熱設計與分析的案例
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 設計仿真 | Cradle CFD 高效助力高功率馬達進行熱管理設計
摘 要
隨電動化交通工具的快速普及，高功率馬達的熱管理越顯重要，因此以計算流體力學CFD進行熱管理分析設計是一項重要工作。熱設計好壞，事關產品的效能、壽命、安全性。然而馬達內部結構幾何繁雜細小且復雜，傳統方式難以生成符合實物的精密網格。如果對模型進行幾何簡化，又會犧牲結果的精準性，且費時耗工。
本文運用Cradle CFD 創新網格技術Voxel Fitting網格，能夠有效解決此類問題。以水冷電動馬達為例進行網格生成與計算分析，此馬達原始的所有復雜問題，包括繞線、挖槽、間隙、流路等等，全部被完整正確的自動網格化描述。基于此，可以進行精密的水冷溫度場分析，更進一步，還可以變更兩種水冷流路設計，利用此技術進行散熱結果分析比較。結果顯示，此技術確實可穩健、快速、精確的協助高功率馬達的熱管理設計工作。
展開 新能源電動汽車水冷電機散熱理論熱設計與熱仿真管理分析
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展開 基于Flotherm分析的機柜熱設計及仿真研究
來源：科學與技術 作者：于樂
關鍵字：CFD 散熱模擬 Flotherm 機柜熱設計
基于機柜內部的散熱模塊主要的CFD模擬仿真系統的散熱系統軟件Flotherm進行散熱，分析實驗表明Flotherm熱能耗散的軟件平臺的對比仿真實驗系統的更詳細的代碼，而且直覺地加以衡量，實驗室根據耗散模型的速度和正確的溫度場，建立耗散結構，進行最佳的跟蹤設計。
隨著電子元件的熱密度增加，對散熱的需求增加，散熱的設計變得越來越困難和昂貴。由于各種功率元件的存在而散熱的系統，主板模塊的散熱的傳統設計是以實驗設計和驗證的經驗方法為基礎的，但是這些方法有很大的缺陷，有很大的循環設計耗時長，設計成本高。CFD熱分析軟件是Flotherm軟件的代表之一，主要根據控制計算。
一、概述
標準設備名稱標準柜，是空間站住宅與實驗的一個重要模塊單元。它主要提供標準接口與有效載荷設備的能量源之間的機械、電氣和熱測試項目。有助于對操作、信息管理和控制站的環境溫度進行統一管理，并確保設備的良好操作和可靠性。標準柜大小的全球平面圖。空氣流動場和對流熱交換器的分析和設計是柜內強迫通風熱控制的關鍵研究之一，最常用的研究是氟氯化碳的數值模擬。其還涉及一種合理的輸出布局。在標準箱中，熱控制系統的主要設計研究包括確定進氣和空氣的結構，選擇一個合理的進氣溫度，電子牌照模塊化系統，其基礎是各種模擬電子元件，主要是多管、散熱器、風扇和空氣管道，其芯片卡和處理器的主要散熱能力：散熱模塊在模擬Dianzigui散熱器的散熱和冷卻模型之前，對Dianzigui散熱器的散熱模塊系統進行熱測試，重點放在實際操作溫度上。通過實際物理模型的三維建模和CFD散熱系統的建模來合理地確定。對臨界點溫度進行監測，并將其與試驗數據進行比較，核實模型的準確性。
展開 
鋰離子電池設計中的熱分析
對于鋰離子電池的性能而言，熱管理是一項需要考慮的重要因素。您可以利用模擬和仿真來分析熱在能源內的傳遞，進而改進設計流程。
關注的原因
您可能經常聽到鋰離子電池這一術語，也可能沒聽過，不論情況如何，在您與他人的日常聯絡中，它發揮著積極的作用。這些重量輕，同時又可重復充電的電池常用于各類消費電子產品，包括筆記本電腦和手機。由于鋰離子電池的能量密度較高，它甚至開始用于工業及運輸業。
手機中的鋰離子電池（“NOKIA? 電池” – 圖片由 Kristoferb 拍攝。已獲得 Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 授權、通過 Wikimedia Commons 分享。）
隨著這類設備使用的增長，對其安全性的關注也日益提升。就像在之前一篇博客中所提到的那樣，去年，一架新型波音 787 夢想客機因鋰離子電池過熱而起火，所有夢想客機都因此被迫臨時停飛。《Design News》雜志去年也曾報道過三菱汽車內的鋰離子電池過熱問題（點擊閱讀該篇報道）。
這兩篇不同的頭條報道都提出了同樣一個問題 – 熱對鋰離子電池安全性和使用壽命的影響。
熱會如何影響鋰離子電池？
要回答這一問題，重要的一點就是要理解這背后的原因。
讓我們首先從電池的設計開始。 鋰離子電池由兩個電極和一個允許離子移動的非水電解質組成。充電時，鋰離子從陰極流過電解質，隨即被碳基陽極的晶體結構捕獲。放電時，過程會反轉，這些離子發生回流，并帶來反向電流為設備電路提供能源。
在這一類似電流流經導線的過程中，電解質產生內部電阻并帶來焦耳熱。設計鋰離子電池時，能夠快速消散這些熱非常重要，只有這樣，電池才不會達到會發生分解的高溫。
展開 30mm機箱熱設計案例分析
環境條件：
機箱尺寸160x160x30mm;
CPU瓦數35W, CPU VR瓦數13W;
主板到機箱上側面蓋有23mm,減去CPU高度機箱的厚度,可用空間只有15mm;
給定thermal的空間140x75x15mm;
問題1來了, 在有限的空間里, 如果是你, 你會怎么去解這個熱? 原則, 考慮ID以及cost, 設計出來的東西至少不要太奇怪, 影響到機箱外觀, 且cost盡你最大努力去壓到最低. 你的solution or 方向會是什么樣的? 期待有興趣的朋友一起study.
上圖,
黑色箭頭示意系統風流場, 黑色線框為給定thermal的空間.
初來乍到, 熱設計菜鳥一名,
share案例分析, 只為一起study, 精進技術,
看官們不喜勿噴,有錯誤不清晰的地方請踴躍指教,感謝!
期待熱愛熱設計的你一起來研究討論~
展開 《熱結構分析有限元程序設計》
ISBN：7561216327 166 尺寸：小16開 印張：10.75 字數：259000 印次：1 印刷時間：2003/08/01 用紙：膠版紙 版次：1
【內容提要】
本書較系統地介紹了結構化程序設計技術、平面結構網絡自動生成技術、二維及軸對稱結構穩態溫度場及熱彈性問題分析有限元法公式、有限元總體方程組求解波前法及其有限元程序的框圖和程序設計技術，并配有完整的源程序，同時對有限元分析中網格劃分對數值解精度的影響、有限元分析模型的建立、有限元程序運行中故障的排除等問題進行了闡述。它是一本集有限元法理論、程序設計技術及有限元程序使用方法的實用性教科書。
本書可作為航空宇航推進理論與工程學科研究生“熱結構分析有限元程序設計”專業課教材，還可作為機械工程、材料成型、燃氣輪機、工程力學、軟件設計等專業研究生專業選修課教材或教學參考書，也可供相關專業科技工作者和工程技術人員參考。本書提供的程序系統可作為從事有限元法研究及其程序設計的研究生及工程技術人員的軟件開發平臺。
展開 電機殼體冷卻結構設計及熱仿真分析
電機散熱邊界條件為：冷卻介質流量8L/min，電機入水口水溫70℃，電機初始溫度和環境溫度均為70℃，外部對流換熱系數為8W/(m2·K)。在此條件下，對額定工況點26.7kW@10000RPM@26N.m和峰值工況點55kW@3600RPM@147N.m@30S的電機散熱情況進行熱仿真分析。
額定工況下熱仿真分析
在額定工況點26.7kW@10000RPM@26N.m下，對永磁同步電機裸銅線、定子鐵芯、轉子鐵芯和機殼四個關鍵結構件的溫度場進行分析，其結果如圖3所示。分析發現，電機裸銅線、定子鐵芯、轉子鐵芯和機殼四個關鍵結構部分中，電機裸銅線溫度最高，其最高溫度為138.2℃，所處位置為電機繞組端部。
展開 Dante熱處理工藝設計有限元分析軟件
Dante熱處理工藝設計有限元分析軟件
電動汽車動力電池熱失控過程分析及預警機制設計
在所有的事故原因中，熱失控問題占有很大比例。本文通過對動力電池熱失控過程的分析，設計出一套熱失控預警系統。這樣至少保證在整車發生熱失控之前能夠通知到車內的乘客，避免造成人員傷亡，同時能夠盡量減少事故帶來的財產損失。
一、熱失控過程分析
鋰電池的熱失控主要是由于電池內部產熱速率遠大于散熱速率，在電池內部積累了大量的熱量，從而引發單體電池的著火或爆炸。單體電池的熱失控又會擴散到整個電池系統，導致整個電池系統甚至整車的起火或爆炸事故。
為研究動力電池系統熱失控發生的過程，我們外接熱源的方式對電池進行加熱從而引發熱失控。試驗表明，在單體電池發生熱失控時伴隨有電池電壓的變化、電池及環境溫度的變化、電池包內氣壓的變化及氣體成分的變化。我們將出現異常的的信號分為溫度、電壓、氣壓（或氣體成分）三個大類，分別進行分析。
針對溫度信號在熱失控過程中的分析：電池的溫度在熱失控發生前會有一個持續的較快速率的上升過程，如圖1數據所示（橫軸時間單位為秒，縱軸溫度單位為℃），在前720秒的時間內，溫度從室溫25℃持續升高到62℃。隨后發生單體電池的熱失控，溫度急劇上升到430℃。第一節電池能量釋放完之后溫度會下降，到第787秒第二節電池熱失控，同樣溫度短時間內急劇上升。如此發生連環性的熱失控反應，最后整個電池包都發生熱失控。
針對單體電池電壓信號在熱失控過程中的分析：電池的電壓在熱失控發生之前基本維持在平臺電壓保持不變。在熱失控發生的瞬間，實測在2秒內電壓會下降到1V以下。圖2（橫軸時間單位為S，縱軸電壓單位為V）中符合以上特征，第一個發生熱失控的電池在第720秒之前電壓恒定在4.13V，在第720后開始急劇下降，到第722秒幾乎降到0V，之后由于檢測電壓的電路受損燒毀均為無效值。
展開 熱設計工程師的職場感悟:從方案到產品的價值轉化
1）方案設計公司在商業環境中的困境
方案設計公司在目前的社會環境下，很難生存，至 少很難做大的核心是：客戶傾向于比價而非認可方案設計的價值。簡單的說就是“方案設計的價值難以轉化為訂單”。
比如甲公司通過詳細的分析，耗費巨大資源，將客戶原本成本為10元的方案，使用我們報價的物料方案，配合一些結構、硬 件、軟件上的調整，總計6.0元就可以搞定，單機節約散熱成本40%，但客戶卻拿著甲公司6.0 元的報價物料型號和要求，全社會比價格，最終訂單被競爭對手乙公司以5.8元的報價 拿到。而乙公司則無需具備任何方案設計能力，也不用做以上那些投入。
這樣客戶因節省短期成本（0.2元差價）而放棄高價值方案，導方案設計投入無法轉化為訂單。甲公司就不得不削弱方案設計層面的 投入，其最終的結果就是客戶找不到高價值方案，就會將供應商價格壓的很低，長期看，客戶和供應商均陷入“價格戰”雙輸局面，整體成本反而更高。
2）客戶行為與采購流程的現實
客戶采購流程的現實其實就是“客戶采購流程優先選擇低價，忽視方案設計的長期價值”。一般客戶采購以低價為導向，傾向于選擇，只要價格便宜且能通過測試即可的原則，來降低解釋成本。
技術型小公司因業務團隊薄弱，很難和客戶采購建立深度關系，導致價值服務難以被認可。而且客戶也要面臨產品被拆解抄襲的壓力，進一步削弱了對方案設計的依賴，這好像是一個惡性循環，但卻是普遍存在的現象。
3）轉向有形產品生產的必要性
我在書籍 最后一章寫到，如果把產品熱問題比喻成疾病，熱設計工程師的角色其實是醫生。熱設 計方案就類似藥方，它很有價值，但它的價格就只是掛號費。能成規模，比較掙錢的卻是制藥公司。
基于這樣的市場現實和多次實際項目的反饋，我和我的同事不得不投入更多精力去 開發和生產有形的產品。
展開 
Ansys攜手臺積電推出面向3D-IC設計的熱分析解決方案
Ansys與臺積電還合作運用Ansys RedHawk-SC Electrothermal?開發了一種高容量層次化熱解決方案，以高保真結果分析完整的芯片-封裝-系統。最近，在2021年10月26日舉辦的臺積電2021開放創新平臺?（OIP）生態系統論壇上，發表了一篇關于該解決方案的Ansys論文，題為《高級3DIC系統的綜合分層熱解決方案》。
Ansys? Icepak?熱仿真顯示了芯片、其系統環境和冷卻氣流之間的熱流情況
臺積電與Ansys的深化合作進一步擴展了Ansys RedHawk系列產品的應用，將RedHawk-SC?用于TSMC-SoIC?技術的電遷移和壓降（EM/IR）簽核。TSMC-SoIC?技術是3DFabric系列中最綜合全面的芯片堆疊技術。
臺積電設計架構管理事業部副總裁Suk Lee表示：“我們與OIP生態系統合作伙伴密切合作，運用臺積電先進工藝和3DFabric技術在功耗、性能和面積方面實現的大幅改進，為新一代設計提供解決方案。此次與Ansys的合作為全芯片與封裝分析提供了熱解決方案流程，這對我們的客戶來說意義重大。”
Ansys Icepak是一款使用計算流體動力學（CFD）來仿真電子裝配的氣流、熱流、溫度和冷卻的仿真軟件產品。Ansys RedHawk-SC Electrothermal是一款用于求解2.5D/3D多芯片IC系統的多物理場電源完整性、信號完整性和熱方程的仿真軟件產品。Ansys RedHawk-SC是一款用于半導體設計的電源完整性和可靠性分析工具，經臺積電認證，可對所有FinFET工藝節點（包括最新的4nm和3nm）進行簽核。
展開 Ansys攜手臺積電推出面向3D-IC設計的熱分析解決方案
Ansys與臺積電還合作運用Ansys RedHawk-SC Electrothermal?開發了一種高容量層次化熱解決方案，以高保真結果分析完整的芯片-封裝-系統。最近，在2021年10月26日舉辦的臺積電2021開放創新平臺?（OIP）生態系統論壇上，發表了一篇關于該解決方案的Ansys論文，題為《高級3DIC系統的綜合分層熱解決方案》。
Ansys? Icepak?熱仿真顯示了芯片、其系統環境和冷卻氣流之間的熱流情況
臺積電與Ansys的深化合作進一步擴展了Ansys RedHawk系列產品的應用，將RedHawk-SC?用于TSMC-SoIC?技術的電遷移和壓降（EM/IR）簽核。TSMC-SoIC?技術是3DFabric系列中最綜合全面的芯片堆疊技術。
臺積電設計架構管理事業部副總裁Suk Lee表示：“我們與OIP生態系統合作伙伴密切合作，運用臺積電先進工藝和3DFabric技術在功耗、性能和面積方面實現的大幅改進，為新一代設計提供解決方案。此次與Ansys的合作為全芯片與封裝分析提供了熱解決方案流程，這對我們的客戶來說意義重大。”
Ansys Icepak是一款使用計算流體動力學（CFD）來仿真電子裝配的氣流、熱流、溫度和冷卻的仿真軟件產品。Ansys RedHawk-SC Electrothermal是一款用于求解2.5D/3D多芯片IC系統的多物理場電源完整性、信號完整性和熱方程的仿真軟件產品。Ansys RedHawk-SC是一款用于半導體設計的電源完整性和可靠性分析工具，經臺積電認證，可對所有FinFET工藝節點（包括最新的4nm和3nm）進行簽核。
展開 航天器熱控系統的可靠性設計與分析
針對國內外航天器熱控制、熱管理技術的發展現狀,在詳細調研各種航天器熱控系統組成原理與功能實現方式的基礎上,從可靠性的角度出發,歸納、總結了航天器熱控系統中串聯、并聯、表決、儲備四種常見的可靠性設計模式及其相應的可靠性分析計算模型,介紹了其在空間站、月球探測
航天器熱控系統的可靠性設計與分析.pdf
機翼全參數化設計及流-固-熱耦合分析
1) 概述
機翼設計是一個長周期的、需要同時考慮多種性能指標達到綜合最佳狀態的多次往復修改過程。通過建立一套全參數化的機翼設計分析模型構建體系，可實質性的促進達成快速多方案迭代或自動優化設計的目標。
各種不同翼型結構的參數化快速建模
2) 案例描述
機翼結構復雜，需要找出全參數化定義設計和分析模型的具體實現方法，需要同時考慮CFD氣動分析及氣動加熱和結構熱傳導、結構動靜強度、流固熱三個物理場在各種不同的計算狀態下的雙向耦合。基于這種技術挑戰，機翼全參數化設計及流-固-熱耦合分析系統利用APDL全參數化建模，同時建立結構分析模型和CFD網格模型；利用Mechanical+CFX流固耦合實現流-固-熱三場多狀態雙向耦合計算。
自動構建機翼流-固-熱耦合分析網格
3) 實踐及效果
a、 實現了機翼結構幾何及流-固-熱三場分析網格模型的全參數化自動建立；
b、 實現了流-固-熱三場全自動多狀態雙向耦合分析計算
c、 對機翼設計，尤其是前期設計階段，實現了全參數化快速多方案精細對比分析，極大提升設計效率和設計質量。
流-固-熱三場多狀態雙向耦合計算
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