熱分析及優化的案例
結構優化設計分析系列（二）：熱固耦合優化設計 ￥9
1.1 優化設計概述
所謂優化，是指最大化或最小化，而優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。
隨著計算機的發展，結構優化算法取得了較大的發展。根據設計變量的類型不同，結構優化已由較低層次的尺寸優化發展到較高層次的結構形狀優化，進而發展到更高層次的拓撲優化。優化算法也由簡單的準則法發展到數學規劃法，進而發展到遺傳算法等。
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，就是優化方法。
1.2 優化分析工具
ANSYS Workbench 結構優化分析工具有5種，即 Direct Optimization(直接優化工具)、Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具)、Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具)、Response Surface(響應曲面優化分析工具)及Six Sigma Analysis(六西格瑪優化分析工具)。
(1)Direct Optimization(直接優化工具):設置優化目標，利用默認參數進行優化分析，從中得到期望的組合方案。
(2)Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具):從給定的一組樣本中得到最佳的設計點。
(3)Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具):可以得出某一輸入參數對響應曲面的影響的大小。
展開 聯合仿真實現芯片熱仿真分析流程迭代優化應用
與目前常用的遺傳算法和模擬退火算法等優化算法相比，改進Taguchi優化算法表現出了以下優點：
應用簡單
有效降低實驗次數
快速的收斂速率
解的全局最優性
最優解與優化的初始參數高度非相關
引入隨機機制，較高程度避免陷入局部最優
引入充分的內循環搜索機制提高最優解可信度
Ackley 函數，Ackley函數是峰、谷相互交替函數， 但函數值變化不劇烈，整體朝全局最小值方向下降趨勢明顯，較易于收斂。此測試函數的 2D 視圖和等高線如下圖。
四
優化算法應用
應用安世亞太自主開發的Hysim聯合仿真分析平臺，通過封裝集成優化算法，對芯片熱仿真分析流程進行迭代優化，最終找到最佳PCB設計。
智能算法應用介紹
利用智能化算法可以協助設計工程師快速、智能的尋找出最優設計點，深度剖析實驗設計算法、代理模型算法、優化算法等算法的原理，并深入探討各類智能算法在產品敏感性分析、置信度評估、模型修正、迭代優化等方面的應用。
展開 汽車變速器齒輪軸熱處理優化分析
Cr：鉻在鋼中主要存在于M23C6中，也溶于M6C和MC型碳化物，促使其溶于奧氏體，增加奧氏體合金含量；淬火加熱時，鉻幾乎溶于奧氏體，主要起增加鋼的淬透性作用；鉻的添加使鋼具有一定的耐蝕性，并提高耐磨性優化滲碳時的滲碳參數。
Ti：鈦與碳形成硬度極高的碳化物，在鋼中呈彌散分布時起到定扎晶界的作用，能抑制晶粒長大從而起到細化晶粒的作用，同時提高鋼的硬度、強度和耐磨性。
20CrMnTi的臨界點為：Ac1：740℃，Ar1：650℃，Ac3：825℃，MS：365℃。
3 熱處理優化分析
該20CrMnTi齒輪軸所制定的加工工藝路線為：鍛造→正火→機加工→碳氮共滲→淬火→回火→精磨→噴丸。
毛坯料在鍛造后需調整組織狀態才適合于機加工，有3種常規預備熱處理方法均能滿足組織性能要求：方案1退火、方案2調制、方案3正火。其中，方案2需要回火，時間長、耗能多，所以這里不采用調制作為機加工前的預備熱處理。方案1與方案3在耗能方面沒有差別，但方案1需要工件隨爐冷卻，生產周期長，不采用。所以采用的是正火作為機加工前的預備熱處理。
20CrMnTi本身的性能還不足以滿足該齒輪軸的全部性能，需要進行化學熱處理提高表層組織性能。滿足性能要求的可行方案有：方案1滲碳、方案2滲氮、方案3氮碳共滲、方案4碳氮共滲。其中方案2與方案3其所得表層組織高硬高耐磨，但是耐沖擊性能較差，而該齒輪軸在使用過程中可能會遭遇一定的沖擊載荷，氮化層在受到沖擊后可能會出現小塊剝落，造成齒輪軸與齒輪的磨粒磨損，對長期使用的壽命不利，故方案2與方案3不采用。方案1與方案4的深層均能較好的滿足高疲勞強度和高耐磨的性能，但是方案1滲碳的溫度較高，淬火時需要預冷，操作較為繁瑣，而不預冷直接淬火則會產生較大變形，對零件精度不利。
展開 汽車發動機艙熱管理三維仿真分析與優化
[摘要] 利用CFD（Computational Fluid Dynamics）數值模擬方法對某車型汽車發動機艙流場進行仿真分析，發現該車發動機艙冷卻模塊和進氣格柵組成的“前艙”回流現象明顯，熱源局部高溫。針對以上問題，提出了布置密封導流通道、冷卻模塊傾斜5°、冷卻風扇中置及采用雙冷卻風扇4 種優化方案，經過比較分析發現，在進氣格柵與冷卻模塊之間增加密封導流通道，空氣流量提高明顯，經過散熱器的空氣流量平均提高了10%以上，經過中冷器的空氣流量平均提高了50%以上，有效改善了原車發動機艙的散熱性能。
引言
目前，人們對汽車各方面性能要求越來越高，各種新興技術如渦輪增壓、缸內分層燃燒、可變氣門升程、可變進氣歧管技術等相繼應用于汽車上，增加了汽車發動機艙的負擔；再加上現代汽車逐步傾向低車身、小車型等流線型設計，發動機艙零部件眾多、空間狹小、散熱困難。散熱狀況惡化，將嚴重影響汽車發動機的動力性和經濟性，因此，如何讓冷卻空氣在經過發動機艙時充分、有組織、高效地將熱量帶出，是發動機艙熱管理的主要工作。然而，發動機艙物理現象復雜、幾何形狀復雜、性能參數眾多，對其散熱特性進行評估具有一定難度。
傳統開發過程中，通常先采用經驗或工程估算的方法評估散熱性能，進行產品設計。產品定型后，進行相關散熱特性測試，根據測試結果，反復修改設計方案直到達到設計要求[2]，不僅增加了產品設計周期，而且浪費了大量的人力物力。
隨著計算流體力學的發展，運用CFD 仿真和實驗相結合的方式處理發動機艙熱管理問題，成本低、周期短，越來越受到各大汽車廠商的青睞。在發動機艙熱管理問題的分析和優化預測過程中，應用三維仿真軟件能夠達到流場的具象化和避免優化方案的多次試驗浪費[3]。
展開 
汽車B柱內板熱沖壓成形工藝優化的模擬分析
摘 要：針對某品牌汽車B柱內板的成形工藝問題，研究了零件22MnB5高強度鋼的熱沖壓成形參數對成形質量的影響，以最大減薄率、最大增厚率和最大回彈量為評價目標，通過正交實驗和極差分析，獲得零件熱沖壓成形的最優工藝參數，并完成最優工藝參數的成形仿真和回彈分析，仿真結果表明零件的厚度分布均勻，零件最大減薄率為10.1%,最大增厚率為7.1%,零件的回彈量小，最大回彈量為0.714 mm,該零件成形質量符合設計要求，表明了該零件熱沖壓成形優化方案的可行性。
關鍵詞：B柱內板;熱沖壓;工藝參數;
目前，中國汽車工業飛速發展，汽車保有量逐年上升，同時也面臨能源、環保等問題，如何開發節能環保的“綠色汽車”受到各汽車廠商的重視[1]。實現“綠色汽車”的主要方法為應用新能源、優化引擎性能和汽車輕量化等，其中汽車輕量化是較為有效的方法。據相關研究表明，汽車質量減少100 kg, 百公里可節省0.5 L燃油[2,3]。汽車輕量化的方法主要為材料優化和結構優化兩種，材料優化是使用高性能或輕質材料替代普通材料，例如使用高強鋼或鋁合金材料替代普通鋼鐵材料達到車身減重的目的；結構優化是通用對零件的內部結構進行改進和優化達到減少材料用量[4,5,6]。汽車B柱內板屬于鈑金件，很難通過結構優化實現輕量化，采用材料優化是比較合理的方法。高強鋼具有安全性高、成本低廉等優點，是汽車輕量化用材應用最廣泛的材料，但在冷沖壓成形中易出現開裂和回彈問題，為了解決這些問題，可采用熱沖壓成形技術[7,8]。在熱沖壓成形中板料初始溫度、模具初始溫度、壓邊力和沖壓速度等工藝參數對零件成形質量有較大影響[9,10],因此，對熱沖壓成形工藝參數優化具有十分重要的意義。
展開 基于參數優化的 LED 驅動電路 PCB 熱仿真分析
摘要
為提升車規級氛圍燈LED驅動電路板(PCB)熱設計問題,該文提出了一種參數優化仿真的分析方法?該方法基于熱傳導?熱輻射和熱對流原理,使用ANSYSICEPAK軟件,從PCB尺寸?過孔設置和材質3個方面對參數進行了熱仿真優化實驗,分析了相同設計原理情況下,不同PCB布局和尺寸設計時熱仿真結果的差異性,并對參數進行了優化設計,實現了驅動電路熱性能的改善,滿足了車規級溫度的仿真要求?
關鍵詞：LED；熱仿真；ANSYS ICEPAK；印制電路板
作者：張開峰 1，安世龍 1，付 康 2，謝亞明 1，高 燕 1，萬國春 1
1. 同濟大學 電子與信息工程學院，上海 ；
2. 上海應用技術大學 電氣與電子工程學院，上海
隨著電子行業的快速發展，汽車級電子元件的性能越來越優越，以集成電路及芯片為主的微電子系統在信息、汽車電子等領域的應用越來越廣泛。
展開 Moldex3D模流分析之建準電機應用Moldex3D優化熱流道設計
可以發現充填初期(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，流道冷料僅出現于轉角，而到了EOC，許多區域皆開始出現冷料，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
根據上述分析結果，建準電機將熱澆道做局部優化，針對熱流板、加熱線圈以及流道轉角進行設計優化，結果如圖五所示。優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 現場壓力響應圖比較(熱澆道及噴嘴損失壓力)
圖八 現場壓力響應圖比較(產品射出)
結果
建準電機藉由Moldex3D進階熱流道模塊分析發現冷料位置，確實找出射出不穩定與壓力異常原因。利用軟件分析之冷料位置進行設計變更優化，內容包含流道設計與熱澆道加熱系統設計。
展開 電動汽車快速充電循環下鋰離子軟包電池的優化冷卻和熱分析
在低于此范圍的溫度下，電解質中的離子電導率會顯著降低，從而導致功率輸出降低、鋰電鍍和隨后的電池退化，而在更高的溫度下，加速的放熱反應會導致電池材料腐蝕、整體電池退化，并在 80°C 以上的溫度下導致熱失控。除了將溫度保持在一個狹窄的工作范圍內，保持電池單元或模塊內的最大溫差較低也很重要；<5°C 的值是電池內推薦的最大溫差。
目前，大多數關于電池冷卻設計和優化的研究工作都集中在圓柱形和棱柱形電池上。最近，袋形電池因其比圓柱形電池更高的能量密度而受到關注。目前，已經提出了各種用于冷卻鋰離子電池的熱管理系統：空氣冷卻、間接液體冷卻、直接液體或浸沒冷卻、使用相變材料、熱管以及涉及兩種或多種這些方法組合的混合方法進行被動冷卻。然而，就電動汽車的商業應用而言，只有風冷和液冷已大規模實施，其他還處于研究階段。由于其高熱容量，液體冷卻仍然是迄今為止最有效和研究最多的系統；因此，當前的研究趨勢是尋找改進液冷板設計的方法，以實現更好、更具成本效益的熱控制。
02
成果掠影
近期，路易斯維爾大學機械工程系Sam Park教授團隊提出了一種電動汽車快速充電循環下鋰離子軟包電池的優化冷卻和熱分析方法。本研究使用多域建模方法對采用 1P4S 配置（1 個并聯和 4 個串聯電池）的商用 65 Ah 軟包電池進行熱分析。該研究旨在分析四種不同冷卻配置的熱行為，即具有環境冷卻的單電池、具有環境冷卻的 1P4S、僅具有底部液體冷卻的 1P4S 和具有兩側液體冷卻的 1P4S。
展開 基于Simsolid的MCM-BGA封裝體運行溫度及熱應力分析與優化設計
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為靠近基板邊緣處的熱應力數值較高，基板中心處的熱應力數值低。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現，Simsolid與ABAQUS計算得到的熱應力的數值差異很小，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封裝體的優化設計
基于前述分析，本節將對MCM-BGA封裝體進行優化設計，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值。優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。
展開 熱仿真和熱特性優化 在汽車LED車燈上的應用
而模組中重要熱系統組成有LED、PCB、散熱器等。
由此，有幾方面的精細設計在研發中起到關鍵作用：1，LED結溫的仿真預測與光熱一體化設計；2，PCB的設計與優化；3、散熱器的設計與優化。
一、LED結溫的仿真預測與光熱一體化設計
LED輸入功率并不總是轉換成光能，但70%會轉換成熱能，并且需要通過有效散熱途徑進行散熱，散熱效果會直接影響LED光強，壽命和效果。與傳統鹵素燈相比較,LED熱量比較集中，所以在很短的時間內對其進行有效地散熱是LED熱設計中的關鍵。LED的熱設計一般有以下幾個環節:
基于最嚴苛的邊界條件定義最大接環熱阻；
設置熱阻網絡模型，計算散熱器熱阻；
根據材料、空間預估散熱器尺寸與外形；
利用CFD軟件進行仿真分析；
確定熱學與光學系統性能及余量；
對以上步驟進行優化迭代
基于該設計步驟，則可以使用一下仿真與測試工具進行支持，主要包括FloEFD、FloTHERM、T3Ster、TeraLED等工具。
1.適當的LED熱模型- FloEFD雙熱阻模型
LED封裝模型是車燈行業普遍采用的FloEFD軟件之一，它可以簡化成易于使用的雙熱阻模型，從節點到外殼（Rjc）以及從節點到PCB板（Rjb）都是雙熱阻模型中的一部分，所建模型既簡化了仿真過程，又保證了精度，還能結合測試過程構建用戶化LED熱數據庫。
2.適當的LED光熱模型-光熱一體化測試
光的輸出是LED設計的性能指標，輸入的電流、電壓、器件溫度、熱耗相互影響。
展開 某型集裝箱儲能電池模塊的熱設計研究及優化
當導流板與電池模塊壁面之間的角度過小時，可以粗略的認為未增加導流板的情況，故不再對30°以下的導流板的影響做分析。
圖10 導流板的角度布置
通過仿真計算得到的電池組的最高溫度和平均溫度與導流板布置角度之間的關系曲線圖，如圖11和表3所示。
圖11 最高溫度和平均溫度與導流板布置角度關系
表3 最高溫度和平均溫度與導流板布置角度關系
通過圖11 可以看出隨著導流板角度的增減，電池散熱面的最高溫度和平均溫度也是呈現下降的趨勢，因此此類電池模塊在設置導流板的時候應該以垂直于電池模塊壁面的形式來布置導流板，這樣更有利于電池的散熱。
3 總 結
本文以某型集裝箱儲能系統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損壞電池結構。
（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
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【7月25-28日 北京】壓力容器靜動強度評定、疲勞斷裂計算、熱應力高溫蠕變分析、結構優化與可靠性
Ansys workbench具有強大的建模和仿真分析技術，并且操作簡單，易于掌握。為了讓廣大分析人員更好地掌握壓力容器的設計與計算技巧，弄清Ansys workbench壓力容器計算原理和操作技巧，特舉辦《壓力容器靜動強度評定、疲勞與斷裂計算、熱應力與高溫蠕變分析、結構優化與可靠性設計》高級培訓。
本專題基于Ansys workbench平臺，立足ASME規范，同時兼顧GB-150和JB-4732壓力容器設計規范，通過大量的理論和工程實例講解，使學員在較短時間內掌握Ansys workbench的使用方法；掌握壓力容器強度、疲勞、斷裂、熱應力和高溫蠕變的Ansys workbench計算原理與計算技巧，弄清壓力容器結構動力學響應、優化設計與可靠性計算原理并掌握其計算技巧。本專題可為壓力容器的計算仿真提供有效、可靠和全面的數值解決方案和技術支撐。詳情請參見“內容大綱”。
二、時間地點
時間：2019年7月25日-7月28日（第一天報到，授課3天）
地點：北京
三、主講專家
該課程講師，副教授，博士畢業于哈爾濱工業大學工程力學專業，擅長工程數值分析，14年仿真分析經驗；仿真領域涉及結構靜、動力計算，結構疲勞、損傷與斷裂，計算流體力學，流固耦合及多物理場耦合數值模擬，轉子及多體動力學，工程傳熱與熱應力計算，爆炸與沖擊力學，Ansys二次開發等。發表學術論文20余篇，其中SCI、EI收錄論文13篇，申請發明專利2項。培訓70多場次，學員上千人。
四、內容大綱
五、報名費用
標準費用：3980元/人，食宿可統一安排，費用自理。
展開 Dynamic Feed熱流道CAE分析技術
對于多型腔模具則可以優化各型腔的工藝條件。
中國國際模具網
圖4 運用moldflow分析的dynamic feed?具有均勻的收縮
傳統的做法是采用“試錯法”確定單型腔的壓力曲線，再應用于多型腔的澆口壓力控制器中。但對多澆口大型制件，靠“試錯法”無法獲得合理曲線，只有依賴moldflow的分析優化才能預先獲得優化的設計。分析的第一步就是模擬通過一個，或二個，或更多閥澆口的流動（填充＋保壓）過程，從而獲得合理的各澆口優化壓力曲線。 中國國際模具網
moldflow具有成熟的熱流道分析技術，是熱流道系統優化設計必不可少的工具。通過moldflow的分析可以確保dynamic feed?熱流道設計的最優化
展開 iSIGHT多學科優化應用: NASA太空望遠鏡(NGST)熱、結構、光學多學科優化
典型的多學科優化設計問題：
光學：CODE V® optical software
結構：MSC/NASTRAN® structural analyzer
熱： SINDA/FLUINT and Thermal Desktop thermal design system.
optiOpt-ICES2002b_SINDA.pdf
清華大學——航天器熱控和環境控制生命保障系統熱網的優化
航天器熱控和環境控制生命保障系統熱網的優化
任健勛 張信榮 陳澤敬 梁新剛 清華大學工程力學系
摘要：為了對航天器熱控、環境控制生命保障系統進行減輕質量化研究，建立其熱網絡優化模擬的試驗系統，研究不同布局下熱網絡工作特性，以尋求熱網絡中熱組件布局對系統質量的影響規律。實驗結果表明：熱組件布局方式對系統換熱有明顯影響；熱組建的優化布局能使系統質量下降，其幅度與平均換熱溫差有關。實驗結果同理論分析及數值模擬結果相吻合。
關鍵詞：航天器熱控系統，環控生保，傳熱，熱網絡，優化
內容簡介：
1 實驗原理及系統
1.1 實驗原理
1.2 實驗系統
2 實驗過程
3 數據處理及誤差分析
3.1 模擬熱組件的換熱量
3.2 傳熱系數K
3.3 換熱面積及質量推算
4 實驗結果分析
4.1 換熱實驗結果
4.2 輕量化分析
5 結論
航天器熱控和環境控制生命保障系統熱網的優化.pdf
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