馬國(guó)軍, 牟翠翠, 管曉樂(lè), 吳成偉

(1. 大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；2. 大連理工大學(xué) 白俄羅斯國(guó)立大學(xué)聯(lián)合學(xué)院，遼寧 大連 116024; 3. 上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210；4. 北京動(dòng)力機(jī)械研究所，北京 100071)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)武器系統(tǒng)的信息化依賴程度不斷提高，計(jì)算機(jī)作為信息系統(tǒng)的“中樞”，其重要性不言而喻，因此武器系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)必須具有極高的可靠性.在諸多可能引起計(jì)算機(jī)故障的原因中，有約70%與計(jì)算機(jī)芯片溫度過(guò)高有關(guān)[1]，電子芯片的溫度每升高10 ℃，其可靠性將降低一半[2]，所以有效解決計(jì)算機(jī)芯片的散熱問(wèn)題是提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性及可靠性的關(guān)鍵.然而，艦載和機(jī)載計(jì)算機(jī)需要在諸如鹽霧、霉菌、高溫高濕以及振動(dòng)沖擊等惡劣環(huán)境中長(zhǎng)期工作，往往需要采用封閉加固型設(shè)計(jì)[3]，一些強(qiáng)制制冷措施不便使用，芯片工作時(shí)產(chǎn)生的熱量主要通過(guò)PCB板一側(cè)的金屬冷板傳到機(jī)箱導(dǎo)軌(卡槽)上，再經(jīng)箱體擴(kuò)散至周圍環(huán)境當(dāng)中.顯然，冷板與導(dǎo)軌壁面間的傳熱效率對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)散熱性能有著極為重要的影響.由于固體材料表面在微觀上都是粗糙的，固體間的實(shí)際接觸僅發(fā)生在少數(shù)粗糙峰之間，真實(shí)接觸面積只占表觀面積的極少部分[4]，導(dǎo)致熱流在接觸面上收縮而使界面兩端產(chǎn)生溫差，形成所謂接觸熱阻(后續(xù)部分簡(jiǎn)稱為熱阻)[5].毫無(wú)疑問(wèn)，對(duì)艦載或機(jī)載封閉加固型計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，其冷板與導(dǎo)軌壁面間的熱阻問(wèn)題是影響整臺(tái)計(jì)算機(jī)可靠性的關(guān)鍵因素，減小熱阻對(duì)提升艦載和機(jī)載封閉加固型計(jì)算機(jī)的可靠性具有重要意義.

界面壓力、界面溫度以及表面輪廓(包括表面粗糙度、表面波度以及形位誤差等)是影響熱阻最重要的三大因素[5-6]，但這些因素的具體影響還與材料的力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)有關(guān)，導(dǎo)致熱阻研究具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性.大量研究表明，界面壓力增加總會(huì)使熱阻減小，這是因?yàn)榻缑鎵毫υ黾訒?huì)使界面上的接觸峰產(chǎn)生變形(彈性、彈塑性或塑形)[7]，從而增加真實(shí)接觸面積.界面溫度的增加，一般會(huì)使熱阻減小[8]：一是因?yàn)闇囟仍黾訉?dǎo)致材料變軟，壓力作用下材料更容易發(fā)生變形而增大真實(shí)接觸面積；二是與溫度升高導(dǎo)致界面間輻射傳熱效率增加有關(guān)；三是因?yàn)椴糠植牧系臒醾鲗?dǎo)系數(shù)會(huì)隨著溫度的增加而增加，從而增加界面熱傳輸效率，減小熱阻.表面輪廓的影響相對(duì)較為復(fù)雜，其中表面粗糙的增加一般會(huì)使熱阻增加[6]，但表面粗糙度還會(huì)與表面波度以及形位誤差共同對(duì)熱阻產(chǎn)生作用，從而表現(xiàn)出更為復(fù)雜的變化，Zhang等[9]認(rèn)為熱阻與表面粗糙度之間無(wú)直接關(guān)系，Tang等[10]甚至發(fā)現(xiàn)粗糙度的增加反倒使熱阻減小.由此可見(jiàn)，熱阻影響因素及規(guī)律研究的確具有復(fù)雜性.

對(duì)艦載或機(jī)載計(jì)算機(jī)板卡與機(jī)箱導(dǎo)軌間的熱阻問(wèn)題來(lái)說(shuō)，其界面溫度通常不屬于可設(shè)計(jì)參數(shù)，而且溫度肯定越低越好，所以通過(guò)溫度來(lái)調(diào)節(jié)熱阻對(duì)艦載或機(jī)載計(jì)算機(jī)而言不具任何實(shí)際意義.通過(guò)降低表面粗糙度來(lái)減小界面間的熱阻應(yīng)該是可行方法，但表面粗糙度的減小意味著產(chǎn)品加工成本增加，而且板卡往往需要重復(fù)插拔，多次使用后難免會(huì)在表面產(chǎn)生不同程度的損傷，破壞原有表面形態(tài)，從而削弱提高表面質(zhì)量帶來(lái)的效果.在壓力方面，提高接觸壓力顯然可以降低接觸熱阻，但電子產(chǎn)品往往不宜承受過(guò)高的載荷，所以進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不能一味增加裝配載荷，而應(yīng)注重整體上增加良好接觸區(qū)域的總面積來(lái)降低界面總體熱阻.因此，為了有效減小艦載和機(jī)載計(jì)算機(jī)板卡與機(jī)箱導(dǎo)軌間的熱阻，需要針對(duì)其具體結(jié)構(gòu)和材料上的特點(diǎn)進(jìn)行專門研究，提出更為有效的解決辦法.

本文以某型機(jī)載封閉加固型計(jì)算機(jī)板卡與機(jī)箱導(dǎo)軌壁面間的熱阻問(wèn)題為研究對(duì)象，利用有限元軟件對(duì)兩種典型的板卡鎖緊結(jié)構(gòu)的接觸熱阻問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了界面接觸壓力和接觸熱阻的分布規(guī)律，分析了影響熱阻分布的主要因素及影響規(guī)律，比較了兩種鎖緊結(jié)構(gòu)對(duì)熱阻的影響差異，最后以減小界面間的熱阻為目的，對(duì)機(jī)箱導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).

1 有限元計(jì)算

本文考察了封閉加固型計(jì)算機(jī)常用的三段式和五段式兩種典型鎖緊裝置，如圖1所示，本文簡(jiǎn)稱為3J結(jié)構(gòu)和5J結(jié)構(gòu).實(shí)際裝配時(shí)，3J結(jié)構(gòu)中的楔塊2預(yù)先通過(guò)螺釘與PCB板和冷板相連，5J結(jié)構(gòu)中則是楔塊3與PCB板和冷板相連.插入機(jī)箱導(dǎo)軌內(nèi)后，通過(guò)擰緊鎖緊裝置上的螺栓，會(huì)使各楔塊沿橫向發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使相應(yīng)部件的表面與導(dǎo)軌壁面產(chǎn)生擠壓，從而起到將板卡固定在導(dǎo)軌內(nèi)的作用.實(shí)際工作中芯片產(chǎn)生的熱量主要通過(guò)冷板傳遞到導(dǎo)軌壁面，再由導(dǎo)軌傳到箱體，最終向周圍環(huán)境擴(kuò)散.由此可見(jiàn)，冷板與導(dǎo)軌壁面間的熱阻是影響整個(gè)板卡傳熱效率的關(guān)鍵因素.由于冷板與導(dǎo)軌壁面間的接觸行為是由鎖緊裝置各楔塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的，而楔塊的運(yùn)動(dòng)又是通過(guò)擰緊螺桿來(lái)控制的.因此，本文將首先分析上述兩種鎖緊裝置在不同螺栓(螺桿)載荷作用下的壓力與熱阻變化規(guī)律，比較兩種結(jié)構(gòu)傳熱性能的優(yōu)劣，在此基礎(chǔ)上再提出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案.

實(shí)際計(jì)算時(shí)，首先利用有限元軟件Abaqus對(duì)上述3J和5J結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，機(jī)箱卡槽、螺桿、PCB板及冷板采用線性單元(C3D8I)，其他部分采用修正的四面體二次單元(C3D10M).經(jīng)網(wǎng)格收斂性檢驗(yàn)，3J結(jié)構(gòu)的總網(wǎng)格數(shù)為192 423，節(jié)點(diǎn)數(shù)為282 208，5J結(jié)構(gòu)的總網(wǎng)格數(shù)為166 596，節(jié)點(diǎn)數(shù)為244 318，最終所得到的有限元網(wǎng)格模型如圖1所示.3J結(jié)構(gòu)中，機(jī)箱箱體、導(dǎo)軌、冷板、楔塊1、楔塊2為6061-T6鋁合金(簡(jiǎn)稱T6合金)，鎖緊裝置中的楔塊3、螺桿為1Cr8Ni9Ti不銹鋼(簡(jiǎn)稱不銹鋼)，PCB板即為環(huán)氧酚醛層壓布板，因?yàn)楸狙芯坎⒉魂P(guān)注PCB板的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，所以將其簡(jiǎn)化為均勻材料.5J結(jié)構(gòu)中，機(jī)箱箱體、導(dǎo)軌、冷板、楔塊1、楔塊2、楔塊3和楔塊4為T6合金，鎖緊裝置中的楔塊5、螺桿由不銹鋼制成.考慮到實(shí)際使用時(shí)不允許發(fā)生塑性變形，所以只進(jìn)行線彈性分析.T6合金的彈性模量為68 GPa，泊松比0.31，不銹鋼的彈性模量184 GPa，泊松比0.3，PCB板彈性模量15 GPa，泊松比0.28.上述參數(shù)部分通過(guò)試驗(yàn)直接測(cè)得，其他由生產(chǎn)廠家提供.由于溫度變化范圍較小，而且關(guān)注的是結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律性變化，并不追求計(jì)算結(jié)果的絕對(duì)精確，所以本文不考慮熱力耦合效應(yīng).

具體計(jì)算時(shí)，冷板與導(dǎo)軌界面間的接觸壓力和熱阻變化是重點(diǎn)考察對(duì)象，接觸壓力計(jì)算結(jié)果可以直接輸出至數(shù)據(jù)文件，但由接觸壓力計(jì)算接觸熱阻，必須知道兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.在前期研究中已對(duì)T6合金的熱阻進(jìn)行了測(cè)試，當(dāng)界面溫度在80～110 ℃之間，粗糙度分別為0.5，2 和3 μm時(shí)，熱阻與壓力之間的具體關(guān)系式分別為：

Rc=e-P/0.65+1.17e-P/9.05+0.13,Rc=2e-P/0.66+1.56e-P/9.84+0.39和Rc=2.6e-P/0.69+1.59e-P/13.05+0.44.

此外，由于實(shí)際計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)冷板與導(dǎo)軌界面部分區(qū)域會(huì)發(fā)生分離(接觸壓力為零)，但最大間隙都不超過(guò)10 μm，所以計(jì)算冷板與導(dǎo)軌接觸熱阻還必須知道界面存在間隙時(shí)熱阻的變化規(guī)律，此前已通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了該問(wèn)題.實(shí)測(cè)結(jié)果表明，熱阻與界面間隙近似成正比，間隙為1.5,15,60和120 μm時(shí)，熱阻分別為5.78×10-4,7.49×10-4,8.58×10-4和12.69×10-4℃·m2/W.但冷板與導(dǎo)軌界面分離時(shí)實(shí)際最大間隙不超10 μm，熱阻變化范圍很小，所以在計(jì)算時(shí)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，凡是界面發(fā)生分離的區(qū)域熱阻大小都統(tǒng)一取為6×10-4℃·m2/W.本文利用Matlab編制了熱阻計(jì)算程序，通過(guò)讀取Abaqus輸出的界面節(jié)點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)，然后利用上述各公式逐點(diǎn)計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)處的熱阻，便可得到界面上的熱阻分布云圖.為了便于各種條件下進(jìn)行相互比較，本文還將各單元節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的熱阻在單元內(nèi)進(jìn)行平均后乘以單元面積再在整個(gè)界面內(nèi)積分求和，最后再除以總面積便得到界面平均熱阻，該值越小越有利于提高界面?zhèn)鳠嵝?

圖1 兩種典型的計(jì)算機(jī)板卡鎖緊裝置及其與 板卡、機(jī)箱導(dǎo)軌之間的裝配關(guān)系

2 結(jié)果與分析

2.1 3J結(jié)構(gòu)與5J結(jié)構(gòu)性能比較

本文首先對(duì)比了3J和5J兩種結(jié)構(gòu)在給定扭矩作用下冷板與機(jī)箱導(dǎo)軌壁面間的壓力和熱阻分布規(guī)律，計(jì)算時(shí)表面粗糙度先只考慮為0.5 μm時(shí)的情況.圖2a給出的是螺栓扭矩為0.84 N·m時(shí)3J結(jié)構(gòu)和5J結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的界面壓力云圖.由于兩種模型在結(jié)構(gòu)上存在明顯差異，所以冷板與導(dǎo)軌間的接觸壓力分布也明顯不同.3J結(jié)構(gòu)中接觸區(qū)只有兩處，接觸面積較大，5J結(jié)構(gòu)中接觸區(qū)為4處，各處接觸面積較小，難以直接比較兩者接觸狀態(tài)好壞.為此圖2b給出了對(duì)應(yīng)的接觸熱阻分布云圖，可以看到3J結(jié)構(gòu)兩端有較大的界面分離區(qū)(深紅色區(qū)域)，導(dǎo)致其有效接觸區(qū)域的面積整體上比5J結(jié)構(gòu)要小.

為了進(jìn)行更詳細(xì)和直觀的對(duì)比，采用前述平均熱阻的計(jì)算方法，分別計(jì)算了3J和5J結(jié)構(gòu)中冷板與機(jī)箱導(dǎo)軌壁面間平均熱阻隨螺栓扭矩的變化情況以及它們之間的相對(duì)差，結(jié)果如圖3所示.從圖可以看出，5J結(jié)構(gòu)中冷板與機(jī)箱導(dǎo)軌壁面間的平均熱阻要顯著小于3J結(jié)構(gòu)，而且隨著扭矩的增加，這種差別更為明顯，從最初的相差約14%增加到約17%，意味著5J結(jié)構(gòu)在載荷較大時(shí)更具有散熱優(yōu)勢(shì)，所以實(shí)際產(chǎn)品在條件允許時(shí)應(yīng)采用5J結(jié)構(gòu).回顧圖2a給出的壓力值可以看到，在螺栓扭矩都為0.84 N·m時(shí)5J結(jié)構(gòu)中的最大接觸壓力約為66.4 MPa，3J結(jié)構(gòu)中的最大接觸壓力約為55.2 MPa，前者較后者高約20%.對(duì)實(shí)際產(chǎn)品而言，高接觸壓力會(huì)帶來(lái)一些不利影響，因此在進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)或標(biāo)準(zhǔn)件選擇時(shí)，還需要根據(jù)實(shí)際情況同時(shí)兼顧熱阻和接觸壓力的影響，本文后續(xù)優(yōu)化分析部分還將討論該問(wèn)題，但在此之前有必要詳細(xì)地分析螺栓扭矩和表面粗糙度對(duì)結(jié)構(gòu)熱阻的影響規(guī)律.為了控制論文篇幅，后續(xù)分析只以5J結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象.

圖2 表面粗糙度Ra為0.5 μm，螺栓扭矩為0.84 N·m時(shí)3J和5J結(jié)構(gòu)中冷板與機(jī)箱導(dǎo)軌表面的接觸壓力云圖和熱阻云圖(壓力單位為MPa，熱阻單位為℃·m2/W)

2.2 扭矩與粗糙度對(duì)5J結(jié)構(gòu)性能影響

加大螺栓扭矩是最常用來(lái)減小界面接觸熱阻的方法，但實(shí)際使用時(shí)發(fā)現(xiàn)螺栓扭矩增加會(huì)大幅增加鎖緊結(jié)構(gòu)與機(jī)箱導(dǎo)軌界面之間發(fā)生黏合的概率，長(zhǎng)期使用后拆卸困難.因此，本文分析螺栓扭矩對(duì)計(jì)算機(jī)冷板與機(jī)箱導(dǎo)軌間接觸壓力與熱阻的影響.令粗糙度不變(Ra為0.5 μm)，螺栓扭矩分別為0.36，0.84和1.36 N·m，圖4a和圖4b給出了界面壓力和熱阻的具體變化.從圖4a的壓力分布圖可以看出，螺栓載荷增加對(duì)整個(gè)界面的接觸壓力分布幾乎沒(méi)有影響，但最大接觸壓力快速增加.如扭矩為0.36和1.36 N·m時(shí)，最大接觸壓力分別約為28.3和107.9 MPa，是前者的約3.8倍.再看圖4b的熱阻云圖，整個(gè)熱阻分布區(qū)域也沒(méi)有明顯變化，但扭矩大時(shí)各處熱阻幅值相對(duì)較低，這單純是因?yàn)榻佑|壓力大導(dǎo)致局部熱阻減小.由此可見(jiàn)，增加螺栓扭矩使熱阻減小僅是因?yàn)樵黾恿私佑|區(qū)的壓力，而未明顯增加整個(gè)接觸區(qū)面積.此時(shí)再看圖3a所示數(shù)據(jù)，當(dāng)螺栓扭矩從0.36增加到1.36 N·m(提高約2.8倍)，5J結(jié)構(gòu)的界面平均熱阻從約3.14×10-4下降到約2.91×10-4℃·m2/W，僅下降約7.3%，而3J結(jié)構(gòu)更是僅下降約5.4%.可見(jiàn)依靠增加螺栓扭矩來(lái)減小接觸熱阻效果有限，卻帶來(lái)高接觸壓力這一副作用.高接觸壓力是誘發(fā)界面黏合的重要因素之一[11]，所以增加螺栓扭矩這一策略不利于結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期、反復(fù)使用，應(yīng)慎重選擇.

圖3 螺栓扭矩變化時(shí)3J和5J結(jié)構(gòu)中冷板與機(jī)箱導(dǎo)軌間平均熱阻絕對(duì)變化和相對(duì)變化趨勢(shì)

表面粗糙度的減小一般都可以減小接觸熱阻[5]，但對(duì)計(jì)算機(jī)冷板與機(jī)箱導(dǎo)軌間接觸究竟會(huì)產(chǎn)生多大影響還不清楚，因此本文分析了三種粗糙表面(Ra分別為0.5，2和3 μm)對(duì)結(jié)構(gòu)熱阻的影響.圖5為上述三種粗糙表面在不同螺栓扭矩時(shí)的界面平均熱阻變化圖，可見(jiàn)隨著表面粗糙度的降低，界面平均熱阻整體會(huì)減小，但表面粗糙度的變化并不明顯改變平均熱阻隨螺栓扭矩的變化趨勢(shì).通過(guò)詳細(xì)對(duì)比還發(fā)現(xiàn)，在螺栓扭矩為0.36 N·m時(shí)，三種粗糙表面對(duì)應(yīng)的平均熱阻分別為3.14×10-4,3.66×10-4和3.86×10-4℃·m2/W)，最小值比最大值小約18.7%.在螺栓扭矩為1.36 N·m時(shí)，三種粗糙表面對(duì)應(yīng)的平均熱阻分別為2.91×10-4,3.30×10-4和3.44×10-4℃·m2/W，最小值比最大值小約15.4%.可見(jiàn)，在研究范圍內(nèi)減小表面粗糙度始終能起到很好的熱阻降低效果.此外，表面粗糙度的改變基本不會(huì)導(dǎo)致界面接觸壓力變化，所以也避免了增加螺栓扭矩導(dǎo)致局部壓力過(guò)高的問(wèn)題.不過(guò)鎖緊結(jié)構(gòu)需要重復(fù)插拔，冷板和導(dǎo)軌表面在多次使用后不可避免會(huì)出現(xiàn)一些損傷，勢(shì)必削弱提高表面光潔度降低熱阻的效果，實(shí)際使用時(shí)需考慮這一點(diǎn).

圖4 粗糙度不變(Ra為0.5 μm)時(shí)界面接觸壓力云圖和接觸熱阻云圖

2.3 機(jī)箱導(dǎo)軌參數(shù)優(yōu)化

通過(guò)前面的分析可以看到，加大螺栓扭矩雖然能減小界面平均熱阻，但卻不能改善界面接觸狀態(tài)，降低表面粗糙度也是如此.如果能通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)改善界面接觸狀態(tài)，勢(shì)必能進(jìn)一步有效降低接觸熱阻.由圖2a或圖4a都可以看出，接觸壓力沿導(dǎo)軌深度方向存在明顯的不均，即靠近導(dǎo)軌根部接觸壓力大，越往外邊緣壓力迅速減小.究其原因乃是因?yàn)閷?dǎo)軌沿其深度方向類似于懸臂結(jié)構(gòu)，根部一旦受擠壓力，必然產(chǎn)生彎曲變形，越往外變形越大，所以冷板與導(dǎo)軌界面從根部到外邊緣會(huì)有逐漸分離的趨勢(shì).為了改變這種情況，就需要提高機(jī)箱導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)剛度.原設(shè)計(jì)中機(jī)箱導(dǎo)軌屬于鏤空結(jié)構(gòu)，顯然有損結(jié)構(gòu)剛度，所以本文將通過(guò)改變導(dǎo)軌鏤空部分的尺寸來(lái)嘗試減小接觸熱阻.將導(dǎo)軌原始設(shè)計(jì)中的中間鏤空尺寸記為D0，新設(shè)計(jì)中鏤空部分的尺寸記為D，具體含義見(jiàn)圖6中的插圖.取兩者的比值D0/D作為控制參數(shù)，記為γ.γ等于1時(shí)為原始設(shè)計(jì)，γ為零時(shí)表示中間完全填充.計(jì)算時(shí)螺栓扭矩取為0.84 N·m，表面粗糙度Ra取為0.5 μm.圖6為界面平均熱阻隨γ的變化趨勢(shì)，可以看到隨著γ由1到0逐漸變化，界面平均熱阻先小幅減小后又逐漸增加，然后又迅速減小，在γ約為0.18時(shí)達(dá)到最小，隨后平均熱阻又逐漸上升直至一較小值.γ等于1和0.18時(shí)對(duì)應(yīng)的平均熱阻分別約為3.00×10-4和2.48×10-4℃·m2/W，后者較前者降低約17%，熱阻降低效果要優(yōu)于前述通過(guò)增加螺栓扭矩或減小表面粗糙度產(chǎn)生的作用.

圖5 表面粗糙度不同時(shí)平均熱阻隨螺栓載荷的變化趨勢(shì)圖

圖6 γ變化時(shí)平均熱阻變化圖

為了分析產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因，圖7給出了λ為0.18,0.48和1時(shí)冷板和導(dǎo)軌間的接觸壓力云圖與熱阻云圖.由圖可以看到，隨著導(dǎo)軌中間鏤空部分尺寸的變化，界面上的壓力分布明顯不同，尤其沿導(dǎo)軌深度方向差別更為明顯.當(dāng)γ等于0.18時(shí)，沿導(dǎo)軌深度方向和長(zhǎng)度方向都具有更好的接觸效果，這些差別在圖7b中的熱阻云圖中體現(xiàn)更為明顯.γ等于0.18時(shí)中間區(qū)域幾乎都能保持接觸，而其他兩種情況中間區(qū)域則存在較大的分離區(qū).

需要強(qiáng)調(diào)的是，由圖7a可以看到γ等于0.18和0.48時(shí)，最大接觸壓力都只有約49.5 MPa，而γ等于1時(shí)最大接觸壓力約為 66.4 MPa，前者比后者小約25.5%，與前述通過(guò)增加螺栓扭矩提高接觸壓力而降低熱阻有本質(zhì)區(qū)別.對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)而言，這種既減小熱阻又減小接觸壓力的方法具有一舉兩得的效果.至于圖6所示曲線表現(xiàn)出較為復(fù)雜的變化趨勢(shì)，本文認(rèn)為與剛度增加帶來(lái)的兩種效果有關(guān)，即機(jī)箱導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)剛度提高，在壓力作用下導(dǎo)軌彎曲變形減小而避免界面分離，從而增加了良好接觸區(qū)域的面積，但由經(jīng)典接觸力學(xué)理論可知，接觸區(qū)域的大小又與結(jié)構(gòu)剛度成反比，這兩種相反作用相互競(jìng)爭(zhēng)便導(dǎo)致熱阻出現(xiàn)圖6所示的復(fù)雜變化.

圖7 γ分別為0.18，0.48和1時(shí)界面接觸壓力云圖和熱阻云圖

為了詳細(xì)了解上述改進(jìn)設(shè)計(jì)在不同螺栓載荷和不同表面粗糙度條件下對(duì)熱阻的具體影響，本文進(jìn)一步計(jì)算了表面粗糙度Ra分別為0.5和3 μm 時(shí)界面平均熱阻隨螺栓載荷的變化情況，具體結(jié)果分別如圖8a和圖8b所示.為了方便對(duì)比，特意將兩圖的坐標(biāo)范圍調(diào)整為完全一樣.由圖可見(jiàn)，當(dāng)表面粗糙度和螺栓扭矩改變時(shí)，優(yōu)化導(dǎo)軌鏤空部分尺寸始終能顯著減小界面平均熱阻.此外，通過(guò)仔細(xì)對(duì)比還可以發(fā)現(xiàn)，粗糙度越小、接觸壓力越高，鏤空部分尺寸變化對(duì)平均熱阻的影響越顯著，表1對(duì)這種差別進(jìn)行了詳細(xì)描述和對(duì)比，可見(jiàn)上述趨勢(shì)十分明顯.這意味著要提高艦載或機(jī)載封閉加固型計(jì)算機(jī)中冷板與導(dǎo)軌間的傳熱效率，可以同時(shí)采用提高表面質(zhì)量、優(yōu)化機(jī)箱導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)尺寸以及適當(dāng)增加鎖緊螺栓扭矩等綜合措施加以實(shí)現(xiàn).

圖8 γ取值不同時(shí)界面平均熱阻隨螺栓扭矩的變化趨勢(shì)

表1 機(jī)箱導(dǎo)軌鏤空部分尺寸優(yōu)化前后接觸熱阻變化

3 結(jié) 論

1) 在同種條件下，5J結(jié)構(gòu)比3J結(jié)構(gòu)具有更小的接觸熱阻，而且螺栓扭矩越大，減小效果越明顯，但前者比后者最大接觸壓力要高.

2) 增加螺栓扭矩可以減小接觸熱阻，但效果不明顯，而且還會(huì)導(dǎo)致界面接觸壓力快速增加.

3) 減小表面粗糙度可以有效減小接觸熱阻，而且其減小效果幾乎不受外載大小影響，也不會(huì)導(dǎo)致界面接觸壓力過(guò)高.

4) 通過(guò)優(yōu)化機(jī)箱導(dǎo)軌鏤空部分的尺寸，可以有效改善計(jì)算機(jī)芯片冷板與機(jī)箱導(dǎo)軌間的接觸狀態(tài)，顯著減小接觸熱阻，同時(shí)大幅減小接觸壓力.對(duì)5J結(jié)構(gòu)而言，鏤空部分尺寸減小至原來(lái)長(zhǎng)度約18%時(shí)，達(dá)到最佳熱阻減小效果，而且外載越大、表面粗糙度越小，熱阻減小效果越明顯.