Cradle CFD—專業熱流場分析工具

      Cradle CFD 是MSC Software公司開發的一系列CFD 模擬和視覺化軟體集合。憑藉較高效的處理速度、工程實用性和使用者高滿意度，Cradle已被廣泛地應用於汽車、電子等領域，以解決熱流耦合問題。依託聯合模擬功能，不僅可實現與三維多物理場耦合（結構、聲學、電磁、機械），還能夠與一維繫統級模擬工具和多學科最佳化平臺耦合，實現多物理場協同模擬，例如Adams、Romax、FFT、Abaqus、GT、KULI等工具。

 

產品介紹

?產品組成

      Cradle共包含5個軟體包和1個通用的後處理模組：

• scSTREAM和HeatDesigner是基於笛卡爾網格（畫素網格）的CFD軟體，前者是通用的熱流體分析系統，求解模型更豐富，包括多相流、燃燒、非牛頓流體等，後者主要應用在電力電子行業，擁有大量電子元件模型可供使用，兩者均可用於大規模複雜模型的分析
• SC/Tetra和scFLOW是基於非結構網格的CFD軟體，前者主要透過劃分四面體、五面體和六面體網格進行離散求解，後者透過劃分多面體網格來進行離散求解，主要應用在汽車領域及其他通用裝置領域，兩者均支援高精度模型的求解分析
• PICLS可進行PCB板級熱流分析，實現PCB級熱設計，具備實時模擬能力
• 通用的後處理模組scPOST，支援上述軟體的模擬結果直接匯入，能夠根據客戶需要快速地進行結果視覺化，包括部件溫度雲圖顯示、截面熱流資料顯示、流跡線顯示以及部件熱路徑考察，快速定位熱阻分佈，實現產品的最佳化設計

 

?典型應用

• 電池包冷卻系統分析

      匯入帶有水冷板以及通風道等迴路的電池包數模，進行冷卻系統內的熱流求解，計算出系統內溫度和壓力的分佈，指導流量分佈和結構最佳化等工作，同時可與一維模擬工具進行耦合分析，透過系統模擬獲取三維熱流分析所需要的邊界輸入，例如進口流量、出口壓力等，較精確地對電池包冷卻效能進行分析。同時還可與控制模型進行耦合，多工況地分析冷卻系統的響應和效率。

• 電機散熱分析

      電機行業迎來了一次高速發展時期，電機本身朝著體積小、功率密度高、效率高、噪聲低、成本低、可靠性高等高效能方向發展。為滿足上述要求並保持電機處於適宜工作溫度，溫升設計已成為四大電機設計指標之一。透過Cradle進行轉子與定子間小間隙內冷卻效率的氣流分析，並配合Romax輸入的熱損耗分析資料，模擬電機轉子與定子之間的流動熱阻，改善電機冷卻水套的冷卻效能。

• 凝露分析

      為避免凝露腐蝕裝置帶來的安全隱患，可利用溼蒸汽狀態和凝露公式來預測和防治凝露現象的發生，以此來最佳化設計方案。應用場景包括：車燈凝露分析、HVAC除霜除溼效能分析、家電產品箱體凝露腐蝕問題、電子產品艙室結露危害分析等。

• PCB熱最佳化設計

      PICLS的熱模擬分析幾乎可以在執行的同時顯示結果，大大提高了效率。可分析佈線方案、熱通道佈局、散熱器、PCB層數、銅箔厚度等引數對PCB板散熱效能的影響，滿足不同客戶根據自身工藝、成本和資源進行選擇性最佳化的需求。還可與scSTREAM進行熱流場耦合分析，考慮對流換熱以及輻射的影響，提高其模擬精度。

• 電子產品熱分析

scSTREAM/HeatDesigner內建的電子元件庫，可分析電子元器件受環境和周圍其他裝置的熱影響。批次刪除細小零部件以及多層級網格功能，幫助使用者快速簡化電子模型，節省計算資源。

 

主要特點

? 出色的網格劃分能力

 

      scFLOW支援Voxel fitting的網格技術，為複雜結構直接生成網格。無需花費大量的時間進行CAD清理，提高前處理效率。

?多物理場耦合分析

      與MSC Software和第三方軟體進行耦合，完成多物理場多系統分析，並實現最佳化設計。結構方面，可與Abaqus、Marc等非線性分析軟體耦合進行“熱-流-固”耦合分析；電磁方面，可與Romax、EMsolution配合進行“機-熱-磁”分析。與Actran耦合進行聲學分析；一維繫統分析方面，具備與GT-SUITE、KULI進行多系統耦合分析的能力，例如透過系統建模與三維模擬耦合來分析空調製冷迴路對電池包水冷系統的散熱效果等。還可透過整合最佳化平臺Optimus、Isight等進行最佳化設計。

?多相流求解功能

      Cradle採用MARS方法解決自由表面流問題、模擬滲透和毛細作用，用VOF方法和重疊網格法模擬自由物體的移動過程，例如可用於水上自由移動物體的路徑分析，氣升泵的工況分析等。常見的場景還包括模擬油液在油箱中的晃動和迴流焊中焊料融化的過程等。

      依據粒子追蹤法，可模擬分離器內水和沙的分離過程、分析蒸發和揮發過程、噴霧燃燒、顆粒液化（液體噴膜應用）等問題。針對車燈、玻璃、家電等還可進行凝露、結冰和蒸發等分析。

? 電子系統求解功能

      支援Gerber資料利用，且具有封裝件製作工具（可根據不同的晶片封裝形式生成對應的模型），支援分析運動物體造成的熱流傳遞現象（scStream內建的直交網格可直接實現線性和圓周軌跡的運動），無厚度板換熱處理，焦耳熱模型等。

? 較高效的計算能力

      在靈活的概念設計初期，Cradle可以提供快速可靠的熱流暢分析，支援匯入部件繁多的複雜CAD模型，透過批次處理零部件、曲面捕捉、模型修復和體素網格技術等，快速自動地按需進行網格生成。另外測試顯示高核數平行計算效率高，可節省大量記憶體。使用者可在資源充足的情況下，支援採用上萬個核心和近20億的網格進行高精度求解。

? 逼真的視覺化處理

      在後處理中，透過scPOST視覺化在求解器中計算的模擬結果，例如在實際產品中無法測量和觀察到的溫度分佈以及流場分佈，這有利於產品設計的審查和最佳化方案的制定。在Cradle的後處理模組中，不僅可以輸出靜止影像，還可以輸出動畫和CradleViewer 的輸出檔案。
      照明和反射的增強顯示使scPOST能夠建立逼真的渲染效果。另外，透過為 CFD 分析中的常見物件設定一組豐富的預定顯示標準，後續的分析中只需匯入對應的後處理檔案即可建立滿意的影像和動畫。

 

應用&案例