CN101510229A - 基于机电热三场耦合的电子设备机箱结构优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电子设备机箱结构优化设计方法，主要解决机箱结构设计时难以兼顾机、电、热多方面设计要求的问题。其实施步骤是：从机电热三场耦合的角度研究，确定机箱的初步设计尺寸，利用软件Ansys进行力学分析；进行三场间的网格模型转化，得到用于电磁和热分析的网格模型；设置热分析参数，使用IcePak软件进行热分析；确定机箱的谐振频率和吸波材料的电参数，使用Feko软件进行电磁分析；通过样件试验修正分析结果；判断机箱是否满足设计要求，如果满足要求，则优化设计结束，否则，修改初步的CAD模型、电磁分析参数和热分析参数，重复上述过程，直至满足要求为止。试验表明，本发明的设计能够兼顾机电热多方面要求，可用于电子设备机箱结构的优化设计。

Description

基于机电热三场耦合的电子设备机箱结构优化设计方法

技术领域

本发明属于电子设备结构设计技术领域，具体涉及一种结构优化设计方法，可用于指导电子设备机箱的结构优化设计以及热、电磁兼容特性分析。

背景技术

随着电子工业的迅速发展，电子设备应用的范围越来越广，无论是在日常生活中还是在军事领域里，到处都可以看到电子设备的身影。

电子设备在运输、贮存和使用过程中不可避免的要受到各种外部载荷如，振动、冲击、离心力及运动产生的摩擦力等的作用，其中以振动与冲击对的危害最大。据统计，在引起机载电子设备失效的环境因素中，振动因素约占27％，而现代战争中使用的电子装备，50％～60％的失效是由于机械振动与爆炸冲击引起的。其破坏作用主要表现在两个方面：振动冲击引起的机械破坏以及设备电气性能的下降和失效。将会导致电子设备疲劳损坏、电参数漂移、元器件引线断裂或焊点脱落、紧固件松脱等。实验发现振动引起的损坏超过冲击所引起的损坏。电子设备的机箱作为主要的承力部件，其结构设计是十分重要的。

电子设备还存在电磁兼容性问题，电磁兼容性是指在共同的电磁环境中使电子设备不受干扰的影响而相容地正常工作。电磁兼容性不好导致的问题在实际中的例子举不胜举，例如民航禁止乘客在飞行途中使用手机等某些特定的电子设备，故电子类产品必须通过电磁兼容性认证。电磁兼容性问题不仅存在于设备与设备之间，同时也存在于元件与元件之间，部件与部件之间、系统与系统之间，甚至存在于集成电路内部。其主要解决方法是电磁屏蔽。对于电子设备而言，机箱作为主要的屏蔽结构，箱体上的开孔和缝隙以及内部的结构布置都会影响电子设备的电磁屏蔽效能。

同时，电子设备内部包含许多电子元器件，随着电子元器件集成度的提高，其发热量也增大，为了保证元器件的正常工作，必须控制电子设备机箱内的温度，需要散热处理。因为电子元器件工作的可靠性对温度极为敏感，器件温度在70-80摄氏度上每增加1摄氏度，可靠性就会下降5％。电子设备需要控制体积，军用电子设备更是如此，这就为散热带了很大困难。因而电子设备机箱的热设计也是非常关键的。

电子设备的机箱是把设备内部各种电子元器件或机械零部件组装成为整体，并使其尽量避免或减小由于高低温、振动冲击、电磁干扰等不利因素对电气性能造成的影响。电子设备结构设计的目的是为安装在它内部的电子元件和组件提供一个良好的、能够抵抗外界恶劣条件的微环境，抗振缓冲设计、热控制设计及电磁兼容设计便是其中的关键技术。电子设备的多场耦合问题也成为研究和设计的重点。

对于这类电子设备的机箱的结构设计，目前一般是先进行结构设计，然后做热分析和电磁兼容性分析，满足相关要求，则设计合理；否则，修改结构设计，重新做热分析和电磁兼容分析。这样的设计流程明显是三个学科各自独立的，导致设计周期长、产品性能难以同时兼顾机电热三方面的要求。国内外众多学者对多场耦合问题已经做了大量的研究，但大多局限于某一工程领域，不具备广泛的适用性，对电子设备机箱类结构的多场耦合问题的研究还很少见。

发明内容

本发明的目的是解决目前电子设备机箱结构设计中存在的机电热分离，导致设计周期长、难以兼顾多方面要求的问题，提出了一种基于机电热三场耦合模型的电子设备机箱结构优化设计方法，实现电子设备机箱的高效设计。

实现本发明目的的技术方案是，在充分研究机箱的机电热三场作用原理的基础上，给出三场耦合的数学模型，基于该模型利用不同的商用软件对电子设备机箱进行三场耦合分析，即结构分析采用Ansys11.0，电磁分析采用Feko5.3，热分析采用IcePak4.4.8软件，再引入多学科优化方法，对机箱结构进行优化设计。具体步骤如下：

(1)根据电子设备的工作环境和具体要求，确定机箱结构的初步设计尺寸，以此建立初步的机箱CAD模型，用于力学的有限元分析；

(2)对初步建立的机箱CAD模型，利用商用软件Ansys11.0进行力学有限元分析，获取各种结构力学参数和箱体变形，并整理成力学分析的数据文件；

(3)从力学分析的数据文件中提取机箱变形后的网格模型信息，进行三场间的网格模型转化，得到用于电磁和热分析的网格模型；

(4)根据步骤(1)建立的机箱CAD模型，设置散热部件材料的比热和导热系数，风扇的功率流量和环境温度这些初步的热分析参数；

(5)将步骤(3)提取的热分析网格模型和步骤(4)的热分析参数导入商用软件IcePak4.4.8进行热分析，得到机箱的温度场分布，并整理成热分析的数据文件；

(6)根据步骤(1)建立的机箱CAD模型，确定机箱的谐振频率和吸波材料的电参数这些初步的电磁分析参数；

(7)将步骤(3)提取的电磁分析网格采用商用软件Feko5.3进行电磁分析，获取机箱内外的电磁场分布，并整理成电磁分析的数据文件；

(8)针对机、电、热三个分析的数据文件，根据实际工程情况，设计样件并对其进行仿真分析，再通过试验检验仿真分析的结果，得到仿真误差，根据该仿真误差修正机箱CAD模型的分析结果；

(9)根据修正后的分析结果判断机箱设计是否满足要求，如果满足要求，则优化设计结束，输出机箱的结构参数，否则，修改初步的CAD模型、电磁分析参数和热分析参数，重复步骤(1)至步骤(8)，直至满足要求。

上述电子设备机箱结构优化设计方法，其中步骤(3)所述的三场间的网格模型转化，包括如下步骤：

(3.1)将机箱变形后的网格模型中存在交叠网格合并；

(3.2)将机箱变形后的网格模型中存在的中间节点转化成网格节点；

(3.3)从机箱变形后的网格模型中提取板壳单元网格的节点；

(3.4)从机箱变形后的网格模型中提取实体单元表面网格的节点；

(3.5)将所提取的网格节点重组成新的网格单元；

(3.6)根据电磁和热分析精度要求细化新组成的网格单元。

上述的电子设备机箱结构优化设计方法，其中步骤(6)所述的确定机箱的谐振频率和吸波材料的电参数，包括如下步骤：

(6.1)根据机箱结构尺寸通过理论公式计算理论谐振频率，该理论谐振频率计算公式为：

$f_{10p}=\frac{c}{2\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_r}}\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{\π}}{a}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{p\π}}{l}\right)}^2}$

其中a和l是机箱的尺寸，ε是介电常数，μ是磁导率，c是光速，P是模式。

(6.2)使用电磁分析软件，在理论谐振频率附近扫频，找到场强最强的谐振频率点，作为机箱的实际谐振频率；

(6.3)根据吸波材料生产商提供的相关属性参数，或者借用公开文献中的设定值，或者先假设一个值，得到吸波材料的电导率、磁导率、电损耗正切和磁损耗正切。

上述的电子设备机箱结构优化设计方法，其中步骤(8)所述的根据样件试验修正分析结果，包括如下步骤：

(8.1)按照初步的CAD模型，加工制造机箱实物样件；

(8.2)针对样件，测量机箱内外的电场分布值；

(8.3)针对样件，测量机箱内部的温度分布值；

(8.4)将样件仿真的结果记为C_仿真，将样件测试的结果记为C_测试，如果误差α＝[(C_测试-C_仿真)/C_测试]×％，在15％以内，则认为仿真模型与实际样件符合，否则，修改仿真模型直至满足15％的要求为止；

(8.5)对优化设计中针对实际机箱模型的进行仿真，并将该仿真结果记为E_仿真，然后使用上述的误差α，修正仿真结果为

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.在机箱结构优化设计中，由于使用热场和电磁场的参数作为优化目标或约束条件，是一种基于多场耦合的优化设计方法，解决了传统设计中的多学科分离问题；同时可以充分考虑到不同学科的设计要求，大大降低了机箱的设计周期；

2.在设优化设计中，不但充分利用现有的商业软件进行计算机辅助设计，还通过设计实物样件、实际测试，来检验计算机仿真的结果，并根据试验加以修正，使得最终设计出的产品更加符合实际。

附图说明

图1是本发明电子设备机箱结构优化设计流程图；

图2是本发明三场间网格模型的转化流程图；

图3是交叠网格处理示意图；

图4是表面网格重组和中间节点网格处理示意图；

图5是网格细化示意图；

图6是本发明仿真实验的初步CAD模型示意图；

图7是本发明仿真实验的优化目标迭代曲线图；

图8是本发明仿真实验的温度约束条件迭代曲线图；

图9是本发明仿真实验的吸波材料面积约束条件迭代曲线图；；

图10是本发明仿真实验的电磁测试实物图；

图11是本发明仿真实验的温度测试实物图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本发明的具体步骤如下：

步骤1，确定机箱结构的初步设计尺寸，建立初步的机箱CAD模型。

根据电子设备的工作环境和具体要求，确定机箱结构的初步设计尺寸，主要包括机箱的材料，外形尺寸长a、宽l、高b，散热孔缝、风扇的数量和位置，内部吸波材料的尺寸和位置，机箱内部的各个主要元器件的位置，内部支撑结构分布等，以此建立初步的机箱CAD模型，用于力学的有限元分析。确定该初步设计尺寸时可以大量依据设计人员的经验和借鉴已有的电子设备机箱产品，以降低设计工作量。

步骤2，机箱的力学分析。

将初步的机箱CAD模型，导入商用软件Ansys11.0进行力学有限元分析。根据使用要求，加入各种外部载荷，主要是振动冲击载荷。我国有详细的振动试验规范和标准，如标准GB/T2423.11中给出了宽带随机振动严酷等级的一般要求，标准GJB150.16-86及GJB150.18-86《军用设备环境试验方法》中规定了详细的振动与冲出实验方法，并对产品在运输和使用的振动环境做了详细地分类。根据这些标准，对电子设备加载各种载荷仿真相应的振动环境，通过软件分析得到需要的结构力学参数和机箱结构变形，并将分析结果整理成力学分析的数据文件。

步骤3，三场间网格模型的转化。

三场耦合分析中各个模型之间要进行信息的传递，关键是初步的CAD模型要能够导入不同的分析软件，故需要对Ansys分析后的网格模型进行转化。根据使用的分析软件的不同，转化的方法也有差别，这里以结构分析用Ansys，电磁分析用Feko、热分析用IcePak为参考。

参照图2，网格模型转化的具体步骤如下：

3.1 处理交叠网格。

由于商用软件分析时不允许出现交叠网格，所以需要处理初步的CAD模型网格，以排除交叠网格的情况。网格交叠的现象如图3所示，图3(a)是一个块和一个板结构的组合，实体块安放在板上，由图3(b)可见，块底面与板面在几何模型上是共面的，当划分网格后就会出现图3(c)的交叠情况。网格交叠的处理分为模型上的处理和网格上的处理两个步骤。

所述的合并交叠网格，按如下步骤进行：

3.1.1 在模型层面处理交叠的网格。

对两个实体之间相交重合的面，应用布尔运算的相加预算将交叠网格合并，以保证网格划分的连续。对面和体的重合面，如图3(a)图，这里可以用实体块底面四边来分割板，删除面上交叠的网格，如图3(d)所示的A1，A2两部分，A1不包括A2区域的部分，再划分网格后即如图3(e)所示。图(f)是一种比较麻烦的情况。解决的方法是保留实体单元表面的完整，删除实体块压住的板单元，再重新连接板空缺周围节点与实体底边周围节点，如图(f)中的粗线部分。模型上处理的关键是使划分的网格在不同结构体之间保持连续性，主要是通过运用模型间的布尔运算来完成。

3.1.2 在网格层面处理交叠的网格。

网格方面的处理，一般用节点融合功能来融合重合面上的节点以达到网格的连续。如果有交叠的网格节点在另一单元边上，或者使小的重合面的节点在平面内移动一个微小值，使两重合面有一个小的分离量，再给两面节点间加一些导线单元保持电气整体性。

3.2 处理中间结点。

Ansys有限元分析中有时会出现高阶单元，不但顶点上有节点，单元的边中点处也有节点，如图4所示。图4(g)是一个10节点四面体单元，假设1，2，4节点是要提取的表面三角形，则应该如图4(h)这样利用中间来重新组成四个三角形，如果不利用中间节点只提取网格节点，这样必然会丢失变形信息，只能反映1，2，4节点的位移，却不能反映5，8，9节点的位移，如图4(i)所示。所以要对中间节点转化成网格节点。

中间节点转化成网格节点，按照如下步骤进行：

3.2.1 针对所使用分析软件，寻找单元类型的网格节点编号规律。

对有限元分析软件Ansys，单元的节点编号是按顺时针或逆时针的顺序进行排列的，而其排列的顺序是在顺时针或逆时针方向的基础上先保证单元的形状，再确定中间节点，即编号在前的单元其中间节点编号也在前。

3.2.2 根据节点编号规律，区分中间节点和网格节点，并取出中间节点。

对于图4(g)的四面体单元，节点组成方式是1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，这是一种顺时针方向的节点编号排列方式。首先，按顺时针方向生成底面；再按相同的顺序和相对应的起点生成顶点或面，可见前四个节点是确定方向和保持形状的关键，最后按点和线编号的顺序确定其中间节点。

3.2.3 连接相邻的中间节点，则与原有网格节点组成新的网格。

如图4(g)图，中间节点5，6，7，8，9，10，将相邻编号的中间节点连接，在与其对应的网格节点组合成新的网格。

3.2.4 按照单元类型的不同，分别进行处理，则将所有的中间节点转换成网格节点。

不同的单元类型，其节点编号的规律是不同的，所以要按照类型的不同，重复上面的步骤，以完成所有中间节点的转换。

3.3 提取板壳单元网格节点。

本发明使用的结构分析软件、电磁分析软件和热分析软件都能够处理三角形网格。相对于电磁和热分析，结构分析一个显著特点是单元类型比较多。对于三角形板壳单元网格，直接按照单元编号顺序提取；对于四边形板壳单元网格，要把每个四边形分成两个三角形，再按照三角形单元形式分别提取。

3.4 提取表面实体单元网格节点。

对于实体单元，例如正方体，如图4(a)所示，关键是把实体单元的外表面的各个四边形提取出来。该提取包括两个方面，一是提出其外表面的节点；二是要提取表面节点间的关系。首先提取实体的所有表面，再找到实体表面上的所有节点，根据这些节点与该表面的所属关系确定节点间的连接关系。若得到的节点连接方式为三角形则可直接使用，若为四边形则须重新剖分为两个三角形。

3.5 重组网格单元

提取后的表面节点后就要进行单元重组，如图4所示。图4中数字只作节点代号，其中图4(a)是一个有限元的六面体实体单元，组成此单元的节点顺序为1，2，3，4，5，6，7，8，当最前面的六面体的面为如图4(b)所示的表面时，就要把它分成两个三角形，如图4(c)。但是也可能出现图4(d)所示错误的情况，图4(e)和图4(f)是按图4(d)方式重组后的两个单元的情况，这两个单元是交叠的。对于每个4节点单元，按照节点编号顺序，从两个方向分别取三个点，得到两个新的网格单元，以避免图4(d)的错误。对于每个3节点单元，直接保留其原网格单元。

3.6 根据精度细化网格。

不同学科的分析软件要求的网格精度不同，通常结构分析的网格密度要高于热分析的网格，低于电磁分析的网格。所以结构网格提取后可直接用于热分析，而电磁分析要根据具体的精度要求细化网格。网格细化采用常见的中点再分的方法，如图5所示。取一个单元各边的中点，再将相邻边的中点相连，即可将一个单元分成四个类似的小单元，以此类推直到网格大小满足精度要求为止。为了精度上能够更好地匹配，各分析软件应该在相同的规则下划分网格。例如，把网格划分为正三角形，正四边形，正四面体，正六面体等。

步骤4，设置热分析需要的参数。

根据步骤1建立的机箱CAD模型，在热分析软件IcePak中，设置机箱各部分的具体材料的比热和导热系数，包括主要散热部件的材料；选定各个散热器件，主要是风扇的功率流量；对机箱内的热源设置发热功率，最后选定分析时的环境温度。

步骤5，机箱的热分析。

将转换的网格导入热分析软件IcePak中，依据步骤4确定的热分析需要的相关参数，使用商用软件IcePak完成机箱的热分析，得到机箱内部的温度分布情况，并将分析结果记录在数据文件中。

步骤6，设置电磁分析需要的参数。

6.1 估算机箱的谐振频率。首先根据机箱结构尺寸计算理论谐振频率，对TE_10p模式来说，理论谐振频率f计算公式为：

$f_{10p}=\frac{c}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{\μ\ϵ}}}\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{\π}}{a}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{p\π}}{l}\right)}^2}$

其中a和l是机箱的尺寸，ε是介电常数，μ是磁导率，c是光速，P是模式。

6.2 将提取的网格模型导入电磁分析软件，在理论谐振频率附近的扫频，找到场强最强的谐振频率点，从而精确确定待分析的腔体的谐振频率。

6.3 确定吸波材料的属性。包括电导率，磁导率，电损耗正切，磁损耗正切，一般吸波材料的生产商会提供部分属性参数，未提供的可以借用公开文献中的值，或者假定一个。

确定吸波材料参数值，通过如下步骤进行：

6.3.1 查阅吸波材料的文献资料，初步确定大部分参数的取值；

吸波材料的销售厂商一般都不提供吸波材料的微观参数，而是给出基于测试的宏观参数来描述他们的产品。在此基础上通过查找文献，得到相当一部分吸波材料的微观参数，由于两种物质掺杂的质量比不同，所测得的微观参数就不一样，所以该微观参数不一定适合直接应用，但是可以作为参数选定的重要参考。

6.3.2 根据吸波材料的分析理论，假设剩余参数的取值范围。

根据吸波材料的分析理论假定部分参数。对于一块电介质，给它赋予比较大的电损耗正切，就可以模拟成电损耗型吸波材料，对磁损耗型吸波材料同理，这在很多的文献和工程中都有过应用，也是模拟吸波材料的一种可行的方法。

6.3.3 在初步确定取值和范围的基础上，通过软件仿真寻优，确定参数的具体取值。

在假定的范围的基础上用软件来仿真，寻找比较合适的一组参数。把吸波材料设计成设计变量，合理的微观参数取值范围作为上下限，泄露的场强为目标进行优化，得到一组最优解，该解就能保证这组微观参数可以体现吸波材料的性能。

步骤7，机箱的电磁分析。

将转换的网格导入电磁分析软件Feko中，根据步骤6确定的电磁分析需要的相关参数在软件中选定，使用商用软件Feko完成机箱的电磁分析，得到机箱内外的电场强度分布情况，将分析结果记录在数据文件中。

步骤8，设计样件修正分析结果。

针对机电热三个分析的结果文件，根据实际工程情况，设计试验检验仿真分析的结果，并适当修正分析结果；

8.1 加工制造样件。按照初步的CAD模型，加工制造机箱实物样件，包括机箱内部的支撑构建，散热孔、缝和风扇，以及电磁辐射单元。

8.2 电磁测量，针对样件，测量要求的机箱的相关电磁参数，例如：机箱内部耦合度和一米外泄露场强。测试空间场强时使用微带天线，会对实际的自由空间场强产生干扰，也需要修正。

8.3 温度测量，在机箱内装入模拟元器件发热的热源，测量机箱内部的温度。

8.4 将样件仿真的结果记为C_仿真，将样件测试的结果记为C_测试，如果误差α＝[(C_测试-C_仿真)/C_测试]×％，在15％以内，则认为仿真模型与实际样件符合，否则，修改仿真模型直至满足15％的要求为止。

8.5 修正仿真结果。对优化设计中针对实际机箱模型的进行仿真，并将该仿真结果记为E_仿真，然后使用上述的误差α，修正仿真结果为

步骤9，设计样件修正分析结果。

对修正后的分析结果进行判断，如果满足设计要求，则优化设计结束，输出机箱的结构参数，如果不满足设计要求，则修改初步的CAD模型、电磁分析参数和热分析参数，重复步骤(1)至步骤(8)，直至满足要求。

本发明的优点可通过以下实验进一步说明：

1.仿真分析：

选取一个简单的机箱进行优化仿真，其结构如图6所示。机箱尺寸为500×375×125mm，机箱壁厚为2mm，材质为铝，一端有三个散热风扇，另一端开有十二条通风槽，机箱底面上有两个发热源，功率皆为5W。一个电磁辐射模块和一个电磁敏感模块，关注频段为0.5～1GHz。

电磁分析设置：

吸波材料参数：介电常数为2.7，电损耗正切为0.01，磁导率为1，磁损耗正切为0

电磁辐射：5w

天线形式：偶极子天线

分析频率：730MHz，经过理论计算和仿真验证，该实例箱体的谐振频率为730MHz。

热分析设置：

热源导热系数：0.2W/m·K

风扇固定流量：0.001m³/s

环境温度：35℃

该实例的优化模型为：

设计变量

$X={(x_1^1,x_2^1,x_3^1,x_4^1,x_1^2,x_2^2,x_3^2,x_4^2)}^T$

目标函数

f(X)＝0.5C_max(X)+0.5E_max(X)

约束条件

$360\≥x_1^1\≥7.5$   $242.5\≥x_3^1\≥7.5$   $360\≥x_1^2\≥7.5$   $492.5\≥x_3^2\≥257.5$

$375\≥x_2^1\≥15$   $250\≥x_4^1\≥15$   $375\≥x_2^2\≥15$   $250\≥x_4^2\≥15$

$x_1^1+x_2^1\≤375$   $x_3^1+x_4^1\≤500$   $x_1^2+x_2^2\≤375$   $x_3^2+x_4^2\≤500$

$0\≤x_3^2-(x_3^1+x_4^1)\≤470$

V(X)≤46000

T_max<95

其中，分别为吸波材料一在x方向上的位置与尺寸，

分别为吸波材料一在y方向上的位置与尺寸，分别为吸波材料二在x方向上的位置与尺寸，

分别为吸波材料二在y方向上的位置与尺寸。优化目标中的C(x)和E(x)分别是机箱内部的耦合度和机箱一米以外正对开口出的泄露场强。吸波材料都贴装在机箱内部。在优化中只考虑吸波材料的平面位置和尺寸，厚度为固定的50mm。容许吸波材料的最大面积V(X)设置为46000mm²。参考一般电子器件的温度容许值，将约束温度T_max设置为95。

2.样件测试

内部耦合度测量：

测量仪器采用矢量网络分析仪，仪器型号wilton37269A，测量场地选在了室内。测量用的天线选用中心频率在730MHz的微带天线，其带宽为10％，放置在机箱内部。微带天线采用50欧同轴线馈电。测量实物如图10所示。

一米外泄漏场强测量：

泄漏场强测量实验的仪器和场地与上述耦合度测量相同。其余测试条件也基本相同，接收天线放置在正对机箱开缝处一米。

温度测量：

温度测试的仪器采用FLUKE HYDRA SERIESS 2。直流稳压电源型号HT-1722F。温度测试的地点选择在了室内，环境温度为室温。温度测试的具体实物如图11所示，机箱左下为直流电源，直流电源上放的是给3个风扇供电的开关电源。放在机箱上的是测温仪器。在机箱内部指定点安装两个5w热源，两个热源串联到直流稳压电源。电源的输出设为恒定的1A，以能保证热源的功率为固定的5w。然后把用来测量温度的热电偶贴装在热源上，热电偶的引线接到测温仪读取温度数值。

温度测试得到的测试数据如表2：

表1：测量结果

 

	左侧热源	右侧热源	环境温度	仪器误差
					贴装吸波材料	80℃	71℃	23℃	1.5℃
不贴吸波材料	82℃	62℃	23℃	1.5℃

从表1中可以看出，贴装吸波材料以后一个热源处温度变化不大，从82℃到80℃，另一个热源的温度则有了明显的提升，从62℃到71℃。吸波材料对风道的阻挡对散热是有一定的影响的。但是由于最高温度不过82℃，这样的温度对电子元器件不会构成大的影响，所以机箱内部的温度都在电子设备安全工作的限度以内。

3.优化结果：

优化的目标函数迭代曲线如图7所示，温度约束条件迭代曲线如图8所示，面积约束条件迭代曲线如图9所示。优化结果如表2所示。

表2：优化结果

在优化迭代过程中吸波材料的长宽变化和目标有密切的关系，随着吸波材料的面积增大，耦合度和泄露场强都有了明显的改善。从图7中可以发现：当吸波材料增大到一定程度的时候，再增大吸波材料面积则对电磁屏蔽效能没有明显的提高。

从优化结果表2可以看到，通过优化机箱的内部耦合度和一米外的泄漏场强都明显下降，内部耦合度从-29.7dB降到-42.5dB，一米外的泄漏场强从-13.3dB降到-30.7dB，表明本发明的优化方法是有效的。

Claims (7)

1.一种基于机电热三场耦合的电子设备机箱结构优化设计方法，包括如下步骤：

(1)根据电子设备的工作环境和具体要求，确定机箱结构的初步设计尺寸，以此建立初步的机箱CAD模型，用于力学的有限元分析；

(2)对初步建立的机箱CAD模型，利用商用软件Ansys11.0进行力学有限元分析，获取各种结构力学参数和箱体变形，并整理成力学分析的数据文件；

(3)从力学分析的数据文件中提取机箱变形后的网格模型信息，进行三场间的网格模型转化，得到用于电磁和热分析的网格模型；

(4)根据步骤(1)建立的机箱CAD模型，设置散热部件材料的比热和导热系数，风扇的功率流量和环境温度这些初步的热分析参数；

(5)将步骤(3)提取的热分析网格模型和步骤(4)的热分析参数导入商用软件IcePak4.4.8进行热分析，得到机箱的温度场分布，并整理成热分析的数据文件；

(6)根据步骤(1)建立的机箱CAD模型，确定机箱的谐振频率和吸波材料的电参数这些初步的电磁分析参数；

(7)将步骤(3)提取的电磁分析网格采用商用软件Feko5.3进行电磁分析，获取机箱内外的电磁场分布，并整理成电磁分析的数据文件；

(8)针对机、电、热三个分析的数据文件，根据实际工程情况，设计样件并对其进行仿真分析，再通过试验检验仿真分析的结果，得到仿真误差，根据该仿真误差修正机箱CAD模型的分析结果；

(9)根据修正后的分析结果判断机箱设计是否满足要求，如果满足要求，则优化设计结束，输出机箱的结构参数，否则，修改初步的CAD模型、电磁分析参数和热分析参数，重复步骤(1)至步骤(8)，直至满足要求。

2.根据权利要求1所述的电子设备机箱结构优化设计方法，其中步骤(3)所述的三场间的网格模型转化，包括如下步骤：

(2a)将机箱变形后的网格模型中存在交叠网格合并

(2b)将机箱变形后的网格模型中的中间节点转化成网格节点；

(2c)从机箱变形后的网格模型中提取板壳单元网格的节点；

(2d)从机箱变形后的网格模型中提取实体单元表面网格的节点；

(2e)将所提取的网格节点重组成新的网格单元；

(2f)根据电磁和热分析精度要求细化新组成的网格单元。

3.根据权利要求1所述的电子设备机箱结构优化设计方法，其中步骤(6)所述的确定机箱的谐振频率和吸波材料的电参数，包括如下步骤：

(3a)根据机箱结构尺寸通过理论公式计算理论谐振频率，该理论谐振频率计算公式为：

$f_{10P}=\frac{c}{2\mathrm{\&pi;}\sqrt{{\mathrm{\&mu;}}_r{\mathrm{\&epsiv;}}_r}}\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{a}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{P\&pi;}}{l}\right)}^2}$

其中a和l是机箱的尺寸，ε是介电常数，μ是磁导率，c是光速，P是模式。

(3b)使用电磁分析软件，在理论谐振频率附近扫频，找到场强最强的谐振频率点，作为机箱的实际谐振频率；

(3c)根据吸波材料生产商提供的相关属性参数，或者借用公开文献中的设定值，或者先假设一个值，确定吸波材料的电导率、磁导率、电损耗正切和磁损耗正切。

4.根据权利要求1所述的电子设备机箱结构优化设计方法，其中步骤(8)所述的根据样件试验修正分析结果，包括如下步骤：

(4a)按照初步的CAD模型，加工制造机箱实物样件；

(4b)针对样件，测量机箱内外的电场分布值；

(4c)针对样件，测量机箱内部的温度分布值；

(4d)将样件仿真的结果记为C_仿真，将样件测试的结果记为C_测试，如果误差α＝[(C_测试-C_仿真)/C_测试]×％，在15％以内，则认为仿真模型与实际样件符合，否则，修改仿真模型直至满足15％的要求为止；

(4e)对优化设计中针对实际机箱模型的进行仿真，并将该仿真结果记为E_仿真，然后使用上述的误差α，修正仿真结果为

5.根据权利要求2所述的电子设备机箱结构优化设计方法，其中步骤(2a)所述的合并交叠网格，按如下步骤进行：

(5a)在模型层面通过几何布尔运算将交叠的网格部分合并或者删除；

(5b)在网格层面通过节点融合将交叠网格的重合节点合并。

6.根据权利要求2所述的电子设备机箱结构优化设计方法，其中步骤(2b)所述的中间节点转化成网格节点，按如下步骤进行：

(6a)针对分析软件，按照网格单元类型，寻找其网格节点编号规律；

(6b)根据节点编号规律，区分中间节点和网格节点，并取出中间节点；

(6c)连接相邻中间节点，与原有网格节点组成新的网格；

(6d)对不同的网格单元类型，都按照上述步骤进行，则所有的中间节点转换成网格节点。

7.根据权利要求3所述的电子设备机箱结构优化设计方法，其中步骤(3c)所述的确定吸波材料的参数值，通过如下步骤进行：

(7a)查阅吸波材料的文献资料，初步确定其大部分参数的取值；

(7b)根据吸波材料的分析理论，假设剩余参数的取值范围；

(7c)在初步确定取值和范围的基础上，通过软件仿真寻优，确定参数具体取值。

Images