安小龙
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摘要：计算机仿真技术是指利用运行在计算机上的软件来模拟实际的环境进行各种科学实验的技术，它具有许多优势，如灵活性、可靠性、经济性等。在许多学科中，利用计算机技术进行各种仿真模拟已是较为成熟的技术，也是必不可少的手段。本文详细阐述了计算机仿真技术在CPU散热器设计中的应用。
关键词：计算机仿真技术；CPU散热器机械设计；有限元
现代机械设计已经发展成为一门内容广泛的交叉学科。其理论与方法包含有哲学、思维科学、智能科学、人体科学、心理学、生理学、解剖学、社会学、管理学、环境科学、生态学、进化论、可持续发展战略，现代应用数学、物理学、应用化学、应用力学、摩擦学、艺术科学、材料科学、机械电子学、控制理论与技术、检测技术、自动化技术、计算机及网络技术、现代信息科学等许多学科的知识与成果。
计算机仿真技术的出现是人类科学进步史上的一大重要突破，它为人类的研究与分析提供了更加精准的方法与工具，在未来，计算机仿真技术必然会有着重要的运用。
一、计算机仿真技术简介
1、概念
计算机的仿真技术是一门新兴的综合性的技术，它运用专门的软件，再通过数字作为传播的介体传达给人们。因此，当人们通过计算机媒体进行浏览观赏时就能够有身临其境的感觉，可以自由选择角度。一方面，仿真技术的应用得益于控制工程和系统工程的发展，在控制工程和系统工程中逐步探索计算机仿真技术；另一方面，计算机仿真技术可以逐步缩短开发周期，在提高产品质量的同时减少损失，并降低人工成本，提高工作效率，在节约经费开支等方面发挥巨大的作用。
2、特点
1）模型参数可根据要求任意调整、修改和补充。人们可得到各种可能的仿真效果，为进一步完善研究方案提供了可能，它具有运行费用低、无风险、方便灵活等优点。2）系统模型求解快速。运用计算机仿真，能在较短的时间内得出仿真运算的结果，为生产实践提供最及时的指导。3）仿真运算结果可靠、准确。在机器没有故障的前提下，只要系统模型、仿真模型、仿真程序科学合理，那么计算机的运算结果就准确无误。4）实物、实时仿真直观、逼真，这一特点使它在一些复杂工程系统中得到了广泛应用。
3、核心技术
1）分布交互仿真，由于在实际的仿真过程中，实际情况较为复杂，模型会被分为不同的组成部分进行仿真，而分布交互仿真是指通过网络将分散的仿真设备连接起来，组成一种耦合仿真模拟环境。2）面向对象的仿真，这种仿真技术的主要原理是通过系统的功能设计从而实现对象操作及信息利用，同时信息间的传送也引起了系统的一系列活动。
二、CPU散热方案
随着芯片技术的发展，元器件尺寸更小和功率更大，每平方英寸上聚集的能量按照摩尔法则不断增加。此外，当CPU芯片运行时产生的废热如果不及时排除，将严重影响CPU的正常运作，甚至导致失效。目前，将热量从CPU芯片上面散热掉的方式主要有风冷散热、水冷散热、液氮散热、半导体散热和热管散热等。
尽管风冷散热效果没有其他散热方式效果那么明显，但目前风冷散热仍然占据CPU散热的主流地位。其原因在于风冷散热相对于其他散热方式而言，具有结构简单、成本低廉和安全可靠优点。水冷散热可能发生漏水的危险，导致CPU、主板或机箱里的其他部件损坏；液氮散热成本高昂；而半导体散热和热管散热尽管效果明显，但积聚在热端的热量需要用风扇排走，不然会导致散热效果的失效。本文分析风冷散热中的CPU散热器的计算机仿真设计。
三、CPU散热器的计算机仿真设计
强迫风冷散热与散热片结合是一种典型的冷却方案。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆目前，风冷散热的CPU散热器主要组成部件是散热片、风扇和扣具，其散热方式通常是将散热片用扣具固定在CPU芯片的上面，以便借助散热片来增大散热面积，而风扇一般固定在散热片的上端(也有固定在散热片的侧端)，来及时散发掉积聚在散热片上的热量。本文讨论利用计算机仿真分析软件ANSYS散热片的设计研究。
1、有限元原理
ANSYS是由Swanson Analysis System.Inc开发研制的大型模拟软件，它基于有限元算法，不但可用于分析线性、静态等简单的问题，而且还可以用于分析非线性及瞬间等复杂问题。ANSYS可在微机和工作站上运行，具有强大的热分析功能，同时具有一个强大的实体建模及网络划分工具，分析类型丰富，使用方便，并且具有强大的前后处理功能，其图形输出功能清晰、直观地反映温度场分布的计算结果，因此具有广泛的适用范围。有限元法昌用于建立物理场控制方程的离散化方程，其是把求解域划分为有限个小的网格单元，在每个网格单元内可有多个节点，未知的变量用假设的近似函数一节点值和插值函数来表示，这样，每一个网格单元的任何点的未知值都可由节点值和插值函数来确定。网格单元上的分析解把该网格单元的参变量与邻近网格单元上的参变量通过公共的节点联系起来，形成联立代数方程组，再利用求解域边界上的边界条件，用迭代法求解出参变量。
2、CPU散热过程传热学模型的建立
CPU的管芯是主要热源，散热片通过与之接触，热由CPU管芯以传导方式源源不绝传到散热片上，由于散热片接触的是CPU表面，所以热就会被带离CPU。而传到散热片后，再由风扇转动而产生强迫对流将热带走，而部分热通过辐射散发到空气中，如此循环不绝，这即是CPU整个散热的过程。由于CPU位于机箱里面，在仿真模拟计算强迫风冷时，计算区域可以不必取一定远的外空间作为无穷远。
3、散热片有限元模型的建立
有限元模型的建立包括两部分，即几何模型的建立和几何模型的单元划分。本文所建立的几何模型是根据实际的物理过程简化而成，工作尺寸和实际结构尺寸保持一致。整个模型包括封闭口腔内外流场、发热元器件和铝散热片。进行网格单元划分前，先定义材料的属性和单元类型，并且充分考虑到材料的非线性，即材料及冷却介质的热物理性能随温度的变化情况。并且要对网格进行合理的分配，才能有效地解决实际问题。考虑到流场计算对网格密度有较高的要求，尤其是在流场近壁面附近处，网格必须足够密。因此，按照CPU散热过程传热学模型，网格在壁面附近加密而在远离壁面处网格较粗，这样既可以提高计算精度又可以节省计算时间。
4、计算结果
从仿真结果可知，仿真时环境温度为25℃，风扇参数为4000r/min。而整体散热片温度场分布呈发射状分布，下端鳍片温度较高，上端受到风扇的强迫风冷而温度较低。此时CPU管芯表面处温度为48℃，效果比较满意，因此该散热片设计较为合理。
5、散热片实际测试与仿真结果比较
根据所设计的模型，采用冷挤压法加工出所需的散热片，测试时在上端加上风扇。实际测试时采用的CPU时P42.0G。散热片与CPU连接时在接触面加上导热硅脂，避免接触面产生空袭，而影响散热效果。测试时实际室内温度为26℃。经测试，使有该款散热片所得的CPU芯片稳定状态时的表面温度是47℃。因此，散热片实际测试与仿真结果的差异很小，说明采用计算机仿真技术模拟CPU散热器，能较真实地反应散热片的温度场分布，从而为散热器的设计打下了基础。
四、结语：
计算机仿真技术是作为分析和研究系统运行行为、揭示系统动态过程和运动规律的一种重要手段和方法。近年来，随着信息处理技术的突飞猛进，尤其是半导体制造技术的不断发展，使仿真技术得到迅速发展。计算机仿真技术容易对结构和热物理进行精确分析，并且提供可视化的仿真结果，用仿真软件可以对结构参数和热物理性质进行优化。
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论文作者:安小龙
论文发表刊物:《防护工程》2018年第13期
论文发表时间:2018/10/16
标签：散热片论文; 网格论文; 技术论文; 模型论文; 计算机仿真论文; 仿真技术论文; 单元论文; 《防护工程》2018年第13期论文;