Thermische Simulation und Fluid-Strömungssimulation optimieren

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IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Eine echte Optimierungsroutine basiert auf einer strengen Methodik und einer Reihe strukturierter automatisierter Schritte. Sie ist keine blinde Iteration. Jeder nachfolgende Schritt enthält Informationen der vorherigen Schritte. Da die Simulation weitergeht, verbessert sich so die Genauigkeit der Ergebnisse.

Prozesse wie statistische Versuchsplanung und Auswertung finden die effektivsten Simulationsszenarien und lassen dann die Simulation ablaufen, um eine gründliche Analyse der Designsensitivität zu entwickeln. Der gesunde Menschenverstand sagt uns, dass die Chancen auf eine bessere Antwort günstiger sind, wenn eine strukturierte Vorgehensweise gewählt wird und nicht ein paar intuitive Schätzungen.

Anforderungen an moderne Werkzeuge zur Strömungssimulation und thermischen Simulation

Es gibt heute verschiedene Strömungs- und thermische Simulationslösungen. Die meisten voll ausgestatten Produkte in dieser Kategorie bieten eine Art Optimierungswerkzeug. Das einfache Bündeln eines iterativen parametrischen Werkzeugs reicht jedoch nicht aus. Der Simulator selbst muss einige anspruchsvolle Voraussetzungen erfüllen:

• Seine Vermaschungstechnologie muss reproduzierbare Rechengitter produzieren. Dies gewährleistet präzise und gleiche Ergebnisse mit jeder Simulation.

• Der Solver des Simulators muss robust und in der Lage sein, konvergierende Ergebnisse konsequent ohne manuelles Eingreifen zu erreichen.

Ohne diese grundlegenden Merkmale würde das parametrische Simulationswerkzeug Ergebnisse liefern, deren Genauigkeit von einer Simulation zur nächsten variieren kann und jegliche Schlussfolgerungen über ein optimales Design basierend auf den Ergebnissen entkräftet.

Automatisierung und Iteration eines Designs

Eine Fallstudie verdeutlicht die Vorteile der Automatisierung selbst bei einem einfachen Design mit einer Variablen.

Das in Bild 1 dargestellte Server-Gehäuse beinhaltet zwei CPUs. Um eine zufriedenstellende Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit des Produkts zu erzielen, muss deren Sperrschichttemperatur (T_j) auf 75 °C oder weniger gehalten werden. Der Designer hat zwei grundlegende Möglichkeiten zum Kühlen der CPUs: Ventilatoren, die Luft über die Komponenten blasen und Kühlkörper, die die Wärmeableitung von den CPU-Gehäusen verbessern. Dies ist eine sehr häufige Paarung komplementärer Lösungen.

Wird das Luftleitblech in Richtung Lüfter geklappt, wird der statische Druck auf die Lüfter erhöht und die Luftströmungsgeschwindigkeit von den Ventilatoren sinkt. Steigt der Winkel des Leitblechs in Richtung Gehäusedecke, verringert sich zwar der Druck, die Chips bekommen jedoch trotz der gestiegenen Strömungsgeschwindigkeit weniger Luft von den Lüftern. Die Luft wird tendenziell an den Kühlkörpern vorbeiströmen, da sie sich einfach durch den leeren Raum über ihnen bewegt.

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