CPU散熱片設(shè)計(jì)課程Project－數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造

1、cpu散熱片設(shè)計(jì)課程project數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造 學(xué) 生：李晨濤200820801063 查 俊200820801065指導(dǎo)老師：魯 聰2- 2 -目錄1 cpu散熱片的發(fā)展現(xiàn)狀11.1我國(guó)電腦散熱片市場(chǎng)現(xiàn)狀分析11.2我國(guó)電腦散熱片行業(yè)存在問(wèn)題分析31.3我國(guó)電腦散熱片行業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)趨勢(shì)分析41.4我國(guó)電腦散熱片行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析51.5我國(guó)電腦散熱片市場(chǎng)發(fā)展前景分析62 過(guò)熱對(duì)cpu的傷害63 散熱方式74 風(fēng)冷散熱器基本結(jié)構(gòu)及散熱原理84.1風(fēng)冷散熱器基本結(jié)構(gòu)84.2風(fēng)冷散熱器傳熱原理和傳熱過(guò)程95 散熱片材料的選擇106 逆向工程106.1逆向工程可分為四種類型116.2逆向工程實(shí)施

2、需要考慮的因素116.3逆向工程的四個(gè)階段126.4散熱片的坐標(biāo)數(shù)據(jù)測(cè)量136.5散熱片的數(shù)據(jù)處理及模型重構(gòu)157 散熱片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分析177.1apdl語(yǔ)言177.2apdl 參數(shù)化建模187.3散熱片的熱分析197.4優(yōu)化過(guò)程的數(shù)學(xué)模型207.5模型重構(gòu)228 成本估算238.1初步總體設(shè)計(jì)階段的特征映射和成本估算的實(shí)現(xiàn)238.2總體設(shè)計(jì)階段的特征映射和成本估算的實(shí)現(xiàn)258.3施工設(shè)計(jì)階段的特征映射和成本估算的實(shí)現(xiàn)258.4成本估算的bp網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)269 快速成型279.1快速成型技術(shù)的原理279.2 快速成形的幾個(gè)重要特征法299.3 快速成形的主要工藝方法299.4 無(wú)木模鑄型3010

3、 結(jié)論3311 參考文獻(xiàn)34cpu散熱片設(shè)計(jì)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，其中央處理器(cpu)的速度不斷提高，且體積越來(lái)越小。計(jì)算機(jī)cpu芯片的功率的不斷攀升使得cpu工作溫度越來(lái)越高。cpu散熱問(wèn)題也越來(lái)越突出,而cpu的工作溫度直接關(guān)系到計(jì)算機(jī)的穩(wěn)定性能和使用壽命，只有其工作溫度保持在合理的范圍內(nèi)，計(jì)算機(jī)才可能進(jìn)行長(zhǎng)久有效的工作。可以說(shuō)散熱問(wèn)題成成為阻礙cpu發(fā)展的一大瓶頸。1 cpu散熱片的發(fā)展現(xiàn)狀散熱片是一種給電器中的易發(fā)熱電子元件散熱的裝置，多由鋁合金、黃銅或青銅做成板狀、片狀、多片狀等，如電腦中cpu（中央處理器）要使用相當(dāng)大的散熱片，其他的如電視機(jī)中電源管、行管，功放器中的功放管都

4、要使用散熱片。散熱片在散熱器的構(gòu)成中占有重要的角色，除風(fēng)扇的主動(dòng)散熱以外，評(píng)定一個(gè)散熱器的好壞，很大程度上取決于散熱片本身的吸熱能力和熱傳導(dǎo)能力。在散熱領(lǐng)域oem市場(chǎng)占有非常大的比重，散熱片之應(yīng)用的大宗主要市場(chǎng)是在電腦上的中央處理器 (cpu) 、顯示晶片、晶片組等電子元件上，市場(chǎng)會(huì)隨著電腦需求量增加而增加。全球幾乎有6成以上散熱片及散熱模組是由臺(tái)灣接單生產(chǎn)(含臺(tái)灣接單大陸生產(chǎn))。目前國(guó)內(nèi)散熱片生產(chǎn)企業(yè)有數(shù)百家，大部分為貼牌生產(chǎn)，近年來(lái)全球散熱片及散熱模組主要生產(chǎn)區(qū)是中國(guó)，國(guó)內(nèi)電腦散熱片的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)較為激烈。隨著硬件產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，環(huán)咨分析認(rèn)為散熱片產(chǎn)業(yè)仍有相當(dāng)成長(zhǎng)空間，但目前頁(yè)面臨產(chǎn)品世代交替

5、、周期短、產(chǎn)業(yè)外移、低價(jià)壓力以及日趨嚴(yán)重的散熱效率需求增高的設(shè)計(jì)困境，除了需不斷提升設(shè)計(jì)能力、制作技術(shù)水準(zhǔn)以及降低成本外，更應(yīng)該積極尋求新制作技術(shù)和新散熱材料，才能維持并提升本身的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。本報(bào)告詳細(xì)的描述了我國(guó)電腦散熱片行業(yè)的發(fā)展情況以及市場(chǎng)情況，包括市場(chǎng)概況、市場(chǎng)規(guī)模、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)、市場(chǎng)供需、企業(yè)市場(chǎng)占有率、市場(chǎng)趨勢(shì)。1.1我國(guó)電腦散熱片市場(chǎng)現(xiàn)狀分析我國(guó)電腦散熱器行業(yè)發(fā)展隨著cpu性能的進(jìn)一步提高，cpu散熱問(wèn)題愈益凸現(xiàn)。散熱器供應(yīng)商們正從散熱材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)計(jì)等方面入手，力求改善cpu冷卻效果并控制散熱器的噪音。同時(shí)，由于散熱問(wèn)題關(guān)系到cpu的性能和產(chǎn)品聲譽(yù)，cpu供應(yīng)商也開始直接介入這

6、一市場(chǎng)，這對(duì)一些散熱器廠商也構(gòu)成了一定威脅。多重壓力下的中國(guó)散熱器制造商們通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)和合作的互動(dòng)，積極謀求市場(chǎng)的穩(wěn)定和中國(guó)在全球cpu散熱器市場(chǎng)中的地位。時(shí)至2004年，cpu散熱器在中國(guó)大陸市場(chǎng)已經(jīng)風(fēng)風(fēng)火火的發(fā)展了7個(gè)年頭，這個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展可以說(shuō)是非常驚人的，時(shí)至今天不但締造了avc、cooler master等全球知名品牌，而且中國(guó)加工生產(chǎn)的cpu散熱器市場(chǎng)占有率也達(dá)到了全球需求量的90%以上， cpu散熱器市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，不再像以前那樣富士康、coolermaster等幾個(gè)大品牌一統(tǒng)天下，出現(xiàn)了很多比較有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品，包括一些國(guó)內(nèi)品牌。與此同時(shí)，很多知名品牌的假貨紛紛上市，與真貨“同場(chǎng)競(jìng)

7、技”，讓消費(fèi)者利益受損。由于散熱器的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)的性能穩(wěn)定，所以購(gòu)買時(shí)我們須得謹(jǐn)慎行事。(1) 高性能散熱器供應(yīng)商各盡其招高頻率cpu由于功率大，對(duì)散熱的要求也更為苛刻。奔騰4和新速龍(athlon xp)處理器的問(wèn)世要求電腦廠商生產(chǎn)出功能更強(qiáng)大的冷卻器，以應(yīng)對(duì)比原有產(chǎn)品發(fā)熱更多的新型cpu。隨著日后cpu的發(fā)展，對(duì)散熱片等散熱裝置的要求也會(huì)更高。曜越科技股份有限公司和協(xié)禧電機(jī)股份有限公司等臺(tái)灣公司采用銅材質(zhì)取代了原來(lái)的鋁材質(zhì)來(lái)生產(chǎn)cpu散熱器。前者用水冷工藝而不是舊式的焊接工藝來(lái)安裝這些銅材，而協(xié)禧電機(jī)股份有限公司則采用納米技術(shù)來(lái)生產(chǎn)銅材質(zhì)的cpu散熱器。此外，制造商還通過(guò)增加散熱器的

8、高度和散熱片的數(shù)目來(lái)提高散熱效率。深圳市創(chuàng)海同電子有限公司針對(duì)diy(自行組裝)市場(chǎng)推出了一種稱為v177的cpu散熱器，該產(chǎn)品有七個(gè)扇頁(yè)和一個(gè)916933mm的散熱片結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速為3,800rpm，最大噪音為30db。香港的full tat有限公司則采用大型風(fēng)扇來(lái)增強(qiáng)產(chǎn)品性能。該公司的新產(chǎn)品體積為707015mm，風(fēng)扇頁(yè)片角度更為尖銳，以增大氣流。同時(shí)，為了降低噪音，將風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低到3,000rpm；(2) 大陸制造商主要面向diy和裝配市場(chǎng) 。2003年中國(guó)大陸地區(qū)有超過(guò)100家cpu散熱器廠商，現(xiàn)已成為這一行業(yè)的重要生產(chǎn)基地。由于本地勞動(dòng)力成本低、原材料豐富且靠近pc廠商，許多臺(tái)灣廠商也將

9、其工廠向大陸遷移。采用熱管的散熱器受到diy市場(chǎng)的pc制造業(yè)及diy市場(chǎng)的繁榮也極大地刺激了cpu散熱器的需求增長(zhǎng)，而近來(lái)不斷出現(xiàn)的cpu過(guò)熱燒毀報(bào)導(dǎo)也促進(jìn)了新型散熱器的銷售。一些大陸制造商還采取了一種新型散熱方式，與傳統(tǒng)的翅狀散熱片不同，它們使用的是熱管(heat pipe)。南京赫特節(jié)能環(huán)保有限公司的cpu散熱器采用熱管結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，散熱管更為昂貴。cpu散熱器采用熱管作為傳導(dǎo)體，因此散熱效率極佳。diy市場(chǎng)通常比較偏好高端產(chǎn)品，并且中國(guó)國(guó)內(nèi)廠商主要面向diy和裝配市場(chǎng)。diy市場(chǎng)對(duì)高端產(chǎn)品的需求不斷上升，前景極佳；(3) 臺(tái)灣廠商西進(jìn)大陸尋找依托。2003年，由于全球最大兩家cp

10、u廠商停止了向臺(tái)灣供應(yīng)商采購(gòu)cpu散熱器，該地區(qū)的散熱器行業(yè)需求放緩。主要原因是英特爾和amd都有自己的生產(chǎn)廠將cpu和散熱器集成在一起。因此，未經(jīng)英特爾和amd認(rèn)證的臺(tái)灣公司便無(wú)法接獲訂單。目前用于臺(tái)式機(jī)的cpu散熱器需求開始下降，需求增長(zhǎng)主要是針對(duì)筆記本電腦用的cpu散熱器。由于高頻率cpu的不斷推出，cpu散熱器廠商也必須開發(fā)相應(yīng)的低噪音、高氣流和易于安裝的產(chǎn)品。樺葳科技股份有限公司采用了一種削磨技術(shù)，使基座和扇頁(yè)間的熱接口效率更高，從而可獲得比傳統(tǒng)產(chǎn)品更為有效的散熱。通過(guò)這種技術(shù)，樺葳科技股份有限公司可將扇翼間的距離做到1毫米，扇翼厚度為0.25毫米或更??；(4) 香港制造商積極減少散

11、熱器噪音由于那些小型oem商將其cpu和cpu散熱器分開采購(gòu)所致。多數(shù)采購(gòu)商會(huì)單獨(dú)采購(gòu)其cpu散熱器并采用船運(yùn)方式，這樣可節(jié)省大量運(yùn)輸成本。2003年，香港產(chǎn)品的散熱片都較大，而且噪音較小。盛達(dá)發(fā)展有限公司的cpu散熱器最大噪音僅為55db。full tat的產(chǎn)品噪音僅為30db。盡管競(jìng)爭(zhēng)激烈同時(shí)材料成本上升，cpu散熱器的價(jià)格卻保持穩(wěn)定。我國(guó)電腦散熱片行業(yè)發(fā)展在散熱領(lǐng)域oem市場(chǎng)占有非常大的比重，散熱片之應(yīng)用的大宗主要市場(chǎng)是在電腦上的中央處理器 (cpu) 、顯示晶片、晶片組等電子元件上，市場(chǎng)會(huì)隨著電腦需求量增加而增加。全球幾乎有6成以上散熱片及散熱模組是由臺(tái)灣接單生產(chǎn)(含臺(tái)灣接單大陸生產(chǎn))

12、。1.2我國(guó)電腦散熱片行業(yè)存在問(wèn)題分析1.2.1 散熱片設(shè)計(jì)中的問(wèn)題散熱片的設(shè)計(jì)在很大程度上影響著散熱能力。個(gè)別產(chǎn)品一味追求外觀，其設(shè)計(jì)有很大缺陷?，F(xiàn)常見到的內(nèi)存散熱片通常有兩種，一種是與內(nèi)存等長(zhǎng)的整體式散熱條；另一種是與內(nèi)存顆粒大小等同的單顆散熱片。由于一體式散熱條通常采用單層散熱片設(shè)計(jì)，從外觀上看，安裝這種樣式的散熱條十分美觀。但這類散熱條的厚度有限，加上無(wú)散熱鰭片，散熱能力表現(xiàn)平平。此外，這類散熱片還存在另一個(gè)問(wèn)題，那就是很難兼顧與每一顆內(nèi)存顆粒均緊密結(jié)合。要知道散熱片如果無(wú)法與內(nèi)存顆粒充分接觸，那么內(nèi)存顆粒散發(fā)的熱量將很難傳到散熱片上，反而讓熱量聚積在散熱片與內(nèi)存顆粒間，阻礙散熱。如果

13、內(nèi)存顆粒分布于pcb正反兩面，這種整體式散熱條安裝的角度一定要把握恰當(dāng)，否則極容易造成散熱片與內(nèi)存顆粒無(wú)法充分接觸。1.2.2 產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)散熱片市場(chǎng)的產(chǎn)品日益豐富，不同外形，不同材料，但是由于技術(shù)壁壘的相對(duì)較低目前行業(yè)內(nèi)的產(chǎn)品同質(zhì)化的問(wèn)題逐漸顯露除了，從而市場(chǎng)產(chǎn)品的差異性較低，降低競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)，限制了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展范圍。因此企業(yè)應(yīng)大力加強(qiáng)產(chǎn)品差異化的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)，進(jìn)而獲得更好的市場(chǎng)份額。1.2.3 行業(yè)集中度較低由于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)的逐漸增多，以及行業(yè)的不斷發(fā)展，散熱片企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模逐步擴(kuò)大，同等規(guī)模的企業(yè)也越來(lái)越多，是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也日益激烈。從而行業(yè)集中度相對(duì)較低，企業(yè)生產(chǎn)地區(qū)雖

14、然較為集中，但是在市場(chǎng)的份額占有上比較分散。1.3我國(guó)電腦散熱片行業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)趨勢(shì)分析未來(lái)幾年內(nèi)，我國(guó)散熱片市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的趨勢(shì)仍主要圍繞著產(chǎn)品的性價(jià)方面、品牌方面的競(jìng)爭(zhēng)，主要表現(xiàn)如下：（1）價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇，價(jià)格大戰(zhàn)早已在計(jì)算機(jī)行業(yè)開始，從而使電腦行業(yè)的利潤(rùn)逐漸趨于較低的水平，微薄的利潤(rùn)驅(qū)使行業(yè)內(nèi)的生產(chǎn)制造商開始了一個(gè)降低成本的生產(chǎn)方式，隨著散熱片技術(shù)的程度不斷成熟和進(jìn)步，散熱片同質(zhì)化的現(xiàn)象早已出現(xiàn)，因此價(jià)格的降低是產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)途徑；（2）品牌競(jìng)爭(zhēng)。對(duì)計(jì)算機(jī)行業(yè)來(lái)講，產(chǎn)品性能的好壞與品牌的知名度有很大的關(guān)系，不管是現(xiàn)在或是未來(lái)，人們對(duì)品牌產(chǎn)品的信賴程度是相對(duì)較高的，隨著人們收入的不

15、斷增加，人們對(duì)電子產(chǎn)品的購(gòu)買能力也在逐步增加，因此計(jì)算機(jī)配件的品牌認(rèn)知度將是影響人們對(duì)產(chǎn)品選擇的一個(gè)較為關(guān)鍵的引導(dǎo)；（3）性能競(jìng)爭(zhēng)。隨著散熱源性能以及電腦元件集成度的不斷提高，散熱片的廠商將會(huì)越來(lái)越注重散熱片的性能上的提高，這將是產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的一大重要競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)，因此散熱片性能的提高，也是產(chǎn)品和企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的提高。1.4我國(guó)電腦散熱片行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析1.4.1 散熱新途徑-碳納米管代替銅制散熱片2007年美國(guó)rensselaer理工學(xué)院和芬蘭oulu大學(xué)的研究人員宣布，他們使用碳納米管制造的散熱片，給以后的芯片散熱創(chuàng)造了一個(gè)新方向。他們首先制造了1.2毫米長(zhǎng)的多層碳納米管薄膜，然后使用激光雕刻

16、出了10x10的散熱鰭片陣列，形態(tài)和我們經(jīng)常在主板芯片組上看到的散熱片幾乎一模一樣，只是尺寸要小得多。研究人員表示，將這一超微型散熱片連接在測(cè)試芯片上時(shí)，就算沒有其他任何散熱器，也能帶走11%的芯片熱量，而當(dāng)其表面通過(guò)氮?dú)饬鞯臅r(shí)候，這一效率提升到了19%。從效率和目前的性價(jià)比來(lái)說(shuō)，銅是制造散熱片的最佳材料。但隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，芯片的尺寸越來(lái)越小。當(dāng)尺寸小到一定程度的時(shí)候，銅等金屬材料就變得不夠堅(jiān)硬容易彎曲，而碳納米管此時(shí)則是理想的散熱片制造原料；1.4.2熱管散熱熱管散熱器是今年高檔散熱器流行的做法，我們可以看到，需多著名的散熱器廠商都推出了其熱管系列產(chǎn)品。熱管這項(xiàng)技術(shù)早在1963年就在美

17、國(guó)的losalamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室中誕生了，其發(fā)明人是g.m.grover。熱管屬于一種傳熱元件，它充分利用了熱傳導(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，通過(guò)在全封閉真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結(jié)來(lái)傳遞熱量，具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠(yuǎn)距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點(diǎn)，并且由熱管組成的換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、流體阻損小等優(yōu)點(diǎn)。其導(dǎo)熱能力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。以前熱管技術(shù)一直被廣泛應(yīng)用在宇航、軍工等行業(yè)。 正是因?yàn)橛袩峁芗夹g(shù)的民用化，使得人們改變了傳統(tǒng)散熱器的設(shè)計(jì)思路，擺脫了單純依靠大風(fēng)量風(fēng)扇獲得更好散熱效果的傳統(tǒng)散熱模式。取而代之的是采用低轉(zhuǎn)速、低

18、風(fēng)量風(fēng)扇配合熱管技術(shù)的嶄新散熱模式。熱管技術(shù)更為pc的靜音時(shí)代帶來(lái)了契機(jī)。1.5我國(guó)電腦散熱片市場(chǎng)發(fā)展前景分析（1）散熱片隨著散熱源要求不斷提高。例如，對(duì)于cpu散熱片發(fā)展來(lái)說(shuō)，都是根據(jù)于cpu發(fā)展趨勢(shì)來(lái)進(jìn)行的。就好像當(dāng)初的amd和intel來(lái)說(shuō)，以前發(fā)熱量高的amd到現(xiàn)在換成是intel的lga775（扣肉雙核）發(fā)熱量超高的時(shí)代來(lái)說(shuō)。cpu散熱片發(fā)展都是來(lái)自于cpu方面。而且cpu散熱器本身就不是普通消費(fèi)者所關(guān)心的，所以中國(guó)市場(chǎng)的市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)無(wú)疑是性價(jià)比和主流線路為主。當(dāng)然，現(xiàn)在已經(jīng)有相當(dāng)一部分diy玩家追求中高端、甚至高端散熱器材質(zhì)的追求了。（2）尋找新的材料。目前散熱片主要由鋁和銅制成。

19、其中又由于銅密度大，工藝復(fù)雜，價(jià)格較貴，所以現(xiàn)在通常的風(fēng)扇多采用較輕的鋁制成。隨著電腦需求的不斷擴(kuò)大，散熱片對(duì)電腦保持良好的工作狀態(tài)起著越來(lái)越重要的作用，同時(shí)也對(duì)散熱片的性能也提出了更高的要求。因此尋找新的散熱片材料，提高散熱片的導(dǎo)熱、散熱能力，提高性價(jià)比，將是散熱片發(fā)展的主要趨勢(shì)之一。2 過(guò)熱對(duì)cpu的傷害根據(jù)電子學(xué)理論，并不是熱直接傷害cpu(因過(guò)熱導(dǎo)致的cpu炸裂例外)，而是熱所導(dǎo)致的“電子遷移”現(xiàn)象 (electromigration)在損壞cpu內(nèi)部的芯片。很多人說(shuō)的cpu超到燒掉，其實(shí)嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，應(yīng)該是高溫所導(dǎo)致的“電子遷移”現(xiàn)象所引50度以下，這樣cpu的內(nèi)部溫度就可以維持在80度

20、以下，“電子遷移”現(xiàn)象就不會(huì)發(fā)生?！半娮舆w移”現(xiàn)象并非立刻就損壞芯片，它對(duì)芯片的損壞是一個(gè)緩慢的過(guò)程，或多或少會(huì)降低cpu的壽命，假如你讓你的cpu持續(xù)在非常高的溫度下工作，那你的cpu可就用不了多久就會(huì)損壞。那么“電子遷移”到底是什么?“電子遷移”屬于電子科學(xué)的領(lǐng)域，在60年代初期才被廣泛了解，是指電子的流動(dòng)所導(dǎo)致的金屬原子的遷移現(xiàn)象。在電流強(qiáng)度很高的導(dǎo)體上，最典型的就是ic內(nèi)部的電路，電子的流動(dòng)帶給上面的金屬原子一個(gè)動(dòng)量(momentum )，使得金屬原子脫離金屬表面四處流動(dòng)，結(jié)果就導(dǎo)致金屬導(dǎo)線表面上形成坑洞(void)或土丘，造成永久的損害，這是一個(gè)緩慢的過(guò)程，一旦發(fā)生，情況會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重

21、，到最后就會(huì)造成整個(gè)電路的短路(short)，整個(gè)cpu就報(bào)銷了。“電子遷移”現(xiàn)象受許多因素影響，其中一個(gè)是電流的強(qiáng)度，電流強(qiáng)度越高，“電子遷移”現(xiàn)象就越顯著。從cpu的發(fā)展史，我們可以發(fā)現(xiàn)，為了把cpu的die size縮小，ic越做越小，線路做的越細(xì)越薄，如此，線路的電流強(qiáng)度就變的很大，所以電子的流動(dòng)所帶給金屬原子的動(dòng)量就變的很顯著，金屬原子就容易從表面脫離而四處流竄，形成坑洞或土丘。另外一個(gè)因素就是溫度，高溫有助于“電子遷移”的產(chǎn)生，這就是為什么我們要把cpu的溫度維持在50以下(手摸起來(lái)溫溫的)。為了防止過(guò)熱所引發(fā)的“電子遷移”現(xiàn)象而導(dǎo)致對(duì)cpu造成傷害，我們必須作好散熱工作。3 散熱

22、方式散熱工作按其散熱方式分為主動(dòng)式散熱和被動(dòng)式散熱兩種。主動(dòng)式散熱是通過(guò)散熱片將cpu的熱自然散發(fā)到空氣中，其散熱的效果與散熱片的面積成正比，這種散熱方式的優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單且安全可靠，但散熱效果不理想，對(duì)較多的發(fā)熱要很大的散熱面積，因此這種散熱方式主要用于發(fā)散不嚴(yán)重的電子元件的散熱，或?qū)臻g沒有特別要求的軍用或?qū)Ｓ迷O(shè)備中。被動(dòng)式散熱是利用風(fēng)扇等散熱設(shè)備將散熱片上的熱強(qiáng)制性帶走，這種散熱方式的優(yōu)點(diǎn)是散熱效率高，而且設(shè)備體積小，是目前給cpu散熱的主要方式。在被 動(dòng) 式 散熱方式中，根據(jù)其散熱介質(zhì)的不同，又可分為風(fēng)冷散熱、水冷散熱、半導(dǎo)體制冷散熱、熱導(dǎo)管散熱和化學(xué)制冷散熱等四種方式，風(fēng)冷散熱是利用散

23、熱風(fēng)扇將cpu發(fā)出的熱帶走，其散熱介質(zhì)是空氣，這種散熱方式簡(jiǎn)單實(shí)用，且價(jià)格低廉，是目前cpu最常用的散熱方式;水冷散熱是利用水循環(huán)系統(tǒng)將cpu發(fā)出的熱帶走，其散熱介質(zhì)是水，它的散熱效率比風(fēng)冷散熱高，但它還需要較復(fù)雜的水冷卻設(shè)備，且還有漏水的隱患，因此還未進(jìn)人實(shí)用階段;半導(dǎo)體制冷散熱是利用一種特殊的半導(dǎo)體在通電時(shí)，一端冷一端熱來(lái)制冷，它的冷面溫度可達(dá)到零下10攝氏度，它的缺點(diǎn)是工藝不成熟、價(jià)格高且易因溫度過(guò)低而出現(xiàn)的cpu結(jié)露進(jìn)而導(dǎo)致短路的現(xiàn)象;熱導(dǎo)管由純度極高的無(wú)氧銅管和銅網(wǎng)制成，里面充有適量的液體作為散熱介質(zhì)，當(dāng)受熱端將液體蒸發(fā)成氣體時(shí)，這些熱的氣體能在真空的管道中迅速到達(dá)管道的冷卻端冷凝成

24、液體，冷凝后的液體再通過(guò)銅網(wǎng)組成的毛細(xì)組織吸回受熱端，采用熱導(dǎo)管散熱可在很小的溫差下傳遞大量的熱能，采用銅管散熱成本很高，一般只在筆記本電腦等高檔機(jī)器中使用;化學(xué)制冷散熱是利用一些超低溫的化學(xué)物質(zhì)(如干冰、液氮)在融化時(shí)吸收大量的熱來(lái)降低cpu的溫度，它可將cpu的溫度降低到零下幾十度，它的缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴且持續(xù)時(shí)間短?？偟膩?lái)說(shuō)，后四種方法的散熱效果都比風(fēng)冷散熱的效果好，但由于安裝、操作和價(jià)格等原因，只適用于實(shí)驗(yàn)室使用，或被部份發(fā)燒友超頻時(shí)使用，對(duì)于絕大多數(shù)用戶還是風(fēng)冷散熱。4 風(fēng)冷散熱器基本結(jié)構(gòu)及散熱原理4.1風(fēng)冷散熱器基本結(jié)構(gòu)風(fēng)冷散熱器由散熱片、扣具、散熱風(fēng)扇、導(dǎo)熱介質(zhì)四部分構(gòu)成，再加上環(huán)境

25、因素，就形成了影響風(fēng)冷散熱器散熱效果的五大要素。(1)散熱片：負(fù)責(zé)吸收熱源發(fā)出的熱量（通過(guò)傳導(dǎo)方式吸熱)，并將吸人的熱量放出(通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流方式放熱)。（2)扣具：固定散熱器，用壓力確保散熱器底部與處理器表面良好接觸，保證散熱片與熱源有一定的接觸面積,充分發(fā)揮散熱效果。圖1 風(fēng)冷散熱器結(jié)構(gòu)(3)風(fēng)扇：提供一定風(fēng)量、風(fēng)壓的氣流。在氣流與散熱片表面之間進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流散熱。通過(guò)空氣把傳遞到散熱片的熱量及時(shí)帶走。（4)導(dǎo)熱介質(zhì)：減少或克服散熱器底部與處理器表面接觸不充分而產(chǎn)生的接觸熱阻填充縫隙增大熱源與散熱片的接觸面積。增大熱傳導(dǎo)量。(5)環(huán)境：提供一定溫度、一定壓力下的冷流體（空氣)，將傳遞至散熱片的熱

26、量進(jìn)行對(duì)流換熟。并散熱到空氣中4.2風(fēng)冷散熱器傳熱原理和傳熱過(guò)程熱量傳遞的基本方式有三種，即熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。熱傳導(dǎo)是兩種溫度不同的物體之間，或同一物體但溫度不同的兩部分之問(wèn)。因直接接觸而引起的熱量交換。熱傳導(dǎo)的基本公式為“”，其中q代表熱量，也就是熱傳導(dǎo)所產(chǎn)生或傳導(dǎo)的熱量，k為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，a代表傳熱的面積（或是兩物體的接觸面積)，代表物體兩端的溫度差，l則是物體兩端的距離。因此，從公式可以看出，熱量傳遞的大小同熱傳導(dǎo)系數(shù)、傳熱面積成正比，同距圖2 風(fēng)冷散熱器原理離成反比。熱傳導(dǎo)系數(shù)越高、傳熱面積越大，傳輸?shù)木嚯x越短，那么熱傳導(dǎo)的能量就越高。也就越容易帶走熱量。熱對(duì)流指的是流體(氣

27、體或液體)與固體表面接觸，造成流體從固體表面將熱帶走的熱傳遞方式。熱輻射是一種可以在沒有任何介質(zhì)的情況下，不需要接觸就能夠發(fā)生熱交換的傳遞方式。對(duì)于風(fēng)冷散熱器而言熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流是主要的熱量傳遞方式。熱源(cpu)將熱量以熱傳導(dǎo)方式傳至導(dǎo)熱介質(zhì)再由導(dǎo)熱介質(zhì)傳至散熱片基部， 由基部將熱量傳至散熱片鰭片并通過(guò)風(fēng)扇與空氣分子進(jìn)行受迫對(duì)流，將熱量散發(fā)到空氣中。風(fēng)扇不斷向散熱片吹入冷空氣。流出熱空氣，完成整個(gè)散熱過(guò)程。5 散熱片材料的選擇散熱片選用較高導(dǎo)熱系數(shù)的材料對(duì)提高熱傳導(dǎo)效率很有幫助。導(dǎo)熱系數(shù)越大，導(dǎo)熱能力越強(qiáng)。在金屬材料中，銀的導(dǎo)熱系數(shù)最高，但成本高，純銅其次。但是，銅的比重比鋁大不符合散熱片重量

28、限制的要求；銅材價(jià)格昂貴，易氧化,紅銅的硬度不如鋁合金，某些機(jī)械加工（如剖溝等)性能不如鋁；銅的熔點(diǎn)比鋁高表1 材料參數(shù)材料材料密度比熱導(dǎo)熱系數(shù)cu8900385393al2700963156很多難以擠壓成形，導(dǎo)致其加工難度大，加工成本高的問(wèn)題。另外，與鋁比較，銅的熱容量更小，也就是說(shuō)，其本身不能儲(chǔ)存更多的熱量。這個(gè)弱點(diǎn)顯示在散熱器上，就是當(dāng)電腦關(guān)機(jī)風(fēng)扇停轉(zhuǎn)后，cpu內(nèi)積蓄的熱量無(wú)法很快被銅質(zhì)散熱片帶走，這樣便會(huì)大大縮短配件的正常使用壽命。在風(fēng)冷散熱器中一般用6063t5鋁合金。這是因?yàn)殇X合金的加工性好（純鋁由于硬度不足，很難進(jìn)行切削加工)、表面處理容易、成本低廉。但隨著散熱需求的提高，綜合運(yùn)

29、用各種導(dǎo)熱系數(shù)高的材料已是大勢(shì)所趨。部分散熱片采用銅鋁結(jié)合的方式來(lái)制造。散熱片底部采用純銅是為了發(fā)揮銅的導(dǎo)熱系數(shù)大、傳熱量相對(duì)大的優(yōu)點(diǎn)。而鰭片部分仍采用鋁合金片是為了加工容易將換熱面積盡可能做大，以便對(duì)流換熱揖增大。銅鋁的結(jié)合應(yīng)用既保證了散熱器重量不超標(biāo)又可控制成本也取得了很大的效能提升。6 逆向工程傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程是根據(jù)產(chǎn)品的功能和用途首先進(jìn)行概念設(shè)計(jì),然后通過(guò)cad輸出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)圖紙,經(jīng)審查無(wú)誤后,編制nc代碼并輸入cnc加工設(shè)備進(jìn)行產(chǎn)品加工或者通過(guò)快速成型機(jī)制作樣品。而反求工程是從一已經(jīng)存在的零件或產(chǎn)品模型入手,首先對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量,得到它的輪廓坐標(biāo)值,然后通過(guò)三維cad曲面重構(gòu)得到其三

30、維cad模型并輸出圖紙,經(jīng)審查合格后由cnc加工設(shè)備或快速成型機(jī)進(jìn)行加工。6.1逆向工程可分為四種類型6.1.1實(shí)物逆向信息源為產(chǎn)品的實(shí)物模型，需要在對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行測(cè)量的基礎(chǔ)上，在計(jì)算機(jī)中重建、修改零件模型，并生成數(shù)控加工程序，以完成零件的復(fù)制，即實(shí)物逆向的目標(biāo)是實(shí)物本身。6.1.2軟件逆向軟件逆向：產(chǎn)品樣本、技術(shù)文件、設(shè)計(jì)書、使用說(shuō)明書、圖紙、有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、管理規(guī)范和質(zhì)量保證手冊(cè)等均稱為技術(shù)軟件。軟件逆向有三類：既有實(shí)物，又有全套技術(shù)軟件；只有實(shí)物而無(wú)技術(shù)軟件；沒有實(shí)物，僅有全套或部分技術(shù)軟件。6.1.3影像逆向設(shè)計(jì)者既無(wú)實(shí)物產(chǎn)品也無(wú)技術(shù)軟件，僅有產(chǎn)品的圖片、廣告介紹或參觀后的印象等，設(shè)計(jì)

31、者需要通過(guò)這些影像資料去構(gòu)思、設(shè)計(jì)產(chǎn)品，這種逆向稱為影像逆向。 6.1.4局部逆向?qū)τ谄茡p藝術(shù)品的復(fù)原或缺乏備件的損壞零件的修復(fù)等，往往不需要對(duì)整個(gè)零件原型進(jìn)行復(fù)制，而是借助逆向工程技術(shù)提取零件原型的設(shè)計(jì)思想，完成復(fù)原工作，也稱為局部逆向技術(shù)。6.2逆向工程實(shí)施需要考慮的因素需要考慮的是信息源的形式；逆向?qū)ο蟮男螤?、結(jié)構(gòu)和精度要求；制造企業(yè)的軟、硬件條件及工程技術(shù)人員的素質(zhì)。6.3逆向工程的四個(gè)階段 6.3.1 零件原形的數(shù)字化 通常采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(cmm)或激光掃描儀等測(cè)量裝置來(lái)獲取零件原形表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。 6.3.2 從測(cè)量數(shù)據(jù)中提取零件原形的幾何特征 按測(cè)量數(shù)據(jù)的幾何屬性對(duì)其進(jìn)行分

32、割，采用幾何特征匹配與識(shí)別的方法來(lái)獲取零件原形所具有的設(shè)計(jì)與加工特征。 6.3.3 零件原形cad模型的重建 將分割后的三維數(shù)據(jù)在cad系統(tǒng)中分別做表面模型的擬合，并通過(guò)各表面片的求交與拼接獲取零件原形表面的cad模型。 6.3.4 重建cad模型的檢驗(yàn)與修正 采用根據(jù)獲得的cad模型重新測(cè)量和加工出樣品的方法來(lái)檢驗(yàn)重建的cad模型是否滿足精度或其他試驗(yàn)性能指標(biāo)的要，對(duì)不滿足要求者重復(fù)以上過(guò)程，直至達(dá)到零件的逆向工程設(shè)計(jì)要求。 實(shí)物模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口數(shù)字測(cè)量快速模具制造模型重建系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)快速原型制造nc加工產(chǎn)品原型產(chǎn)品二維工程圖圖3 逆向工程的基本步驟6.4散熱片的坐標(biāo)數(shù)據(jù)測(cè)量本文以calyp

33、so 軟件為例進(jìn)行說(shuō)明。6.4.1 準(zhǔn)備探頭校準(zhǔn)探頭的步驟：1、定義標(biāo)準(zhǔn)球（參考球）的位置通常，主探針僅用于確定標(biāo)準(zhǔn)球（參考球）的位置。在最近的軟件版本中，不可能校準(zhǔn)主探針，因此主探針的功能僅限于確定標(biāo)準(zhǔn)球（參考球）的位置。假想有一個(gè)以主探頭為坐標(biāo)原點(diǎn)的探針坐標(biāo)系，那么所有其它探針在該坐標(biāo)系中都有x、y、z 坐標(biāo)值。標(biāo)準(zhǔn)球（參考球）被定義為該坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值零點(diǎn)。也就是說(shuō)，定義標(biāo)準(zhǔn)球（參考球）的位置是所有探針校準(zhǔn)的先決條件，即在每次校準(zhǔn)測(cè)量探針之前必須執(zhí)行這一步。2、校準(zhǔn)測(cè)量探針第二步是將測(cè)量探針的探針賦值于第一步建立的坐標(biāo)系中。測(cè)量探針的每個(gè)探針都必須校準(zhǔn)。圖4 探針定位6.4.2 逆向工程

34、數(shù)據(jù)測(cè)量技術(shù)數(shù)據(jù)測(cè)量是通過(guò)特定的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法獲取產(chǎn)品表面離散點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將產(chǎn)品的幾何形狀數(shù)字化。其測(cè)量原理是:將被測(cè)產(chǎn)品放置于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量空間內(nèi)，可以獲得被測(cè)產(chǎn)品上各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)位置，根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理，擬合形成測(cè)量元素，如圓、球、圓柱、圓錐、曲面等，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算的方法得出其形狀、位置公差及其它幾何量數(shù)據(jù)。高效、高精度地獲取產(chǎn)品的數(shù)字化信息是實(shí)現(xiàn)逆向工程的基礎(chǔ)和關(guān)鍵?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集方法主要分為兩大類:(1)接觸式數(shù)據(jù)采集方法：接觸式數(shù)據(jù)采集方法包括使用基于力的擊發(fā)原理的觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集和連續(xù)式掃描數(shù)據(jù)采集、磁場(chǎng)法、超聲波法。接觸式數(shù)據(jù)采集通常使用三坐標(biāo)

35、測(cè)量機(jī)，測(cè)量時(shí)可根據(jù)實(shí)物的特征和測(cè)量的要求選擇測(cè)頭及其方向，確定測(cè)量點(diǎn)數(shù)及其分布，然后確定測(cè)量的路徑，有時(shí)還要進(jìn)行碰撞的檢查。觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集方法采用觸發(fā)探頭，觸發(fā)探頭又稱為開關(guān)測(cè)頭，當(dāng)測(cè)頭的探針接觸到產(chǎn)品的表面時(shí)，由于探針受理變形觸發(fā)采樣開關(guān)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記下探針的當(dāng)前坐標(biāo)值，逐點(diǎn)移動(dòng)探針就可以獲得產(chǎn)品的表面輪廓的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。常用的接觸式觸發(fā)探頭主要包括:機(jī)械式觸發(fā)探頭、應(yīng)變片式觸發(fā)探頭、壓電陶瓷觸發(fā)探頭。采用觸發(fā)式測(cè)頭的優(yōu)點(diǎn)在于:適用于空間箱體類工件及已知產(chǎn)品表面的測(cè)量;觸發(fā)式探頭的通用性較強(qiáng)，適用于尺寸測(cè)量和在線應(yīng)用;體積小，易于在狹小的空間內(nèi)應(yīng)用;由于測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)測(cè)量機(jī)處于勻速直線低速

36、狀態(tài)，測(cè)量機(jī)的動(dòng)態(tài)性能對(duì)測(cè)量精度的影響較小。但由于測(cè)頭的限制，不能測(cè)量到被測(cè)零件的一些細(xì)節(jié)之處，不能測(cè)量一些易碎、易變形的零件。另外接觸式測(cè)量的測(cè)頭與零件表面接觸，測(cè)量速度慢，測(cè)量后還要進(jìn)行測(cè)頭補(bǔ)償，數(shù)據(jù)量小，不能真實(shí)的反映實(shí)體的形狀。 (2)非接觸式數(shù)據(jù)采集方法：非接觸式數(shù)據(jù)采集方法主要運(yùn)用光學(xué)原理進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，主要包括:激光三角形法、激光測(cè)距法、結(jié)構(gòu)光法以及圖像分析法等。非接觸式數(shù)據(jù)采集速度快、精度高，排除了由測(cè)量摩擦力和接觸壓力造成的測(cè)量誤差，避免了接觸式測(cè)頭與被測(cè)表面由于曲率干涉產(chǎn)生的偽劣點(diǎn)問(wèn)題，獲得的密集點(diǎn)云信息量大、精度高，測(cè)頭產(chǎn)生的光斑也可以做得很小，可以探測(cè)到一般機(jī)械測(cè)頭難以

37、測(cè)量的部位，最大限度地反映被測(cè)表面的真實(shí)形狀。非接觸式數(shù)據(jù)采集方法采用非接觸式探頭，由于沒有力的作用，適用于測(cè)量柔軟物體;非接觸式探頭取樣率較高，在50次/秒到23000次/秒之間，適用于表面形狀復(fù)雜，精度要求不特別高的未知曲面的測(cè)量，例如:汽車、家電的木模、泥模等。但是非接觸式探頭由于受到物體表面特征的影響(顏色、光度、粗糙度、形狀等)的影響較大，目前在多數(shù)情況下其測(cè)量誤差比接觸式探頭要大，保持在10微米級(jí)以上。該方法主要用于對(duì)易變形零件、精度要求不高零件、要求海量數(shù)據(jù)的零件、不考慮測(cè)量成本及其相關(guān)軟硬件的配套情況下的測(cè)量?？傊诳梢詰?yīng)用接觸式測(cè)量的情況下，不要采用非接觸式測(cè)量;在只測(cè)量尺

38、寸、位置要素的情況下盡量采用接觸式測(cè)量;考慮測(cè)量成本且能滿足要求的情況下，盡量采用接觸式測(cè)量;對(duì)產(chǎn)品的輪廓及尺寸精度要求較高的情況下采用非接觸式掃描測(cè)量;對(duì)離算點(diǎn)的測(cè)量采用掃描式;對(duì)易變形、精度要求不高的產(chǎn)品、要求獲得大量測(cè)量數(shù)據(jù)的零件進(jìn)行測(cè)量時(shí)采用非接式測(cè)量方法。在本文中我們采用的是接觸式數(shù)據(jù)采集方法。6.5散熱片的數(shù)據(jù)處理及模型重構(gòu)6.5.1 測(cè)量數(shù)據(jù)的預(yù)處理數(shù)據(jù)處理是逆向工程的一項(xiàng)重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，它決定了后續(xù)cad模型重建過(guò)程能否方便、準(zhǔn)確地進(jìn)行。根據(jù)測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量，測(cè)量數(shù)據(jù)可以分為一般數(shù)據(jù)點(diǎn)和海量數(shù)據(jù)點(diǎn)；根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)的規(guī)整性，測(cè)量數(shù)據(jù)又可以分為散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)和規(guī)矩?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)；不同的測(cè)量系統(tǒng)所得到

39、的測(cè)量數(shù)據(jù)的格式是不一致的，且?guī)缀跛械臏y(cè)量方式和測(cè)量系統(tǒng)都不可避免地存在誤差。因此，在利用測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行cad重建前必須對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理工作主要包括：數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化、多視點(diǎn)云的拼合、點(diǎn)云過(guò)濾、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)和點(diǎn)云分塊等。 每個(gè)cad/cam系統(tǒng)都有自己的數(shù)據(jù)格式，目前流行的cad/cam軟件的產(chǎn)品數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和格式各不相同，不僅影響了設(shè)計(jì)和制造之間的數(shù)據(jù)傳輸和程序銜接，而且直接影響了cmm與cad/cam系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊。目前通行的辦法是利用幾種主要的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)(iges、step、autocad的dxf等)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。 在逆向工程實(shí)際的過(guò)程中，由于坐標(biāo)測(cè)量都有自己的測(cè)量范圍，因此無(wú)論我

40、們采用什么測(cè)量方法，都很難在同一坐標(biāo)系下將產(chǎn)品的幾何數(shù)據(jù)一次完全測(cè)出。產(chǎn)品的數(shù)字化不能在同一坐標(biāo)系下完成，而在模型重建的時(shí)候又必須將這些不同坐標(biāo)下的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系里，這個(gè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程就是多視數(shù)據(jù)定位對(duì)齊(多視點(diǎn)云的拼合)。多視數(shù)據(jù)的對(duì)齊主要可以分為兩種：通過(guò)專用的測(cè)量軟件裝置實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的直接對(duì)齊；事后數(shù)據(jù)處理對(duì)齊。采用事后數(shù)據(jù)處理對(duì)齊又可以分為：對(duì)數(shù)據(jù)的直接對(duì)齊和基于圖形的對(duì)齊。對(duì)數(shù)據(jù)的直接對(duì)齊研究研究中，出現(xiàn)了多種算法，如icp算法；四元數(shù)法；svd法；基于三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的對(duì)齊方法等。 數(shù)據(jù)平滑的目的是消除測(cè)量數(shù)據(jù)的噪聲，以得到精確的數(shù)據(jù)和好的特征提取效果。目前通常是采用標(biāo)準(zhǔn)高斯、平均或

41、中值濾波算法。其中高斯濾波能較好地保持原數(shù)據(jù)的形貌，中值濾波消除數(shù)據(jù)毛刺的效果較好。因此在選用時(shí)應(yīng)該根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量和建模方法靈活選擇濾波算法。 運(yùn)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行造型處理的過(guò)程中，由于海量數(shù)據(jù)點(diǎn)的存在，使存儲(chǔ)和處理這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)成了不可突破的瓶頸。實(shí)際上并不是所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)都對(duì)模型的重建起作用，因此，可以在保證一定的精度的前提下減少數(shù)據(jù)量，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)。目前采用的方法有：利用均勻網(wǎng)格減少數(shù)據(jù)的方法；利用減少多變形三角形達(dá)到減少數(shù)據(jù)點(diǎn)的方法；利用誤差帶減少多面體數(shù)據(jù)點(diǎn)的方法。 數(shù)據(jù)分割是根據(jù)組成實(shí)物外形曲面的子曲面的類型，將屬于同一曲面類型的數(shù)據(jù)成組，劃分為不同的數(shù)據(jù)域，為后續(xù)的模型重建提供方便。

42、數(shù)據(jù)分割方法可以分為基于測(cè)量的分割和自動(dòng)分割兩種方法。目前的分割方法有：基于參數(shù)二次曲面逼近的數(shù)據(jù)分割方法；散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)的自動(dòng)分割方法；基于ct技術(shù)的數(shù)據(jù)分割方法。6.5.2 產(chǎn)品造型及模型重構(gòu)在整個(gè)逆向工程中，產(chǎn)品的三位幾何模型cad重建是最關(guān)鍵、最復(fù)雜的環(huán)節(jié)。因?yàn)橹挥蝎@得了產(chǎn)品的cad模型我們才能夠在此基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)產(chǎn)品的加工制造、快速成型制造、虛擬仿真制造和進(jìn)行產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)等。在進(jìn)行模型重建之前，設(shè)計(jì)者不僅需要了解產(chǎn)品的幾何特征和數(shù)據(jù)的特點(diǎn)等前期信息，而且需要了解結(jié)構(gòu)分析、加工制作模具、快速成型等后續(xù)應(yīng)用問(wèn)題。目前使用的造型方法主要有： (1)曲線擬合造型 用一個(gè)多項(xiàng)式的函數(shù)通過(guò)插值去逼近

43、原始的數(shù)據(jù)，最終得到足夠光滑的曲面。曲線是構(gòu)成曲面的基礎(chǔ)，在逆向工程中常用的模型重建方法為，首先將數(shù)據(jù)點(diǎn)通過(guò)插值或逼近擬合成樣條曲線，然后采用造型軟件完成曲面片的重構(gòu)造型。優(yōu)點(diǎn)是原理比較簡(jiǎn)單，只要多項(xiàng)式的次數(shù)足夠高就可以得到滿意的曲面，但也容易造成計(jì)算的不穩(wěn)定，同時(shí)邊界的處理能力也比較差，一般用于擬合比較簡(jiǎn)單的曲面。 (2)曲面片直接擬合造型 該方法直接對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行曲面片擬合，獲得曲面片經(jīng)過(guò)過(guò)渡、混合、連接形成最終的曲面模型。曲面擬合造型既可以處理有序點(diǎn)，也可以處理散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)。算法有：基于有序點(diǎn)的b樣條曲面插值；b樣條曲面插值；對(duì)任意測(cè)量點(diǎn)的b樣條曲面逼近。 (3)點(diǎn)數(shù)據(jù)網(wǎng)格化 網(wǎng)格化實(shí)體

44、模型通常是將數(shù)據(jù)點(diǎn)連接成三角面片，形成多面體實(shí)體模型。目前已經(jīng)形成兩種簡(jiǎn)化方法：基于給定數(shù)據(jù)點(diǎn)在保證初始幾何形狀的基礎(chǔ)上，反復(fù)排除節(jié)點(diǎn)和面片，構(gòu)建新的三角形，最終達(dá)到指定的節(jié)點(diǎn)數(shù)；尋找具有最小的節(jié)點(diǎn)和面片的最小多面體。7 散熱片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分析7.1apdl語(yǔ)言apdl的全稱是ansys parametric design language，是一種參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言?？捎脕?lái)完成一些通用性強(qiáng)的任務(wù)，也可以用于根據(jù)來(lái)建立模型，不僅是優(yōu)化設(shè)計(jì)和自適應(yīng)網(wǎng)格劃分等ansys經(jīng)典特性的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，也為日常分析提供了便利。有限元分析的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程包括：定義模型及其載荷、求解和解釋結(jié)果，假如求解結(jié)果表明有必要修改設(shè)計(jì)，

45、那么就必須改變模型的幾何結(jié)構(gòu)或載荷并重復(fù)上述步驟。特別是當(dāng)模型較復(fù)雜或修改較多時(shí)，這個(gè)過(guò)程可能很昂貴和浪費(fèi)時(shí)間。apdl用建立智能分析的手段為用戶了自動(dòng)完成上述循環(huán)的功能，也就是說(shuō)，程序的輸入可設(shè)定為根據(jù)指定的函數(shù)、變量及選出的分析標(biāo)準(zhǔn)作決定。它允許復(fù)雜的數(shù)據(jù)輸入，使用戶對(duì)任何設(shè)計(jì)或分析屬性有控制權(quán)，例如，幾何尺寸、材料、邊界條件和網(wǎng)格密度等，擴(kuò)展了傳統(tǒng)有限元分析范圍以外的能力，并擴(kuò)充了更高級(jí)運(yùn)算包括靈敏度研究、零件參數(shù)化建模、設(shè)計(jì)修改及設(shè)計(jì)優(yōu)化。為用戶控制任何復(fù)雜計(jì)算的過(guò)程提供了極大的方便。它實(shí)質(zhì)上由類似于fortran77的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言部分和1000多條ansys命令組成。其中，程序設(shè)計(jì)語(yǔ)

46、言部分與其它編程語(yǔ)言一樣，具有參數(shù)、數(shù)組表達(dá)式、函數(shù)、流程控制（循環(huán)與分支）、重復(fù)執(zhí)行命令、縮寫、宏以及用戶程序等。標(biāo)準(zhǔn)的ansys程序運(yùn)行是由1000多條命令驅(qū)動(dòng)的，這些命令可以寫進(jìn)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫的程序，命令的參數(shù)可以賦確定值，也可以通過(guò)表達(dá)式的結(jié)果或參數(shù)的方式進(jìn)行賦值。從ansys命令的功能上講，它們分別對(duì)應(yīng)ansys分析過(guò)程中的定義幾何模型、劃分單元網(wǎng)格、材料定義、添加載荷和邊界條件、控制和執(zhí)行求解和后處理計(jì)算結(jié)果等指令。用戶可以利用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言將ansys命令組織起來(lái)，編寫出參數(shù)化的用戶程序，從而實(shí)現(xiàn)有限元分析的全過(guò)程，即建立參數(shù)化的cad模型、參數(shù)化的網(wǎng)格劃分與控制、參數(shù)化的材料定

47、義、參數(shù)化的載荷和邊界條件定義、參數(shù)化的分析控制和求解以及參數(shù)化的后處理。7.2apdl 參數(shù)化建模散熱片形狀如圖3所示，其作用是把cpu(功率大約為80w)中產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，使cpu在運(yùn)行時(shí)的溫度不超過(guò)安全的定值(一般為7080)。為更快的把cpu上產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，散熱片通常采用導(dǎo)熱系數(shù)高的金、銅、鋁等材料。然而，為了降低成本，選擇鋁質(zhì)材料。如圖3所示的平板式散熱片，在已知翅片數(shù)(n=16)和底座長(zhǎng)、寬(0.08 m0.08m)的情況下，只需x1 、x2 、x3 ( x1 為散熱片翅片厚度,x2 為散熱片底座厚度、x3 為散熱片整體高度，分別如圖所示) 三個(gè)參數(shù)就可以通過(guò)apdl 語(yǔ)

48、言建立散熱片的有限元分析模型.圖5 散熱片的結(jié)構(gòu)7.3散熱片的熱分析apdl 語(yǔ)言建立散熱片有限元模型后所進(jìn)行的熱分析過(guò)程，實(shí)質(zhì)就是通過(guò)有限元素法求解散熱片各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度值，其原理是：在直角坐標(biāo)中，從散熱片中任意取出一個(gè)立方形控制體，表面積為a ，表面外法向?yàn)閚 。根據(jù)熱力學(xué)第一定律有： (1)式中為散熱片的導(dǎo)熱系數(shù)，t 為溫度， 為內(nèi)熱源的發(fā)熱率，為時(shí)間，為比熱。因?yàn)樯崞瑸楦飨蛲圆牧?，所以常?shù)，則式(1)可寫成： (2)由于散熱片是具有內(nèi)熱源的三維導(dǎo)熱問(wèn)題，所以當(dāng)散熱片的體積為v,其邊界曲面為s ，根據(jù)變分原理由方程(2)推導(dǎo)出： (3)假定散熱片周圍流體的介質(zhì)溫度和散熱片表面與周圍介質(zhì)

49、之間的對(duì)流換熱系數(shù)已知，即散熱片邊界曲面s 滿足第三類邊界條件，也即當(dāng) 時(shí)，有： (4)把 (4) 式代入(3)式，可導(dǎo)出: (5)把散熱片離散成e個(gè)單元和m個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)每個(gè)待求的節(jié)點(diǎn)溫度可以建立一個(gè)代數(shù)方程，也就是離散方程，由m個(gè)代數(shù)方程可組裝成系統(tǒng)方程: (6)式中c 為比熱矩陣，k為熱傳導(dǎo)矩陣，q為節(jié)點(diǎn)熱流率向量.求解(6)式，可得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度值。7.4優(yōu)化過(guò)程的數(shù)學(xué)模型為了在有限空間內(nèi)使散熱片的散熱性能達(dá)到最好，應(yīng)使散熱片中溫度最高的節(jié)點(diǎn)溫度盡可能小。因此，散熱片結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型可描述如下：s.t.式中tmp(x) 為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，即散熱片中溫度最高節(jié)點(diǎn)的溫度值，x 為設(shè)計(jì)向量。 對(duì)鋁

50、制平板式散熱片(工況為：cpu 功率為80w，散熱片對(duì)流換熱系數(shù)為70w/m2-，環(huán)境溫度為30)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，先對(duì)三個(gè)設(shè)計(jì)變量x1x2 x3 設(shè)定取值區(qū)間。假設(shè)x3=0.03m， x1 =0.003m，當(dāng)x2 取值區(qū)間為0.0008mx2 0.005m 時(shí)，根據(jù)前面的優(yōu)化模型，可得到優(yōu)化結(jié)果如圖4所示。圖6 tmp 與底座厚度x2 的關(guān)系曲線假設(shè)x3 =0.03m， x2 =0.002m，當(dāng)x1 的取值區(qū)間為0.0008m x1 0.004m(散熱片翅片的厚度不能超過(guò)0.004m，如果超過(guò)這個(gè)值，其散熱效果會(huì)隨著翅片間散熱空間的減少而降低)時(shí)，根據(jù)前面的優(yōu)化模型，可得到優(yōu)化結(jié)果如圖5 所

51、示。圖7 tmp與翅片厚度x1的關(guān)系曲線假設(shè)x1 =0.003m， x2=0.002m，當(dāng)x3 的取值區(qū)間為0.02m x3 0.04m(散熱片在安裝時(shí)有一定的空間限制，其整體高度不能超過(guò)0.04m)時(shí)，根據(jù)前面的優(yōu)化模型，可得到優(yōu)化結(jié)果如圖6 所示圖8 tmp與與散熱片整體高度x3的關(guān)系曲線對(duì)散熱片進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化時(shí)，取三個(gè)參數(shù)取值范圍為：0.002m x10.0035m、0.002m x2 0.0025m、0.028m x3 0.035m，并取初值為：x1 =0.003m、x2 =0.002m、x3 =0.03m，通過(guò)分析計(jì)算得到最高點(diǎn)溫度為tmp =70.548。優(yōu)化后的最優(yōu)結(jié)果為： x1

52、=0.00342m，x2 =0.00202m，x3 =0.0349m，tmp=68.154。7.5模型重構(gòu)根據(jù)以上優(yōu)化結(jié)果，我們用solidworks軟件建立三維模型圖9 散熱片結(jié)構(gòu)8 成本估算在概念設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)信息是很不完整的，其不確定性程度很高，例如：材料信息基本上是沒有確定的；對(duì)于制造工藝的考慮是粗糙的，沒有具體成形。在這種情況下，將十分不確定的設(shè)計(jì)特征映射為十分具體的成本特征，是件很困難的事情。在本文中，將設(shè)計(jì)中的主演特征直接映射為成本特征，然后利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的非線性映射能力進(jìn)行全生命周期成本的估算，得到設(shè)計(jì)方案在成本高低方面的滿意程度。之所以采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為工具，主要考慮到如下

53、原因：（1）在傳統(tǒng)上一般是將這樣的參數(shù)繪制成一個(gè)二維圖，即產(chǎn)品型號(hào)和成本值構(gòu)成的，可以得到成本變化的趨勢(shì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中采用了回歸分析的方法估算成本，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)比回歸方法效果好；（2）從實(shí)際應(yīng)用中可以發(fā)現(xiàn)它有著極其強(qiáng)大的非線性映射能力，而且具有自學(xué)習(xí)能力；（3）概念設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)信息具有高的不確定性，一般方法不易使用。8.1初步總體設(shè)計(jì)階段的特征映射和成本估算的實(shí)現(xiàn)在初步總體設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)特征逐漸豐富，但一些不確定性因素仍然存在。在這一階段，根據(jù)有的信息已經(jīng)確定和有的信息沒有確定的情況，在本文中對(duì)于沒有確定的信息特征可以進(jìn)行合理假設(shè)作為已經(jīng)確定的信息映射，或者忽略這一部分的特征，

54、在估算成本時(shí)認(rèn)為這一部分對(duì)成本的影響是一樣的。對(duì)于確定的信息特征可以采用直接、投影和共軛方法進(jìn)行特征的映射。下面將概括出成本特征進(jìn)行映射分析。8.1.1制造成本特征映射為了使設(shè)計(jì)特征映射為制造成本特征需要進(jìn)行成本估算方法的選擇，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項(xiàng)信息就可以估算成本了，但在實(shí)際使用中大部分的情況都不能使用這種十分簡(jiǎn)單的方法。一般來(lái)說(shuō)，幾何和結(jié)構(gòu)相似的產(chǎn)品可按照相似關(guān)系估算產(chǎn)品成本，這需要產(chǎn)品或零件的結(jié)構(gòu)相似，需要知道的信息是產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸、生產(chǎn)批量信息、材料信息，這些信息在初步總體設(shè)計(jì)階段是能夠得到的，其中的結(jié)構(gòu)尺寸、生產(chǎn)批量

55、是直接映射后即可使用的，材料信息需要根據(jù)這一設(shè)計(jì)階段所給出的材料信息詳細(xì)程度進(jìn)行一定的處理，沒有完全給定時(shí)需要一定的合理假設(shè)進(jìn)行映射，得到材料的有關(guān)信息。上述說(shuō)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產(chǎn)品的設(shè)計(jì)特征及其映射方法結(jié)構(gòu)尺寸大體上的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸在這一階段是已經(jīng)知道的，可以直接映射生產(chǎn)批量在設(shè)計(jì)的初期此信息就已經(jīng)知道了，可以直接映射材料信息有的已知，可以直接映射；未知的可以不予考慮或合理假設(shè)8.1.2裝配成本特征映射裝配成本的估算一般可以使用統(tǒng)計(jì)的方法，其成本特征主要：零件尺寸、零件重量、子裝配數(shù)目、總的裝配操作數(shù)目、零件個(gè)數(shù)、接觸面的個(gè)數(shù)、裝配時(shí)間和裝配效率等，從

56、設(shè)計(jì)信息中經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換可以得到總的裝配數(shù)目，子裝配數(shù)目、接觸面的個(gè)數(shù)和零件個(gè)數(shù)，轉(zhuǎn)換的方法與設(shè)計(jì)時(shí)采用的方法有關(guān)。例如：如果采用基于特征的裝配建模技術(shù)，則可以通過(guò)計(jì)算機(jī)從有關(guān)特征中提取出需要的特征。對(duì)于裝配時(shí)間和效率一般需要仿真或參考類似的結(jié)構(gòu)得到，從設(shè)計(jì)域中不能直接得到此類信息。在初步總體設(shè)計(jì)階段得到的信息不是很準(zhǔn)確，有些信息還沒有確定，例如：零件數(shù)目、接觸面?zhèn)€數(shù)、裝配操作數(shù)目需要在總體設(shè)計(jì)階段后期才能最后確定。8.1.3使用成本特征映射在使用中用戶一般需要支付的費(fèi)用主要有：能源消耗費(fèi)用、日常維護(hù)費(fèi)用、對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響的費(fèi)用。在初步總體設(shè)計(jì)階段中，能源的消耗是可以獲得的；日常維護(hù)的費(fèi)用也可以獲得；

57、對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響在目前一般是以環(huán)保附加費(fèi)的形式存在，在本文中，散熱片本身對(duì)環(huán)境的影響不大。8.1.4回收?qǐng)?bào)廢成本特征映射在設(shè)計(jì)階段，已經(jīng)確定散熱片的重用和材料的回收。對(duì)于散熱片回收主要是拆卸成本和運(yùn)費(fèi)決定了回收的成本；拆卸成本與可拆卸性有關(guān)，散熱片的拆卸很容易；產(chǎn)品重量與運(yùn)費(fèi)有關(guān)，在這一階段產(chǎn)品重量可以重新從設(shè)計(jì)特征中直接映射得到。8.2總體設(shè)計(jì)階段的特征映射和成本估算的實(shí)現(xiàn)在總體設(shè)計(jì)階段，產(chǎn)品的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和零部件已經(jīng)確定。這一階段的特征映射可以采用直接、投影和共軛方法進(jìn)行特征的映射，一部分結(jié)構(gòu)或零部件可以采用詳細(xì)估算方法直接得到其成本數(shù)值。下面對(duì)這一階段與初步總體設(shè)計(jì)階段不同的特征映射進(jìn)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與初步總體設(shè)計(jì)階段比較相差不大，由于信息的豐富和不確定性的降低，結(jié)合具體的產(chǎn)品采用的方法就更多了。散熱片的制造主要采用鑄造的方法。8.2.2裝配成本特征映射裝配成本特征在這一階段可以得到絕大部分、準(zhǔn)確的信息，裝配成本的估算是比較準(zhǔn)確。散熱片的裝配較簡(jiǎn)單。8.2.3使用成本特征映射使用成本中的日常維