熱設計優(yōu)化的案例
板式換熱器優(yōu)化設計方法
01
板式換熱器優(yōu)化設計方向
近年來，板式換熱器技術日益成熟，其傳熱效率高，體積小，重量輕，污垢系數(shù)低，拆卸方便，板片品種多，適用范圍廣，在供熱行業(yè)得到了廣泛應用。板式換熱器按組裝方式分為可拆式、焊接式、釬焊式、板殼式等。由于可拆式板式換熱器便于拆卸清洗，增減換熱器面積靈活，在供熱工程中使用較多。可拆式板式換熱器受橡膠密封墊耐熱溫度的限制，適用于水一水傳熱。本文對提高可拆式板式換熱器效能的優(yōu)化設計進行研究。
提高板式換熱器的效能是一個綜合經濟效益問題，應通過技術經濟比較后確定。提高換熱器的傳熱效率和降低換熱器的阻力應同時考慮，而且應合理選用板片材質和橡膠密封墊材質及安裝方法，保證設備安全運行，延長設備使用壽命。
展開 常減壓裝置換熱網絡的優(yōu)化設計
常減壓裝置靈活加工換熱網絡的優(yōu)化設計.pdf
結構優(yōu)化設計分析系列（二）：熱固耦合優(yōu)化設計 ￥9
1.1 優(yōu)化設計概述
所謂優(yōu)化，是指最大化或最小化，而優(yōu)化設計是指尋找一種方案以滿足所有的設計要求，并且需要的支出最少。
優(yōu)化設計有兩種分析方法:解析法--通過求解微分與極值，求解出最小值;數(shù)值法--借助計算機和有限元，通過反復迭代逼近，求解出最小值。解析法需要列方程并求解微分方程，然而針對復雜的問題列方程和求解微分方程都是比較困難的，因此解析法常用于理論研究，很少應用于工程中。
隨著計算機的發(fā)展，結構優(yōu)化算法取得了較大的發(fā)展。根據(jù)設計變量的類型不同，結構優(yōu)化已由較低層次的尺寸優(yōu)化發(fā)展到較高層次的結構形狀優(yōu)化，進而發(fā)展到更高層次的拓撲優(yōu)化。優(yōu)化算法也由簡單的準則法發(fā)展到數(shù)學規(guī)劃法，進而發(fā)展到遺傳算法等。
在保證產品達到某些性能目標并滿足一定的約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設計變量，使產品的指標或性能達到最期望的目標，就是優(yōu)化方法。
1.2 優(yōu)化分析工具
ANSYS Workbench 結構優(yōu)化分析工具有5種，即 Direct Optimization(直接優(yōu)化工具)、Goal Driven Optimization(多目標驅動優(yōu)化分析工具)、Parameters Correlation(參數(shù)相關性優(yōu)化分析工具)、Response Surface(響應曲面優(yōu)化分析工具)及Six Sigma Analysis(六西格瑪優(yōu)化分析工具)。
(1)Direct Optimization(直接優(yōu)化工具):設置優(yōu)化目標，利用默認參數(shù)進行優(yōu)化分析，從中得到期望的組合方案。
(2)Goal Driven Optimization(多目標驅動優(yōu)化分析工具):從給定的一組樣本中得到最佳的設計點。
(3)Parameters Correlation(參數(shù)相關性優(yōu)化分析工具):可以得出某一輸入?yún)?shù)對響應曲面的影響的大小。
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01
板式換熱器優(yōu)化設計方向
近年來，板式換熱器技術日益成熟，其傳熱效率高，體積小，重量輕，污垢系數(shù)低，拆卸方便，板片品種多，適用范圍廣，在供熱行業(yè)得到了廣泛應用。板式換熱器按組裝方式分為可拆式、焊接式、釬焊式、板殼式等。由于可拆式板式換熱器便于拆卸清洗，增減換熱器面積靈活，在供熱工程中使用較多。可拆式板式換熱器受橡膠密封墊耐熱溫度的限制，適用于水一水傳熱。本文對提高可拆式板式換熱器效能的優(yōu)化設計進行研究。
提高板式換熱器的效能是一個綜合經濟效益問題，應通過技術經濟比較后確定。提高換熱器的傳熱效率和降低換熱器的阻力應同時考慮，而且應合理選用板片材質和橡膠密封墊材質及安裝方法，保證設備安全運行，延長設備使用壽命。
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常減壓裝置換熱網絡的優(yōu)化設計
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3D打印優(yōu)化設計熱交換器，性能提高了20倍
2021年9月22日，南極熊獲悉，伊利諾伊大學利用3D打印技術生產了下一代超小型熱交換器，實現(xiàn)了高達2000%的性能提升。
為了設計出創(chuàng)新的幾何形狀，工程師們開發(fā)了具有拓撲優(yōu)化功能的三維熱交換器設計軟件。這款軟件專門用于優(yōu)化現(xiàn)有的熱交換器設計，以最大限度地提高傳熱，同時最大限度地減少零件重量，這可能對能源、電子和航空航天等行業(yè)產生重大影響。
機械科學與工程教授William King說："我們開發(fā)了形狀優(yōu)化軟件來設計高性能的熱交換器，軟件使我們能夠識別出與傳統(tǒng)設計明顯不同且更好的3D設計。"
△優(yōu)化的3D打印熱交換器的效果圖，圖片來自伊利諾伊大學
熱交換器優(yōu)化設計的必要性
熱交換器主要用來將熱能從A點轉移到B點。它們在很多行業(yè)中都非常重要，幾乎所有產生熱量的復雜系統(tǒng)都要用到熱交換器。包括發(fā)電系統(tǒng)、運輸、石油和天然氣加工、水淡化和消費電子產品的熱管理。
目前，全球范圍內有數(shù)以百萬計的熱交換器在使用，它們的性能和效率對于降低碳排放非常重要。人們需要高表面積的熱交換器，以促進有效的散熱，同時也要做到緊湊和輕巧。在像航空航天這樣的一些行業(yè)，部件的尺寸和質量對系統(tǒng)的性能、范圍和成本有直接影響。
在過去的幾十年里，熱交換器的設計并沒有什么變化。主要是受限于傳統(tǒng)制造技術，沒有能力制造復雜的結構，比如優(yōu)化熱流的內部通道。然而，隨著金屬3D打印技術的發(fā)展，以前被認為不可能的3D熱交換器設計可以輕松地制造出來。所需要的只是一個專門的軟件工具來設計新的、更有效的設備。
優(yōu)化的管中管熱交換器
開發(fā)團隊使用三維設計軟件，開發(fā)了一種特殊類型的熱交換器，叫作管中管交換器，經常用于飲用水系統(tǒng)和建筑能源系統(tǒng)中。管中管交換器的特點是內管嵌套在外管中。
展開 AI賦能電子散熱設計，迅速識別熱風險，實現(xiàn)散熱設計優(yōu)化（內含干貨直播）
wx_fmt=jpeg&from=appmsg"></p><p class="ql-align-right">介紹Celsius Studio的相關功能模塊；AI賦能仿真優(yōu)化，協(xié)助您迅速識別熱風險，實現(xiàn)散熱設計優(yōu)化。</p><p class="ql-align-right">點擊圖片進入預約??</p><p class="ql-align-justify"> 今年2月1日——楷登電子（美國 Cadence 公司，NASDAQ：CDNS）宣布推出 Cadence? Celsius? Studio，率先在業(yè)內提供完整的用于電子系統(tǒng)的AI散熱設計和分析解決方案，可滿足現(xiàn)代電子設計中日益復雜的散熱需求。</p><p class="ql-align-justify"> Celsius Studio可用于PCB和完整電子組件的電子散熱設計，也可用于2.5D和3D-IC封裝的熱與熱應力分析。當前市場上的產品主要由不同的零散工具組成，而Celsius Studio引入了一種全新的方法，通過一個統(tǒng)一的平臺，電氣和機械/熱工程師可以同時設計、分析和優(yōu)化產品性能，無需進行幾何體簡化、操作和轉換。</p><p class="ql-align-justify"> 在當前市場上，大多數(shù)散熱解決方案由各種零散的工具組成，這不僅增加了使用的復雜性，還降低了工作效率。Celsius Studio無需進行幾何體簡化、操作或轉換，大大簡化了設計流程，減少了可能出現(xiàn)的錯誤和延誤。這一特性使得工程師們能夠更專注于創(chuàng)新設計，而不是在處理繁瑣的格式轉換問題上耗費時間。
展開 優(yōu)化設計，提升性能 | 《ANSYS換熱器設計與開發(fā)仿真解決方案》現(xiàn)已開放領取
定義和應用
換熱器的種類
使用換熱器面臨的巨大挑戰(zhàn)
換熱器的分析與設計過程
分析方法
仿真對換熱器設計和開發(fā)的影響
換熱器設計難點與方案
預測換熱器結垢
換熱器設計和開發(fā)的最佳實踐
1 擴散器形狀優(yōu)化
· 工程挑戰(zhàn)
· 仿真復雜性
· Ansys應對挑戰(zhàn)的關鍵功能
· 入口擴散器的形狀優(yōu)化研究案例
2 導管螺紋形狀優(yōu)化
· 工程挑戰(zhàn)
· 仿真復雜性
· Ansys應對挑戰(zhàn)的關鍵功能
· 波紋管
· 嚙合波紋管
3 共軛傳熱（CHT）
· 工程挑戰(zhàn)
· 仿真復雜性
· Ansys應對挑戰(zhàn)的關鍵功能
· Ansys Workbench Meshing 針對CHT繪制網格
4 冷熱循環(huán)熱機疲勞
· 工程挑戰(zhàn)
· 仿真復雜性
· Ansys應對挑戰(zhàn)的關鍵功能
5 蒸發(fā)和冷凝
· 工程挑戰(zhàn)
· Ansys應對挑戰(zhàn)的關鍵功能
· Semi-Mechanistic沸騰模型
· 蒸發(fā)和冷凝案例研究
6 系統(tǒng)耦合能力（0D，1D，3D耦合）
· 工程挑戰(zhàn)
· Ansys應對挑戰(zhàn)的關鍵
· 換熱器庫
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展開 基于AMESim的純電動汽車熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化設計 附AMESim優(yōu)化過程基礎操作及DOE&遺傳算法G
基于AMESim軟件建立了完整的純電動汽車的熱管理系統(tǒng)模型，并通過整車實驗驗證了模型的正確性．在此模型的基礎上，本文分別對水冷系統(tǒng)、高溫環(huán)境下的熱管理系統(tǒng)及爬坡工況下的熱管理系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計，并對熱管理系統(tǒng)的控制策略進行了優(yōu)化，使熱管理系統(tǒng)能適應不同工況和環(huán)境溫度的整車熱管理要求．本文基于AMESim軟件對純電動汽車的熱管理系統(tǒng)進行優(yōu)化設計的方法為研究和開發(fā)純電動汽車的熱管理系統(tǒng)提供了思路和參考。
0引言
純電動汽車是未來汽車發(fā)展的重要方向，也是目前發(fā)展最快的新能源汽車之一．為了系統(tǒng)地研究純電動汽車的能量流動，需要對它建立完整的熱管理系統(tǒng)．這不僅是汽車零部件散熱的需求，更是提高整車能源效率的重要手段．
本文利用AMESim軟件搭建了一套比較完整的純電動汽車熱管理系統(tǒng)的仿真模型，并通過實驗驗證模型的正確性，并在此模型基礎上對整車熱管理系統(tǒng)進行優(yōu)化設計．
1純電動汽車熱管理的要求
本文研究的純電動汽車的參數(shù)如表1所示．
本文研究的整車熱管理系統(tǒng)主要包括兩部分：電動汽車前艙水冷系統(tǒng)和電池包風冷系統(tǒng)．其中水冷系統(tǒng)的結構如圖1所示。
展開 【Flotherm系列】優(yōu)化PCB熱設計的十大技巧
PCB性能的很多方面是在詳細設計期間確定的，例如：出于時序原因而讓一條走線具有特定長度。元器件之間的溫度差也會影響時序問題。PCB設計的熱問題主要是在元器件（即芯片封裝）選擇和布局階段 “鎖定”。在這之后，如果發(fā)現(xiàn)元器件運行溫度過高，只能采取補救措施。我們倡導從系統(tǒng)或整機層次開始的由上至下設計方法，以便了解電子設備的熱環(huán)境，這對風冷電子設備非常重要。早期設計中關于氣流均勻性的假設若在后期被證明無法實現(xiàn)，將對產品的商業(yè)可行性帶來災難性影響，并最終失去市場機會。
優(yōu)化熱布局
“盡早開始并從簡單的做起”，這是金科玉律。負責產品熱設計的工程師應當向電子工程師提供盡可能多的反饋意見，優(yōu)化PCB熱設計，尤其是在早期設計階段。
從熱設計工程師的角度看，在PCB 設計時，幫助確定封裝選擇和理想的元器件位置布局，以利用系統(tǒng)氣流進行散熱。當然，布局和封裝選擇主要取決于電子性能與成本考慮。但是，應當盡可能弄清這些會給熱性能帶來怎樣的后果，因為溫度和散熱同樣會影響性能與成本。
1開始預布局
在電子設計流程中，完成PCB布線之前有大量工作可以做。
展開 CFD技術手段在整車熱流性能優(yōu)化設計的應用
（文章來源：公眾號流動的汽車）
某型集裝箱儲能電池模塊的熱設計研究及優(yōu)化
3 總 結
本文以某型集裝箱儲能系統(tǒng)電池單元模塊為研究對象，基于ICEM、Fluent 軟件對其熱性能特性進行分析及優(yōu)化。得出如下結論。
（1）隨著導流板寬度的增加，電池散熱面的散熱效果越好，但是受限于電池模塊內部剩余空間的大小，導流板的寬度不能過大，避免在受到外力撞擊作用下?lián)p壞電池結構。
（2）隨著導流板角度的增加，電池的散熱效果也會變好，散熱效果最好的是將導流板與電池模塊表面垂直的情況。
（3）在風冷系統(tǒng)中，導流板的合理布置可以有效地降低電池散熱面的最高溫度和平均溫度，根據(jù)仿真結果在導流板布置空間允許的情況下，盡可能處置與電池模塊壁面布置導流板，并且導流板的寬度也要盡可能的大。
文章來源：泊松比
展開 Moldex3D模流分析之建準電機應用Moldex3D優(yōu)化熱流道設計
可以發(fā)現(xiàn)充填初期(0.078秒)熱流道內部箭頭位置料溫極低，而到了0.156秒，因高速射出剪切生熱，冷料減少，填充至VP時幾乎無料溫偏低趨勢。
圖二 充填階段流動波前溫度分析：(a) 0.078秒，(b) 0.156秒，(c) 0.231秒，(d) 0.329秒 (VP)
進一步觀察各階段波前溫度變化，結果如圖三所示。在EOF時，流道冷料僅出現(xiàn)于轉角，而到了EOC，許多區(qū)域皆開始出現(xiàn)冷料，到了開模階段，塑料低溫情況加重，同樣的情況也可以由熱澆道截面溫度結果得知(圖四)，這些都導致射出壓力過高且不穩(wěn)定的情況。
圖三 各階段流動波前溫度分析：(a) EOF，(b) EOP，(c) EOC，(d) 開模
圖四 各階段熱澆道截面溫度分析：(a) EOF，(b) EOP，(c) EOC，(d)開模
根據(jù)上述分析結果，建準電機將熱澆道做局部優(yōu)化，針對熱流板、加熱線圈以及流道轉角進行設計優(yōu)化，結果如圖五所示。優(yōu)化設計后的分析結果如圖6所示，熱流道內部，箭頭標示位置，已經沒有溫度過低趨勢，而熱流道外部也有相同結果。
圖五 熱澆道之原始設計和設計變更比較
圖六 優(yōu)化后之塑料流動波前溫度分析：(a) 熱流道內部 ，(b) 熱流道外部 (時間:EOF)
實際試模結果如圖七、圖八，結果顯示建準電機將熱澆道做局部優(yōu)化后，產品射出時不合理壓力過高情況已經獲得改善。
圖七 現(xiàn)場壓力響應圖比較(熱澆道及噴嘴損失壓力)
圖八 現(xiàn)場壓力響應圖比較(產品射出)
結果
建準電機藉由Moldex3D進階熱流道模塊分析發(fā)現(xiàn)冷料位置，確實找出射出不穩(wěn)定與壓力異常原因。利用軟件分析之冷料位置進行設計變更優(yōu)化，內容包含流道設計與熱澆道加熱系統(tǒng)設計。
展開 新風口下，熱設計現(xiàn)狀及發(fā)展前景
二、熱設計難度加大
面對日趨激烈的市場競爭，單憑經驗固步自封已經行不通了。特別是如今5G興起，對終端產品熱設計提出了更高的挑戰(zhàn)。以5G手機為例，在與4G手機厚度相當?shù)那闆r下，考慮到5G手機因天線數(shù)量增加導致內部結構更復雜，以及其系統(tǒng)功耗倍增4-5倍等因素，這相當于壓縮了整個熱設計通路的空間，大大增加了熱設計的難度。
不探索新的散熱解決方案根本無法滿足5G終端產品的設計需求。對此，熱仿真將起到很好的輔助設計作用。
熱仿真就是通過計算機仿真技術，建立一個接近實際系統(tǒng)的模型，利用物理熱力學原理及物質熱屬性來分析研究系統(tǒng)（產品）的熱學特性的仿真實驗分析。
熱仿真對熱設計的指導，主要體現(xiàn)在以下方面：
確定散熱方式是否合理
對不同的散熱方案進行篩選，選取最優(yōu)的散熱方案
優(yōu)化結構
散熱部件的選型，比如風扇，熱管，散熱器等
以最惡劣的工況和參數(shù)來進行仿真，以最惡劣的仿真結果來評判溫度是否合格，從而覆蓋一些誤差和不確定性，為熱設計保留一定余量，再通過實測結果，來微調。
三：企業(yè)更加重視熱設計與熱仿真
于企業(yè)而言，產品熱設計更加關鍵，而學習CAE仿真技術，應用熱仿真分析方法，對于縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本、提高產品可靠性，具有關鍵的實用價值。很多大企業(yè)例如華為、中興、TCL等知名企業(yè)，很早就開始采用CAE仿真技術。
通過CAE熱仿真，可以任意查看產品不同環(huán)境和工況條件下的溫度狀況，節(jié)約時間和樣品費用成本。熱仿真作為熱設計的重要輔助，已漸漸成為不可或缺的環(huán)節(jié)，為熱設計優(yōu)化提供了關鍵性的支撐。從驗證設計到驅動設計，提升產品綜合競爭力。
展開 基于Simsolid的MCM-BGA封裝體運行溫度及熱應力分析與優(yōu)化設計
圖10為兩種計算方法得到的熱點焊點的熱應力分布。熱應力的分布在兩種計算方法下均表現(xiàn)為靠近基板邊緣處的熱應力數(shù)值較高，基板中心處的熱應力數(shù)值低。對圖11所示的直線A與直線B方向上焊點的熱應力進行提取進行比較可以發(fā)現(xiàn)，Simsolid與ABAQUS計算得到的熱應力的數(shù)值差異很小，其結果的差異在9%以內。
圖10 ABAQUS與Simsolid熱點焊處置熱應力分布
圖11 ABAQUS與Simsolid熱點焊處置熱應力比較
Chapter 3 MCM-BGA封裝體的優(yōu)化設計
基于前述分析，本節(jié)將對MCM-BGA封裝體進行優(yōu)化設計，其準則應當是盡量降低封裝體運行時的溫度以及熱應力數(shù)值。優(yōu)化設計的結構為封裝基板及熱接觸材料。通過改變其厚度進行熱分析與熱應力分析，得到不同模型下的溫度場及熱應力。模型建立過程與前述相同，在此不再闡述。
3.1 封裝基體的厚度對熱應力的影響
圖12為不同封裝基板厚度模型下計算得到的最高溫度及最大熱應力。從圖12可以看出，當封裝基板的厚度為1.1mm時，該封裝體在運行時的溫度最低，熱應力峰值最小，因此選擇封裝基板厚度為1.1mm更為合理。值得說明的是，不同封裝基板厚度下的最大熱應力均產生在芯片與封裝基板連接處的熱點焊位置，如圖13所示。
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