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作者：Mentor Graphics公司，市場(chǎng)開發(fā)部總監(jiān)， John Isaac 當(dāng)今汽車中的電子類功能（圖1）不斷增加，并將很快超過(guò)機(jī)械類功能所提供的價(jià)值。電子類功能也正成為車型的主要競(jìng)爭(zhēng)元素。車型按時(shí)交付的制約因素已經(jīng)不再是機(jī)械設(shè)計(jì)，而是電子和軟件。因此不僅要快速設(shè)計(jì)出這些電子部件來(lái)，還要讓其具備較高的性能、質(zhì)量并滿足可靠性標(biāo)準(zhǔn)。如果它們的可靠性較低，且在售后出現(xiàn)故障，那么企業(yè)不但將承受巨額的保修和召回費(fèi)用，還可能令其聲譽(yù)受損。例如在2011年，勞斯萊斯 (Rolls-Royce) 不得不召回600輛價(jià)值25萬(wàn)美元的古思特 (Ghost) 轎車，因?yàn)檫^(guò)熱的電路板可能引起火災(zāi)。人們可不希望這種質(zhì)量和可靠性的汽車發(fā)生此類危險(xiǎn)。 
圖1——當(dāng)今汽車中的電子類功能不斷增加 電子設(shè)備的主要熱源是其半導(dǎo)體芯片 (IC)，這些芯片對(duì)溫度非常敏感，使得冷卻方案的設(shè)計(jì)成了挑戰(zhàn)。過(guò)熱會(huì)使芯片過(guò)早失效。隨著功能的增加，相關(guān)散熱問(wèn)題日益突顯，成為電子設(shè)備發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)潛在制約因素。對(duì)關(guān)鍵器件，需要合適的冷卻策略來(lái)防止其過(guò)熱和失效。 下面列舉了一些促使熱專家和設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中（從概念到設(shè)計(jì)探究和優(yōu)化到最終方案驗(yàn)證）使用高效的計(jì)算流體力學(xué) (CFD) 熱模擬軟件的因素： 讓產(chǎn)品及時(shí)面市。比計(jì)劃晚哪怕僅僅幾周都可能推遲新車型的交付，令汽車公司損失數(shù)百萬(wàn)美元。 讓設(shè)計(jì)人員能夠嘗試多種設(shè)計(jì)方案。打造出更高質(zhì)量、更優(yōu)性能和更具競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。 減少樣機(jī)數(shù)量。樣機(jī)會(huì)耗費(fèi)相當(dāng)多的資金和時(shí)間。 交付可靠性高的產(chǎn)品。節(jié)約保修和召回費(fèi)用，保持企業(yè)良好聲譽(yù)。 使用機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化 (MDA) 軟件的機(jī)械設(shè)計(jì)人員負(fù)責(zé)產(chǎn)品除集成電路 (IC) 與PCB板以外其他所有部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此他們需要與使用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 (EDA) 軟件的電子設(shè)計(jì)人員合作。過(guò)去，MDA 與 EDA 這兩個(gè)領(lǐng)域通常僅通過(guò)傳遞全部數(shù)據(jù)的IDF 標(biāo)準(zhǔn)來(lái)交互數(shù)據(jù)，該方法沒(méi)有傳遞散熱相關(guān)信息的數(shù)據(jù)過(guò)濾器。這就導(dǎo)致帶入熱分析的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)過(guò)多，使 CFD 模擬要么需要設(shè)計(jì)人員手工簡(jiǎn)化模型，要么就要承受模型機(jī)械造成的過(guò)長(zhǎng)的 CFD 運(yùn)行時(shí)間或收斂差。
圖2——包括電子控制單元 (ECU) 和泵控制器在內(nèi)的所有汽車電子器件都需要良好的熱管理 為何要從概念設(shè)計(jì)階段開始？ 良好的熱管理應(yīng)當(dāng)在開發(fā)過(guò)程的概念階段就開始設(shè)計(jì)。這些產(chǎn)品常常是復(fù)雜的系統(tǒng)，需要幾個(gè)不同背景設(shè)計(jì)部門的協(xié)作：IC和(FPGA) 工程師、PCB板布局工程師、制造工程師、軟件開發(fā)人員、可靠性工程師、機(jī)械設(shè)計(jì)師、營(yíng)銷、無(wú)線射頻和高速電氣工程師等等。在概念階段需做出與產(chǎn)品的可行性相關(guān)的決定。其中就涉及到“根據(jù)給定的空間、尺寸規(guī)格、想要的性能與功能等條件，系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能得到有效管理嗎？” 通過(guò)采用Mentor Graphics公司新的 FloTHERM XT 解決方案，機(jī)械設(shè)計(jì)師或熱設(shè)計(jì)工程師能輕松創(chuàng)建IC、PCB和機(jī)箱的概念模型，然后進(jìn)行模擬，看看能否有效散熱。如果能的話，那么從熱管理角度來(lái)看，設(shè)計(jì)就能進(jìn)行下去。如果任何一個(gè)其它設(shè)計(jì)部門的人員經(jīng)過(guò)概念階段后發(fā)現(xiàn)無(wú)法進(jìn)行下去，他們可能需要改變系統(tǒng)的功能規(guī)范、尺寸規(guī)格、使用的器件或其它一些因素。然而，如果在后續(xù)的開發(fā)過(guò)程中才發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并重新設(shè)計(jì)的話，所需成本就會(huì)顯著增加。 從開發(fā)過(guò)程的概念階段就開始考慮熱設(shè)計(jì)的另一個(gè)原因是為后續(xù)詳細(xì)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。在對(duì)PCB板或機(jī)箱進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)人員能夠輕松創(chuàng)建并對(duì)比多種概念設(shè)計(jì)方案，然后選擇最好的方案，并使用這些數(shù)據(jù)為詳細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。 使用 FloTHERM XT 設(shè)計(jì)汽車元器件 如圖3所示為使用 FloTHERM XT 設(shè)計(jì)復(fù)雜部件的典型流程。該流程的第一步是PCB板的概念布局。這一步驟中，設(shè)計(jì)師可做出PCB板以及他/她知道將產(chǎn)生熱量的元器件的粗略模型。使用該工具時(shí)，可自己創(chuàng)建元件模型或從 SmartParts™ 庫(kù)中選取模型。SmartParts 庫(kù)包含完整的元器件模型以及可輕松修改成實(shí)際元器件結(jié)構(gòu)的模板。然后，即可把這些元器件定位在概念設(shè)計(jì)PCB板上。
圖3——使用 FloTHERM XT，在從概念到最終方案驗(yàn)證的設(shè)計(jì)過(guò)程都與 MDA 和 EDA 設(shè)計(jì)工具密切整合。 然后設(shè)計(jì)師可以創(chuàng)建一個(gè)概念設(shè)計(jì)機(jī)箱，并將PCB板置于機(jī)箱內(nèi)。FloTHERM XT 擁有完整的機(jī)械設(shè)計(jì)功能，因此，可根據(jù)需要細(xì)化元器件或者機(jī)箱的模型，以正確描述目標(biāo)產(chǎn)品。PCB板置于機(jī)箱內(nèi)以后，便可添加邊界條件并進(jìn)行 CFD 熱仿真分析。設(shè)計(jì)師可根據(jù)結(jié)果修改元器件布局、為過(guò)熱元器件添加散熱片、修改機(jī)箱，然后重新進(jìn)行分析。 持續(xù)該過(guò)程直至設(shè)計(jì)師滿意（他/她得到了很好的熱管理解決方案）為止。與熱相關(guān)的零部件正確放置于PCB板上。PCB板正確放置于機(jī)箱內(nèi)。機(jī)箱形狀和材料可提供良好的傳導(dǎo)、對(duì)流或熱輻射散熱。然后，即可結(jié)束概念設(shè)計(jì)工作，信息傳遞給 MDA 和 EDA 設(shè)計(jì)師，用于詳細(xì)設(shè)計(jì)。 隨著設(shè)計(jì)過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，EDA 和 MDA 軟件中的詳細(xì)設(shè)計(jì)模型可自動(dòng)導(dǎo)入 FloTHERM XT，進(jìn)行分析和優(yōu)化。通過(guò)一個(gè)名為 FloEDA Bridge™ 的接口程序可導(dǎo)入詳細(xì)的PCB板模型。在該接口程序可設(shè)置過(guò)濾條件，過(guò)濾掉PCB板設(shè)計(jì)中，眾多與熱無(wú)關(guān)的去耦電容、終端電阻、圓角等不必要的模型細(xì)節(jié)。如果在 CFD 分析中這保留些不必要的細(xì)節(jié)，將會(huì)使仿真計(jì)算速度變慢。FloEDA Bridge 直接操作PCB板設(shè)計(jì)工具的原始數(shù)據(jù)庫(kù)，不像IDF標(biāo)準(zhǔn)一樣需要進(jìn)行參數(shù)創(chuàng)建和修改，另外，還可手動(dòng)添加邊界條件和元器件熱模型。 在將機(jī)械設(shè)計(jì)（機(jī)箱）導(dǎo)入進(jìn) FloTHERM XT時(shí)，也具有同樣的優(yōu)點(diǎn)。還是直接從任一主流 MCAD 工具（Creo、CATIA、NX、SolidWorks 等）的原始數(shù)據(jù)中提取模型，不相關(guān)的細(xì)節(jié)則被過(guò)濾掉。然后，CFD 求解器的一些內(nèi)在功能，就成為提供非常快速的仿真周期以及讓設(shè)計(jì)師和專業(yè)人員能夠進(jìn)行高效準(zhǔn)確熱分析的關(guān)鍵。
圖4——擁有一個(gè)設(shè)計(jì)師和熱專業(yè)人員都可以使用的快速而準(zhǔn)確的熱分析工具（與MDA 和 EDA 相結(jié)合）有助于滿足汽車公司積極的業(yè)務(wù)需求。 傳統(tǒng)的 CFD工具需要使用者具有高水平的專業(yè)技術(shù)和大量時(shí)間來(lái)準(zhǔn)備仿真模型。這包括模型的手動(dòng)清理、求解網(wǎng)格的手動(dòng)調(diào)整（這個(gè)步驟可能需要專職工程師花費(fèi)數(shù)周時(shí)間）以及確保求解收斂的其他改動(dòng)。使用傳統(tǒng)的 CFD，在一個(gè)設(shè)計(jì)周期可能需要數(shù)周時(shí)間來(lái)獲取一次仿真結(jié)果。然后，設(shè)計(jì)可能還要繼續(xù)進(jìn)行，又需要另一個(gè)設(shè)計(jì)周期。 使用 FloTHERM XT，設(shè)計(jì)工程師可進(jìn)行前端分析、把握趨勢(shì)、快速解決問(wèn)題、通過(guò)快速求解并對(duì)比不同的方案從而取得更大的項(xiàng)目進(jìn)展，以此有效補(bǔ)充專職分析人員在項(xiàng)目后期驗(yàn)證階段的工作。和傳統(tǒng)CFD軟件相比，可將仿真周期時(shí)間從幾周縮短至幾天或一天。設(shè)計(jì)師可對(duì)比多種設(shè)計(jì)方案，開發(fā)出更具競(jìng)爭(zhēng)力和更可靠的產(chǎn)品，而較短的仿真周期時(shí)間則可加快產(chǎn)品上市（圖4）。 |
