01

熱設(shè)計(jì)與仿真的概念

隨著電子器件與設(shè)備朝著微型化方向發(fā)展，功耗不斷上升，高熱流密度散熱的需求越來(lái)越迫切， 熱設(shè)計(jì)也受到更多的重視。 熱設(shè)計(jì)是采用適當(dāng)可靠的方法控制產(chǎn)品內(nèi)部所有電子元器件的溫度，使其在所處的工作環(huán)境條件下不超過(guò)穩(wěn)定運(yùn)行要求的最高溫度，以保證產(chǎn)品正常運(yùn)行的安全性，長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。此外，低溫環(huán)境下控制加熱量而使設(shè)備啟動(dòng)也是熱可靠性的重要內(nèi)容。在現(xiàn)代社會(huì)中，隨著人們對(duì)能源消耗和環(huán)境保護(hù)的重視程度不斷提高，熱設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了一項(xiàng)重要的技術(shù)領(lǐng)域。在通訊、安防、PC、汽車、LED以及逆變器等行業(yè)中越來(lái)越被重視，已成為產(chǎn)品研發(fā)中不可缺少的重要領(lǐng)域。

熱設(shè)計(jì)是指通過(guò)對(duì)產(chǎn)品或系統(tǒng)進(jìn)行熱分析和模擬，確定其內(nèi)部熱量分布和傳遞路徑，并通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)提高其熱性能的過(guò)程。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同，熱設(shè)計(jì)可以分為建筑熱設(shè)計(jì)、電子熱設(shè)計(jì)、汽車熱設(shè)計(jì)等不同類型。此外，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)的不同，熱設(shè)計(jì)還可以分為熱管理、熱傳遞、熱舒適性等不同方面。

圖源：百度

熱設(shè)計(jì)工作是一個(gè)閉環(huán)，從項(xiàng)目前期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，硬件布局，軟件控制，材料選型到后期的溫升測(cè)試，都應(yīng)該有熱設(shè)計(jì)工程師的參與。同時(shí)，產(chǎn)品迭代速度加快的需求使得留給工程師的設(shè)計(jì)周期越來(lái)越短，因此，越來(lái)越多企業(yè)采用熱仿真來(lái)降低成本、加速研發(fā)，提升功率器件的熱性能可靠性，從而高效驅(qū)動(dòng)熱設(shè)計(jì)。

例如，在對(duì)電子產(chǎn)品系統(tǒng)進(jìn)行散熱仿真分析時(shí)，通常會(huì)用到散 熱仿真軟件--采用計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)(CFD)，對(duì)系統(tǒng)在層流、湍流或過(guò)渡態(tài)狀態(tài)下的導(dǎo)熱、對(duì)流及輻射情況進(jìn)行求解，獲得系統(tǒng)流動(dòng)傳熱的參數(shù)分布。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最初期，工程師就可以利用軟件創(chuàng)建虛擬模型，對(duì)多種系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估，識(shí)別潛在的散熱風(fēng)險(xiǎn)，規(guī)避樣機(jī)試制風(fēng)險(xiǎn)，減少重復(fù)設(shè)計(jì)，縮短開發(fā)周期，降低成本。

目前市場(chǎng)流行的電子散熱仿真軟件有：

1）Ansys Icepak

2）Simcenter Flotherm

3）Altair SimLab

4）6SigmaET

5）SolidWorks Flow Simulation

6）Autodesk CFD

7）SINDA/FLUINT

8）Simetherm

9）TAITherm

10）SimScale

......

圖源：百度

02

熱設(shè)計(jì)的發(fā)展歷史

早在19世紀(jì)末期，人們就開始研究如何通過(guò)改善建筑物的隔熱性能來(lái)減少能源消耗。20世紀(jì)初期，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電子設(shè)備的發(fā)熱問(wèn)題也日益突出。為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們開始研究如何通過(guò)優(yōu)化電子設(shè)備的散熱系統(tǒng)來(lái)提高其效率。到了20世紀(jì)50年代，隨著汽車工業(yè)的興起，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱問(wèn)題也成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們開始研究如何通過(guò)改進(jìn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)來(lái)提高其散熱效率。

圖源：云道智造電子散熱仿真軟件Simetherm可對(duì)電子元器件、設(shè)備等進(jìn)行熱仿真分析

03

熱設(shè)計(jì)與仿真的重要性

如果在設(shè)計(jì)階段沒(méi)有認(rèn)真地進(jìn)行熱設(shè)計(jì)并采取相應(yīng)的措施，可能會(huì)在產(chǎn)品試制階段甚至要投入量產(chǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)熱引起的問(wèn)題。雖然問(wèn)題不僅限于熱，但是越接近量產(chǎn)階段，采取對(duì)策所需的時(shí)間越多，成本也越高，甚至?xí)霈F(xiàn)產(chǎn)品交貨延遲，導(dǎo)致錯(cuò)失商機(jī)的大問(wèn)題。最壞的情況是在市場(chǎng)中才出現(xiàn)問(wèn)題，從而導(dǎo)致召回和信用問(wèn)題。

盡管我們不愿意去想象熱引發(fā)的問(wèn)題，但熱處理不當(dāng)非常有可能引發(fā)冒煙、起火、甚至火災(zāi)等涉及人身安全的問(wèn)題，所以，熱設(shè)計(jì)從根本上講是非常重要的。因此，從開始階段就必須切實(shí)地做好熱設(shè)計(jì)。除此之外，還需要認(rèn)識(shí)到的是，隨著技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的變化，熱設(shè)計(jì)變得比以往任何時(shí)候都更加嚴(yán)苛。如前所述，設(shè)備不僅要求元器件日益“小型化”和“高性能化”，而且還要求出色的“設(shè)計(jì)靈活性”。

圖源：汽車熱管理算法及聯(lián)合仿真平臺(tái)

04

熱仿真應(yīng)用場(chǎng)景：以新能源電池為例

新能源電池代表著未來(lái)能源發(fā)展的方向，具有高能量密度、長(zhǎng)壽命、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。它們被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能系統(tǒng)、移動(dòng)設(shè)備等領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)清潔能源的普及化做出了重要貢獻(xiàn)。

追蹤電池?zé)狁詈闲?yīng) :新能源電池在充放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，嚴(yán)重影響電池的性能和壽命。熱仿真技術(shù)可以幫助我們深入分析電池的熱耦合效應(yīng)，為電池散熱系統(tǒng)的優(yōu)化提供有力支撐。

圖源：動(dòng)力電池包（強(qiáng)制風(fēng)冷對(duì)流換熱）

熱傳導(dǎo)仿真：通過(guò)仿真分析電池內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過(guò)程，我們可以了解不同材料和結(jié)構(gòu)對(duì)熱量傳輸?shù)挠绊懀瑑?yōu)化電池的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高電池的散熱效果。

圖源：動(dòng)力電池包（自然對(duì)流 及輻射換熱）

熱失控仿真：電池在異常工況下可能發(fā)生熱失控，產(chǎn)生過(guò)高溫度，嚴(yán)重威脅電池的安全性。通過(guò)熱仿真技術(shù)，我們可以預(yù)測(cè)電池在不同工況下的溫度分布，提前發(fā)現(xiàn)潛在的熱失控風(fēng)險(xiǎn)，采取相應(yīng)的安全措施。

圖源：動(dòng)力電池包（水冷）

05

熱仿真代表企業(yè)（排名不分先后）

1）Siemens：全球性的工業(yè)自動(dòng)化解決方案提供商，其熱設(shè)計(jì)產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于電子、建筑、汽車等領(lǐng)域。開發(fā)的新型熱仿真解決方案已攻克自動(dòng)駕駛電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

2）COMSOL：全球多物理場(chǎng)建模解決方案的提倡者與領(lǐng)導(dǎo)者。其旗艦產(chǎn)品COMSOL Multiphysics 使工程師和科學(xué)家們可以通過(guò)模擬，賦予設(shè)計(jì)理念與生命。它有無(wú)與倫比的能力，使所有的物理現(xiàn)象可以在計(jì)算機(jī)上完美重現(xiàn)。

3）云道智造：致力于“仿真PaaS平臺(tái)+仿真APP”的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)模式重構(gòu)仿真軟件體系，創(chuàng)新性地解決仿真技術(shù)難以大眾化應(yīng)用的問(wèn)題。目前，云道智造推出了多物理場(chǎng)通用仿真PaaS平臺(tái)Simdroid和開放兼容的云仿真SaaS平臺(tái)Simcapsule，并搭建了基于云的工業(yè)APP商店Simapps，實(shí)現(xiàn)了仿真APP的無(wú)代碼化開發(fā)、云原生部署與在線應(yīng)用，為廣大中小制造企業(yè)提供低成本、高精度的專用云化仿真工具。

4）上海坤道：前身為英國(guó)Flomerics公司中國(guó)代表處。一直以來(lái)，坤道專注于熱仿真和熱測(cè)試領(lǐng)域，為電子半導(dǎo)體、汽車、航天航空等行業(yè)提供Simcenter FloEFD/Flotherm Flexx/Flomaster等流體傳熱仿真軟件解決方案和Simcenter T3STER熱阻測(cè)試、Simcenter POWERTESTER功率循環(huán)測(cè)試、SanjSCOPETM 熱反射率成像系統(tǒng)等硬件解決方案。

5）安世亞太：業(yè)內(nèi)最早從事仿真軟件自主研發(fā)、咨詢及服務(wù)的廠商之一。仿真產(chǎn)品主要包括通用仿真軟件PERA SIM、仿真云平臺(tái)PERA SIM Cloud、聯(lián)合仿真工具PERA HySim、專業(yè)仿真工具如高頻噪聲分析軟件PERA SIM ProNas、多學(xué)科優(yōu)化軟件PERA SIM Cube、綜合仿真平臺(tái)PERA SIM Space等。

6）有限元科技：以工業(yè)軟件開發(fā)為核心，以CAD/CAE為主業(yè)，集工業(yè)軟件銷售、軟件二次開發(fā)、技術(shù)咨詢、培訓(xùn)為一體的國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)，元王憑借在有限元分析領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)積累和專業(yè)團(tuán)隊(duì)的技術(shù)實(shí)力，致力于為新能源電池行業(yè)提供高效、可靠的結(jié)構(gòu)仿真和熱仿真解決方案。

7）Future Facilities：全球領(lǐng)先的CAE軟件供應(yīng)商，開發(fā)出的6SigmaET是新一代的熱分析工具。

8）貝思科爾：專注為國(guó)內(nèi)高科技電子及半導(dǎo)體等行業(yè)提供先進(jìn)的電子/結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、散熱仿真分析、半導(dǎo)體熱可靠性測(cè)試及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)信息化管理的解決方案和咨詢服務(wù)。代表產(chǎn)品有電子散熱仿真分析軟件（FloTHERM）。

9）十灃科技：是國(guó)產(chǎn)工業(yè)仿真軟件的新銳代表企業(yè)之一，核心技術(shù)脫胎于國(guó)家重大科研計(jì)劃和行業(yè)工程化應(yīng)用項(xiàng)目。產(chǎn)品與解決方案已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類高端裝備制造、工業(yè)生產(chǎn)以及城市公共管理領(lǐng)域，涵蓋了航空航天裝備、船舶與海洋工程、新能源、電子電器、汽車制造、智慧工廠、智慧城市等多個(gè)領(lǐng)域的核心通用軟件、行業(yè)專用軟件、數(shù)字孿生和云平臺(tái)三大類產(chǎn)品。

10）天洑軟件：專注于具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能設(shè)計(jì)、快速仿真、優(yōu)化、運(yùn)維類工業(yè)軟件的研發(fā)。同時(shí)，天洑軟件還為用戶提供定制開發(fā)服務(wù)，包括CAE前后處理開發(fā)、專用求解器開發(fā)、工業(yè)設(shè)計(jì)平臺(tái)搭建、人工智能平臺(tái)開發(fā)、輔助工具開發(fā)等。天洑在業(yè)內(nèi)率先采用AI加速算法體系，克服了流體及結(jié)構(gòu)仿真分析耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)的業(yè)界難題。目前，天洑軟件的主打產(chǎn)品為智能熱流體仿真軟件AICFD、智能結(jié)構(gòu)仿真軟件AIFEM、智能優(yōu)化軟件AIPOD、智能數(shù)據(jù)建模軟件DTEmpower等通用軟件。

11）英特仿真：自成立以來(lái)就專注于自主可控的國(guó)產(chǎn)CAE軟件研發(fā)，擁有剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)、流體、低頻電磁、熱、聲學(xué)等自主研發(fā)的仿真分析軟件。其多物理場(chǎng)耦合軟件是目前國(guó)內(nèi)CAE自主軟件產(chǎn)品中物理場(chǎng)完整度、耦合方法體系成熟度均領(lǐng)先的產(chǎn)品；建模與可視化平臺(tái)產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)全流程參數(shù)化建模及大規(guī)模并行可視化。此外，英特仿真還擁有云平臺(tái)、數(shù)字孿生軟件、數(shù)字人軟件等戰(zhàn)略新產(chǎn)品。

12）世冠科技：專業(yè)從事工業(yè)軟件系統(tǒng)仿真技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用，為復(fù)雜裝備研制單位和工業(yè)制造企業(yè)，提供可支撐產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)及使用運(yùn)維、覆蓋產(chǎn)品全生命周期的完全自主研發(fā)的系統(tǒng)仿真工業(yè)軟件和數(shù)字孿生解決方案。目前，世冠科技自主研發(fā)了具備設(shè)計(jì)、建模、仿真、測(cè)試一體化能力的通用型工業(yè)軟件，開發(fā)了仿真測(cè)試一體化平臺(tái)軟件GCAir及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真軟件GCKontrol。其中，GCKontrol是Simulink的國(guó)產(chǎn)替代產(chǎn)品，應(yīng)用于新能源/智能網(wǎng)聯(lián)汽車等智能制造領(lǐng)域。

13）ThermoAnalytics：開發(fā)的TAITherm 是專業(yè)三維熱仿真分析工具RadTherm 的升級(jí)產(chǎn)品，在繼承RadTherm 特征的基礎(chǔ)上，開發(fā)了新型高效求解器Multigrid Solver，求解效率和精度均有大幅度提高。

14）適創(chuàng)科技：專注于智能工業(yè)設(shè)計(jì)和CAE的研究和應(yīng)用，核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于自主研發(fā)的高性能網(wǎng)格剖分、計(jì)算流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)等的物理算法求解器；基于拓?fù)鋬?yōu)化等最優(yōu)化算法對(duì)工業(yè)產(chǎn)品和制造工藝問(wèn)題提供智能設(shè)計(jì)解決方案；利用完全云原生技術(shù)快速迭代產(chǎn)品開發(fā)流程。

15）超算科技：專注于工業(yè)與工程設(shè)計(jì)計(jì)算軟件開發(fā)與應(yīng)用。超算科技的系列產(chǎn)品包括：超算有限元分析系統(tǒng)、超算GPU并行有限元分析系統(tǒng)，計(jì)算功能涉及固體結(jié)構(gòu)分析、傳熱分析、電磁分析、材料分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、滲流分析、流變分析等。

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