潘涛 王开松 许宁

摘 要：CPU芯片的散热对其是否能够正常运作起到关键作用，因此对CPU散热研究有重要意义，强迫风冷CPU散热是最为常用的一种散热方法。利用SolidWorks Simulation对CPU芯片散热器进行了强迫对流的条件下的温度分布及静应力情况分析，并根据温度分布和静应力分析结果，对CPU芯片散热器尺寸进行优化设计，从而为散热器的设计和制造提供了可靠的依据。

关键词：CPU散热器;Simulation;热力分析;强制对流

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.113

0 引言

随着计算机科学的不断发展，计算机CPU芯片的速度在不断提高，CPU散热问题也越来越突出。其原因在于CPU的工作温度关系到计算机的稳定性和使用寿命，只有其工作温度保持在合理的范围内，计算机才可能进行长久有效的工作[1]。CPU空冷强迫式对流散热器成本低、工艺简单、性能可靠，在散热器中占有主导地位。为更快把热量散发出去，散热片通常采用导热系数高的金、铜、铝等材料; 为降低成本并且兼顾散热性能，一般选择铜质材料[2]。散热器的散热效果主要取决于散热器中翅片高度、翅片厚度及翅片间距，本文通过建立散热器模型，对散热器进行热力分析、静应力分析及优化设计，以达到在基本结构不变的情况下，散热器性能的最优设计。在对散热器优化的过程中，总计出散热器设计中存在的普遍性规律，为以后的散热器设计提供了重要的参考依据。

1 优化方案的制定

首先，为CPU散热器假定一枚工作对象，其主要参数如表1。

CPU发热的主要性能指标为热设计功（TDP），TDP功耗是处理器的基本物理指标。它的含义是当处理器达到负荷最大的时候，释放出的热量，单位同样以W计量。TDP也并非恒定不变，但是单颗处理器的 TDP值是固定的。而散热器必须保证在处理器TDP最大的时候，处理器的温度仍然在设计范围内。根据CPU散热器的特性，可知其主要性能指标为散热效果，故需要对散热器进行热力分析，另散热器的材质会因为受热产生应力、位移变形所以需对其进行静应力分析。最后，根据热力分析结果和静应力分析结果选择适当的优化变量和优化约束条件，以最小温度为目标进行优化。

2 优化过程

2.1 CPU散热器三维模型的建立

风冷散热器的工作原理是通过表面接触，将CPU 散发的热量传递到热传导系数高的散热鳍片上，再通过上端风扇产生对流风迫使鳍片表面堆积的热量和空气发生热交换，从而将热量散发到空气中[3]。

在CPU散热器的设计中，其散热效果主要受到对流面积，对流系数的影响，对流系数主要由CPU散热风扇决定，而对流面积则是CPU散热器的主要设计因素。

建立模型如图2所示，其外观尺寸为135×75×165.5mm，其翅片厚度为1.75mm，其翅片间距为1mm。材料为铜。

2.2 热力分析

2.2.1 生成热力算例

单击算例顾问的向下箭头，然后选择新算例，在类型中选择热力，确定后右键单击算例图标，选择属性，将求解类型选择为稳态。

2.2.2 指派散热器材料

在 Simulation 算例树中，右键单击散热器，然后选择应用/编辑材料，选择红铜合金下的铜作为散热器的材料。

2.2.3 应用热量和对流

单击热载荷，并选择热量，出现如图3所示界面，将所选实体面设置为图2所示面1，在热量下将单位设为SI，将热量设为CPU散热器的假定工作对象I7 7700 CPU的热设计功耗。

单击热载荷，并选择对流，出现如图4所示界面，将所选实体面选择为所有敞开面，在热量下将单位设为SI，将对流系数设置为70W/（m2.k），总环境温度设置为298k。

2.2.4 网格化模型并查看热力结果

在 Simulation 算例树中，右键单击网格，然后选择生成网格 ，选择合适的网格密度，在网格参数中，选择基于曲率的网格，确定如图5所示参数，并在选型下，选择运行（求解）分析。

在 Simulation 算例树中，打开结果文件夹，双击热力1显示图解。根据图6所示热力图解可以看出散热器模型的最高温度为41.3摄氏度，最低温度为24.9摄氏度，该温度可以达到CPU所需散热要求。

2.3 静应力分析

2.3.1 生成静应力算例

单击算例顾问的向下箭头，然后选择新算例，在类型中选择静应力分析，确定后右键单击算例图标，选择属性，在解算器下选择FFEPlus，在流动/热力效应选项卡上，在热力选项下，选择热力算例的温度，并在应变为零时的参考温度内输入298k。

2.3.2 指派散热器材料

将热力算例中的零件文件夹拖动到静应力分析算例。

2.3.3 固定散热器

在 Simulation 算例树中，右键单击夹具，然后选择固定几何体，在夹具的面、边线、顶点框中，选择散热器底部的四个孔。

2.3.4 网格化模型并查看静应力结果

网格化方法与热力分析中网格化方法一致。生成应力图解如图7，生成位移图解如图8，生成应变图解如图9。通过查看图7可知最大应力为1.608e+008N/m2，最小应力为5.697e+002N/m2，均小于铜的屈服力2.586e+008N/m2。通过查看图8可知最大位移为0.0153mm，最小位移为1e-030mm，位移较小符合要求。通过图9可知，最大应变为8.767e-004，最小应变为4.117e-009，应变较小，符合要求。

2.4 通过设计算例的形状优化

2.4.1 生成新设计算例

右键单击静应力分析算例选项卡，然后单击选取生成新设计算例，单击设计算例选项，在设计算例质量下选择高质量（较慢）。

2.4.2 定义变量视图中相关参数

将翅片厚度及翅片间距设置为变量，位移及应力设置为约束，热力最小化设置为目标。具体参数见图10。

2.4.3 查看优化结果

通过定义变量视图中的相关变量并运行，可得44种情形，其中38种情形运行成功。运行结果见图11。

3 结论

本文通过SolidWorks Simulation对CPU散热器进行了有限元分析，通过对CPU散热器的热力分析、静应力分析及形状优化得出以下结论：

（1）未优化前散热器模型与优化后散热器模型散热效果基本一致，最初设计基本合格;

（2）通过优化分析發现影响散热器散热性能的主要因素为翅片间距，在翅片间距达到3mm以上时，温度明显增高;

（3）翅片间距对散热器的应力影响较大，在翅片间距为3mm时，应力处于最大值;

（4）在此类结构散热器设计中，翅片间距应取3mm以下较为合适。

参考文献：

[1]王宏伟，葛增杰，顾元宪，杨文彬.CPU散热片温度场模拟分析及其材料和尺寸选择的研究[J].计算力学学报，2003（06）：725-729.

[2]耿德军，胡艳.CPU散热片结构设计[J].沈阳理工大学学报，201130（01）：82.

[3]黄洁，杜平安.CPU散热器热学性能的有限元分析[J].机械，2006（10）：29-31.