加固型系统:泰然自若、冷酷到底

作者:Simon Parrett,美国Poway市Kontron公司概念/结构/热工程师

为满足军用规格的移动互联型监视、通信与操作设备要求,Kontron使用高级的热仿真技术对“加固”模块机架的尺寸、质量、功耗与冷却(SWAP-C)进行权衡,从而为关键任务行动提供定制化解决方案。

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Ruggedized Systems: Cool and Collected

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外壳散热片的参数优化

当今的军用车辆依靠先进的虚拟化、成像和联网技术改善环境感知能力,可帮助军队领导人做出最佳的决策。高机动多功能轮式运输车、防地雷反伏击装甲车(MRAP)和无人飞行器(UAV)等越来越依赖于先进电子装置(例如处理器和电路)在紧凑的系统中为其任务提供支持。

为了让这些电子系统满足多种军用用途,国防承包商必须达到一系列要求和规格。安装在载具上的各种装置(如战场传感器系统、军用GPS以及新一代通信设备),必须能够在极端的物理环境(有可能暴露于严峻电磁条件下)中可靠通信与交互。军用标准要求这些设备能够承受规定的极端条件,如极端的温度,剧烈的振动、冲击,暴露在盐雾、沙尘环境,以及接触化学品等等。根据尺寸、质量、功耗与冷却(SWAP-C)要求,为这些设备供电的电子系统必须足够小,以免影响设备的机动性。实践证明最有效的方法是,在预先经过“加固”操作认证的机架中集成电子系统功能。

利用该机架,设计人员能够确保将系统保持在完全密封且温度受控的环境中。为设计这些加固系统,嵌入式计算机技术的全球领先者以及物联网领先企业Kontron利用高级计算流体动力学(CFD)分析,对组件的热可靠性以及最终的完全集成型系统进行精确管理。他们提供的机架可帮助原始设备制造商针对任务关键型应用构建定制化解决方案。

RUGGEDIZED SYSTEMS
RUGGEDIZED SYSTEMS
RUGGEDIZED SYSTEMS
 

“国防承包商必须达到一系列要求和规格,从而满足灵活电子系统的军用需求。”

加固的系统

Kontron的COBALT系列计算平台采用模块化方法交付加固型密封计算系统。这种系统具有专业化的载板和可配置的前面板,能集成到高机动多功能轮式运输车、MRAP型载具或UAV的电子设备室中。这种箱级系统所提供的处理功能有助于第三方研发人员保持多种加固型应用的灵活性、兼容性和互操作性。采用标准接口能降低长期成本,同时更方便对多种系统的各项功能进行升级、更换和重复利用。成百上千种这样的系统可以安装到单架飞机或地面车辆上。

System-level thermal simulation
 
系统级热权衡分析可用于构建Excel格式的产品热配置器

为研发真正灵活的系统,Kontron必须充分考虑许多变量,并找出权衡方案。例如,监视应用需要很高的I/O和很快的处理速度。此外,它们还需要低信号带宽来提高通信效率,以及可靠的无线通信将信息发送回数据中心。对于这些应用而言,客户需要一种机架能确保功能强大的处理器和其他组件不会影响射频信号。同样,功耗和热管理也相当重要。处理器产生的热量不仅会妨碍其他组件的性能,同时随着处理器升温和和冷却形成的热循环应力可能会造成各组件和机架的疲劳,特别是在沙漠酷热和高海拔极寒等条件下,这种问题尤为突出。随着系统日益复杂,并且需要集成更多功能,管理SWAP-C要求就显得更加重要,同时设计的优先考虑事项取决于载具的大小、应用的性质以及所部署载具要完成的任务。

用于热管理和可靠性的CFD分析

为研发这些机架,COBALT产品线的设计人员采用了“五阶段”程序验收流程,从宽松规范(阶段1),通过数次迭代,直至成品(阶段5)。一般来说,他们在阶段1引入ANSYS分析,以便在设计早期阶段预测问题并找到权衡方案,从而在更短的时间内设计出更加复杂的产品。该团队使用ANSYS DesignModeler导入几何结构,使用ANSYS Icepak来确定温度,使用ANSYS DesignXplorer开展设计探索,以及使用ANSYS HPC来加速获得结果。ANSYS Workbench提供了集成仿真流程的通用环境。

Kontron设计团队使用CFD分析对机架热性能进行评估和优化。
部分关键工作包括:

  • 将外壳设计成能够尽量多地从电路板和处理器上吸收热量。该团队采用ANSYS Icepak对CFD分析进行优化,以设计翅面和热沉,并实现理想的设计。
  • 确定机架内部电子组件和子系统的布局,并进行权衡以满足SWAP-C要求。例如,工程师会分析扩展板消耗的功率以及它对邻近处理器温度的影响。
  • 检查大功率组件的内部热传导路径, 以确保存在通向外壳壁面的高效路径。
  • 探索即将部署完整系统的载具的外部环境因素。例如,如果系统机架部署在UAV中,高海拔下的较低温度和较稀薄空气会影响热管理。另一个因素可能是机架在载具中的位置。如果附近有其他机架,就需要考虑热交换和辐射交换。
Kontron COBALT
 
Kontron COBALT的概念性CAD渲染(计算机实体方案)

除了早期关注最佳设计的SWAP-C考虑因素,Kontron的设计人员也十分关心寿命问题。当机架被安装到地面车辆或飞机上时,其预期寿命为三到五年,在精心维护情况下还可以延长两年。平均故障间隔时间(MTBF)对其客户来说非常重要。

评估设计权衡

近期,该设计团队引入了一个新的阶段,即初始阶段(Gate Zero),在此阶段主要与客户沟通交流以及与产品经理开展合作,为其产品寻求新的思路。这个过程让该团队在编写规范之前即可创建出“假设”情景。为测试“初始阶段”的概念,Kontron工程师使用Icepak中的初步设计对一个热沉样片进行建模,并测试了多种配置,从而确定所需的权衡方案。

Natural convection cooling simulation
 
初始自然对流冷却评估

在过去,他们分析热问题通常需要:运行初始分析、尝试手动修改设计变量,经过七八次包括物理模型在内的设计迭代,执行最终分析,然后才能发布结果。通过结合采用DesignXplorer和Icepak,该团队能够超越这些限制,找出240种潜在的设计变量以进行测试。该软件随即使用数学模型将范围缩小到70种关键设计变量,用于进一步研究。经过一周的时间可运行70次智能设计迭代,与过去使用的旧方法相比,同样的时间内,工程师能够评估的设计变量增加了10倍。设计人员最终得到三种可供选择的理想备选方案。

从利用仿真技术和DesignXplorer探索出的巨大设计空间中,Kontron团队研发出一种配备有Excel?界面的机架配置工具,方便其销售团队在客户商务会议上使用,从而迅速设计出根据客户需求量身定制的机架。从具有理想最大环境温度的基准配置开始,应用工程师添加设计变量(如CPU最大功率或电子扩展托盘)、工作参数(如设备的方向和位置)以及所用之处的高度。这份电子表格显示了机箱中每个组件的功耗以及它们之间的相互作用如何影响机箱温度。此外,他们还可以提出修改方案,例如扩大热沉的尺寸,以计算它对温度的影响。该电子表格还可纳入变更成本,例如,根据翅片的数量和厚度计算增加热沉的成本。从利用ANSYS软件中获得的输入信息和相互关系,他们能够更好地让客户了解情况,从而共同确定最理想的配置。由于能够在更短时间内将虚拟测试增加整整一个数量级,Kontron有效避免了潜在问题,并充分满足客户需求,从而为当前和未来的网络化军队提供加固的可靠系统。

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