 352.83K 351.498K 351.546K 351.612К 351.707K 351.847K 352.053K 352.362K 352.83K 353.551 К 354.687K

Массаб Минимизировать 6.052960 7.086910 6.052960 8.465510 8.120860 7.776210 7.431560 7.086910 6.742260 6.397610 6.052960 5.708310 5.363660

Рис. 11. Результаты оптимизации конструкции

При создании отчета Solidworks работает только со средствами Microsoft Office, и результаты отчетов публикуются непосредственно в формате Microsoft Word.

При настройке параметров отчета в первую очередь выбирается формат отчета, соответствующий определенному типу исследования.

Вторым в очереди идет выбор необходимых разделов отчета из списка, например, раздел с информацией о модели, в единицах измерения или свойствах материалов (рис. 12). Также в отчет можно включить изображения модели и различных эпюр, они могут быть помещены в любой раздел или сохранены отдельно в растровых графических форматах.

Далее указываются данные заголовка, путь сохранения и имя отчета, формат печатного листа, также возможна работа с шаблонами.

Сами результаты программное обеспечение сохраняет в файле базы данных с расширением CWR. Имя базы данных создается автоматически присоединением имени исследования к имени детали или сборки, разделенного символом "-".

Во время работы над исследованием SolidWorks Simulation может разбивать файл базы данных на некоторое количество файлов с тем же именем, но с разными расширениями.

База данных может занимать большое пространство на носителе, для переноса информации о исследовании достаточно скопировать файл CWR и файл детали или сборки в другое место или на другой носитель. По умолчанию база данных хранится в той же папке, что и модель, если не указано иначе

[5].

Общий вид файла отчета представлен на рис.

13.

Рис. 13. Общий

Таким образом, благодаря полному использованию возможностей современных САПР, становится возможным значительное повышение эффективности процесса проектирования и оптимизации различных конструкций, в том числе конструкций систем охлаждения электронных средств. В рамках данной работы удалось добиться снижения массы конструкции паяного биметаллического радиатора

вид файла отчета

практически в два раза, что позволяет с уверенностью сказать о необходимости и целесообразности применения описанных в статье методов в широком производстве.

Список использованной литературы

1. Бирюлин Г.В. Оптимизация конструкции системы охлаждения электронного модуля / Г.В. Бирюлин, В.И. Егоров, С.Ю. Муров, И.В. Невский

// Известия высших учебных заведений. Приборостроение. - 2012. - №3. С. - 61 - 64.

2. CadLife [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://cad.life/index/rascheti/formuli-rascheta-radiatora-oxlazhdeniya. html

3. Solidworks Web Help [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://help. solid-works.com/2012/ Russian/SolidWorks/cworks/Con-vection Heat Coefficient.htm

4. Solidworks Web Help [Электронный ресурс] - Режим доступа: http ://help .solid-works.com/2012/ russian/solid-works/cworks/idc_help_meshsolid.htm

5. Solidworks Web Help [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://help.solid-works.com/2012/ russian/solidworks/cworks/re-sult_databases.htm