通過增材制造對冷板和換熱器設計進行熱流體分析的新工作流程

Part.01

增材制造的創新及其實際應用

增材制造（AM）是一種通過分層材料創建三維零件的過程，通常由數字3D模型數據指導。與傳統制造技術相比，AM具有以下優勢：

? 設計自由

? 高效的材料使用等

隨著金屬AM的進步，顯著的成本降低和精度的提高促進了實際應用。

此外，新材料和新工藝的發展刺激了制造業的創新轉型。值得注意的是，與熱管理和冷卻相關的應用正在引起人們的關注。冷卻裝置和熱交換器的新設計利用了AM提供的設計靈活性。例如，與傳統設計相比，汽車電力電子設備的冷板現在提供了三倍的表面積。相機等消費品的散熱性能提高了24%，展示了AM對熱管理和冷卻技術的革命性影響

Part.02

使用增材制造設計冷卻裝置的技術挑戰

使用AM設計用于熱管理和冷卻應用的冷板和熱交換器存在幾個技術挑戰，包括：

1)優化流量；

2)優化傳熱性能；

3)除了流體和熱性能外，還必須評估可制造性。

Part.03

CAE分析對增材制造的挑戰

在大多數計算機輔助工程（CAE）工作流程中，在CAD中創建三維形狀，然后將其導入CAE工具以生成體網格。然而，AM特定的建模工具使用隱式表示，而不是零件形狀的邊界表示（B-rep）。隱式表示使用一個字段來表示對象，該字段確定空間中的點是在對象內部還是外部。這允許非常復雜和靈活的設計，使其成為AM的理想建模方法。

然而，在CAE中使用隱式表示帶來了挑戰。許多CAE工具需要曲面網格來生成體網格。因此，在CAD中創建表面網格，例如STL文件，并將其導入CAE工具，或者CAE工具本身具有從CAD數據生成表面網格的能力。

在隱式表示的情況下，還需要創建曲面網格。然而，由于CAE工具不支持隱式表示，因此有必要使用AM或其他工具的建模工具生成類似STL的曲面網格。

雖然B-rep允許調整網格密度和曲面再現，但隱式表示僅從表示對象的場生成曲面網格。

圖1顯示了使用nTop建模和執行CAE分析的工作流程。如果需要高分辨率的B-rep曲面輸出（STL網格），則可能需要數小時才能生成，并且生成的大型數據集會增加CAE處理時間。另一方面，降低分辨率縮短了輸出時間，但導致降低CAE分析的準確性和可靠性。

Fig 1:增材制造設計中的CAE工作流程

Part.04

開發無STL的CFD網格生成技術

海克斯康Cradle CFD開發了一種不使用STL網格生成CFD網格的新方法。該方法中使用的工具是用于建模的nTop和用于CFD分析的Hexagon Cradle CFD scSTREAM。以下簡要概述了它們各自的特點。

nTop是一種基于隱式表示的建模工具，可以輕松創建為增材制造量身定制的形狀。此外，它還提供了一個名為nTop Core的第三方庫，可以查詢任意空間坐標處是否存在對象。

Cradle CFD scSTREAM是一種采用正交網格的CFD工具，由于其高效的網格劃分能力，通常用于電子設備，建筑物和HVAC（供暖、通風和空調）系統的熱分析。它支持基于正交網格的體素元素和切割單元元素，這些元素是通過沿CAD幾何切割體素元素而創建的。

scSTREAM中的正交網格生成和元素屬性確定機制與隱式表示概念具有很高的兼容性。通過利用scSTREAM中CFD網格化過程中通過nTop Core獲得的對象存在信息，可以在不使用STL的情況下生成CFD網格。進一步的優化可以實現高分辨率分析，同時保持快速的處理速度，即使網格數量變得非常大。

使用此方法的流程如下：

a)在nTop中，為CAD模型中的指定零件生成晶格結構。

b)在scSTREAM中，先基于CAD模型進行CFD網格劃分。

c)nTop中選擇“導出隱式”，并輸出隱式文件。

d)最后，使用nTop scSTREAM接口將隱式文件與零件相關聯，并將指定零件內的CFD網格元素轉換為晶格結構。

還可以利用多個隱式文件，使得冷板之外模型進行處理，例如具有多種流體和金屬的熱交換器。

這一發展有助于快速生成CFD網格和分析，而無需依賴STL。除了上述方法外，我們還開發了一種利用切割網格的更先進的技術。與前面的方法一樣，對象的存在是從nTop Core中獲得的，并用于網格生成，但在這種情況下，笛卡爾網格和對象之間的交點信息被檢索以創建切割網格。切割網格能夠將笛卡爾網格內的元素劃分為由平面組成的多面體，從而用更少的網格增強形狀保真度。用戶可以選擇高魯棒性笛卡爾網格方法或者更貼近實際模型的切割網格方法。

Part.05

應用案例

Part.06

文章總結

增材制造技術的進步使創新冷卻裝置的開發更接近實際應用。然而，設計優化需要使用CAE工具進行設計探索，復雜形狀數據到STL數據的耗時轉換仍然是一個挑戰。

為了解決這個問題，CradleCFD V2024.2開發了一種不需要STL的CFD網格生成新方法。通過利用nTop中的隱式表示并將其與scSTREAM的CFD網格技術相結合，實現了快速CFD分析。

在對具有陀螺晶格結構的鋁冷板進行CFD分析的應用案例研究中，使用新方法將CFD網格生成所需的時間從之前使用傳統方法需要260分鐘縮短到12秒。更重要的是，這種新方法通過CFD分析對晶格結構進行了設計探索，從而得出了最佳形狀，實驗證實，在相同的壓力損失下，與傳統的M形通道相比，冷卻性能提高了30%。當應用于電動汽車IGBT時，這項技術有望有助于電機小型化、提高能效和減少二氧化碳排放。