Cradle CFD—专业热流场分析工具

 

Cradle CFD 是MSC Software公司开发的一系列CFD 仿真和可视化软件集合。凭借较高效的处理速度、工程实用性和用户高满意度，Cradle已被广泛地应用于汽车、电子等领域，以解决热流耦合问题。依托联合仿真功能，不仅可实现与三维多物理场耦合（结构、声学、电磁、机械），还能够与一维系统级仿真工具和多学科优化平台耦合，实现多物理场协同仿真，例如Adams、Romax、FFT、Abaqus、GT、KULI等工具。

 

 

产品介绍

 

产品组成

Cradle共包含5个软件包和1个通用的后处理模块：

scSTREAM和HeatDesigner是基于笛卡尔网格（像素网格）的CFD软件，前者是通用的热流体分析系统，求解模型更丰富，包括多相流、燃烧、非牛顿流体等，后者主要应用在电力电子行业，拥有大量电子元件模型可供使用，两者均可用于大规模复杂模型的分析

 

SC/Tetra和scFLOW是基于非结构网格的CFD软件，前者主要通过划分四面体、五面体和六面体网格进行离散求解，后者通过划分多面体网格来进行离散求解，主要应用在汽车领域及其他通用设备领域，两者均支持高精度模型的求解分析

 

PICLS可进行PCB板级热流分析，实现PCB级热设计，具备实时仿真能力

 

通用的后处理模块scPOST，支持上述软件的仿真结果直接导入，能够根据客户需要快速地进行结果可视化，包括部件温度云图显示、截面热流数据显示、流迹线显示以及部件热路径考察，快速定位热阻分布，实现产品的优化设计

 

 

 

典型应用

电池包冷却系统分析

导入带有水冷板以及通风道等回路的电池包数模，进行冷却系统内的热流求解，计算出系统内温度和压力的分布，指导流量分布和结构优化等工作，同时可与一维仿真工具进行耦合分析，通过系统仿真获取三维热流分析所需要的边界输入，例如进口流量、出口压力等，较精确地对电池包冷却性能进行分析。同时还可与控制模型进行耦合，多工况地分析冷却系统的响应和效率。

 

电机散热分析

电机行业迎来了一次高速发展时期，电机本身朝着体积小、功率密度高、效率高、噪声低、成本低、可靠性高等高性能方向发展。为满足上述要求并保持电机处于适宜工作温度，温升设计已成为四大电机设计指标之一。通过Cradle进行转子与定子间小间隙内冷却效率的气流分析，并配合Romax输入的热损耗分析数据，模拟电机转子与定子之间的流动热阻，改善电机冷却水套的冷却性能。

 

凝露分析

为避免凝露腐蚀设备带来的安全隐患，可利用湿蒸汽状态和凝露公式来预测和防治凝露现象的发生，以此来优化设计方案。应用场景包括：车灯凝露分析、HVAC除霜除湿性能分析、家电产品箱体凝露腐蚀问题、电子产品舱室结露危害分析等。

 

PCB热优化设计

PICLS的热仿真分析几乎可以在运行的同时显示结果，大大提高了效率。可分析布线方案、热通道布局、散热器、PCB层数、铜箔厚度等参数对PCB板散热性能的影响，满足不同客户根据自身工艺、成本和资源进行选择性优化的需求。还可与scSTREAM进行热流场耦合分析，考虑对流换热以及辐射的影响，提高仿真精度。

 

电子产品热分析

scSTREAM/HeatDesigner内置的电子元件库，可分析电子元器件受环境和周围其他设备的热影响。批量删除细小零部件以及多层级网格功能，帮助用户快速简化电子模型，节省计算资源。

 

 

主要特点

出色的网格划分能力

 

scFLOW支持Voxel fitting的网格技术，为复杂结构直接生成网格。无需花费大量的时间进行CAD清理，提高前处理效率。

 

多物理场耦合分析

与MSC Software和第三方软件进行耦合，完成多物理场多系统分析，并实现优化设计。结构方面，可与Abaqus、Marc等非线性分析软件耦合进行“热-流-固”耦合分析；电磁方面，可与Romax、EMsolution配合进行“机-热-磁”分析。与Actran耦合进行声学分析；一维系统分析方面，具备与GT-SUITE、KULI进行多系统耦合分析的能力，例如通过系统建模与三维仿真耦合来分析空调制冷回路对电池包水冷系统的散热效果等。还可通过集成优化平台Optimus、Isight等进行优化设计。

 

 

多相流求解功能

Cradle采用MARS方法解决自由表面流问题、模拟渗透和毛细作用，用VOF方法和重叠网格法模拟自由物体的移动过程，例如可用于水上自由移动物体的路径分析，气升泵的工况分析等。常见的场景还包括模拟油液在油箱中的晃动和回流焊中焊料融化的过程等。

 

依据粒子追踪法，可模拟分离器内水和沙的分离过程、分析蒸发和挥发过程、喷雾燃烧、颗粒液化（液体喷膜应用）等问题。针对车灯、玻璃、家电等还可进行凝露、结冰和蒸发等分析。

 

电子系统求解功能

支持Gerber数据利用，且具有封装件制作工具（可根据不同的芯片封装形式生成对应的模型），支持分析运动物体造成的热流传递现象（scStream内置的直交网格可直接实现线性和圆周轨迹的运动），无厚度板换热处理，焦耳热模型等。

 

较高效的计算能力

在灵活的概念设计初期，Cradle可以提供快速可靠的热流畅分析，支持导入部件繁多的复杂CAD模型，通过批量处理零部件、曲面捕捉、模型修复和体素网格技术等，快速自动地按需进行网格生成。另外测试显示高核数并行计算效率高，可节省大量内存。用户可在资源充足的情况下，支持采用上万个内核和近20亿的网格进行高精度求解。

 

逼真的可视化处理

在后处理中，通过scPOST可视化在求解器中计算的仿真结果，例如在实际产品中无法测量和观察到的温度分布以及流场分布，这有利于产品设计的审查和优化方案的制定。在Cradle的后处理模块中，不仅可以输出静止图像，还可以输出动画和CradleViewer 的输出文件。

照明和反射的增强显示使scPOST能够创建逼真的渲染效果。另外，通过为 CFD 分析中的常见对象设置一组丰富的预定显示标准，后续的分析中只需导入对应的后处理文件即可创建满意的图像和动画。

 

 

应用&案例