熱-電聯合仿真的案例
CFD專欄丨如何高效實現逆變器熱-電聯合仿真？
<p><strong>前言</strong></p><p><br></p><p>逆變器（Inverter）是把直流電轉為交流電的轉換器。在新能源汽車中逆變器將電池包的直流電轉變為電動機可以利用的交流電，通過改變交流電的頻率和幅值，可以調節電動機的轉速和動力。驅動電壓的頻率越高，電動機的轉速就越快，驅動電壓的幅值越大，電動機的動力就越強。</p><p><br></p><p>在逆變器中，使用IGBT、MOSFET等開關元件來控制電流的方向和大小，從而實現電壓和頻率的變換。在工作狀態每個組件都會產生大量熱量，高溫會導致有效功率輸出降低，甚至熱失控。為了合理的熱設計，首先要獲取功率元件的損耗，而損耗又是和溫度相關的，因此有必要進行電-熱聯合仿真對元件溫度和冷卻能力進行準確計算。</p><p><br></p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/x0yLiaf5fF6zUKZ6L2vjBdwSN85joBDiah6U7uBg1GVD1UbAmGuantw65T5icpY5newXibye4s2rt7GNsGyTqBWkRw/640?wx_fmt=jpeg&from=appmsg"></p><p class="ql-align-center"><strong>逆變器演示模型</strong></p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/x0yLiaf5fF6zUKZ6L2vjBdwSN85joBDiahJEpEbXEhtKntB0pibpRzU8aGu1ug6zksQEBnqzg28zxqwM1dtDt6Ukw/640?
展開 某電驅冷卻系統的一維及三維聯合仿真
摘 要：為提高整車熱管理系統的仿真效率和精度，文章以某電驅冷卻系統為例，采用一維及三維聯合仿真的方式，利用三維仿真獲取空氣側支路的各項性能參數，后導入一維軟件中進行計算，評估電驅冷卻支路所需的最低流量。最終確定在使用現有風扇和散熱器的情況下，電驅路流量至少需達到16 L/min才能滿足冷卻系統≤100℃的要求。
關鍵詞：熱管理;電驅冷卻;聯合仿真;
隨著混合動力技術的快速發展，行業和客戶對整車熱管理系統的要求也越來越高。目前行業內主要還是依靠試驗的方式來進行性能確認和控制策略標定，這種方式成本高、周期長，大大影響了產品開發的速度。傳統的三維仿真雖然能對局部熱管理系統進行計算預測，但是針對多系統耦合的發艙熱管理存在計算效率偏低的問題。
本文以某電驅冷卻系統為例[1]，采用一維及三維聯合仿真的方式，在僅有風扇及散熱器數模的情況下，首先通過三維仿真算出一維所需的零部件性能曲線，后在一維軟件中通過多次調整流量邊界，最終確定該系統流量達到16 L/min才能滿足冷卻系統≤100℃的要求。
1 風扇性能求解
1.1 計算目的
對風扇流場進行求解的目的是獲取風扇的靜壓-流量曲線，該曲線為FloMASTER中風扇元件設置的必要性能曲線，表示空氣通過風扇后壓力的升高值與通過風扇的流量之間的關系。因此，在僅有風扇數模的情況下，可以通過三維仿真軟件PumpLinx計算風扇的靜壓及流量數據，將其作為數據輸入，聯合一維仿真軟件進行空氣側系統的整體求解。
1.2 計算邊界及模型
空氣域和轉子域的計算邊界如表1所示。其中空氣域為葉輪交界面與殼體圍成的氣體域，轉子域為葉輪交界面與葉輪圍成的旋轉氣體域。
展開 三維電纜電-熱耦合仿真 ￥500
圖1 幾何模型
電纜結構中考慮了以下結構層及材料的定義：
基于COMSOL軟件中的電- 熱耦合相關模塊，數值仿真得到了電纜的電勢分布和溫度場分布，仿真結果如圖所示：
感興趣的朋友，歡迎交流合作！
Lumerical系列模塊聯合仿真中紅外硅基電光調制器
電光調制器，一種通過外部手段改變材料折射率的光電子器件，常用于電信號與光信號轉換過程。現實當中電光調制器種類繁多，諸如鈮酸鋰基的電光調制器、硅基的電光調制器、基于等離子共振色散的電光調制器等等。然而，這些調制器原理不一樣，這造就了分析調制器的原理和方法不能放之四海而皆準，必然是針對具體問題要采用特定的方法和技巧。考慮到硅基電光調制器的成熟工藝，下文將展現仿真硅基電光調制的整個流程。后面若有機會再分享鈮酸鋰基電光調制器和基于等離子共振色散的電光調制器。
在這里，硅基調制器的幾何結構以發表在Photonic research【High-speed silicon photonic Mach–Zehnder modulator at 2 μm】的文章為案例。具體參數如下圖所示：
其中，不同區域的載流子濃度如下表格所示：
P
81e17/cm3
P+
21e18/cm3
P++
1e19/cm3
N
41e17/cm3
N+
21e18/cm3
N++
1e19/cm3
接下來，我們使用Charge模塊分析電壓驅動下硅材料的復數折射率的變化。
展開 
聯合仿真實現芯片熱仿真分析流程迭代優化應用
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。智能算法已在航空、航天、船舶、電子、核能等領域取得了成功的應用。
智能優化技術框架及應用案例
基于Icepak的固體繼電器熱仿真研究
摘 要：本文結合固體繼電器結構，采用ANSYS Icepak熱仿真分析方法進行熱仿真分析，得出固體繼電器不同環境溫度下表面和全部元器件的熱量分布云圖，以及溫升曲線，再通過熱耦法和熱成像技術測試固體繼電器實際的溫升，將實際測試結果與仿真結果進行對比，驗證軟件熱仿真結果的精度，熱仿真的精度滿足設計和應用需求。
關鍵詞：固體繼電器;熱仿真;電子散熱;熱成像技術;
1 引言
固體繼電器是一種采用半導體芯片、分立器件封裝而成的繼電器，相比傳統電磁繼電器具有抗振動、沖擊，可靠性高、壽命時間長的優點，廣泛應用于工業控制，地面、船舶、車載和機載設備。固體繼電器目前正朝小體積、高功率密度的趨勢發展。固體繼電器的熱設計、熱分析關系著產品的成敗。傳統的熱設計根據經驗公式僅對功率器件進行散熱計算，固體繼電器內部的其他器件無準確的散熱模型，未進行計算，導致產品實際溫升過高，與理論計算相差過大，使經驗計算的準確度大大降低。另一種傳統的熱設計是先裝配功能樣機進行溫升測試、驗證，再進行設計改進，這種方法需要耗費大量的時間和精力，不能滿足目前高效項目的研制需求。ANSYS Icepak是一款可進行實際工程應用的專業電子設備熱仿真分析軟件，使用Icepak進行熱仿真分析，可以縮短研制周期，減少成本[4],降低產品因為熱設計不當和熱失效的概率，提升產品質量和可靠性，讓產品快速上市，為企業帶來經濟效益。Icepak熱仿真分析軟件可以進行環境級、板級和元器件級的熱分析。廣泛應用于工業、航空航天、通訊、電器等領域。通過學習ANSYS Icepak軟件熱仿真分析技術[4]。對某型號大功率固體繼電器(以下簡稱：產品)進行熱仿真分析，分析后可得出的產品所有元器件的溫度以及熱量分布情況，在研制初期對產品結構進行改進，降低產品溫升，縮短研制周期。
展開 技術小貼士：RecurDyn×Particleworks雙向熱流體聯合仿真
使用Particleworks 7.2或更以上版本時，用戶可使用RecurDyn FFlex（結構主體）和Particleworks MPS粒子（流體粒子）之間的雙向熱傳遞功能。
根據設定的時間步長，將Particleworks計算的熱傳遞系數（HTC）和流體粒子的溫度信息與RecurDyn的結構主體（節點）的溫度信息進行交換，并將每個溫度條件用作流體和固體熱傳遞分析的邊界條件。
RecurDyn和Particleworks通過專用接口Standard SPI以實時雙向的方式發送熱傳遞分析數據（2-way）。
利用此功能，用戶可以預測Body在流體中的冷卻及加熱狀態，以及結構體在流體中的膨脹和收縮。并且可以通過仿真來預測與流體接觸并移動的Body的熱傳遞以及相應的熱分析。
以下示例為齒輪箱內齒輪通過潤滑油冷卻的效果分析。
展開 STAR-CCM+&Amesim聯合仿真的液冷電池包熱管理
公眾號：新能源汽車熱管理仿真技術，關注，可領取更多熱管理方面資料。
同時本人也在技術鄰平臺更新新能源動力電池熱管理仿真和設計課程如下
1、 基于starccm+在動力電池熱管理仿真技術應用、
2、新能源汽車PACK熱流體仿真進階20講
3、新能源動力電池熱管理設計入門到進階23講
4、 Hypermesh網格劃分-精講進階視頻教程
5、有限元分析ANSA19.0視頻教程零基礎入門到精通50講
6、Hypermesh軟件CAE流體網格劃分CFD前處理
展開 Workbench和Maxwell聯合仿真做電磁-熱分析問題
如圖，A為瞬態磁場分析，B為穩態熱分析，本人先在Maxwell進行3D瞬態磁場分析，得到分析的結果需要導入Workbench里面，但是不懂怎么導入啊，還有導入的是什么格式的文件，哪位大神知道指導一下。
Ansys Electric電仿真根據焦耳熱計算功率 ￥1
Ansys Electric電仿真根據焦耳熱計算功率
一 分析背景
Ansys Electric在分析一個電熱時，想得到某個地方的發熱功率。
但是打開后處理如下：
并沒有我們想要的結果。
那么這里就要想一想了：
1. Commands 方式。焦耳熱Joule Heat * Volume計算
2. 其他方法，我不知道。有可能user defined result也能實現，有可能。
所以我就說說第一種。
AnsysWB匯流排電-熱耦合仿真 ￥10
用于仿真的幾何形狀包含一個單元的耦合組件，以及一段連接到電源的
槽間母線板。它由陽極頂部和四個中心柱組成，柱上固定著銅棒和銅條。
施加直流電流及溫度，以及對流散熱等邊界條件。
AnsysWB直流母線電容DC Link電-熱耦合仿真 ￥30
DC-Link 薄膜電容是電動汽車電驅系統中的一個重要組成部分，在反復充放電的過程中會導致電容發熱，影響其使用壽命。
本文基于ANSYS 仿真軟件對某型號DC-Link 薄膜電容器進行溫度場分析，結果表明，在
高溫環境中，電容器芯子中心處為溫度最高點，而配備散熱器后，最高溫度點轉移至遠離散熱器的外殼處，散熱器能顯著降低芯子溫度。
1.基于某款實際電容產品簡化的3D模型
2.環境溫度85℃、帶TIM散熱膠及鋁合金散熱冷板
3.考慮直流輸入電流及紋波電流，芯包損耗發熱的電-熱耦合工況
4.電流、發熱量等數據為假設值，實際仿真以真實數據為準
5.模型可以為真實的DC Link熱仿真工作提供極具價值的參考。
展開 鎳鉻電阻層熱-電-力多物理場耦合仿真 ￥500
這是由于熱導致的界面應力過 大引起的。電阻層一旦分離，其局部就會過熱，這又加速了電阻層的分離。最后，在 最糟糕的情況下，電路可能會過熱并燒壞。從這一角度而言，研究由于溫差以及電阻 層和基板的不同熱膨脹系數引起的界面張力也很重要。電阻層的幾何形狀是設計電路 正常工作的關鍵參數。可以通過模擬電路來研究上述所有方面。
本案例基于一加熱電路模型，它由沉積在玻璃板上的電阻層組成，向電路施加電壓時，該電阻層產生焦耳熱。該電阻層的屬性決定了產生的熱量。模擬了加熱電路的焦耳熱分布以及熱膨脹變形，模擬結果如圖所示：
焦耳熱分布云圖
電熱板熱膨脹變形
感興趣的朋友，可下載模型源文件，歡迎交流
展開 Flownex典型應用——電廠熱平衡系統仿真
以蒸汽動力發電廠為例，系統包括鍋爐、汽輪機、給水泵、高壓加熱器、低壓加熱器、除氧器、凝汽器、凝結泵主要部件構成，而僅鍋爐本體又包括爐膛、鍋筒、燃燒器、水冷壁、過熱器、省煤器、空氣預熱器、構架和爐墻等主要部件構成生產蒸汽的核心部分。用三維CFD軟件來模擬整個復雜的系統幾乎不太可能，若想計算得到系統的動態運行過程更加顯得不現實。
上圖為蒸汽動力發電廠熱平衡圖，以及Flownex建立的計算網絡圖，對整個蒸汽循環過程進行仿真計算，模型包括鍋爐、汽機（高壓缸、中壓缸和低壓缸以及中間抽氣）、凝汽器、冷卻水系統、凝結水泵、低壓加熱器、除氧器、補給水系統、給水泵，高壓加熱器。模型中包括了主蒸汽系統、再熱蒸汽系統以及回熱抽氣系統。
應用價值：Flownex能夠快速計算各部件的壓力、溫度以及流量分布、得到各部件中的水蒸氣狀態、計算得到汽輪機的工作狀態以及給水泵的工作條件、各高壓加熱器和低壓加熱器的換熱量等主要參數，從而得到整個系統的運行效率。添加的控制器還能夠仿真整個熱力循環的動態調節過程，使循環始終處于高效的循環狀態。
展開 8/6 Ansys結構-熱-可靠性聯合仿真解決方案
然而電子產品多熱算過熱？封裝焊球在多少次溫度循環后會斷裂失效，發生在哪里，失效概率是多少？電子元器件在受振動后會不會發生斷裂失效，會滿足多少次振動循環？這對于電子工程師而言，都是很難在實際試驗測試前給與明確答案的。
在Ansys 收購電子產品可靠性分析軟件Sherlock后，以上問題都可以迎刃而解。然而實際電子產品的復雜性和條件不確定性，為準確獲得系統電子產品可靠性帶來了極大難度。所以，熱仿真，機械仿真和可靠性物理學必須結合使用，以最準確地識別/緩解電子組件的故障風險。
講師簡介：
徐志敏，Ansys結構高級應用工程師。在電子行業尤其PCB及封裝結構產品可靠性有豐富設計仿真經驗，負責Ansys中國CPS結構可靠性方案以及Ansys Sherlock國內技術支持；長期支持國內大型半導體、封裝、通訊企業的仿真設計工作。
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