您真的了解热设计与热仿真吗？
01热设计与仿真的概念
随着电子器件与设备朝着微型化方向发展，功耗不断上升，高热流密度散热的需求越来越迫切，热设计也受到更多的重视。热设计是采用适当可靠的方法控制产品内部所有电子元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下不超过稳定运行要求的最高温度，以保证产品正常运行的安全性，长期运行的可靠性。此外，低温环境下控制加热量而使设备启动也是热可靠性的重要内容。在现代社会中，随着人们对能源消耗和环境保护的重视程度不断提高，热设计已经成为了一项重要的技术领域。在通讯、安防、PC、汽车、LED以及逆变器等行业中越来越被重视，已成为产品研发中不可缺少的重要领域。
热设计是指通过对产品或系统进行热分析和模拟，确定其内部热量分布和传递路径，并通过优化设计来提高其热性能的过程。根据应用领域不同，热设计可以分为建筑热设计、电子热设计、汽车热设计等不同类型。此外，根据设计目标的不同，热设计还可以分为热管理、热传递、热舒适性等不同方面。
热设计工作是一个闭环，从项目前期的结构设计，硬件布局，软件控制，材料选型到后期的温升测试，都应该有热设计工程师的参与。同时，产品迭代速度加快的需求使得留给工程师的设计周期越来越短，因此，越来越多企业采用热仿真来降低成本、加速研发，提升功率器件的热性能可靠性，从而高效驱动热设计。
例如，在对电子产品系统进行散热仿真分析时，通常会用到散热仿真软件--采用计算机流体动力学技术(CFD)，对系统在层流、湍流或过渡态状态下的导热、对流及辐射情况进行求解，获得系统流动传热的参数分布。在产品设计的最初期，工程师就可以利用软件创建虚拟模型，对多种系统设计方案进行评估，识别潜在的散热风险，规避样机试制风险，减少重复设计，缩短开发周期，降低成本。
目前市场流行的电子散热仿真软件有：
1）Ansys Icepak
2）Simcenter Flotherm
3）Altair SimLab
4）6SigmaET
5）SolidWorks Flow Simulation
6）Autodesk CFD
7）SINDA/FLUINT
8）Simetherm
9）TAITherm
10）SimScale
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02热设计的发展历史
早在19世纪末期，人们就开始研究如何通过改善建筑物的隔热性能来减少能源消耗。20世纪初期，随着电力工业的发展，电子设备的发热问题也日益突出。为了解决这个问题，人们开始研究如何通过优化电子设备的散热系统来提高其效率。到了20世纪50年代，随着汽车工业的兴起，汽车发动机的散热问题也成为了人们关注的焦点。为了解决这个问题，人们开始研究如何通过改进汽车发动机的设计来提高其散热效率。
03热设计与仿真的重要性
如果在设计阶段没有认真地进行热设计并采取相应的措施，可能会在产品试制阶段甚至要投入量产时发现热引起的问题。虽然问题不仅限于热，但是越接近量产阶段，采取对策所需的时间越多，成本也越高，甚至会出现产品交货延迟，导致错失商机的大问题。最坏的情况是在市场中才出现问题，从而导致召回和信用问题。
尽管我们不愿意去想象热引发的问题，但热处理不当非常有可能引发冒烟、起火、甚至火灾等涉及人身安全的问题，所以，热设计从根本上讲是非常重要的。因此，从开始阶段就必须切实地做好热设计。除此之外，还需要认识到的是，随着技术发展趋势的变化，热设计变得比以往任何时候都更加严苛。如前所述，设备不仅要求元器件日益“小型化”和“高性能化”，而且还要求出色的“设计灵活性”。
04热仿真应用场景：以新能源电池为例
新能源电池代表着未来能源发展的方向，具有高能量密度、长寿命、环保等优点。它们被广泛应用于电动汽车、储能系统、移动设备等领域，为实现清洁能源的普及化做出了重要贡献。
追踪电池热耦合效应 :新能源电池在充放电过程中会产生大量的热量，严重影响电池的性能和寿命。热仿真技术可以帮助我们深入分析电池的热耦合效应，为电池散热系统的优化提供有力支撑。
热传导仿真：通过仿真分析电池内部的热传导过程，我们可以了解不同材料和结构对热量传输的影响，优化电池的冷却系统设计，提高电池的散热效果。
图：动力电池包（自然对流 及辐射换热）
热失控仿真：电池在异常工况下可能发生热失控，产生过高温度，严重威胁电池的安全性。通过热仿真技术，我们可以预测电池在不同工况下的温度分布，提前发现潜在的热失控风险，采取相应的安全措施。
图：动力电池包（水冷）
05热仿真代表企业（排名不分先后）
1）Siemens：全球性的工业自动化解决方案提供商，其热设计产品广泛应用于电子、建筑、汽车等领域。开发的新型热仿真解决方案已攻克自动驾驶电动汽车设计挑战。
2）COMSOL：全球多物理场建模解决方案的提倡者与领导者。其旗舰产品COMSOL Multiphysics 使工程师和科学家们可以通过模拟，赋予设计理念与生命。它有无与伦比的能力，使所有的物理现象可以在计算机上完美重现。
3）云道智造：致力于“仿真PaaS平台+仿真APP”的工业互联网模式重构仿真软件体系，创新性地解决仿真技术难以大众化应用的问题。目前，云道智造推出了多物理场通用仿真PaaS平台Simdroid和开放兼容的云仿真SaaS平台Simcapsule，并搭建了基于云的工业APP商店Simapps，实现了仿真APP的无代码化开发、云原生部署与在线应用，为广大中小制造企业提供低成本、高精度的专用云化仿真工具。
4）上海坤道：前身为英国Flomerics公司中国代表处。一直以来，坤道专注于热仿真和热测试领域，为电子半导体、汽车、航天航空等行业提供Simcenter FloEFD/Flotherm Flexx/Flomaster等流体传热仿真软件解决方案和Simcenter T3STER热阻测试、Simcenter POWERTESTER功率循环测试、SanjSCOPETM 热反射率成像系统等硬件解决方案。
5）安世亚太：业内最早从事仿真软件自主研发、咨询及服务的厂商之一。仿真产品主要包括通用仿真软件PERA SIM、仿真云平台PERA SIM Cloud、联合仿真工具PERA HySim、专业仿真工具如高频噪声分析软件PERA SIM ProNas、多学科优化软件PERA SIM Cube、综合仿真平台PERA SIM Space等。
6）有限元科技：以工业软件开发为核心，以CAD/CAE为主业，集工业软件销售、软件二次开发、技术咨询、培训为一体的国家高新技术企业，元王凭借在有限元分析领域的经验积累和专业团队的技术实力，致力于为新能源电池行业提供高效、可靠的结构仿真和热仿真解决方案。
7）Future Facilities：全球领先的CAE软件供应商，开发出的6SigmaET是新一代的热分析工具。
8）贝思科尔：专注为国内高科技电子及半导体等行业提供先进的电子/结构设计、散热仿真分析、半导体热可靠性测试及设计数据信息化管理的解决方案和咨询服务。代表产品有电子散热仿真分析软件（FloTHERM）。
9）十沣科技：是国产工业仿真软件的新锐代表企业之一，核心技术脱胎于国家重大科研计划和行业工程化应用项目。产品与解决方案已经广泛应用于各类高端装备制造、工业生产以及城市公共管理领域，涵盖了航空航天装备、船舶与海洋工程、新能源、电子电器、汽车制造、智慧工厂、智慧城市等多个领域的核心通用软件、行业专用软件、数字孪生和云平台三大类产品。
10）天洑软件：专注于具有自主知识产权的智能设计、快速仿真、优化、运维类工业软件的研发。同时，天洑软件还为用户提供定制开发服务，包括CAE前后处理开发、专用求解器开发、工业设计平台搭建、人工智能平台开发、辅助工具开发等。天洑在业内率先采用AI加速算法体系，克服了流体及结构仿真分析耗时过长的业界难题。目前，天洑软件的主打产品为智能热流体仿真软件AICFD、智能结构仿真软件AIFEM、智能优化软件AIPOD、智能数据建模软件DTEmpower等通用软件。
11）英特仿真：自成立以来就专注于自主可控的国产CAE软件研发，拥有刚柔耦合多体动力学、结构、流体、低频电磁、热、声学等自主研发的仿真分析软件。其多物理场耦合软件是目前国内CAE自主软件产品中物理场完整度、耦合方法体系成熟度均领先的产品；建模与可视化平台产品能够实现全流程参数化建模及大规模并行可视化。此外，英特仿真还拥有云平台、数字孪生软件、数字人软件等战略新产品。
12）世冠科技：专业从事工业软件系统仿真技术开发与应用，为复杂装备研制单位和工业制造企业，提供可支撑产品设计研发及使用运维、覆盖产品全生命周期的完全自主研发的系统仿真工业软件和数字孪生解决方案。目前，世冠科技自主研发了具备设计、建模、仿真、测试一体化能力的通用型工业软件，开发了仿真测试一体化平台软件GCAir及控制系统设计与仿真软件GCKontrol。其中，GCKontrol是Simulink的国产替代产品，应用于新能源/智能网联汽车等智能制造领域。
13）ThermoAnalytics：开发的TAITherm 是专业三维热仿真分析工具RadTherm 的升级产品，在继承RadTherm 特征的基础上，开发了新型高效求解器Multigrid Solver，求解效率和精度均有大幅度提高。
14）适创科技：专注于智能工业设计和CAE的研究和应用，核心技术优势在于自主研发的高性能网格剖分、计算流体力学、传热学、电磁学等的物理算法求解器；基于拓扑优化等最优化算法对工业产品和制造工艺问题提供智能设计解决方案；利用完全云原生技术快速迭代产品开发流程。
15）超算科技：专注于工业与工程设计计算软件开发与应用。超算科技的系列产品包括：超算有限元分析系统、超算GPU并行有限元分析系统，计算功能涉及固体结构分析、传热分析、电磁分析、材料分析、流体动力学分析、渗流分析、流变分析等。
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