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几款主流热设计仿真软件纵横比

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热仿真分析软件在物理、化学、化工、冶金、地质、建材、燃料、轻纺、食品、生物、芯片等多个行业领域发挥着重要作用,它们通过模拟和分析热传导、热对流和热辐射等热交换过程,帮助工程师优化产品设计,提高产品温度稳定性。

在方案阶段,热仿真分析软件能够从芯片级、板卡级、系统级、环境级模拟系统温度场分布,对热设计方案进行全面分析,从而判断热设计是否满足需求,缩短产品开发周期,降低产品开发成本。本文盘点几款主流热仿真分析软件。

1 Ansys Icepak    
一款用于电子热管理的散热仿真软件,利用行业领先的Ansys Fluent计算流体动力学 (CFD) 求解器,可以预测IC封装、PCB、电子装配体、外壳和电力电子设备中的气流、温度和热传递。可以执行传导、对流和辐射共轭传热分析,利用许多高级功能对层流和湍流进行建模,以及进行包括辐射和对流在内的组分分析。

应用领域

  • 器件级:主要用于芯片封装的散热分析,确保芯片在高负载下的稳定运行。

  • 板卡级:用于PCB板的热设计和散热模块的设计优化,提高电子设备的性能和可靠性。

  • 系统级:涉及机箱、机柜等系统散热方案的选择及优化,以及散热器件的选型,确保整个系统的散热效率。

  • 环境级:应用于机房、外太空等大环境的热分析,为复杂环境下的电子设备提供散热解决方案。

软件优点

  • 多物理场耦合能力:能够同时考虑热传导、对流、辐射和传热介质的影响,提供综合性的热分析。

  • 直观易用的界面:用户可以通过直观的界面对模型参数、边界条件和模拟步骤进行设置,同时可视化地观察和分析结果。

  • 高效的求解器:配备高效的求解器,能够在合理的时间内处理复杂的热分析问题。

  • 广泛的模型库和材料库:提供散热器、风扇、冷却液和热界面材料等丰富的模型和材料库,方便用户快速建立模型。

  • 与CAD系统集成:能够与多种CAD系统进行无缝集成,如SolidWorks、CATIA和NX等,提高工作效率。

独特优势

  • 采用专业的CFD软件Fluent作为求解器,结果可靠。

  • 与各类CAD软件及EDA有良好接口,方便热设计分析。

  • 包含丰富的 IC 封装库、散热器库、风机库、材料库等。

  • 与ANSYS其他模块实现电、热、结构的多物理场耦合仿真。

  • 集成在ANSYS Workbench下,易用的参数化和优化功能。

  • 非结构化、贴体网格划分,对于曲面的网格处理能力较好。

2 SINDA/FLUINT    
一个全面的有限差分集总参数(电路或网络类比)工具,用于复杂系统的传热设计和流体流动分析。它在航空航天、电子、石化、发电、医疗和汽车行业的 40 个国家的 700 多个地点使用。几十年来,SINDA/FLUINT 为用户提供了经过验证且强大的传热和流体分析功能,特别是在航空航天领域提供最可靠的传热与流体流动设计分析服务。

应用领域

  • 航天器与运载火箭热、推进、环境控制设计。

  • 电子封装和组件设计。

  • 发电系统设计。

  • 涡轮机械。

  • 替代能源系统和能源节约设计。

  • 汽车与飞机发动机、冷却系统、燃料、润滑、空调和冷藏、水力系统等。

  • HVAC(加热、通风、空调)和消防系统。

  • 油气管路、流量控制、蒸气注入系统。

软件优点

  • 全面性:SINDA/FLUINT是一个全面的有限差分集总参数工具,能够处理复杂系统的传热设计和流体流动分析,包括热辐射、传导、对流等多种热传递方式。

  • 强大的求解能力SINDA/FLUINT具有经过验证且强大的传热和流体分析功能,能够处理从几个节点到百万级节点的工程系统,且计算准确度高。

  • 智能性和易用性SINDA/FLUINT被公认为将软件设计的“智能性”发挥得最好的软件之一,能够自动完成尺寸和布局优化,支持在参数尚未完全确定前即可开始分析。

  • 广泛的应用领域SINDA/FLUINT在航空航天、电子、石化、发电、医疗和汽车等多个行业得到了广泛应用,证明了其在不同领域中的适用性和可靠性。

  1. 高级设计模块:SINDA/FLUINT的高级设计模块支持目标寻求、多变量约束下的优化、实验数据自动修正和可靠性分析等功能,为工程设计提供了强大的决策支持。

  2. 丰富的库函数和子模型:SINDA/FLUINT提供了大量的库函数支持,如恒温加热器、相变材料、数学工具等,以及用于建模常见设备和现象的用户调用例程。

独特优势

  • 与 ICEPAK 相比,SINDA/FLUINT 突出的优势在于能够很好处理曲面几何,采用 fluent 求解器,集成在 ANSYS 中,能与 ANSYS 其他模块进行耦合分析。

  • 与 FloEFD 相比,SINDA/FLUINT 是一个综合性的、通用的设计与分析工具,能处理更复杂的热/流体系统。

  • 与 6Sigma 相比,SINDA/FLUINT 智能分析已经实现工程化应用,而 6Sigma 可能仍处在某些宣传阶段。

3 FLOEFD    
一款无缝集成于CAD软件的工程化热流分析软件,前身为苏联时期应用于航空航天领域的Aershape-3D。软件基于笛卡尔网格法进行CFD仿真,该方法是数值、分析和经验数据相结合的产物,在几乎任何复杂计算域中都可以产生高质量的仿真结果,同时又保持较低的资源需求。

应用领域

  • 航空航天领域:外气动特性分析、换热器设计、燃油喷射与空化模拟、座舱喷射器和管道设计、机翼气动特性分析、进气与喷流研究、电子设备油箱优化等。

  • 电子设备散热:支持丰富的电子热分析功能,包括焦耳热、双热阻简化模型、热管简化模型、PCB生成器以及改善的风扇模型等。

  • 暖通空调系统:模拟空气流动、污染物扩散以及建筑环境的热舒适性,从而确保室内环境的热舒适性和空气质量达到最佳状态

  • 燃烧仿真分析:定义了26种燃料,可视化燃烧产品质量分数,如一氧化碳、二氧化碳、氮气、一氧化氮、二氧化氮、二氧化硫、水、残渣燃料和残余氧化剂等。

软件优点

  • 无缝集成于CAD软件:高度工程化的通用流体传热分析软件,使用简单,集成于主流三维CAD软件中。

  • 高效分析:分析准确率高且速度快,适合快速迭代和优化设计。

  • 即时反馈:提供即时反馈能力,工程师可以在CAD界面中实时看到流场、温度分布等仿真结果,从而快速了解设计的影响,并做出即时决策。

独特优势

  • 前期CFD仿真可缩短开发周期:使设计工程师能够在设计流程的前期进行仿真,此时识别和修复问题或探索改进更具成本效益。

  • 运用对设计师友好的直观CFD界面:通过嵌入的CAD界面、引导式仿真设置和执行、智能自动化技术以及直观的结果查看方式,方便设计工程师进行仿真。

  • 直接对原生CAD几何体执行CFD,并消除CFD开销:消除工具之间几何体转换的延迟,并克服为CFD分析准备CAD几何体的复杂性。

  • 使用仿真驱动型设计–探索、比较和优化:利用参数化研究和设计探索功能,在可用时间内评估更多设计方案。

4 6Sigma ET    
一款专业的专为电子行业设计的高智能、自动化热设计分析工具,专门用于工程师和设计师进行电子设备系统的热管理分析,能够帮助用户快速准确地评估设备的热性能,优化散热设计,并预测设备在不同工况下的温度分布和热应力,从而减少产品设计和研制成本,提高产品的性能和可靠性,缩短产品的研制和生产周期。

应用领域

  • 消费电子:智能手机、平板电脑、显卡、可穿戴设备。

  • LED照明。

  • 服务器、控制器、机箱机柜。

  • 航空航天。

  • 兵器船舶。

  • 汽车电子:ECU、电路控制器、风扇控制单元。

软件优点

  • 高智能化和自动化:能够自动识别并应用网格规则,配置各种专有属性,大大简化了建模过程。提供了丰富的智能化模型对象库,如芯片、PCB、电源、散热器等。

  • 自动化的网格生成功能,缩短了设置时间并保证生成最佳的网格分布,支持大规模网格计算。

  • 准确性和高效性:具备精确的仿真能力,能够准确模拟电子设备在不同工况下的热性能。求解器准确、快速、高效、鲁棒性强,支持多核并行运算,大大提高了计算效率。

  1. 全面的仿真功能:支持复杂的多层PCB设计、非均匀材料的热特性分析以及多种散热措施的仿真。能够处理不同元器件的功耗并模拟其热效应,帮助工程师优化散热设计。

  2. 强大的可视化工具:提供了直观的用户界面和丰富的后处理显示方式,如温度、速度、压力、密度的云图,速度及热流的矢量图等。

  3. 集成性和兼容性:支持导入各种三维建模软件和ECAD数据,如Pro/E、Solidworks、CATIA等,能够保留设计细节并将导入的CAD对象转换成智能化器件。

  4. 创新功能:支持从主板概念设计到全系统设计的整合分析,为工程师提供了全面的热管理解决方案。

独特优势

  • 引入了多级网格和浸入边界法处理曲面,实现智能网格划分和高效建模,容错率高。

  • 在处理复杂曲面构和液冷产品仿真时具有优势,能够实现更精确的仿真结果。

  • 建模快速高效,网格划分智能、容错率高,也非常适宜对电子产品进行热仿真。

5 Flotherm    
一款专业的电子系统散热仿真软件,广泛应用于电子设备的热分析领域。它能够帮助工程师对电路板的散热情况进行详细分析,从而提高产品的品质和可靠性。FloTHERM通过其强大的仿真功能,支持从元器件级到系统级的全面热分析,帮助用户在产品设计初期识别和解决散热问题。市场占有率高达80%。

应用领域

  • 半导体设备、集成电路以及电子元器件。

  • 航空航天和国防系统。

  • 汽车和交通运输系统。

  • 电信设备和网络系统。

  • 工业制造与装备。

  • 仪器仪表。

  • 家电制造。

软件优点:

  • 专注于电子热设计:作为全球第一款专门针对电子器件/设备热设计而开发的仿真软件,市场占有率高达80%。

  • 多尺度建模能力:实现从元器件级、PCB板和模块级、系统整机级到环境级的热分析。

  • 优化设计模块:提供优化设计模块,帮助用户改进散热设计。

  • 丰富的后处理功能:包括动态渲染、自动统计和结果对比等功能,方便用户分析和优化结果。

独特优势

  • 强大的CAD档案支援度

  • 高效能的前处理介面

  • 智慧型零件(Smartpart)支援建模与强大的内建资料库

  • 可汇入分析资料PDML与PACK档

  • 支援Pack所提供的2-resistor与Delphi模型

  • 支援EDA电子电路设计档案

  • 独特网格技术解决复杂几何的网格配置

  • 简易操作的后处理与高品质的图像呈现

每款热仿真分析软件都有其独特的优势和局限性,用户在选择时应根据具体的应用场景和需求进行综合考虑。例如,如果专注于电子热设计领域,FloTHERM可能是不错的选择。
  • 与 Icepak 相比,FloTHERM 占用的内存和 CPU 资源少,有大量智能部件可直接参数化建模,原厂商完成大量电子器件热模型方法的研发,还具有自动优化设计能力。

  • 与 6SigmaET 相比,FloTHERM 在电子设备热分析方面更具专业性和针对性,市场占有率也较高。

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来源:纵横CAE
FluentIcepakWorkbenchANSYS 其他Sinda燃烧化学湍流电源电路网格处理通用航空航天船舶兵器材料
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首次发布时间:2024-09-01
最近编辑:3月前
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Ansys Workbench过盈配合仿真

在现代工程设计中,过盈配合是一种常见的连接技术,它能够提供较高的装配精度和可靠连接。过盈量选取至关重要,过盈量太大将会导致装配困难甚至破坏零部件,而过盈量太小又将会导致过盈力不足以承受预期负载。为了确保过盈配合的效果,进行仿真分析显得格外重要。本文以实例详解的方式,介绍Ansys Workbench过盈配合仿真方法,以期为选取合理的过盈量提供一种有效手段。 1 构建几何模型在Solidworks环境下,构建考虑过盈公差的真实尺寸销轴过盈配合模型,如图1所示。其中,圆环外径100mm、内径50mm、厚度50mm,销轴直径50.04mm(过盈量为0.02mm)、厚度100mm。材料均为结构钢。Fig. 1 销轴过盈配合几何模型特别注意:通过在Solidworks中建立轴孔直径大小相等的理论尺寸模型,然后在ANSYS Workbench通过设置Offset值(正值为过盈),是过盈配合仿真的另一种方法。 2 导入几何模型完成三维模型后,将其导出为适合中间格式,通常是X_T、STEP或IGES格式。打开Ansys Workbench,建立项目分析流程图,右击流程图中的Geometry,进入DM界面,导入几何模型。Fig. 2 销轴四分之一对称模型由于销孔模型关于XZ、YZ平面对称,只需要取出四分之一进行分析即可(方法:Tools—>Symmetry—>对称平面—>右击Generate),如图2所示。3 定义材料属性关闭DM界面,双击Static Structural中的Engineering Data,进入材料参数设置界面。本文采用默认的材料结构钢Structural Steel,如图3所示。Fig. 3 定义材料属性4 设置接触关系关闭Engineering Data界面,返回到ANSYS Workbench界面,双击Static Structural中的Model,进入Mechanical界面。展开模型树中的Connections,如图4所示,在下方列表中做如下设置:1)选择接触面Contact Bodies为销轴外表面,目标面Target Bodies为圆环内表面;2)设置接触类型为摩擦接触Frictional,取摩擦系数Frictional Coefficient为0.2;3)设置接触行为Behavior选择非对称接触Asymmetric;4)建模时已考虑过盈量,无需设置Offset值,省略改步设置。Fig. 4 设置接触关系5 进行网格划分模型较为规则简单,因此本文保持默认设置,直接右击模型树中的Mesh选择Generate Mesh进行自动网格划分,如图5所示。Fig. 5 进行网格划分6 设置边界条件设置对称的4个面为Frictionless Support,并固定约束圆环的外圆表面,如图6所示。Fig. 6 设置边界条件7 进行求解设置点击模型树中的Analysis Setting,开启大变形,即设置Large Deflection为On,如图7所示。其余保持默认设置。Fig. 7 进行求解设置8 求解与后处理右击模型树中的Solution,选择Solve,进行求解计算。求解完成后,添加并查看整体应力、整体变形、圆环变形、销轴变形,分别如图8-图11所示。Fig. 8 整体应力云图Fig. 9 整体变形云图Fig. 10 圆环变形云图Fig. 11 销轴变形云图圆环最大变形为0.012mm,销轴最大变形为0.01mm,圆环变形与销轴变形之和为0.022mm与0.02mm很接近。符合变形协调条件,说明该方法所得仿真结果同样可信。Fig. 12 选择接触面右击分析树中的Solution—>Tools—>Contact Tools,主窗口中选择接触面,如图13所示。求解后,分别添加并查看接触面的接触状态Status、接触压力Pressure和接触面渗透量Penetration,分别如图13-图15所示。Fig. 13 接触面的接触状态StatusFig. 14 接触面接触压力PressureFig. 15 接触面渗透量Penetration通过比对两种过盈配合分析方法的仿真结果可以发现,两种方法得到的结果几乎是完全一致的,而且配合区域任意处圆环和销轴的最大变形之和约等于过盈量,说明两种过盈配合仿真方法可信,而且可以相互替代。 过盈量一般在绘制工程图纸时进行公差标注,而运用Solidworks画图时往往只按理论尺寸进行建模。因此,实际工程分析过盈配合时,建议采用设置Offset值法。来源:纵横CAE

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