VITA48.1架构下VPX风冷插箱的研制_李蔺.pdf

科技与创新Science and Technology&Innovation402023 年 第 03 期文章编号：2095-6835（2023）03-0040-04VITA48.1 架构下 VPX 风冷插箱的研制李 蔺（成都瑞雪丰泰精密电子股份有限公司，四川 成都 611730）摘要：总结某型号 VPX 机箱的研制情况，通过 VPX 机箱的布局、构成以及热设计、力学设计等关键技术的综合规划，解决了电子产品机箱在复杂环境中的正常使用问题，达到了较高的技术指标要求。关键词：VPX 机箱；散热；综合规划；前后 IO中图分类号：TN02文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.03.0131研究目的随着电子设备的不断升级，电子设备对模块、插箱的散热需求就越来越高，本项目的目的是采用强迫风冷冷却方式，通过优化设计满足高发热量的散热需求，以延长产品寿命及提高其可靠性，同时在一定程度上有效地控制产品成本。2基本情况插箱采用高度进制为 44.45 mm 的 19 in（1 in2.54 cm）机箱，其结构参数（机箱和机架的接口尺寸）符合 GB/T 3047.21992 和 GJB 10086 标准，结合插箱散热、抗振等约束条件，在结构上进行优化。插箱设计参考 19 in 9U 标准插箱外形尺寸，482.6 mm（机身 435 mm）399.3 mm340 mm，质量不大于 16 kg，中部带背板，满足前后 IO，后部带转接板，满足前后各 21 个标准 VPX 插件，插件散热采用强迫风冷形式1。3关键技术实现3.1布局插箱采用标准 19 in 上架接口，两侧采用导轨安装形式，插箱主要由左右侧板、上下盖板、横梁及把手组成，左右侧板及盖板均采用铝合金加工，横梁采用铝合金型材。前后横梁之间安装标准插件导轨，以实现插件的前后安装方式，如图 1 所示。图 1前后安装方式插箱可根据机柜和环境适应性的不同选择导轨。风机组件以导轨抽屉的方式安装于插箱上，满足技术要求中插箱内装风机单元且方便维修的要求，如图 2所示。图 2插箱组成示意按 照 VPX 模 块 所 遵 循 的 VITA48.1 的 标 准（Mechanical Specifications for Microcomputers UsingREDI Air Cooling Applied to VITA 46 VITA 48.1），6U的 VPX 模块尺寸应该如图 3 所示。图 3VITA48.1 标准 6U VPX 模块3.2热设计3.2.1风道设计插箱中插入满足 VITA48.1 标准的串通风冷结构后插模块前导轨后导轨前插模块风机组件右侧板导轨安装梁进风栅格把手左侧板Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 03 期41设计，结构设计时考虑上下封闭风道，形成 Z 字形封闭风道结构，冷却风直接通过强迫风冷抽风的方式贯通每个插入的模块，实现强迫风冷2，风道设计如图 4所示。图 4插箱风道和风流向3.2.2风机选择按照 VPX 模块所遵循整机通风系统的通风量，按热平衡方程进行计算：tCQqPm=（1）式（1）中：Q 为需要冷却的热耗量，W，在 9U 插箱中选取 2 000 W；Cp为按定性温度确定的定压比热容，kJ/（kgK），空气约等于 1；t 为空气进、出口温差，取 10 温差。为保证足够的风量，在选择通风机时，应有一定的余量，工程上一般需要预留 20%以上的余量。通过计算，qm=720 kg/h，换算成体积流量为 557 m3/h，可以满足设计要求且有足够的余量。风机选择参数如图 5 所示。图 5选择的风机参数3.2.3设备基本结构产品主要由插箱主框架、风机单元、盖板、分流导流板以及孔条、导轨等附件组成。机箱中共 21 个VPX 模块，穿通风冷，共 2 000 W 热耗。风机型号为EBM 离心风机 R1G 120 M1G045-BE。3.2.4热仿真计算设置每块印制板的发热体为一扁平长方体，使用导热衬垫粘贴于散热齿上，其与散热齿相贴的面积为（1610）cm2，2 000 W 热耗均分到每块发热体，每块发热体的热流密度约为 0.59 W/cm2。设备表面温度云图如图 6 所示，各模块发热体表面温度云图如图 7 所示，空气流速粒子图如图 8 所示。图 6设备表面温度云图图 7各模块发热体表面温度云图图 8空气流速粒子图由温度云图可见，各模块发热体表面温度均低于60，该机箱热设计合理，可以满足设备正常工作的要求。3.3力学设计利用 CAD 模型，通过进行必要的简化来建立起分析模型。对简化后的模型利用 SOLID187 单元进行网格划分得到最终的分析模型。该模型中单元大小控制为 2 mm，由 2 677 728 个单元、6 663 379 个节点构成。模型中能够用各个零部件之间的螺钉连接或线面之间的多点约束（MPC）方式模拟。固定约束施加在模型侧面的安装块。本次模态仿真结果如表 1 所示。表 1模态仿真结果阶次固有频率值/Hz160.16285.17Ped/Wmn/（rmin-1）LPA/dB（A）tL/（%）科技与创新Science and Technology&Innovation422023 年 第 03 期表 1（续）阶次固有频率值/Hz394.164113.785119.016126.98前六阶振型如图 9 所示。（a）第一阶（b）第二阶（c）第三阶（d）第四阶（e）第五阶（f）第六阶图 9前六阶振型3.3.1PSD 仿真提取整机的 152 000 Hz 范围内的模态，进行随机振动分析。激励按图 10 所示振动量值，分别从 X、Y、Z 三方向施加于机箱上3。风冷机箱的最大等效应力在 Z 方向，3应力为 516.8 MPa，位于螺钉上，如图11 所示。3振动响应值如表 2 所示。图 10方向振动等效应力云图图 11方向功能冲击等效应力云图表 23振动响应值方向振动响应最大值X3位移/mm0.0143应力/MPa297.5Y3位移/mm0.173应力/MPa161.3Z3位移/mm4.83应力/MPa516.83.3.2冲击仿真仿真模型功能冲击位移和应力响应分别如表 3所示。从 3 个方向的功能冲击仿真结果来看，设备整机上最大位移响应发生在 Z 方向上，其中变形量、响应Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 03 期43值很小，结构最大等效应力为 14.1 MPa，如图 11 所示，远小于 5A06 铝合金 H112 状态的屈服极限 190 MPa，结构性损坏的可能性很小。表 3仿真模型功能冲击位移和应力响应最大值方向振动响应最大值X位移/mm0.06应力/MPa4.06Y位移/mm0.30应力/MPa4.23Z位移/mm0.27应力/MPa14.10风冷机箱的结构形式在机载产品得到成熟且广泛的运用，工程项目经验成熟。本方案中所描述的仿真分析内容可作为详细初步设计阶段的依据，在随机分析中，Z 向应力最大的位置发生在导轨的安装螺钉上，但可满足要求。通过以上方案分析，19 in 标准 VPX 9U-84HP 风冷插箱的结构方案能达到设备的尺寸、接口、质量、标识的要求，同时满足热、力学、三防等环境适应性要求，达到技术协议的所有指标。4试验样品试制完成后，按规定的试验条件分别完成了低温试验、高温试验、湿热试验、振动试验、冲击试验、碰撞试验。试验结束后，试验样品外观、结构与试验前无明显变化，各项指标均满足要求。5结束语目前 VPX 标准的产品应用越来越广泛，对现代通信系统具有深刻的影响。随着科技的进步，应用环境更加苛刻，对模块、插箱的散热、结构性能要求越来越高。插箱及模块的设计在前期借助计算机软件进行仿真分析，能有效缩短产品研制周期。参考文献：1 电子设备机箱机柜控制台设计手册编委会.电子设备机箱机柜控制台设计手册M.北京：化学工业出版社，2012.2赵惇殳.电子设备热设计M.北京：电子工业出版社，2009.3 季馨，王树荣.电子设备振动环境适应性设计 M.北京：电子工业出版社，2012.作者简介：李蔺（1985），男，本科，工程师，从事电子设备结构设计、工艺设计工作。（编辑：张超）（上接第 36 页）设定点误差测量的影响不大，可以忽略不计；而恒温介质的温度变化速率对电接点切换差的影响较大。实验中，当恒温槽以不大于 0.6/min 的温度变化速率控温时，可以有效提高测量结果的准确性和有效性。所以，实际工作中，应根据被测量电接点双金属温度计的响应时间特性，合理选择测量设备的性能参数，以提高测量结果的可靠性。参考文献：1 全国温度计量技术委员会.JJF 10982021 双金属温度计校准规范S.北京：中国计量出版社，2021.2沈文杰，孙浩，杜寅飞.电接点双金属温度计设定点误差测量结果的不确定度评定J.科技风，2019（23）：196，204.3董浩.双金属温度计的特点及其检定方法研究J.科技资讯，2020，18（9）：41-42.作者简介：孟祥宝（1984），男，本科，工程师，研究方向为热工计量方法。（编辑：张超）（上接第 39 页）12 REDMON J，FARHADI A.YOLO v3：anincremental improvement DB/OL.2022-10-19.https:/ Darknet 网络和YOLO v3 算法的船舶跟踪识别J.计算机应用，2019，39（6）：1663-1668.14 REDMONJ，FARHADIA.YOLO9000：better，faster，strongerG/Proceedings ofthe IEEEconferenceoncomputervision andpatternrecognition，2017.15 REDMON J，DIVVALAS，GIRSHICK R，et al.Youonly look once unified，real-time object detection G /Proceedings of the IEEE conference oncomputer vision and pattern recognition，2016.作者简介：益毕泉（2001），女，在读本科生。张韵娇（2002），女，在读本科生。韩亚宇（2001），女，在读本科生。郭嘉琪（2002），女，在读本科生。（编辑：丁琳）