散熱結構優化的案例
【技術】天洑智能優化案例集錦（1）——芯片散熱器結構優化
圖2 電子芯片散熱結構的自動化優化設計流程圖
圖3 AIPOD優化流程搭建示意圖，只需要簡單的流程搭建即可開始優化
1.基于參數化建模方法，有助于AIPOD優化方案的實時驗證、評估和方案迭代，保證優化方案的可行性；
2.基于AIPOD的自動化優化流程，可以有效減少用戶手動操作的過程，基于優化算法的自動尋優也有助于發現新的散熱結構設計方法；
3.基于AIPOD中集成的智能優化算法，可以有效幫助電子芯片散熱系統的結構設計，快速得到更好的散熱結構。
應用價值
1.有效提高散熱系統的平均熱流密度，在相同工作環境下，平均熱流密度可以提高5%左右；
2.高效輔助電子芯片散熱器設計，減少迭代設計的時間和人力成本。在硬件條件允許的情況下，可以同時進行多類散熱器的優化設計。
相關案例
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展開 中興：基于Icepak的智能家端產品散熱結構設計與優化
痛點問題與解決思路
創建仿真散熱結構設計平臺
平臺簡介
平臺流程
平臺可靠性驗證流程
項目1首次仿真與實測
項目2仿真實測再次驗證
項目實踐-降成本
光路由器方案仿真指導設計
光路由器原始方案與方案1仿真分析
光路由器方案2與方案3仿真分析
光
路由器方案4與方案5仿真分析
光路由器最終方案仿真與實測總結
路由器2原始方案仿真與實測分析
路由器2三種裁剪方式仿真與實測對比
項目實踐總結
設計優勢
仿真快速、準確，開發流程已嵌入仿真，通過光路由器仿真數據可以看出，主要芯片溫度仿測溫差最大在2.8度，最小在0.3度，仿測趨勢一致，準確度高，仿真僅需45。
存在問題
對于較復雜的項目仿測差異較大，這是由于仿真參數不準確，仿測環境有差異有關，需要根據具體情況多次調試才能仿測一致。
后續需要研究的方向
1、溫差偏大問題的研究，主要分成三個方面：
2、充分發揮熱仿真在產品設計中的作用：
深圳市優飛迪科技有限公司成立于2010年，是一家專注于產品開發平臺解決方案與物聯網技術開發的國家級高新技術企業。
十多年來，優飛迪科技在數字孿生、工業軟件尤其仿真技術、物聯網技術開發等領域積累了豐富的經驗，并在這些領域擁有數十項獨立自主的知識產權。
展開 從散熱分析上修改燈具散熱殼的散熱結構 ￥1
結構1
散熱結構：齒高是13mm;齒厚為1mm；間隙為2mm;
SWSIMULATION分析結果：最高處溫度122℃。
ANSYS分析結果：130.5℃。
結構2
散熱結構：散熱齒上面中間挖槽。挖了10條寬8mm深4.5mm的槽。
SWSIMULATION分析結果：最高處溫度137℃(溫度上升了15℃）。
結構3
散熱結構：散熱齒整體降低4.5mm，散熱齒高度8.5mm。
SWSIMULATION分析結果：最高處溫度160℃(溫度上升了38℃）。
最終得出結果：結構1散熱齒高度最高不挖槽的散熱結構散熱的效果最好。
展開 基于Icepak的電子控制器散熱設計優化
從可行性上來說，更改電路板上元器件布局常涉及整體電路重新布置或受到電路板EMC性能的約束，無法將所有元器件均布置到理想的位置，因此，優化產品散熱結構是在設計階段提升產品散熱能力更為理想的辦法。
普通產品的散熱筋結構一般有圓柱及肋片兩種形式，從大量工程實踐經驗來看，對EMC要求較嚴苛的場合不適宜采用圓柱散熱的結構。文中采用肋片形式的散熱結構，由于產品整體尺寸已經預先確定，因此可以計算得到散熱筋的厚度、高度及數量的取值范圍，具體計算所得參數見表2。再借用Icepak的曲面響應分析功能，從3個變量組中得到最優值組合。
表2 散熱筋參數
如圖7所示，將散熱結構的厚度、高度及筋條數量在“Parametersandoptimization”面板中定義為可變參數(Heatsink→Properties→FinSetup→Fin_thickness/Fin_height/Fin_count)并加載“ＲesponseSurfaceOptimization”模塊，該模塊為Icepak自帶的響應面優化功能，如圖8所示。響應面分析法是通過一系列確定性的“試驗”擬合一個響應面來模擬真實極限狀態曲面，通過對回歸方程的分析尋求最優工藝參數，采用多元二次回歸方程來擬合多因素與響應值之間函數關系的一種統計方法。
圖7 定義可變參數
圖8 響應面分析優化
DOE設計點及計算結果如圖9所示。
展開 
基于Simdroid電子散熱模塊的電子設備機箱散熱設計與優化
圖3 典型液冷機箱結構圖（圖片來自網絡）
散熱方式多種多樣，產品設計研發團隊需要根據實際情況綜合考慮，選擇合適的方式。另外，現代數值仿真模擬技術為復雜電子機箱設備的散熱性能評估提供了全新的手段，可有效降低傳統的從樣品試驗到設備優化方法帶來的時間周期和經濟成本。本文以風冷散熱方案為例，采用數值模擬的方式，在各類機箱設計或實際運行過程中對其內部不同結構方式、不同流體控制方式、材料傳熱性能、運行工況及太陽輻射等熱影響因素進行全面模擬，通過對機箱內外部熱量傳播方式的分析和溫度分布及速度場的仿真計算，優化機箱內冷卻風道設計，加快散熱速度，降低內部溫升，提高設備的可靠性。
二、散熱仿真解決方案
基于Simdroid電子散熱模塊，可以實現對各類戶外或室內電子機箱機柜柜體結構及內部電子設備的全三維建模與散熱特性仿真分析計算，并通過豐富的可視化后處理技術，對計算結果進行全面直觀的展示。
采用Simdroid電子散熱模塊實施電子機箱機柜熱仿真分析的優勢體現在：
（1）豐富的智能元件庫及多樣化定形定位操作可實現快速建模。軟件自帶的智能元件庫包含多系列風扇、散熱片、芯片、熱阻、體熱源、面熱源、電路板及多孔板等電子機柜熱分析常用要素，可通過界面拖拽或數據操作便捷完成各零部件的形狀和位置確定，同時支持元件庫的自定義拓展。
（2）類型豐富及可自定義拓展的材料數據庫，便于用戶直接加載材料物性為元件賦值。
（3）跨尺度結構的網格劃分。軟件基于非結構化的笛卡爾網格，可快速完成復雜三維平面模型與復雜三維曲面模型的正六面體網格剖分，自動處理模型的重疊或覆蓋，針對不同尺度元件可實施各向異性的局部加密操作，更適合機柜內不同尺度元件細節特征的網格剖分需求。
（4）結構熱與流體耦合技術及豐富的熱仿真分析邊界條件。
展開 AI賦能電子散熱設計，迅速識別熱風險，實現散熱設計優化（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賦能仿真優化，協助您迅速識別熱風險，實現散熱設計優化。</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，率先在業內提供完整的用于電子系統的AI散熱設計和分析解決方案，可滿足現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，通過一個統一的平臺，電氣和機械/熱工程師可以同時設計、分析和優化產品性能，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，減少了可能出現的錯誤和延誤。這一特性使得工程師們能夠更專注于創新設計，而不是在處理繁瑣的格式轉換問題上耗費時間。
展開 高防護戶外儲能柜散熱系統優化設計
儲能設備散熱系統的合理化設計，仍是結構設計的核心技術難題。本文運用熱仿真軟件分析對比了散熱系統的3種送、回風方式的散熱效果，并通過
高溫箱模擬高、低溫進行熱測試，熱仿真
與熱測試相結合，以最快的速度、最低的成本實現散熱系統的優化設計。
1 高防護戶外儲能柜散熱系統優化設計及對比
本文所提及的產品是容量為100kW·h的高防護戶外儲能柜，其防護等級可達IP55。該柜創新地采用組合式散熱系統，其中對溫度和環境敏感度高的電池艙采用空調散熱系統，對溫度和環境敏感度低的配電艙采用風冷散熱系統。由于風冷散熱系統的設計較為成熟，且成本已壓縮到極限，因此此次組合式散熱系統的優化設計只針對電池艙的空調散熱系統進行。電池艙優化共設計出3種方案，通過熱仿真軟件Flotherm進行分析對比，擇優選用。
3種方案中電池艙的結構形式均相同，其中空調散熱系統所需制冷總量C的理論計算公式為:
式中:Ch為元器件發熱功耗，W；Cs為環境滲入(出)熱量，W；Cr為太陽輻射熱量，W。將Cs=117.2W、Cr=277.5W、Ch=1000W代入式(1)，得C=1394.7W，因此電池艙空調需選擇制冷量為1.5kW的工業空調。
方案一為電池艙空調的出風和回風均為自由進出風；方案二在電池艙空調的出風口加裝專用風道；方案三是在方案二的基礎上，局部加上風機輔助出風，可實現遠離空調的柜體能夠均分空調吹出的冷風。3種方案的示意圖如圖1所示。
展開 Flomerics軟件優化散熱設計
在Amulaire，我們利用Flomerics 公司的Flotherm計算流體動力（CFD）軟件，對不同假設情況下的IGBT進行散熱器優化設計。我們選擇該軟件包的主要原因是它可以自動優化散熱器設計或其他任何方面的熱管理。以成本函數的形式，在關鍵參數變化范圍內，用戶只需定義設計目標。軟件自動生成和運行所需模擬量，以探究最佳成本效益下的整個設計空間。分別運行所有的不同組合，然后Flotherm生成響應界面，顯示設計目標值。
圖3：優化過程中散熱器熱阻值降低
優化散熱器設計
流體分析和散熱器優化，以界定IGBT散熱器風扇組件的限度范圍。電力電子電路采用直接鍵合式銅技術，該技術利用帶有銅制散熱器的電子模塊。將模塊式散熱組件和使用熱油脂接口的散熱器通過螺栓連接在一起。鍛鋁（型號為6061-T6）制散熱器被用來優化啟動點。代表comair rotron模型mt12b3軸流風機的風扇曲線提供了通過導管式散熱器的強迫對流情況。該風扇具有的最大氣流量達0.1415立方米每秒（cmps）(300cfm)，最大靜壓力達206帕斯卡（水下0.811英寸.）。循序優化求解被用來優化翅片數量，翅片厚度和基本軸向厚度。因為仿真中應用到的風扇曲線，流量，流速和壓力降受到這些設計參數的影響。
圖4：優化響應界面，結合設計目標使工程師能夠將完整的互動設計可視化。
從10個翅片開始，一個翅片的厚度為0.4毫米，基本軸向厚度為4毫米，優化過程中允許在正負30%范圍內調整變量。如果優化變量處于范圍內最低或最高點，從以往優化值開始，另外運行十次求解。如果優化值沒有達到最小或最大值，則在正負10%范圍內另外運行十次求解。如果始于同一點進行第二次運行后，優化值不變，則在正負5%范圍內開始運行20次求解。如果優化值還是不變，則認為求解完成。
展開 4/26 Ansys電子散熱風扇葉片優化
內容簡介
每個HFSS新版本，對高速SerDes和DDR仿真的求解精度、速度和功能上都有大量更新。妥善使用，可以大大提高仿真效率和研發效果，加快產品迭代，提高行業領先性。
面向受眾
芯片封裝PCB的SIPI仿真工程師，硬件設計工程師。
時間
2022年4月26日（周二）16:00-17:00
費用
免費
講師簡介
周小俠|Ansys
Ansys中國CPS團隊高級應用工程師。負責芯片封裝系統相關產品的支持和研究工作。本碩就讀于電子科技大學電磁場專業。先后就職于長虹、CST China，摩托羅拉和思科，分別從事雷達天線設計、電磁場仿真軟件支持
基于Ansys Icepak的散熱器優化
優化求解
每次優化迭代求解完成后，icepak會列出該迭代步下的函數及變量對應的值。
由上圖可看出Icepak進行了四次計算，3和4這兩次迭代求解滿足了系統的溫度要求。由于第4次迭代對應的散熱器質量小于第3次迭代對應的散熱器質量，因此icepak給出的最優解為第4次迭代對應的散熱器參數（fin_h為7.3mm，fin_count為13）。
查看此時的溫度云圖，系統最高溫度為69.7℃，滿足低于70℃的要求。
6. 總結
本文通過Ansys Icepak的優化功能對散熱器進行優化設計，使得電子系統的溫度能處于規定的溫度范圍之內，說明電子產品在熱設計過程中，利用Icepak的優化功能可以方便有效地對散熱器的形狀、質量、熱阻等進行優化，以達到設計要求。
展開 幾種常見的散熱器優化設計思路
圖6-9 一些通過擾動空氣流動提高換熱效率的散熱器設計
在系統級的產品中，散熱器設計、風扇選型和風道設計三者之間的組合優化是相當復雜的。當存在多個發熱點、多個散熱器、多顆風扇時，需要各部件之間相互配合，做到有效利用系統風量，弱化彼此熱點間的級聯效應，從而達到最優的設計組合。
3、輻射換熱——選擇合適的表面處理方式
使用自然散熱的電子產品，輻射換熱往往占有不可忽略的比例。當散熱器幾何結構設計已經完成時，表面處理方式會顯著影響換熱效果。電子產品工作的溫度范圍內，紅外線是主要的熱輻射波長。輻射換熱強度與產品的紅外輻射率成正比。對于暴露在陽光下的戶外產品，設備表面與太陽之間的輻射換熱則與其可見光輻射率成正比。關于原因，可以參考第二章輻射換熱的部分。
注：表面的紅外發射率與其表面溫度有關，列示的值僅供參考。
由上可知，對于輻射換熱，表面處理應當按照如下思路進行設計：
室內產品：結合散熱器的工作溫度，提高表面紅外輻射率；
散熱器暴露在陽光下的產品：提高表面紅外輻射率，降低表面可見光輻射率。
圖6-10 室內產品表面發黑處理，強化紅外輻射（a）
室外產品表面噴涂淺色涂料，降低可見光吸收率（b）（c）
4、總結
假定產品內部其它部分設計都已定型，從三種基本熱量傳遞方式的角度進行歸納，散熱器的主要優化思路可總結如下：
（END）
參考文獻
[1] YounesShabany, 夏班尼, 余小玲,等. 傳熱學:電力電子器件熱管理[M]. 機械工業出版社, 2013.
作者簡介：
陳繼良，著有書籍《從零開始學散熱》。
文章來源：熱設計
展開 
4/21 Ansys電子散熱風扇葉片優化
內容簡介
本課程將通過實際案例介紹Ansys Turbosystem產品在電子散熱風扇方面的優化功能。針對不同類型的散熱風扇，Ansys提供基于OptiSLang的參數化葉型優化方法和基于Fluent的無參伴隨求解優化方法，用戶可通過本次視頻課程了解這2種方法的基本使用流程和適合的風扇類型，初步掌握它們的核心方法和操作步驟。
時間
2022年4月21日（周四）16:00-17:00
費用
免費
講師簡介
姚翔|Ansys
獲北京航空航天大學飛行器動力專業學士及碩士學位；2019加入Ansys中國負責旋轉機械軟件產品的售前技術支持及咨詢工作。
展開 Workbench尺寸優化研究箱體發熱體散熱
“ 利用Workbench尺寸優化功能與SCDM腳本參數化功能尋找最優發熱體散熱對應的尺寸間隔”
01
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研究背景
在一個箱體內，放置兩層圓柱發熱體，發熱體尺寸為直徑32mm，高度65mm，初始圓柱體間距為，出入口直徑為40mm，如圖右所示。
圓柱體發熱量為200000W/m3，入口質量流量為0.03kg/s，入口溫度為300K；
現研究一定尺寸范圍內，出入口尺寸，圓柱體橫向與縱向間距，對最高溫度、平均溫度和進出口壓降的影響，同時找出三者最小值對應的幾何尺寸。
02
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搭建計算流程
在Workbench里面將SCDM的參數幾何導入到Fluent meshing進行網格剖分；采用自動網格劃分流程劃分網格，然后導入到Fluent里面設置邊界條件，輸出參數化結果，包括發熱體平均溫度tavg，最高溫度tmax，及進出口壓降。
展開 Ansys Icepak/AEDT的散熱分析優化專題培訓
【培訓講師】 上海安世匯智流體技術專家
【培訓時間】 2023年9月6日-9月8日
【培訓費用】 4500元/人
【培訓等級】 中 級
【培訓地點】 上海安世匯智公司，上海市浦東新區平家橋路36號晶耀前灘5號樓9樓
【培訓特色】
—— 精品小班課，資深工程師授課
—— 項目經驗豐富，精準匹配行業
—— 理論與上機結合，教學質量有保障
—— 真實案例教學，貼合企業實際需求
—— 設立分級課程，循序漸進培養仿真能力
—— 安世亞太官方培訓證書，豐富職業履歷
【培訓日程】
時間
具體內容
第一天
Icepak軟件基本功能特色介紹
Icepak模型庫、對象庫、材料庫等的詳細介紹
Icepak全局網格以及局部網格控制方法以及參數設置
基于Icepak模型建立方法
復雜對象建立、編輯對齊工具介紹
相關案例操作
第二天
物理模型介紹，自然對流、強迫對流等邊界條件設置講解
PCB熱分析方法以及參數設置
網格劃分技術介紹——非連續性網格的設置方法
瞬態分析計算設置
相關案例操作
第三天
Icepak/AEDT參數化分析流程簡介
Icepak/AEDT 參數化設計、分析（單物理場/多物理場耦合）方法
擬CEPAK/AEDT 優化分析案例展示
Icepak優化案例操作練習
綜合答疑
【報名鏈接】
https://www.wenjuan.com/s/jaQVVfE/
（開課前一周截止報名）
【小貼士】
· 本次課程有上機操作環節，我們會準備好電腦與軟件；若報名人數超額，則需部分學員攜帶自己的電腦，我們會為您裝好試用軟件。
· 本次課程含工作午餐，不含其他食宿費用。
展開 結構優化案例1—L型結構優化設計（減重）
4.3.1 應力水平
圖 14優化前后應力水平比較
觀察整體結構各部位的應力水平，可以看到幾個問題：
原始結構主要承力部分Mise應力為230MPa，閑置部分Mise應力為50MPa；優化后結構主要承力部分Mise應力415Mpa，閑置部分170MPa。這個體現了輕量化設計的一個核心：將分擔給閑置（應力水平較小）部分的承載施加到主傳力路徑，相當于“能者多勞”。但是在這種模式下，結構應力達到415MPa（假設400MPa為屈服極限），這時候我們該怎么辦？
拓撲作為一個優化問題，我們想要找到最優解，但是軟件給的結果真的是最優的嗎，還是只是較優？（考慮下優化后仍有一定的“閑置”部分）
很多做分析的伙伴看到那個拐角肯定會很不舒服，那的確是個不合理的結構。但是對于該問題，如何找到拐角處的合理結構？在該例中再加上應力約束是否是一種較好的方法？（分析一個復雜問題的時候我們往往會留主和分解，考慮下優化）
4.3.2 剛度情況
圖 15優化前后剛度比較
剛度情況我們可以通過結構的最大位移簡單比較，可以看到原始結構最大位移0.0924mm，優化后結構0.158mm。于是就有人問了，我優化這個結構的剛度，為什么整體剛度反而降低了？這是一個簡單但是很重要的問題，體現了我們何時知道需要優化以及怎么去優化。
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