某底盘热仿真设计方案案例分享
前言
整体概述：某标准底盘工作环境为0℃~+40℃；赋予发热模块一定的发热功率，通过热仿真手段分析箱体内部的温度分布。
工况介绍：电机热耗按电机运行时间占比求得电机综合平均功率106.0W，然后按20%损耗折算成热耗；其他部件均按其额定功耗设定热耗。
仿真分析：本次仿真按最高工作环境40℃完成热仿真，仿真涉及结构件的材质、热耗信息见仿真需求表。
仿真使用软件：Icepak
图1.1 仿真需求表
此次仿真将从前处理、网格划分、模型设定、求解计算、后处理详细介绍整个仿真过程
1 前处理
1.1 前处理原则
①CAD的几何模型必须干净：为保证网格精度及计算顺利进行，需删除螺钉、螺母、铜柱、小特征及与散热不相关的连接器、接插件等；
② CAD的几何模型需尽量保证原形态：为保证仿真精度，简化要避免对模型过度简化丢失其原有的形状。
图1.2模型简化
1.2 对象识别
识别对象：单击Identity Objects，SCDM会直接检查模型中能够被Icepak识别的模型，单击视图区域左上角的绿色勾选√，将其转化成Icepak热模型；
仿真简化：对于不能直接被识别的体，需点击Icepak Simplify来简化模型树下的模型；对于Level 3的简化建议选择刻面质量(Facet Quality)最优，刻面质量用于控制转化后Icepak热模型表面的精细程度。
图1.3 对象识别
2 网格划分
2.1 网格划分原则
在有限元仿真中，网格质量的好坏直接决定了求解计算的精度及是否可以收敛， 网格划分需满足：①网格必须贴体，即划分的网格必须将模型本身的几何形状描绘出来，保证模型不失真；②网格的各个质量标准满足Icepak的要求。
图 2.1 网格划分
2.2 网格划分步骤
①生成粗网格：Mesher-HD网格划分；
②评估：网格是否贴体，网格质量是否满足求解要求；
③细化网格：减小网格尺寸、开启Multi-level、局部细化等功能；
④生成细化网格；
⑤检查网格：评估网格是否满足求解要求，如满足则进行下一步，若不满足重新细化网格；
⑥求解计算。
图 2.2 网格划分步骤
2 .3 网格划分技巧
①网格最大尺寸：网格最大尺寸一般设置为模型最小板厚的2~3倍，若有某些部件未完全划分网格，可利用Local面板中的Object params、Multi-level中的多级网格、局部加密进行网格加密；
②选择Set uniform mesh params：对几何使用均匀化的网格参数设置，此选项可以提高模型的网格质量，同时减少网格数量；
③选择Enable 2D multi-level meshing：表示对多边形几何体或圆弧划分多级网格，可明显提升网格质量，并减少网格数量，建议选择；
图2.3 网格划分技巧
3 模型设定
3.1 材料设置、热耗赋予
时间：建议模型设定置于网格划分之后，若网格划分过程中出现结构件干涉、部分小特征影响网格精度等现象，需返回前处理对模型二次修改；
材料新建：参照《红外发射率&材料导热系数》，Solid(固体)稳态仿真中仅需设置Conductivity，瞬态仿真需设置Density&Specific heat；Surface(表面)输入Roughness及Emissivity；Fluid(流体)输入Vol.expansion(体积膨胀率)，Viscosity(动力粘度)，Diffusivity(扩散率)等；
材料、热耗赋予：依据后缀针对相同材料的零部件可多选设置材料，设置中应避免遗漏，保证每个零部件赋予正确的材料和热耗。
图3.1 材料设置
3.2模型求解设置
计算区域设置：在Icepak中进行自然对流计算时，需设置相应的计算区域。Cabinet表示计算区域，四周开口要满足实际要求，底盘下方设置为Wall模拟地面，其余五个面均设置为Opening；
辐射换热设置：底盘仿真建议选用Do模型，同时建议增加Theta divisions和Phi divisions的数值，修改为3，可提高辐射换热的计算精度；
其他设置：求解模型选择Zero equation零方程模型，仿真温度定义为产品使用最高温度，同时开启重力加速度；Transient setup的Solution initialization选项中，输入重力方向反方向的速度0.15m/s。
图3.2 模型求解设置
4 求解计算
4.1 求解设置
求解基本设置面板：双击Basic settings，打开求解的基本设置面板，Number of iteraions表示稳态求解计算的迭代步数；Convergence criteria表示求解计算的耦合残差标准；Flow表示流动的残差收敛标准，Energy表示能量方程的残差收敛标准；建议Flow、Energy残差适当减小；
并行设置面板：双击Parallel settings，打开并行设置面板。其中Serial表示单核计算，Parallel表示多核并行计算；仿真中建议开启多核计算计算缩短热仿真时间；
高级设置面板：双击Advanced settings，对于强迫对流Pressure输入0.3，Momentum输入0.7，对于自然对流Pressure输入0.7，Momentum输入0.3，同时压力的离散格式选择Body Force Weighted；·
求解面板设置：建议选择Coupled pressure-velocity formulation，选择此项后，将使用压力基的耦合算法求解计算，较传统方法鲁棒性更好，计算速度更快。
图4.1 模型求解设置
4.2变量监控点设置
变量监控点用于监测求解计算时某点的变量(压力、速度、温度)变化情况，是判断计算是否收敛的标准。在仿真中一般用直接拖拽模型的方式建立监测点，亦可使用直接输入坐标，或者直接建立等方式进行。
图4.2 变量监控点设置
5 后处理
5.1 收敛标准
对于Icepak热模型的求解计算，建议以监控点的变量值作为判定，如果残差曲线显示求解已收敛，但是监控点的变量值仍有变化，那表示计算求解尚未完全收敛，建议修改Flow和Energy值继续进行计算。
图5.1 收敛标准
5.2后处理
Icepak自带了丰富的后处理命令，常用的后处理命令有：
①Object face：主要是显示选中模型对象的网格，以及不同变量的云图，如温度、压力、速度等，也可以显示流动类型对象的速度矢量；另外可以显示流动类型对象的迹线图，可转化成动画格式观察其变化。
②Plane cut：表示对模型中的某一切面进行不同变量的后处理显示；
③Point：点处理，显示某一点的计算结果，一般在计算过程中作为监控点；
④Surface probe：探针处理，使用探针对后处理的各种云图进行后处理标记，可显示后处理云图中某个点的具体变量数值；
根据后处理的云图数据完成整体的分析。
图5.2 后处理
作者简介：
王志强，热设计工程师一枚，“T型”人才，热设计与机械设计能力兼备，擅长板级和系统级散热设计。
