Cradle CFD
Casestudy interview
Viện nghiên cứu công nghiệp thành phố Nagoya (NMIRI) là một viện nghiên cứu công cộng ở thành phố Nagoya cung cấp hỗ trợ thử nghiệm và phân tích cho các công ty vừa/nhỏ hợp tác với các ngành công nghiệp địa phương. Khi công việc của khách hàng liên quan đến quản lý nhiệt, các kỹ sư tại NMIRI sử dụng các công cụ mô phỏng Software Cradle để thực hiện mô phỏng. Các kỹ sư cũng sử dụng những công cụ này cho nghiên cứu cơ bản của riêng họ và để xác minh hiệu suất của thiết bị thử nghiệm.
Mr. Yasushi Kajita
(Doctor of Engineering)
System technology department
Production system laboratory
Nagoya Municipal Industrial Research Institute
NMIRI đã đi vào hoạt động từ năm 1937. Qua nhiều năm, nó đã chứng tỏ giá trị của mình đối với các ngành công nghiệp địa phương và khẳng định mình là một công ty đóng góp chính cho các phương pháp thử nghiệm và phân tích. Phần lớn danh mục đầu tư của NMIRI có liên quan đến ngành công nghiệp ô tô đã phát triển mạnh ở Nagoya. Với nhiều kỹ thuật và thiết bị đo lường, viện này có hơn 80 kỹ sư và là một trong những viện nghiên cứu và phòng thí nghiệm công lớn nhất ở Nhật Bản. Nó chuyên về ba lĩnh vực nghiên cứu chính: vật liệu, điện tử và máy móc. Để khuyến khích các công ty địa phương nâng cao năng lực kỹ thuật của họ, NMIRI cung cấp hỗ trợ kỹ thuật miễn phí, đồng thời hỗ trợ tiến hành các thử nghiệm. Họ cũng sẵn sàng tiến hành nghiên cứu chung với các đối tác của mình, đồng thời cung cấp lớp học và đào tạo tại chỗ.
1. Nhu cầu quản lý nhiệt ngày càng tăng.
NMIRI cũng có nhiều công cụ phân tích khác nhau để phân tích cấu trúc và chất lỏng nhiệt. Yasushi Kajita, một thành viên của phòng thí nghiệm hệ thống sản xuất của bộ phận công nghệ hệ thống NMIRI, cung cấp tư vấn và hỗ trợ kỹ thuật để quản lý nhiệt của các thiết bị điện tử. Ông Kajita cũng chịu trách nhiệm giải quyết các vấn đề về thiết kế nhiệt của khuôn sản xuất xảy ra trong ngành công nghiệp ô tô.
Các yêu cầu hỗ trợ về các vấn đề liên quan đến nhiệt ngày càng trở nên phổ biến hơn tại NMIRI. Các câu hỏi liên quan đến điện tử chiếm 60‑70% các cuộc tư vấn của ông Kajita. Hầu hết các câu hỏi còn lại liên quan đến các sản phẩm cơ khí như hệ thống làm mát khuôn. Ông Kajita chủ yếu sử dụng phần mềm phân tích chất lỏng nhiệt Cradle HeatDesigner dành cho thiết bị điện tử để thực hiện các phân tích của mình. Mặc dù HeatDesigner chủ yếu được thiết kế cho thiết bị điện tử, nhưng ông Kajita cũng đã điều chỉnh việc sử dụng nó để phân tích khuôn mẫu. HeatDesigner dễ sử dụng, đơn giản và bắt nguồn từ mục đích chung scSTREAM của Cradle, phần mềm CFD dạng lưới có cấu trúc, giúp cho việc điều chỉnh này của Mr. Kajita trở nên khả thi. Ông Kajita tự mình thực hiện phân tích và khuyến khích khách hàng của mình cũng sử dụng HeatDesigner.
Figure 1 – Heat generation amount measurement system
NMIRI lần đầu tiên bắt đầu sử dụng CFD vào năm 2005. Vào khoảng thời gian này, ông Kajita cũng nhận thấy cần phải điều tra việc sử dụng CFD vì khách hàng của ông bắt đầu khám phá công nghệ. Ông Kajita cảm thấy rằng bằng cách phát triển kiến thức và kỹ năng chuyên sâu về CFD, ông có thể mang lại giá trị lớn hơn cho các công ty đối tác của NMIRI. NMIRI sử dụng đầy đủ các sản phẩm Cradle CFD, bao gồm SC/Tetra, scSTREAM, HeatDesigner và CADthru. Ông Kajita đã phát triển kiến thức chuyên môn của mình với HeatDesigner và tin rằng khả năng hoạt động thân thiện với người dùng dành cho người dùng mới bắt đầu là một trong những lý do khiến HeatDesigner trở nên phổ biến. NMIRI chủ yếu sử dụng SC/Tetra cho nghiên cứu cơ bản của họ.
2. Phát triển hệ thống đo lường lượng nhiệt sinh ra.
Một ứng dụng trong đó HeatDesigner đóng vai trò quan trọng là trong việc phát triển hệ thống đo lượng nhiệt sinh ra từ các bộ phận điện tử (Hình 1). Hệ thống được phát triển với sự hợp tác của SiM24 và Phòng thí nghiệm thiết kế nhiệt cung cấp dịch vụ giải quyết các vấn đề về nhiệt của thiết bị điện tử. Ông Kajita bắt đầu phát triển hệ thống vào năm 2009 và gần đây đã bắt đầu nhận đơn đặt hàng từ những khách hàng quan tâm đến việc mua hệ thống. Ông Kajita cho biết: “Việc đo lượng nhiệt sinh ra từ các bộ phận điện tử nghe có vẻ dễ nhưng thực ra lại khá khó. Lượng nhiệt sinh ra là cực kỳ quan trọng đối với các phân tích nhiệt. Đây là hệ thống đầu tiên cho phép người dùng đo lượng nhiệt sinh ra từ các thiết bị điện tử gắn trên bảng mạch”. HeatDesigner là một thành phần quan trọng của hệ thống trong giai đoạn lập kế hoạch và xác minh.
Để thực hiện thành công mô phỏng quản lý nhiệt điện tử, dữ liệu hình học, đặc tính vật lý nhiệt và lượng nhiệt sinh ra phải được biết. Dữ liệu hình học có thể đo được và các đặc tính nhiệt, chẳng hạn như độ dẫn nhiệt, có thể được lấy từ nhà sản xuất hoặc đo tại NMIRI. Mặt khác, lượng sinh nhiệt phụ thuộc vào môi trường xung quanh các thiết bị điện tử. Kết quả là rất khó để định lượng. Đối mặt với thách thức này, ông Kajita đã làm việc với Phòng thí nghiệm thiết kế nhiệt để phát triển hệ thống đo lường để định lượng lượng nhiệt sinh ra từ các linh kiện điện tử. Hệ thống bao gồm các bộ tản nhiệt, quạt và bộ điều khiển. Quạt tiếp xúc với bộ phận điện tử đang chạy và lượng nhiệt sinh ra được đo và hiển thị trên màn hình máy tính. Ông Kajita đã xác nhận hình học của hệ thống và các vật liệu được sử dụng cho bảng mạch trong các giai đoạn lập kế hoạch và xác nhận của quy trình. Ở những giai đoạn này, ông Kajita cũng đánh giá cả hệ thống làm mát bằng không khí và làm mát bằng nước. Anh ấy đã sử dụng triệt để HeatDesigner để so sánh hiệu suất giữa hệ thống làm mát bằng không khí và làm mát bằng nước vì việc thay đổi vật liệu bên trong bằng thực nghiệm hoặc sửa đổi hệ thống thử nghiệm để sử dụng nước sẽ tốn quá nhiều thời gian và công sức. Do đó, mô phỏng hệ thống bằng HeatDesigner là điều cần thiết để phát triển hệ thống đo lường.
3. Áp dụng HeatDesigner để cải thiện độ chính xác của phép đo.
Phát triển các hệ thống và thiết bị đo lường là một trong những trách nhiệm quan trọng nhất của NMIRI. Các công cụ CFD thường được sử dụng như một phần của quá trình phát triển. Một ví dụ về điều này là sự phát triển của phương pháp đèn flash laze để đo các hằng số nhiệt. Thiết bị này dùng để đo hệ số khuếch tán nhiệt, nhiệt dung riêng và độ dẫn nhiệt của các chất rắn như kim loại và gốm sứ. Để bắt đầu quá trình, một mẫu hình tròn mục tiêu được làm nóng bằng cách chiếu xạ mẫu đó bằng một xung laze. Nhiệt độ tăng lên ở phía đối diện của bề mặt chiếu xạ được đo bằng nhiệt kế bức xạ để thu được đường cong phản ứng nhiệt độ. Sau đó, đường cong phản ứng nhiệt độ được sử dụng để tính toán hệ số khuếch tán nhiệt và nhiệt dung riêng.
Các giá trị này được tính toán với giả định sự phân bố mật độ ánh sáng laze là lý tưởng. Trên thực tế, sự phân bố mật độ ánh sáng laze có thể không đồng đều và tình trạng của ánh sáng laze thay đổi tùy thuộc vào cách ánh sáng được chiếu xạ. Ngoài ra, mẫu có thể không ở trong điều kiện lý tưởng để tính toán. Kết quả là sự không chắc chắn trong các yếu tố này có thể khiến việc tính toán trở nên khó khăn và gây ra lỗi.
Để giải quyết vấn đề này, các kỹ sư tại NMIRI đã so sánh kết quả giữa đo lường mô phỏng và đo lường thực tế để xác định nguyên nhân gây ra lỗi. Điều này cũng giúp cải thiện độ chính xác của mô phỏng. Ông Kajita cho biết “Đôi khi người ta nói rằng độ chính xác mô phỏng thấp gây ra sự không nhất quán trong kết quả giữa đo lường mô phỏng và thực tế. Tuy nhiên, các thí nghiệm không phải lúc nào cũng được thực hiện trong điều kiện lý tưởng”. Theo Ông Kajita, độ chính xác của mô phỏng có xu hướng giảm khi các hiện tượng được mô hình hóa trở nên phức tạp hơn. Tuy nhiên, đối với các hiện tượng đơn giản, kết quả mô phỏng đáng tin cậy hơn kết quả thực nghiệm.
4. Nhu cầu ngày càng tăng về độ chính xác cao hơn của phân tích.
Nhu cầu tăng độ chính xác và chi tiết của các bộ phận điện tử được mô hình hóa tiếp tục tăng. Mặc dù hình học của bộ phận có thể được kiểm tra bằng máy x-quang của viện, nhưng các đặc tính và đặc tính vật liệu bên trong của bộ phận không thể nhìn thấy bằng kỹ thuật này.
Các kỹ sư tại NMIRI nhận ra rằng có thể ước tính chính xác hơn các đặc tính vật liệu bên trong, khả năng chịu nhiệt và khả năng chịu nhiệt nếu có thể phát triển xu hướng của các thông số này. Điều này được thực hiện bằng cách đầu tiên giả định cấu trúc bên trong của bộ phận. Sau đó, đồ thị nhiệt dung và khả năng chịu nhiệt được phát triển. Các kỹ sư thay đổi vật liệu và so sánh kết quả mô phỏng với kết quả thử nghiệm. Theo quy trình này, họ có thể dự đoán chất liệu bên trong của các bộ phận chính xác hơn.
Trước đây, các kỹ sư tại NMIRI từng nhận được các yêu cầu đơn giản để đo độ dẫn nhiệt của một bộ phận riêng lẻ và ước tính vật liệu của bộ phận đó. Tuy nhiên, ngày nay, nhiều khách hàng muốn mô phỏng và xác minh chi tiết hơn về vật liệu bên trong của các bộ phận. Ông Kajita cho biết: “Hầu hết các công ty đều gặp khó khăn trong việc tạo mẫu các bộ phận để mô phỏng, vì vậy chúng tôi cảm thấy việc hỗ trợ nỗ lực tạo mẫu của họ là rất quan trọng.”
5. Ứng dụng dữ liệu linh hoạt.
Trong nhiều năm, NMIRI đã làm việc với nhiều sản phẩm phần mềm khác nhau. Một trong những điều mà ông Kajita đánh giá cao về các sản phẩm của Software Cradle là phương thức output linh hoạt của chúng. Ví dụ: nếu nhà phân tích muốn lưu một giải pháp tạm thời đầy đủ, thì tệp dữ liệu đầu ra sẽ rất lớn. Do đó, thường chỉ lưu dữ liệu cần thiết. Với các sản phẩm phần mềm Cradle, bạn có thể lưu một phần dữ liệu được chỉ định. Đây có thể là nhiệt độ trung bình ở một khu vực cụ thể hoặc trong một thời gian cụ thể. Người dùng có thể xem xét dung lượng bộ nhớ khả dụng và xác định đầu ra tương ứng. Nhóm hỗ trợ kỹ thuật của Cradle cũng đã hỗ trợ NMIRI. Nhân viên Cradle đã nhanh chóng phản hồi đến các câu hỏi và các phương pháp thay thế được đề xuất. Ông Kajita cho biết: “Cradle luôn đáp ứng các yêu cầu và yêu cầu của chúng tôi một cách nhanh chóng. Đây là một lợi thế lớn so với các công ty phần mềm khác.”
Ông Kajita tiếp tục cho biết: “Việc sử dụng mô phỏng cho phép các kỹ sư tại NMIRI làm được những điều mà trước đây họ không thể làm được. Họ không thể dự đoán các vấn đề về nhiệt chỉ bằng các thử nghiệm và thử nghiệm. Tuy nhiên, với mô phỏng, họ có thể tự do thay đổi chất liệu và điều kiện. Điều này đã mang lại lợi ích đáng kể.” Với sự thừa nhận ngày càng tăng về mô phỏng và việc sử dụng mô phỏng, NMIRI đã sử dụng các sản phẩm để thảo luận và hỗ trợ nhu cầu của khách hàng, nhiều khách hàng đã bắt đầu tự mình sử dụng mô phỏng. Điều này đã dẫn đến một lợi ích khác. Các kỹ sư của NMIRI đã có thể tập trung vào các phân tích nâng cao trong khi sử dụng các mô hình do khách hàng của họ tạo ra.
6. Kỳ vọng cho các phân tích kết hợp.
NMIRI đã yêu cầu Cradle cung cấp hỗ trợ bổ sung để cải thiện phần mềm. Điều này bao gồm khả năng chấp nhận các mô hình cũ có hơn hai phiên bản cũ thành phiên bản mới nhất của phần mềm. Điều này sẽ cho phép kỹ sư sử dụng các tính năng mới nhất của phần mềm khi làm việc với các kiểu máy cũ hơn. Mr. Kajita cũng cảm thấy rằng đa môi trường đang ngày càng trở nên quan trọng dựa trên công việc của anh ấy với một số công ty. Anh ấy cũng muốn Cradle hỗ trợ sự phát triển này. Ông Kajita cho biết: “Việc phát triển vội vàng có thể dẫn đến chức năng không mong muốn và phần mềm không dễ sử dụng. Chúng tôi thực sự hy vọng rằng Cradle sẽ dành thời gian để phát triển các khả năng đa môi trường chất lượng cao vô song.”
Figure 2 – Flow field around air‑cooling fan7. Nhiều cơ hội hơn cho phần mềm mô phỏng.
Các kỹ sư trong ngành điện tử phải đối mặt với nhiều thách thức về nhiệt khi các thiết bị điện tử trở nên nhỏ hơn và nhẹ hơn. Mặc dù mô phỏng là lý tưởng để giải quyết những thách thức này, nhưng ông Kajita cảm thấy rằng, mặc dù các công cụ CFD ngày càng phổ biến nhưng chỉ một số ít thực sự sử dụng các công cụ này. Ông tin rằng đối với nhiều khách hàng của mình, các nhà thiết kế của họ thiếu kiến thức cơ bản về chất lỏng và truyền nhiệt. Mặc dù họ hợp tác chặt chẽ với MNIRI nhưng họ vẫn gặp khó khăn trong việc giải quyết các vấn đề về truyền nhiệt. Để giải quyết vấn đề thiếu sót này, ông Kajita dự định tổ chức một loạt các hội thảo được thiết kế cho những người chưa từng sử dụng các công cụ mô phỏng. Trọng tâm của các hội thảo là giúp các nhà thiết kế làm quen với cách sử dụng các công cụ để giải quyết các vấn đề về nhiệt. Ông Kajita nói: "Hoạt động thực tế của phần mềm CFD có thể giúp các nhà thiết kế thiếu kinh nghiệm hiểu rõ các vấn đề về nhiệt hiệu quả hơn nhiều so với việc chỉ nhìn vào các biểu thức số." Anh ấy cũng cho rằng phần mềm mô phỏng không được thiết lập tốt về ứng dụng, phương pháp lập mô hình và việc sử dụng. Một trong những mục tiêu cá nhân của anh ấy là tiếp tục nghiên cứu để cải thiện những vấn đề này.
Đồng thời, ông Kajita luôn tìm kiếm những cộng tác viên sẽ cùng ông thực hiện nghiên cứu chuyên sâu này. Ông tin rằng các công cụ CFD có nhiều cơ hội để nghiên cứu thêm. Bằng cách cải tiến công nghệ, NMIRI sẽ tiếp tục cung cấp các dịch vụ có giá trị và đáng tin cậy cho khách hàng của họ.
Last edited: