设计仿真 | 革命性的增材制造用于冷板设计：一种新的CFD工作流程

通过增材制造对冷板和换热器设计进行热流体分析的新工作流程

Part.01增材制造的创新及其实际应用

增材制造（AM）是一种通过分层材料创建三维零件的过程，通常由数字3D模型数据指导。与传统制造技术相比，AM具有以下优势：

• 设计自由

• 高效的材料使用等

随着金属AM的进步，显著的成本降低和精度的提高促进了实际应用。

此外，新材料和新工艺的发展刺激了制造业的创新转型。值得注意的是，与热管理和冷却相关的应用正在引起人们的关注。冷却装置和热交换器的新设计利用了AM提供的设计灵活性。例如，与传统设计相比，汽车电力电子设备的冷板现在提供了三倍的表面积。相机等消费品的散热性能提高了24%，展示了AM对热管理和冷却技术的革命性影响

Part.02使用增材制造设计冷却装置的技术挑战

使用AM设计用于热管理和冷却应用的冷板和热交换器存在几个技术挑战，包括：

1)优化流量；

2)优化传热性能；

3)除了流体和热性能外，还必须评估可制造性。

Part.03CAE分析对增材制造的挑战

在大多数计算机辅助工程（CAE）工作流程中，在CAD中创建三维形状，然后将其导入CAE工具以生成体网格。然而，AM特定的建模工具使用隐式表示，而不是零件形状的边界表示（B-rep）。隐式表示使用一个字段来表示对象，该字段确定空间中的点是在对象内部还是外部。这允许非常复杂和灵活的设计，使其成为AM的理想建模方法。

然而，在CAE中使用隐式表示带来了挑战。许多CAE工具需要曲面网格来生成体网格。因此，在CAD中创建表面网格，例如STL文件，并将其导入CAE工具，或者CAE工具本身具有从CAD数据生成表面网格的能力。

在隐式表示的情况下，还需要创建曲面网格。然而，由于CAE工具不支持隐式表示，因此有必要使用AM或其他工具的建模工具生成类似STL的曲面网格。

虽然B-rep允许调整网格密度和曲面再现，但隐式表示仅从表示对象的场生成曲面网格。

图1显示了使用nTop建模和执行CAE分析的工作流程。如果需要高分辨率的B-rep曲面输出（STL网格），则可能需要数小时才能生成，并且生成的大型数据集会增加CAE处理时间。另一方面，降低分辨率缩短了输出时间，但导致降低CAE分析的准确性和可靠性。

Fig 1:增材制造设计中的CAE工作流程

Part.04开发无STL的CFD网格生成技术

海克斯康Cradle CFD开发了一种不使用STL网格生成CFD网格的新方法。该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。以下简要概述了它们各自的特点。

nTop是一种基于隐式表示的建模工具，可以轻松创建为增材制造量身定制的形状。此外，它还提供了一个名为nTop Core的第三方库，可以查询任意空间坐标处是否存在对象。

Cradle CFD scSTREAM是一种采用正交网格的CFD工具，由于其高效的网格划分能力，通常用于电子设备，建筑物和HVAC（供暖、通风和空调）系统的热分析。它支持基于正交网格的体素元素和切割单元元素，这些元素是通过沿CAD几何切割体素元素而创建的。

scSTREAM中的正交网格生成和元素属性确定机制与隐式表示概念具有很高的兼容性。通过利用scSTREAM中CFD网格化过程中通过nTop Core获得的对象存在信息，可以在不使用STL的情况下生成CFD网格。进一步的优化可以实现高分辨率分析，同时保持快速的处理速度，即使网格数量变得非常大。

使用此方法的流程如下：

a)在nTop中，为CAD模型中的指定零件生成晶格结构。

b)在scSTREAM中，先基于CAD模型进行CFD网格划分。

c)nTop中选择“导出隐式”，并输出隐式文件。

d)最后，使用nTop scSTREAM接口将隐式文件与零件相关联，并将指定零件内的CFD网格元素转换为晶格结构。

还可以利用多个隐式文件，使得冷板之外模型进行处理，例如具有多种流体和金属的热交换器。

这一发展有助于快速生成CFD网格和分析，而无需依赖STL。除了上述方法外，我们还开发了一种利用切割网格的更先进的技术。与前面的方法一样，对象的存在是从nTop Core中获得的，并用于网格生成，但在这种情况下，笛卡尔网格和对象之间的交点信息被检索以创建切割网格。切割网格能够将笛卡尔网格内的元素划分为由平面组成的多面体，从而用更少的网格增强形状保真度。用户可以选择高鲁棒性笛卡尔网格方法或者更贴近实际模型的切割网格方法。

Part.05应用案例重播 Part.06文章总结

增材制造技术的进步使创新冷却装置的开发更接近实际应用。然而，设计优化需要使用CAE工具进行设计探索，复杂形状数据到STL数据的耗时转换仍然是一个挑战。

为了解决这个问题，CradleCFD V2024.2开发了一种不需要STL的CFD网格生成新方法。通过利用nTop中的隐式表示并将其与scSTREAM的CFD网格技术相结合，实现了快速CFD分析。

在对具有陀螺晶格结构的铝冷板进行CFD分析的应用案例研究中，使用新方法将CFD网格生成所需的时间从之前使用传统方法需要260分钟缩短到12秒。更重要的是，这种新方法通过CFD分析对晶格结构进行了设计探索，从而得出了最佳形状，实验证实，在相同的压力损失下，与传统的M形通道相比，冷却性能提高了30%。当应用于电动汽车IGBT时，这项技术有望有助于电机小型化、提高能效和减少二氧化碳排放。