通過增材制造對冷板和換熱器設(shè)計(jì)進(jìn)行熱流體分析的新工作流程

Part.01增材制造的創(chuàng)新及其實(shí)際應(yīng)用

增材制造（AM）是一種通過分層材料創(chuàng)建三維零件的過程，通常由數(shù)字3D模型數(shù)據(jù)指導(dǎo)。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，AM具有以下優(yōu)勢：

? 設(shè)計(jì)自由

? 高效的材料使用等

隨著金屬AM的進(jìn)步，顯著的成本降低和精度的提高促進(jìn)了實(shí)際應(yīng)用。

此外，新材料和新工藝的發(fā)展刺激了制造業(yè)的創(chuàng)新轉(zhuǎn)型。值得注意的是，與熱管理和冷卻相關(guān)的應(yīng)用正在引起人們的關(guān)注。冷卻裝置和熱交換器的新設(shè)計(jì)利用了AM提供的設(shè)計(jì)靈活性。例如，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，汽車電力電子設(shè)備的冷板現(xiàn)在提供了三倍的表面積。相機(jī)等消費(fèi)品的散熱性能提高了24%，展示了AM對熱管理和冷卻技術(shù)的革命性影響

Part.02使用增材制造設(shè)計(jì)冷卻裝置的技術(shù)挑戰(zhàn)

使用AM設(shè)計(jì)用于熱管理和冷卻應(yīng)用的冷板和熱交換器存在幾個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)，包括：

1)優(yōu)化流量；

2)優(yōu)化傳熱性能；

3)除了流體和熱性能外，還必須評估可制造性。

Part.03CAE分析對增材制造的挑戰(zhàn)

在大多數(shù)計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）工作流程中，在CAD中創(chuàng)建三維形狀，然后將其導(dǎo)入CAE工具以生成體網(wǎng)格。然而，AM特定的建模工具使用隱式表示，而不是零件形狀的邊界表示（B-rep）。隱式表示使用一個(gè)字段來表示對象，該字段確定空間中的點(diǎn)是在對象內(nèi)部還是外部。這允許非常復(fù)雜和靈活的設(shè)計(jì)，使其成為AM的理想建模方法。

然而，在CAE中使用隱式表示帶來了挑戰(zhàn)。許多CAE工具需要曲面網(wǎng)格來生成體網(wǎng)格。因此，在CAD中創(chuàng)建表面網(wǎng)格，例如STL文件，并將其導(dǎo)入CAE工具，或者CAE工具本身具有從CAD數(shù)據(jù)生成表面網(wǎng)格的能力。

在隱式表示的情況下，還需要創(chuàng)建曲面網(wǎng)格。然而，由于CAE工具不支持隱式表示，因此有必要使用AM或其他工具的建模工具生成類似STL的曲面網(wǎng)格。

雖然B-rep允許調(diào)整網(wǎng)格密度和曲面再現(xiàn)，但隱式表示僅從表示對象的場生成曲面網(wǎng)格。

圖1顯示了使用nTop建模和執(zhí)行CAE分析的工作流程。如果需要高分辨率的B-rep曲面輸出（STL網(wǎng)格），則可能需要數(shù)小時(shí)才能生成，并且生成的大型數(shù)據(jù)集會增加CAE處理時(shí)間。另一方面，降低分辨率縮短了輸出時(shí)間，但導(dǎo)致降低CAE分析的準(zhǔn)確性和可靠性。

Fig 1:增材制造設(shè)計(jì)中的CAE工作流程

Part.04開發(fā)無STL的CFD網(wǎng)格生成技術(shù)

?？怂箍礐radle CFD開發(fā)了一種不使用STL網(wǎng)格生成CFD網(wǎng)格的新方法。該方法中使用的工具是用于建模的nTop和用于CFD分析的Hexagon Cradle CFD scSTREAM。以下簡要概述了它們各自的特點(diǎn)。

nTop是一種基于隱式表示的建模工具，可以輕松創(chuàng)建為增材制造量身定制的形狀。此外，它還提供了一個(gè)名為nTop Core的第三方庫，可以查詢?nèi)我饪臻g坐標(biāo)處是否存在對象。

Cradle CFD scSTREAM是一種采用正交網(wǎng)格的CFD工具，由于其高效的網(wǎng)格劃分能力，通常用于電子設(shè)備，建筑物和HVAC（供暖、通風(fēng)和空調(diào)）系統(tǒng)的熱分析。它支持基于正交網(wǎng)格的體素元素和切割單元元素，這些元素是通過沿CAD幾何切割體素元素而創(chuàng)建的。

scSTREAM中的正交網(wǎng)格生成和元素屬性確定機(jī)制與隱式表示概念具有很高的兼容性。通過利用scSTREAM中CFD網(wǎng)格化過程中通過nTop Core獲得的對象存在信息，可以在不使用STL的情況下生成CFD網(wǎng)格。進(jìn)一步的優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)高分辨率分析，同時(shí)保持快速的處理速度，即使網(wǎng)格數(shù)量變得非常大。

使用此方法的流程如下：

a)在nTop中，為CAD模型中的指定零件生成晶格結(jié)構(gòu)。

b)在scSTREAM中，先基于CAD模型進(jìn)行CFD網(wǎng)格劃分。

c)nTop中選擇“導(dǎo)出隱式”，并輸出隱式文件。

d)最后，使用nTop scSTREAM接口將隱式文件與零件相關(guān)聯(lián)，并將指定零件內(nèi)的CFD網(wǎng)格元素轉(zhuǎn)換為晶格結(jié)構(gòu)。

還可以利用多個(gè)隱式文件，使得冷板之外模型進(jìn)行處理，例如具有多種流體和金屬的熱交換器。

這一發(fā)展有助于快速生成CFD網(wǎng)格和分析，而無需依賴STL。除了上述方法外，我們還開發(fā)了一種利用切割網(wǎng)格的更先進(jìn)的技術(shù)。與前面的方法一樣，對象的存在是從nTop Core中獲得的，并用于網(wǎng)格生成，但在這種情況下，笛卡爾網(wǎng)格和對象之間的交點(diǎn)信息被檢索以創(chuàng)建切割網(wǎng)格。切割網(wǎng)格能夠?qū)⒌芽柧W(wǎng)格內(nèi)的元素劃分為由平面組成的多面體，從而用更少的網(wǎng)格增強(qiáng)形狀保真度。用戶可以選擇高魯棒性笛卡爾網(wǎng)格方法或者更貼近實(shí)際模型的切割網(wǎng)格方法。

Part.05應(yīng)用案例重播 Part.06文章總結(jié)

增材制造技術(shù)的進(jìn)步使創(chuàng)新冷卻裝置的開發(fā)更接近實(shí)際應(yīng)用。然而，設(shè)計(jì)優(yōu)化需要使用CAE工具進(jìn)行設(shè)計(jì)探索，復(fù)雜形狀數(shù)據(jù)到STL數(shù)據(jù)的耗時(shí)轉(zhuǎn)換仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

為了解決這個(gè)問題，CradleCFD V2024.2開發(fā)了一種不需要STL的CFD網(wǎng)格生成新方法。通過利用nTop中的隱式表示并將其與scSTREAM的CFD網(wǎng)格技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了快速CFD分析。

在對具有陀螺晶格結(jié)構(gòu)的鋁冷板進(jìn)行CFD分析的應(yīng)用案例研究中，使用新方法將CFD網(wǎng)格生成所需的時(shí)間從之前使用傳統(tǒng)方法需要260分鐘縮短到12秒。更重要的是，這種新方法通過CFD分析對晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)探索，從而得出了最佳形狀，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在相同的壓力損失下，與傳統(tǒng)的M形通道相比，冷卻性能提高了30%。當(dāng)應(yīng)用于電動汽車IGBT時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)有望有助于電機(jī)小型化、提高能效和減少二氧化碳排放。