CPU散热片设计 课程Project－数字化设计与制造.doc

cpu散热片设计课程project数字化设计与制造 学 生：李晨涛200820801063 查 俊200820801065指导老师：鲁 聪2- 2 -目录1 cpu散热片的发展现状11.1我国电脑散热片市场现状分析11.2我国电脑散热片行业存在问题分析31.3我国电脑散热片行业市场竞争趋势分析41.4我国电脑散热片行业技术发展趋势分析51.5我国电脑散热片市场发展前景分析62 过热对cpu的伤害63 散热方式74 风冷散热器基本结构及散热原理84.1风冷散热器基本结构84.2风冷散热器传热原理和传热过程95 散热片材料的选择106 逆向工程106.1逆向工程可分为四种类型116.2逆向工程实施需要考虑的因素116.3逆向工程的四个阶段126.4散热片的坐标数据测量136.5散热片的数据处理及模型重构157 散热片的结构优化及分析177.1apdl语言177.2apdl 参数化建模187.3散热片的热分析197.4优化过程的数学模型207.5模型重构228 成本估算238.1初步总体设计阶段的特征映射和成本估算的实现238.2总体设计阶段的特征映射和成本估算的实现258.3施工设计阶段的特征映射和成本估算的实现258.4成本估算的bp网络结构269 快速成型279.1快速成型技术的原理279.2 快速成形的几个重要特征法299.3 快速成形的主要工艺方法299.4 无木模铸型3010 结论3311 参考文献34cpu散热片设计随着计算机技术的不断发展，其中央处理器(cpu)的速度不断提高，且体积越来越小。计算机cpu芯片的功率的不断攀升使得cpu工作温度越来越高。cpu散热问题也越来越突出,而cpu的工作温度直接关系到计算机的稳定性能和使用寿命，只有其工作温度保持在合理的范围内，计算机才可能进行长久有效的工作。可以说散热问题成成为阻碍cpu发展的一大瓶颈。1 cpu散热片的发展现状散热片是一种给电器中的易发热电子元件散热的装置，多由铝合金、黄铜或青铜做成板状、片状、多片状等，如电脑中cpu（中央处理器）要使用相当大的散热片，其他的如电视机中电源管、行管，功放器中的功放管都要使用散热片。散热片在散热器的构成中占有重要的角色，除风扇的主动散热以外，评定一个散热器的好坏，很大程度上取决于散热片本身的吸热能力和热传导能力。在散热领域oem市场占有非常大的比重，散热片之应用的大宗主要市场是在电脑上的中央处理器 (cpu) 、显示晶片、晶片组等电子元件上，市场会随着电脑需求量增加而增加。全球几乎有6成以上散热片及散热模组是由台湾接单生产(含台湾接单大陆生产)。目前国内散热片生产企业有数百家，大部分为贴牌生产，近年来全球散热片及散热模组主要生产区是中国，国内电脑散热片的市场竞争较为激烈。随着硬件产业的蓬勃发展，环咨分析认为散热片产业仍有相当成长空间，但目前页面临产品世代交替、周期短、产业外移、低价压力以及日趋严重的散热效率需求增高的设计困境，除了需不断提升设计能力、制作技术水准以及降低成本外，更应该积极寻求新制作技术和新散热材料，才能维持并提升本身的产品竞争力。本报告详细的描述了我国电脑散热片行业的发展情况以及市场情况，包括市场概况、市场规模、市场竞争、市场供需、企业市场占有率、市场趋势。1.1我国电脑散热片市场现状分析我国电脑散热器行业发展随着cpu性能的进一步提高，cpu散热问题愈益凸现。散热器供应商们正从散热材料、结构、机械设计等方面入手，力求改善cpu冷却效果并控制散热器的噪音。同时，由于散热问题关系到cpu的性能和产品声誉，cpu供应商也开始直接介入这一市场，这对一些散热器厂商也构成了一定威胁。多重压力下的中国散热器制造商们通过竞争和合作的互动，积极谋求市场的稳定和中国在全球cpu散热器市场中的地位。时至2004年，cpu散热器在中国大陆市场已经风风火火的发展了7个年头，这个产业的发展可以说是非常惊人的，时至今天不但缔造了avc、cooler master等全球知名品牌，而且中国加工生产的cpu散热器市场占有率也达到了全球需求量的90%以上， cpu散热器市场竞争越来越激烈，不再像以前那样富士康、coolermaster等几个大品牌一统天下，出现了很多比较有竞争力的产品，包括一些国内品牌。与此同时，很多知名品牌的假货纷纷上市，与真货“同场竞技”，让消费者利益受损。由于散热器的好坏直接关系到系统的性能稳定，所以购买时我们须得谨慎行事。(1) 高性能散热器供应商各尽其招高频率cpu由于功率大，对散热的要求也更为苛刻。奔腾4和新速龙(athlon xp)处理器的问世要求电脑厂商生产出功能更强大的冷却器，以应对比原有产品发热更多的新型cpu。随着日后cpu的发展，对散热片等散热装置的要求也会更高。曜越科技股份有限公司和协禧电机股份有限公司等台湾公司采用铜材质取代了原来的铝材质来生产cpu散热器。前者用水冷工艺而不是旧式的焊接工艺来安装这些铜材，而协禧电机股份有限公司则采用纳米技术来生产铜材质的cpu散热器。此外，制造商还通过增加散热器的高度和散热片的数目来提高散热效率。深圳市创海同电子有限公司针对diy(自行组装)市场推出了一种称为v177的cpu散热器，该产品有七个扇页和一个916933mm的散热片结构，转速为3,800rpm，最大噪音为30db。香港的full tat有限公司则采用大型风扇来增强产品性能。该公司的新产品体积为707015mm，风扇页片角度更为尖锐，以增大气流。同时，为了降低噪音，将风扇转速降低到3,000rpm；(2) 大陆制造商主要面向diy和装配市场 。2003年中国大陆地区有超过100家cpu散热器厂商，现已成为这一行业的重要生产基地。由于本地劳动力成本低、原材料丰富且靠近pc厂商，许多台湾厂商也将其工厂向大陆迁移。采用热管的散热器受到diy市场的pc制造业及diy市场的繁荣也极大地刺激了cpu散热器的需求增长，而近来不断出现的cpu过热烧毁报导也促进了新型散热器的销售。一些大陆制造商还采取了一种新型散热方式，与传统的翅状散热片不同，它们使用的是热管(heat pipe)。南京赫特节能环保有限公司的cpu散热器采用热管结构。与传统产品相比，散热管更为昂贵。cpu散热器采用热管作为传导体，因此散热效率极佳。diy市场通常比较偏好高端产品，并且中国国内厂商主要面向diy和装配市场。diy市场对高端产品的需求不断上升，前景极佳；(3) 台湾厂商西进大陆寻找依托。2003年，由于全球最大两家cpu厂商停止了向台湾供应商采购cpu散热器，该地区的散热器行业需求放缓。主要原因是英特尔和amd都有自己的生产厂将cpu和散热器集成在一起。因此，未经英特尔和amd认证的台湾公司便无法接获订单。目前用于台式机的cpu散热器需求开始下降，需求增长主要是针对笔记本电脑用的cpu散热器。由于高频率cpu的不断推出，cpu散热器厂商也必须开发相应的低噪音、高气流和易于安装的产品。桦葳科技股份有限公司采用了一种削磨技术，使基座和扇页间的热接口效率更高，从而可获得比传统产品更为有效的散热。通过这种技术，桦葳科技股份有限公司可将扇翼间的距离做到1毫米，扇翼厚度为0.25毫米或更薄；(4) 香港制造商积极减少散热器噪音由于那些小型oem商将其cpu和cpu散热器分开采购所致。多数采购商会单独采购其cpu散热器并采用船运方式，这样可节省大量运输成本。2003年，香港产品的散热片都较大，而且噪音较小。盛达发展有限公司的cpu散热器最大噪音仅为55db。full tat的产品噪音仅为30db。尽管竞争激烈同时材料成本上升，cpu散热器的价格却保持稳定。我国电脑散热片行业发展在散热领域oem市场占有非常大的比重，散热片之应用的大宗主要市场是在电脑上的中央处理器 (cpu) 、显示晶片、晶片组等电子元件上，市场会随着电脑需求量增加而增加。全球几乎有6成以上散热片及散热模组是由台湾接单生产(含台湾接单大陆生产)。1.2我国电脑散热片行业存在问题分析1.2.1 散热片设计中的问题散热片的设计在很大程度上影响着散热能力。个别产品一味追求外观，其设计有很大缺陷。现常见到的内存散热片通常有两种，一种是与内存等长的整体式散热条；另一种是与内存颗粒大小等同的单颗散热片。由于一体式散热条通常采用单层散热片设计，从外观上看，安装这种样式的散热条十分美观。但这类散热条的厚度有限，加上无散热鳍片，散热能力表现平平。此外，这类散热片还存在另一个问题，那就是很难兼顾与每一颗内存颗粒均紧密结合。要知道散热片如果无法与内存颗粒充分接触，那么内存颗粒散发的热量将很难传到散热片上，反而让热量聚积在散热片与内存颗粒间，阻碍散热。如果内存颗粒分布于pcb正反两面，这种整体式散热条安装的角度一定要把握恰当，否则极容易造成散热片与内存颗粒无法充分接触。1.2.2 产品同质化严重随着技术的不断进步，我国散热片市场的产品日益丰富，不同外形，不同材料，但是由于技术壁垒的相对较低目前行业内的产品同质化的问题逐渐显露除了，从而市场产品的差异性较低，降低竞争的优势，限制了产业的发展范围。因此企业应大力加强产品差异化的生产和设计，进而获得更好的市场份额。1.2.3 行业集中度较低由于国内生产企业的逐渐增多，以及行业的不断发展，散热片企业的生产规模逐步扩大，同等规模的企业也越来越多，是市场竞争也日益激烈。从而行业集中度相对较低，企业生产地区虽然较为集中，但是在市场的份额占有上比较分散。1.3我国电脑散热片行业市场竞争趋势分析未来几年内，我国散热片市场竞争的趋势仍主要围绕着产品的性价方面、品牌方面的竞争，主要表现如下：（1）价格竞争。随着市场竞争的不断加剧，价格大战早已在计算机行业开始，从而使电脑行业的利润逐渐趋于较低的水平，微薄的利润驱使行业内的生产制造商开始了一个降低成本的生产方式，随着散热片技术的程度不断成熟和进步，散热片同质化的现象早已出现，因此价格的降低是产品竞争的一个途径；（2）品牌竞争。对计算机行业来讲，产品性能的好坏与品牌的知名度有很大的关系，不管是现在或是未来，人们对品牌产品的信赖程度是相对较高的，随着人们收入的不断增加，人们对电子产品的购买能力也在逐步增加，因此计算机配件的品牌认知度将是影响人们对产品选择的一个较为关键的引导；（3）性能竞争。随着散热源性能以及电脑元件集成度的不断提高，散热片的厂商将会越来越注重散热片的性能上的提高，这将是产品竞争的一大重要竞争点，因此散热片性能的提高，也是产品和企业市场竞争能力的提高。1.4我国电脑散热片行业技术发展趋势分析1.4.1 散热新途径-碳纳米管代替铜制散热片2007年美国rensselaer理工学院和芬兰oulu大学的研究人员宣布，他们使用碳纳米管制造的散热片，给以后的芯片散热创造了一个新方向。他们首先制造了1.2毫米长的多层碳纳米管薄膜，然后使用激光雕刻出了10x10的散热鳍片阵列，形态和我们经常在主板芯片组上看到的散热片几乎一模一样，只是尺寸要小得多。研究人员表示，将这一超微型散热片连接在测试芯片上时，就算没有其他任何散热器，也能带走11%的芯片热量，而当其表面通过氮气流的时候，这一效率提升到了19%。从效率和目前的性价比来说，铜是制造散热片的最佳材料。但随着半导体技术的发展，芯片的尺寸越来越小。当尺寸小到一定程度的时候，铜等金属材料就变得不够坚硬容易弯曲，而碳纳米管此时则是理想的散热片制造原料；1.4.2热管散热热管散热器是今年高档散热器流行的做法，我们可以看到，需多著名的散热器厂商都推出了其热管系列产品。热管这项技术早在1963年就在美国的losalamos国家实验室中诞生了，其发明人是g.m.grover。热管属于一种传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点，并且由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。其导热能力已远远超过任何已知金属的导热能力。以前热管技术一直被广泛应用在宇航、军工等行业。 正是因为有热管技术的民用化，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠大风量风扇获得更好散热效果的传统散热模式。取而代之的是采用低转速、低风量风扇配合热管技术的崭新散热模式。热管技术更为pc的静音时代带来了契机。1.5我国电脑散热片市场发展前景分析（1）散热片随着散热源要求不断提高。例如，对于cpu散热片发展来说，都是根据于cpu发展趋势来进行的。就好像当初的amd和intel来说，以前发热量高的amd到现在换成是intel的lga775（扣肉双核）发热量超高的时代来说。cpu散热片发展都是来自于cpu方面。而且cpu散热器本身就不是普通消费者所关心的，所以中国市场的市场发展趋势无疑是性价比和主流线路为主。当然，现在已经有相当一部分diy玩家追求中高端、甚至高端散热器材质的追求了。（2）寻找新的材料。目前散热片主要由铝和铜制成。其中又由于铜密度大，工艺复杂，价格较贵，所以现在通常的风扇多采用较轻的铝制成。随着电脑需求的不断扩大，散热片对电脑保持良好的工作状态起着越来越重要的作用，同时也对散热片的性能也提出了更高的要求。因此寻找新的散热片材料，提高散热片的导热、散热能力，提高性价比，将是散热片发展的主要趋势之一。2 过热对cpu的伤害根据电子学理论，并不是热直接伤害cpu(因过热导致的cpu炸裂例外)，而是热所导致的“电子迁移”现象 (electromigration)在损坏cpu内部的芯片。很多人说的cpu超到烧掉，其实严格来说，应该是高温所导致的“电子迁移”现象所引50度以下，这样cpu的内部温度就可以维持在80度以下，“电子迁移”现象就不会发生。“电子迁移”现象并非立刻就损坏芯片，它对芯片的损坏是一个缓慢的过程，或多或少会降低cpu的寿命，假如你让你的cpu持续在非常高的温度下工作，那你的cpu可就用不了多久就会损坏。那么“电子迁移”到底是什么?“电子迁移”属于电子科学的领域，在60年代初期才被广泛了解，是指电子的流动所导致的金属原子的迁移现象。在电流强度很高的导体上，最典型的就是ic内部的电路，电子的流动带给上面的金属原子一个动量(momentum )，使得金属原子脱离金属表面四处流动，结果就导致金属导线表面上形成坑洞(void)或土丘，造成永久的损害，这是一个缓慢的过程，一旦发生，情况会越来越严重，到最后就会造成整个电路的短路(short)，整个cpu就报销了。“电子迁移”现象受许多因素影响，其中一个是电流的强度，电流强度越高，“电子迁移”现象就越显著。从cpu的发展史，我们可以发现，为了把cpu的die size缩小，ic越做越小，线路做的越细越薄，如此，线路的电流强度就变的很大，所以电子的流动所带给金属原子的动量就变的很显著，金属原子就容易从表面脱离而四处流窜，形成坑洞或土丘。另外一个因素就是温度，高温有助于“电子迁移”的产生，这就是为什么我们要把cpu的温度维持在50以下(手摸起来温温的)。为了防止过热所引发的“电子迁移”现象而导致对cpu造成伤害，我们必须作好散热工作。3 散热方式散热工作按其散热方式分为主动式散热和被动式散热两种。主动式散热是通过散热片将cpu的热自然散发到空气中，其散热的效果与散热片的面积成正比，这种散热方式的优点是方法简单且安全可靠，但散热效果不理想，对较多的发热要很大的散热面积，因此这种散热方式主要用于发散不严重的电子元件的散热，或对空间没有特别要求的军用或专用设备中。被动式散热是利用风扇等散热设备将散热片上的热强制性带走，这种散热方式的优点是散热效率高，而且设备体积小，是目前给cpu散热的主要方式。在被 动 式 散热方式中，根据其散热介质的不同，又可分为风冷散热、水冷散热、半导体制冷散热、热导管散热和化学制冷散热等四种方式，风冷散热是利用散热风扇将cpu发出的热带走，其散热介质是空气，这种散热方式简单实用，且价格低廉，是目前cpu最常用的散热方式;水冷散热是利用水循环系统将cpu发出的热带走，其散热介质是水，它的散热效率比风冷散热高，但它还需要较复杂的水冷却设备，且还有漏水的隐患，因此还未进人实用阶段;半导体制冷散热是利用一种特殊的半导体在通电时，一端冷一端热来制冷，它的冷面温度可达到零下10摄氏度，它的缺点是工艺不成熟、价格高且易因温度过低而出现的cpu结露进而导致短路的现象;热导管由纯度极高的无氧铜管和铜网制成，里面充有适量的液体作为散热介质，当受热端将液体蒸发成气体时，这些热的气体能在真空的管道中迅速到达管道的冷却端冷凝成液体，冷凝后的液体再通过铜网组成的毛细组织吸回受热端，采用热导管散热可在很小的温差下传递大量的热能，采用铜管散热成本很高，一般只在笔记本电脑等高档机器中使用;化学制冷散热是利用一些超低温的化学物质(如干冰、液氮)在融化时吸收大量的热来降低cpu的温度，它可将cpu的温度降低到零下几十度，它的缺点是价格昂贵且持续时间短。总的来说，后四种方法的散热效果都比风冷散热的效果好，但由于安装、操作和价格等原因，只适用于实验室使用，或被部份发烧友超频时使用，对于绝大多数用户还是风冷散热。4 风冷散热器基本结构及散热原理4.1风冷散热器基本结构风冷散热器由散热片、扣具、散热风扇、导热介质四部分构成，再加上环境因素，就形成了影响风冷散热器散热效果的五大要素。(1)散热片：负责吸收热源发出的热量（通过传导方式吸热)，并将吸人的热量放出(通过强制对流方式放热)。（2)扣具：固定散热器，用压力确保散热器底部与处理器表面良好接触，保证散热片与热源有一定的接触面积,充分发挥散热效果。图1 风冷散热器结构(3)风扇：提供一定风量、风压的气流。在气流与散热片表面之间进行强制对流散热。通过空气把传递到散热片的热量及时带走。（4)导热介质：减少或克服散热器底部与处理器表面接触不充分而产生的接触热阻填充缝隙增大热源与散热片的接触面积。增大热传导量。(5)环境：提供一定温度、一定压力下的冷流体（空气)，将传递至散热片的热量进行对流换熟。并散热到空气中4.2风冷散热器传热原理和传热过程热量传递的基本方式有三种，即热传导、热对流和热辐射。热传导是两种温度不同的物体之间，或同一物体但温度不同的两部分之问。因直接接触而引起的热量交换。热传导的基本公式为“”，其中q代表热量，也就是热传导所产生或传导的热量，k为材料的热传导系数，a代表传热的面积（或是两物体的接触面积)，代表物体两端的温度差，l则是物体两端的距离。因此，从公式可以看出，热量传递的大小同热传导系数、传热面积成正比，同距图2 风冷散热器原理离成反比。热传导系数越高、传热面积越大，传输的距离越短，那么热传导的能量就越高。也就越容易带走热量。热对流指的是流体(气体或液体)与固体表面接触，造成流体从固体表面将热带走的热传递方式。热辐射是一种可以在没有任何介质的情况下，不需要接触就能够发生热交换的传递方式。对于风冷散热器而言热传导与热对流是主要的热量传递方式。热源(cpu)将热量以热传导方式传至导热介质再由导热介质传至散热片基部， 由基部将热量传至散热片鳍片并通过风扇与空气分子进行受迫对流，将热量散发到空气中。风扇不断向散热片吹入冷空气。流出热空气，完成整个散热过程。5 散热片材料的选择散热片选用较高导热系数的材料对提高热传导效率很有帮助。导热系数越大，导热能力越强。在金属材料中，银的导热系数最高，但成本高，纯铜其次。但是，铜的比重比铝大不符合散热片重量限制的要求；铜材价格昂贵，易氧化,红铜的硬度不如铝合金，某些机械加工（如剖沟等)性能不如铝；铜的熔点比铝高表1 材料参数材料材料密度比热导热系数cu8900385393al2700963156很多难以挤压成形，导致其加工难度大，加工成本高的问题。另外，与铝比较，铜的热容量更小，也就是说，其本身不能储存更多的热量。这个弱点显示在散热器上，就是当电脑关机风扇停转后，cpu内积蓄的热量无法很快被铜质散热片带走，这样便会大大缩短配件的正常使用寿命。在风冷散热器中一般用6063t5铝合金。这是因为铝合金的加工性好（纯铝由于硬度不足，很难进行切削加工)、表面处理容易、成本低廉。但随着散热需求的提高，综合运用各种导热系数高的材料已是大势所趋。部分散热片采用铜铝结合的方式来制造。散热片底部采用纯铜是为了发挥铜的导热系数大、传热量相对大的优点。而鳍片部分仍采用铝合金片是为了加工容易将换热面积尽可能做大，以便对流换热揖增大。铜铝的结合应用既保证了散热器重量不超标又可控制成本也取得了很大的效能提升。6 逆向工程传统的设计过程是根据产品的功能和用途首先进行概念设计,然后通过cad输出产品的设计图纸,经审查无误后,编制nc代码并输入cnc加工设备进行产品加工或者通过快速成型机制作样品。而反求工程是从一已经存在的零件或产品模型入手,首先对其进行数字化测量,得到它的轮廓坐标值,然后通过三维cad曲面重构得到其三维cad模型并输出图纸,经审查合格后由cnc加工设备或快速成型机进行加工。6.1逆向工程可分为四种类型6.1.1实物逆向信息源为产品的实物模型，需要在对实物模型进行测量的基础上，在计算机中重建、修改零件模型，并生成数控加工程序，以完成零件的复制，即实物逆向的目标是实物本身。6.1.2软件逆向软件逆向：产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范和标准、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件。软件逆向有三类：既有实物，又有全套技术软件；只有实物而无技术软件；没有实物，仅有全套或部分技术软件。6.1.3影像逆向设计者既无实物产品也无技术软件，仅有产品的图片、广告介绍或参观后的印象等，设计者需要通过这些影像资料去构思、设计产品，这种逆向称为影像逆向。 6.1.4局部逆向对于破损艺术品的复原或缺乏备件的损坏零件的修复等，往往不需要对整个零件原型进行复制，而是借助逆向工程技术提取零件原型的设计思想，完成复原工作，也称为局部逆向技术。6.2逆向工程实施需要考虑的因素需要考虑的是信息源的形式；逆向对象的形状、结构和精度要求；制造企业的软、硬件条件及工程技术人员的素质。6.3逆向工程的四个阶段 6.3.1 零件原形的数字化 通常采用三坐标测量机(cmm)或激光扫描仪等测量装置来获取零件原形表面点的三维坐标值。 6.3.2 从测量数据中提取零件原形的几何特征 按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征。 6.3.3 零件原形cad模型的重建 将分割后的三维数据在cad系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取零件原形表面的cad模型。 6.3.4 重建cad模型的检验与修正 采用根据获得的cad模型重新测量和加工出样品的方法来检验重建的cad模型是否满足精度或其他试验性能指标的要，对不满足要求者重复以上过程，直至达到零件的逆向工程设计要求。 实物模型数据转换接口数字测量快速模具制造模型重建系统优化设计快速原型制造nc加工产品原型产品二维工程图图3 逆向工程的基本步骤6.4散热片的坐标数据测量本文以calypso 软件为例进行说明。6.4.1 准备探头校准探头的步骤：1、定义标准球（参考球）的位置通常，主探针仅用于确定标准球（参考球）的位置。在最近的软件版本中，不可能校准主探针，因此主探针的功能仅限于确定标准球（参考球）的位置。假想有一个以主探头为坐标原点的探针坐标系，那么所有其它探针在该坐标系中都有x、y、z 坐标值。标准球（参考球）被定义为该坐标系中的坐标值零点。也就是说，定义标准球（参考球）的位置是所有探针校准的先决条件，即在每次校准测量探针之前必须执行这一步。2、校准测量探针第二步是将测量探针的探针赋值于第一步建立的坐标系中。测量探针的每个探针都必须校准。图4 探针定位6.4.2 逆向工程数据测量技术数据测量是通过特定的测量设备和测量方法获取产品表面离散点的几何坐标数据，将产品的几何形状数字化。其测量原理是:将被测产品放置于三坐标测量机的测量空间内，可以获得被测产品上各个测量点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其它几何量数据。高效、高精度地获取产品的数字化信息是实现逆向工程的基础和关键。现有的数据采集方法主要分为两大类:(1)接触式数据采集方法：接触式数据采集方法包括使用基于力的击发原理的触发式数据采集和连续式扫描数据采集、磁场法、超声波法。接触式数据采集通常使用三坐标测量机，测量时可根据实物的特征和测量的要求选择测头及其方向，确定测量点数及其分布，然后确定测量的路径，有时还要进行碰撞的检查。触发式数据采集方法采用触发探头，触发探头又称为开关测头，当测头的探针接触到产品的表面时，由于探针受理变形触发采样开关，通过数据采集系统记下探针的当前坐标值，逐点移动探针就可以获得产品的表面轮廓的坐标数据。常用的接触式触发探头主要包括:机械式触发探头、应变片式触发探头、压电陶瓷触发探头。采用触发式测头的优点在于:适用于空间箱体类工件及已知产品表面的测量;触发式探头的通用性较强，适用于尺寸测量和在线应用;体积小，易于在狭小的空间内应用;由于测量数据点时测量机处于匀速直线低速状态，测量机的动态性能对测量精度的影响较小。但由于测头的限制，不能测量到被测零件的一些细节之处，不能测量一些易碎、易变形的零件。另外接触式测量的测头与零件表面接触，测量速度慢，测量后还要进行测头补偿，数据量小，不能真实的反映实体的形状。 (2)非接触式数据采集方法：非接触式数据采集方法主要运用光学原理进行数据的采集，主要包括:激光三角形法、激光测距法、结构光法以及图像分析法等。非接触式数据采集速度快、精度高，排除了由测量摩擦力和接触压力造成的测量误差，避免了接触式测头与被测表面由于曲率干涉产生的伪劣点问题，获得的密集点云信息量大、精度高，测头产生的光斑也可以做得很小，可以探测到一般机械测头难以测量的部位，最大限度地反映被测表面的真实形状。非接触式数据采集方法采用非接触式探头，由于没有力的作用，适用于测量柔软物体;非接触式探头取样率较高，在50次/秒到23000次/秒之间，适用于表面形状复杂，精度要求不特别高的未知曲面的测量，例如:汽车、家电的木模、泥模等。但是非接触式探头由于受到物体表面特征的影响(颜色、光度、粗糙度、形状等)的影响较大，目前在多数情况下其测量误差比接触式探头要大，保持在10微米级以上。该方法主要用于对易变形零件、精度要求不高零件、要求海量数据的零件、不考虑测量成本及其相关软硬件的配套情况下的测量。总之，在可以应用接触式测量的情况下，不要采用非接触式测量;在只测量尺寸、位置要素的情况下尽量采用接触式测量;考虑测量成本且能满足要求的情况下，尽量采用接触式测量;对产品的轮廓及尺寸精度要求较高的情况下采用非接触式扫描测量;对离算点的测量采用扫描式;对易变形、精度要求不高的产品、要求获得大量测量数据的零件进行测量时采用非接式测量方法。在本文中我们采用的是接触式数据采集方法。6.5散热片的数据处理及模型重构6.5.1 测量数据的预处理数据处理是逆向工程的一项重要的技术环节，它决定了后续cad模型重建过程能否方便、准确地进行。根据测量点的数量，测量数据可以分为一般数据点和海量数据点；根据测量数据的规整性，测量数据又可以分为散乱数据点和规矩数据点；不同的测量系统所得到的测量数据的格式是不一致的，且几乎所有的测量方式和测量系统都不可避免地存在误差。因此，在利用测量数据进行cad重建前必须对测量数据进行处理。数据处理工作主要包括：数据格式的转化、多视点云的拼合、点云过滤、数据精简和点云分块等。 每个cad/cam系统都有自己的数据格式，目前流行的cad/cam软件的产品数据结构和格式各不相同，不仅影响了设计和制造之间的数据传输和程序衔接，而且直接影响了cmm与cad/cam系统的数据通讯。目前通行的办法是利用几种主要的数据交换标准(iges、step、autocad的dxf等)来实现数据通讯。 在逆向工程实际的过程中，由于坐标测量都有自己的测量范围，因此无论我们采用什么测量方法，都很难在同一坐标系下将产品的几何数据一次完全测出。产品的数字化不能在同一坐标系下完成，而在模型重建的时候又必须将这些不同坐标下的数据统一到一个坐标系里，这个数据处理过程就是多视数据定位对齐(多视点云的拼合)。多视数据的对齐主要可以分为两种：通过专用的测量软件装置实现测量数据的直接对齐；事后数据处理对齐。采用事后数据处理对齐又可以分为：对数据的直接对齐和基于图形的对齐。对数据的直接对齐研究研究中，出现了多种算法，如icp算法；四元数法；svd法；基于三个基准点的对齐方法等。 数据平滑的目的是消除测量数据的噪声，以得到精确的数据和好的特征提取效果。目前通常是采用标准高斯、平均或中值滤波算法。其中高斯滤波能较好地保持原数据的形貌，中值滤波消除数据毛刺的效果较好。因此在选用时应该根据数据质量和建模方法灵活选择滤波算法。 运用点云数据进行造型处理的过程中，由于海量数据点的存在，使存储和处理这些点云数据成了不可突破的瓶颈。实际上并不是所有的数据点都对模型的重建起作用，因此，可以在保证一定的精度的前提下减少数据量，对点云数据进行精简。目前采用的方法有：利用均匀网格减少数据的方法；利用减少多变形三角形达到减少数据点的方法；利用误差带减少多面体数据点的方法。 数据分割是根据组成实物外形曲面的子曲面的类型，将属于同一曲面类型的数据成组，划分为不同的数据域，为后续的模型重建提供方便。数据分割方法可以分为基于测量的分割和自动分割两种方法。目前的分割方法有：基于参数二次曲面逼近的数据分割方法；散乱数据点的自动分割方法；基于ct技术的数据分割方法。6.5.2 产品造型及模型重构在整个逆向工程中，产品的三位几何模型cad重建是最关键、最复杂的环节。因为只有获得了产品的cad模型我们才能够在此基础上进行后续产品的加工制造、快速成型制造、虚拟仿真制造和进行产品的再设计等。在进行模型重建之前，设计者不仅需要了解产品的几何特征和数据的特点等前期信息，而且需要了解结构分析、加工制作模具、快速成型等后续应用问题。目前使用的造型方法主要有： (1)曲线拟合造型 用一个多项式的函数通过插值去逼近原始的数据，最终得到足够光滑的曲面。曲线是构成曲面的基础，在逆向工程中常用的模型重建方法为，首先将数据点通过插值或逼近拟合成样条曲线，然后采用造型软件完成曲面片的重构造型。优点是原理比较简单，只要多项式的次数足够高就可以得到满意的曲面，但也容易造成计算的不稳定，同时边界的处理能力也比较差，一般用于拟合比较简单的曲面。 (2)曲面片直接拟合造型 该方法直接对测量数据点进行曲面片拟合，获得曲面片经过过渡、混合、连接形成最终的曲面模型。曲面拟合造型既可以处理有序点，也可以处理散乱数据点。算法有：基于有序点的b样条曲面插值；b样条曲面插值；对任意测量点的b样条曲面逼近。 (3)点数据网格化 网格化实体模型通常是将数据点连接成三角面片，形成多面体实体模型。目前已经形成两种简化方法：基于给定数据点在保证初始几何形状的基础上，反复排除节点和面片，构建新的三角形，最终达到指定的节点数；寻找具有最小的节点和面片的最小多面体。7 散热片的结构优化及分析7.1apdl语言apdl的全称是ansys parametric design language，是一种参数化设计语言。可用来完成一些通用性强的任务，也可以用于根据来建立模型，不仅是优化设计和自适应网格划分等ansys经典特性的实现基础，也为日常分析提供了便利。有限元分析的标准过程包括：定义模型及其载荷、求解和解释结果，假如求解结果表明有必要修改设计，那么就必须改变模型的几何结构或载荷并重复上述步骤。特别是当模型较复杂或修改较多时，这个过程可能很昂贵和浪费时间。apdl用建立智能分析的手段为用户了自动完成上述循环的功能，也就是说，程序的输入可设定为根据指定的函数、变量及选出的分析标准作决定。它允许复杂的数据输入，使用户对任何设计或分析属性有控制权，例如，几何尺寸、材料、边界条件和网格密度等，扩展了传统有限元分析范围以外的能力，并扩充了更高级运算包括灵敏度研究、零件参数化建模、设计修改及设计优化。为用户控制任何复杂计算的过程提供了极大的方便。它实质上由类似于fortran77的程序设计语言部分和1000多条ansys命令组成。其中，程序设计语言部分与其它编程语言一样，具有参数、数组表达式、函数、流程控制（循环与分支）、重复执行命令、缩写、宏以及用户程序等。标准的ansys程序运行是由1000多条命令驱动的，这些命令可以写进程序设计语言编写的程序，命令的参数可以赋确定值，也可以通过表达式的结果或参数的方式进行赋值。从ansys命令的功能上讲，它们分别对应ansys分析过程中的定义几何模型、划分单元网格、材料定义、添加载荷和边界条件、控制和执行求解和后处理计算结果等指令。用户可以利用程序设计语言将ansys命令组织起来，编写出参数化的用户程序，从而实现有限元分析的全过程，即建立参数化的cad模型、参数化的网格划分与控制、参数化的材料定义、参数化的载荷和边界条件定义、参数化的分析控制和求解以及参数化的后处理。7.2apdl 参数化建模散热片形状如图3所示，其作用是把cpu(功率大约为80w)中产生的热量散发出去，使cpu在运行时的温度不超过安全的定值(一般为7080)。为更快的把cpu上产生的热量散发出去，散热片通常采用导热系数高的金、铜、铝等材料。然而，为了降低成本，选择铝质材料。如图3所示的平板式散热片，在已知翅片数(n=16)和底座长、宽(0.08 m0.08m)的情况下，只需x1 、x2 、x3 ( x1 为散热片翅片厚度,x2 为散热片底座厚度、x3 为散热片整体高度，分别如图所示) 三个参数就可以通过apdl 语言建立散热片的有限元分析模型.图5 散热片的结构7.3散热片的热分析apdl 语言建立散热片有限元模型后所进行的热分析过程，实质就是通过有限元素法求解散热片各个节点的温度值，其原理是：在直角坐标中，从散热片中任意取出一个立方形控制体，表面积为a ，表面外法向为n 。根据热力学第一定律有： (1)式中为散热片的导热系数，t 为温度， 为内热源的发热率，为时间，为比热。因为散热片为各向同性材料，所以常数，则式(1)可写成： (2)由于散热片是具有内热源的三维导热问题，所以当散热片的体积为v,其边界曲面为s ，根据变分原理由方程(2)推导出： (3)假定散热片周围流体的介质温度和散热片表面与周围介质之间的对流换热系数已知，即散热片边界曲面s 满足第三类边界条件，也即当 时，有： (4)把 (4) 式代入(3)式，可导出: (5)把散热片离散成e个单元和m个节点，对每个待求的节点温度可以建立一个代数方程，也就是离散方程，由m个代数方程可组装成系统方程: (6)式中c 为比热矩阵，k为热传导矩阵，q为节点热流率向量.求解(6)式，可得到各个节点的温度值。7.4优化过程的数学模型为了在有限空间内使散热片的散热性能达到最好，应使散热片中温度最高的节点温度尽可能小。因此，散热片结构优化模型可描述如下：s.t.式中tmp(x) 为优化的目标函数，即散热片中温度最高节点的温度值，x 为设计向量。 对铝制平板式散热片(工况为：cpu 功率为80w，散热片对流换热系数为70w/m2-，环境温度为30)进行结构优化设计，先对三个设计变量x1x2 x3 设定取值区间。假设x3=0.03m， x1 =0.003m，当x2 取值区间为0.0008mx2 0.005m 时，根据前面的优化模型，可得到优化结果如图4所示。图6 tmp 与底座厚度x2 的关系曲线假设x3 =0.03m， x2 =0.002m，当x1 的取值区间为0.0008m x1 0.004m(散热片翅片的厚度不能超过0.004m，如果超过这个值，其散热效果会随着翅片间散热空间的减少而降低)时，根据前面的优化模型，可得到优化结果如图5 所示。图7 tmp与翅片厚度x1的关系曲线假设x1 =0.003m， x2=0.002m，当x3 的取值区间为0.02m x3 0.04m(散热片在安装时有一定的空间限制，其整体高度不能超过0.04m)时，根据前面的优化模型，可得到优化结果如图6 所示图8 tmp与与散热片整体高度x3的关系曲线对散热片进行多参数优化时，取三个参数取值范围为：0.002m x10.0035m、0.002m x2 0.0025m、0.028m x3 0.035m，并取初值为：x1 =0.003m、x2 =0.002m、x3 =0.03m，通过分析计算得到最高点温度为tmp =70.548。优化后的最优结果为： x1=0.00342m，x2 =0.00202m，x3 =0.0349m，tmp=68.154。7.5模型重构根据以上优化结果，我们用solidworks软件建立三维模型图9 散热片结构8 成本估算在概念设计阶段设计信息是很不完整的，其不确定性程度很高，例如：材料信息基本上是没有确定的；对于制造工艺的考虑是粗糙的，没有具体成形。在这种情况下，将十分不确定的设计特征映射为十分具体的成本特征，是件很困难的事情。在本文中，将设计中的主演特征直接映射为成本特征，然后利用神经网络强大的非线性映射能力进行全生命周期成本的估算，得到设计方案在成本高低方面的满意程度。之所以采用人工神经网络作为工具，主要考虑到如下原因：（1）在传统上一般是将这样的参数绘制成一个二维图，即产品型号和成本值构成的，可以得到成本变化的趋势。在实际设计中采用了回归分析的方法估算成本，而神经网络方法经过实践检验比回归方法效果好；（2）从实际应用中可以发现它有着极其强大的非线性映射能力，而且具有自学习能力；（3）概念设计阶段的设计信息具有高的不确定性，一般方法不易使用。8.1初步总体设计阶段的特征映射和成本估算的实现在初步总体设计阶段，设计特征逐渐丰富，但一些不确定性因素仍然存在。在这一阶段，根据有的信息已经确定和有的信息没有确定的情况，在本文中对于没有确定的信息特征可以进行合理假设作为已经确定的信息映射，或者忽略这一部分的特征，在估算成本时认为这一部分对成本的影响是一样的。对于确定的信息特征可以采用直接、投影和共轭方法进行特征的映射。下面将概括出成本特征进行映射分析。8.1.1制造成本特征映射为了使设计特征映射为制造成本特征需要进行成本估算方法的选择，不同的估算方法有不同的成本特征。例如：如果使用按材料成本折算的方法，就只需要材料成本一项信息就可以估算成本了，但在实际使用中大部分的情况都不能使用这种十分简单的方法。一般来说，几何和结构相似的产品可按照相似关系估算产品成本，这需要产品或零件的结构相似，需要知道的信息是产品的结构尺寸、生产批量信息、材料信息，这些信息在初步总体设计阶段是能够得到的，其中的结构尺寸、生产批量是直接映射后即可使用的，材料信息需要根据这一设计阶段所给出的材料信息详细程度进行一定的处理，没有完全给定时需要一定的合理假设进行映射，得到材料的有关信息。上述说明概括后如表5-1所示。表2 制造成本特征映射表成本特征相似产品的设计特征及其映射方法结构尺寸大体上的产品结构尺寸在这一阶段是已经知道的，可以直接映射生产批量在设计的初期此信息就已经知道了，可以直接映射材料信息有的已知，可以直接映射；未知的可以不予考虑或合理假设8.1.2装配成本特征映射装配成本的估算一般可以使用统计的方法，其成本特征主要：零件尺寸、零件重量、子装配数目、总的装配操作数目、零件个数、接触面的个数、装配时间和装配效率等，从设计信息中经过转换可以得到总的装配数目，子装配数目、接触面的个数和零件个数，转换的方法与设计时采用的方法有关。例如：如果采用基于特征的装配建模技术，则可以通过计算机从有关特征中提取出需要的特征。对于装配时间和效率一般需要仿真或参考类似的结构得到，从设计域中不能直接得到此类信息。在初步总体设计阶段得到的信息不是很准确，有些信息还没有确定，例如：零件数目、接触面个数、装配操作数目需要在总体设计阶段后期才能最后确定。8.1.3使用成本特征映射在使用中用户一般需要支付的费用主要有：能源消耗费用、日常维护费用、对环境产生影响的费用。在初步总体设计阶段中，能源的消耗是可以获得的；日常维护的费用也可以获得；对环境产生的影响在目前一般是以环保附加费的形式存在，在本文中，散热片本身对环境的影响不大。8.1.4回收报废成本特征映射在设计阶段，已经确定散热片的重用和材料的回收。对于散热片回收主要是拆卸成本和运费决定了回收的成本；拆卸成本与可拆卸性有关，散热片的拆卸很容易；产品重量与运费有关，在这一阶段产品重量可以重新从设计特征中直接映射得到。8.2总体设计阶段的特征映射和成本估算的实现在总体设计阶段，产品的关键结构和零部件已经确定。这一阶段的特征映射可以采用直接、投影和共轭方法进行特征的映射，一部分结构或零部件可以采用详细估算方法直接得到其成本数值。下面对这一阶段与初步总体设计阶段不同的特征映射进行一定的分析。8.2.1制造成本特征映射制造成本特征的映射方法与初步总体设计阶段比较相差不大，由于信息的丰富和不确定性的降低，结合具体的产品采用的方法就更多了。散热片的制造主要采用铸造的方法。8.2.2装配成本特征映射装配成本特征在这一阶段可以得到绝大部分、准确的信息，装配成本的估算是比较准确。散热片的装配较简单。8.2.3使用成本特征映射使用成本中的日常维