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作者：Mentor Graphics公司，市場開發部總監， John Isaac 當今汽車中的電子類功能（圖1）不斷增加，并將很快超過機械類功能所提供的價值。電子類功能也正成為車型的主要競爭元素。車型按時交付的制約因素已經不再是機械設計，而是電子和軟件。因此不僅要快速設計出這些電子部件來，還要讓其具備較高的性能、質量并滿足可靠性標準。如果它們的可靠性較低，且在售后出現故障，那么企業不但將承受巨額的保修和召回費用，還可能令其聲譽受損。例如在2011年，勞斯萊斯 (Rolls-Royce) 不得不召回600輛價值25萬美元的古思特 (Ghost) 轎車，因為過熱的電路板可能引起火災。人們可不希望這種質量和可靠性的汽車發生此類危險。 
圖1——當今汽車中的電子類功能不斷增加 電子設備的主要熱源是其半導體芯片 (IC)，這些芯片對溫度非常敏感，使得冷卻方案的設計成了挑戰。過熱會使芯片過早失效。隨著功能的增加，相關散熱問題日益突顯，成為電子設備發展過程中的一個潛在制約因素。對關鍵器件，需要合適的冷卻策略來防止其過熱和失效。 下面列舉了一些促使熱專家和設計人員在設計過程中（從概念到設計探究和優化到最終方案驗證）使用高效的計算流體力學 (CFD) 熱模擬軟件的因素： 讓產品及時面市。比計劃晚哪怕僅僅幾周都可能推遲新車型的交付，令汽車公司損失數百萬美元。 讓設計人員能夠嘗試多種設計方案。打造出更高質量、更優性能和更具競爭力的產品。 減少樣機數量。樣機會耗費相當多的資金和時間。 交付可靠性高的產品。節約保修和召回費用，保持企業良好聲譽。 使用機械設計自動化 (MDA) 軟件的機械設計人員負責產品除集成電路 (IC) 與PCB板以外其他所有部件的結構設計。因此他們需要與使用電子設計自動化 (EDA) 軟件的電子設計人員合作。過去，MDA 與 EDA 這兩個領域通常僅通過傳遞全部數據的IDF 標準來交互數據，該方法沒有傳遞散熱相關信息的數據過濾器。這就導致帶入熱分析的設計細節過多，使 CFD 模擬要么需要設計人員手工簡化模型，要么就要承受模型機械造成的過長的 CFD 運行時間或收斂差。
圖2——包括電子控制單元 (ECU) 和泵控制器在內的所有汽車電子器件都需要良好的熱管理 為何要從概念設計階段開始？ 良好的熱管理應當在開發過程的概念階段就開始設計。這些產品常常是復雜的系統，需要幾個不同背景設計部門的協作：IC和(FPGA) 工程師、PCB板布局工程師、制造工程師、軟件開發人員、可靠性工程師、機械設計師、營銷、無線射頻和高速電氣工程師等等。在概念階段需做出與產品的可行性相關的決定。其中就涉及到“根據給定的空間、尺寸規格、想要的性能與功能等條件，系統產生的熱能得到有效管理嗎？” 通過采用Mentor Graphics公司新的 FloTHERM XT 解決方案，機械設計師或熱設計工程師能輕松創建IC、PCB和機箱的概念模型，然后進行模擬，看看能否有效散熱。如果能的話，那么從熱管理角度來看，設計就能進行下去。如果任何一個其它設計部門的人員經過概念階段后發現無法進行下去，他們可能需要改變系統的功能規范、尺寸規格、使用的器件或其它一些因素。然而，如果在后續的開發過程中才發現問題并重新設計的話，所需成本就會顯著增加。 從開發過程的概念階段就開始考慮熱設計的另一個原因是為后續詳細設計提供指導。在對PCB板或機箱進行詳細的設計之前，設計人員能夠輕松創建并對比多種概念設計方案，然后選擇最好的方案，并使用這些數據為詳細的系統設計提供指導。 使用 FloTHERM XT 設計汽車元器件 如圖3所示為使用 FloTHERM XT 設計復雜部件的典型流程。該流程的第一步是PCB板的概念布局。這一步驟中，設計師可做出PCB板以及他/她知道將產生熱量的元器件的粗略模型。使用該工具時，可自己創建元件模型或從 SmartParts™ 庫中選取模型。SmartParts 庫包含完整的元器件模型以及可輕松修改成實際元器件結構的模板。然后，即可把這些元器件定位在概念設計PCB板上。
圖3——使用 FloTHERM XT，在從概念到最終方案驗證的設計過程都與 MDA 和 EDA 設計工具密切整合。 然后設計師可以創建一個概念設計機箱，并將PCB板置于機箱內。FloTHERM XT 擁有完整的機械設計功能，因此，可根據需要細化元器件或者機箱的模型，以正確描述目標產品。PCB板置于機箱內以后，便可添加邊界條件并進行 CFD 熱仿真分析。設計師可根據結果修改元器件布局、為過熱元器件添加散熱片、修改機箱，然后重新進行分析。 持續該過程直至設計師滿意（他/她得到了很好的熱管理解決方案）為止。與熱相關的零部件正確放置于PCB板上。PCB板正確放置于機箱內。機箱形狀和材料可提供良好的傳導、對流或熱輻射散熱。然后，即可結束概念設計工作，信息傳遞給 MDA 和 EDA 設計師，用于詳細設計。 隨著設計過程繼續進行，EDA 和 MDA 軟件中的詳細設計模型可自動導入 FloTHERM XT，進行分析和優化。通過一個名為 FloEDA Bridge™ 的接口程序可導入詳細的PCB板模型。在該接口程序可設置過濾條件，過濾掉PCB板設計中，眾多與熱無關的去耦電容、終端電阻、圓角等不必要的模型細節。如果在 CFD 分析中這保留些不必要的細節，將會使仿真計算速度變慢。FloEDA Bridge 直接操作PCB板設計工具的原始數據庫，不像IDF標準一樣需要進行參數創建和修改，另外，還可手動添加邊界條件和元器件熱模型。 在將機械設計（機箱）導入進 FloTHERM XT時，也具有同樣的優點。還是直接從任一主流 MCAD 工具（Creo、CATIA、NX、SolidWorks 等）的原始數據中提取模型，不相關的細節則被過濾掉。然后，CFD 求解器的一些內在功能，就成為提供非常快速的仿真周期以及讓設計師和專業人員能夠進行高效準確熱分析的關鍵。
圖4——擁有一個設計師和熱專業人員都可以使用的快速而準確的熱分析工具（與MDA 和 EDA 相結合）有助于滿足汽車公司積極的業務需求。 傳統的 CFD工具需要使用者具有高水平的專業技術和大量時間來準備仿真模型。這包括模型的手動清理、求解網格的手動調整（這個步驟可能需要專職工程師花費數周時間）以及確保求解收斂的其他改動。使用傳統的 CFD，在一個設計周期可能需要數周時間來獲取一次仿真結果。然后，設計可能還要繼續進行，又需要另一個設計周期。 使用 FloTHERM XT，設計工程師可進行前端分析、把握趨勢、快速解決問題、通過快速求解并對比不同的方案從而取得更大的項目進展，以此有效補充專職分析人員在項目后期驗證階段的工作。和傳統CFD軟件相比，可將仿真周期時間從幾周縮短至幾天或一天。設計師可對比多種設計方案，開發出更具競爭力和更可靠的產品，而較短的仿真周期時間則可加快產品上市（圖4）。 |
