当公司谈论生死关头时，通常都是比喻。以美国军方和执法人员使用的高端照明工具制造商SureFire为例，前期热模拟已经成为该公司设计过程中不可或缺的一部分。
最新的SureFire产品是X400，这是第一个将手电筒和红色瞄准激光器结合在同一个轻量级包中的武器安装组件。X400的核心是一个强大的LED，它比其他光源发出更多的流明，但也会产生更多的热量，而外壳必须散热。
SureFire的热分析工程师Deepanjan Mitra说:“CFdesign的前期热分析使我们能够探索未知的领域。“这让我们有机会在实物原型产品之前，对想法进行虚拟测试和优化设计。”
从概念到详细设计阶段，Surefire工程师通过探索数字原型来改进产品，以精确定位由自然对流和辐射驱动的内部和外部温度。
从白炽灯到LED灯
SureFire工程副总裁保罗·金(Paul Kim)表示，当该公司的产品从白炽灯照明转换为大功率LED照明时，热分析就变得必要了。“在热管理方面，led就像半导体设备，”Kim说。“当你发出更多的光时，你会产生更多的热量。设备运行的温度越低，就能发出越多的光子或光。”
CAD模型中的所有产品细节(如弹簧和小垫圈)都包含在CFdesign分析的最后阶段，在物理测试验证之前提供产品性能的总体情况。
工程团队在Pro/ENGINEER中创建了X400的初步设计，然后在Blue Ridge Numerics公司的CFdesign前端CFD软件中打开。CFdesign与Pro/ENGINEER等主要CAD软件包集成，消除了传统CFD软件的转换步骤和数据丢失。
“使用CAD包，我可以选择模型的复杂程度，”Mitra说。“为了快速和粗略的回答，我可以压制所有的外观特征，并对关键的热路径进行分析，这通常可以回答更基本的设计问题。”
快速分析之后是对具有大多数美容功能的完整模型的分析，这可以说明更复杂的交互，也可以用作突出新功能的营销工具。
模拟流场条件
前端CFD可以模拟对流和热产生等流场条件。这些模拟的结果被用于生成瞬态模拟，使工程师能够根据材料、散热片设计、LED电源、鳍片间距和设计等因素，了解手电筒温度上升的速度。
热分析在X400设计的两个主要方面至关重要:优化外壳设计，特别是激光单元的热隔离;以及确定热管理固件的最佳设置。
与热成像测试装置类似，CFdesign可以让Surefire工程师在整个详细设计过程中快速、经济地查看整个温度光谱结果。
Mitra表示，手电筒外壳主要作为大型散热器，需要将尽可能多的热量散发到环境空气中。对于LED来说，这一点尤其重要——X400中的大功率LED灯消耗了近85%的输入功率作为热量。
X400提出了另一个挑战:隔离激光外壳。激光二极管必须保持在远低于LED的温度下。由于主灯体与激光外壳机械耦合以隔离冲击，因此需要绝缘以最大限度地减少从主灯到达激光外壳的热量。
工程师们使用CFdesign来执行各种“假设”场景，平衡散热与武器安装灯的尺寸和重量。对于外壳材料和绝缘厚度，热模拟显示了热量传播到激光外壳的速度。从模拟中，工程师可以根据可视化的温度场预测激光二极管何时会失效。
前期热模拟是SureFire X400导弹设计过程中不可或缺的一部分，该导弹是首个将手电筒和红色瞄准激光器结合在同一轻重量包中的武器安装组件。
dmitra说:“根据设计要求，我们模拟了几种不同的房屋材料和隔热厚度的场景。”“这真的很简单，因为它只相当于在CFdesign中改变零件的材料属性，并重新运行分析。”
X400的另一个主要模拟领域是热管理:手电筒中的微处理器根据传感器的反馈来调节LED的功率，控制设备的整体温度。模拟帮助确定热管理固件的最佳设置。“利用这些结果，”Kim说，“我们可以定义一个启动基于微处理器的热管理算法的截止温度。”
节省时间及其他
使用CFdesign软件早期淘汰了三个不同的设计原型进行测试。据Kim说，这节省了大约15天的时间。在其他领域，节省的时间很难量化，但很明显。除了材料评估外，前期热模拟还可以看到壳体翅片和对流等关键元素之间的相互作用。
“这很难用物理原型实验来衡量，”Mitra说。“我们现在可以模拟不同鳍片的尺寸、厚度、间距和形状，然后测量对手电筒热性能的影响。在许多情况下，这并没有什么改进，所以我们通过不制作物理原型来节省时间和资源。在其他情况下，这可能意味着热性能的巨大改善，帮助我们确定这是正确的原型设计。
CFdesign中的切面视图、x-y曲线流向量和3D温度线都是重要的可视化工具，可以帮助我们理解模拟结果，并在不同设计中进行比较。”
“我们现在可以用前期热模拟来做一些事情，而传统方法需要几个月和几个设计周期才能实现，”Kim说。
蓝岭数字公司
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