有限元如何建模？Flotherm軟件組件工程應(yīng)用簡(jiǎn)介

 熱仿真中，如何有效地將實(shí)際的機(jī)器合理地轉(zhuǎn)化為虛擬的數(shù)值模型，是熱仿真的關(guān)鍵。軟件的操作方法很容易掌握，但各對(duì)象背后的物理意義卻并非一朝一夕就可以徹底理解。而后者往往極大限制了工程師的建模能力。有限元科技小編結(jié)合元王有限元案例，對(duì)Flotherm中常用的各種對(duì)象組件做一個(gè)詳細(xì)的工程實(shí)際映射，請(qǐng)大家參考。

 深圳市有限元科技有限公司是Flotherm軟件的一級(jí)代理商，并代理國(guó)外其他多款cae軟件，有限元科技是以工程仿真軟件開發(fā)為核心，集cae咨詢、cae培訓(xùn)、cae軟件研發(fā)與銷售為一體的高科技企業(yè)。公司秉承以最高質(zhì)量的產(chǎn)品和最高質(zhì)量的服務(wù)滿足客戶的各種需求的服務(wù)理念，致力于為客戶提供一站式cae整體解決方案，目前已為全國(guó)超過(guò)500家企業(yè)提供cae分析服務(wù)。如需購(gòu)買軟件或咨詢服務(wù)等請(qǐng)聯(lián)系電話：13632683051，QQ：2039363860/4006046636。

 Cuboid——塊。表示實(shí)體塊。產(chǎn)品中有各種結(jié)構(gòu)件，都可以用實(shí)體塊來(lái)代替。當(dāng)然，F(xiàn)lotherm中的Cuboid是結(jié)構(gòu)化的六面體。從物理意義上理解，任何流體無(wú)法流過(guò)的區(qū)域或結(jié)構(gòu)，都可以認(rèn)為是實(shí)體塊，都可以用實(shí)體塊進(jìn)行建立，通過(guò)賦值不同的材料屬性、功耗等參數(shù)來(lái)表達(dá)其對(duì)散熱場(chǎng)的影響。因此，從這個(gè)角度講，幾乎所有的物理實(shí)體都可以在塊的空間處進(jìn)行覆蓋。

 Prism——物理屬性同Cuboid，只是形狀不一致。其形狀是棱柱。

 TET——物理屬性同Cuboid和Prism，只是形狀不一致。其形狀是四面體。

 Invertedtet——物理屬性同cuboid、Prism和TET，只是形狀不一致。其形狀是反四面體。

 Resistance——Flotherm中一個(gè)常用的簡(jiǎn)化物理模型的組件，表示某區(qū)域?qū)α鲃?dòng)造成的阻力。復(fù)雜模型中，resistance是一個(gè)非常有用的簡(jiǎn)化工具。比如一個(gè)刀片式服務(wù)器，在設(shè)計(jì)前期，先通過(guò)數(shù)值風(fēng)洞探究待插單板的阻力特性，然后設(shè)置resistance的相關(guān)參數(shù)（參數(shù)的設(shè)定在Flotherm官方的宏網(wǎng)站上有詳細(xì)的指導(dǎo)，輸入一定的參數(shù)之后，甚至可以直接輸出PDML格式的文檔，方便導(dǎo)入），通過(guò)resistance來(lái)替代詳細(xì)單板，極大地減小網(wǎng)格數(shù)量，在前期進(jìn)行風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計(jì)，各結(jié)構(gòu)附件對(duì)整機(jī)散熱的影響時(shí)，有效提高仿真效率。從物理屬性上講，Resistance本質(zhì)上講就是一個(gè)均質(zhì)多孔介質(zhì)， Flotherm功能簡(jiǎn)單，它無(wú)法實(shí)現(xiàn)Fluent那樣各處異性的賦值，不過(guò)，均質(zhì)多孔介質(zhì)的簡(jiǎn)化對(duì)于電子器件阻力的近似已經(jīng)完全夠用。從數(shù)值計(jì)算的角度上理解，多孔介質(zhì)的設(shè)定并不引入新的變量，resistance存在的網(wǎng)格中，離散方程將根據(jù)用戶的設(shè)定自動(dòng)在相應(yīng)控制容積內(nèi)添加阻力項(xiàng)，此阻力項(xiàng)在控制方程中以源項(xiàng)的形式存在，調(diào)用的速度值為上一次迭代得出的速度值。因此，resistance模型的引入，完全沒(méi)有增加新的變量，在計(jì)算過(guò)程中也不會(huì)造成計(jì)算機(jī)負(fù)荷的明顯加重。推薦在風(fēng)道優(yōu)化過(guò)程中，甚至系統(tǒng)進(jìn)出風(fēng)口采用。

 Assembly：其作用相當(dāng)于windows操作系統(tǒng)中的文件夾，可以存放各種類型的文件。所有可以單獨(dú)存在的組件都可以放在assembly中，而那些不能單獨(dú)存在的組件則不能直接建立?？梢杂眠@個(gè)例子類比：Windows文件夾中可以新建文件夾，這個(gè)文件夾可以是空的，也可以是有內(nèi)容的，與此類似，assembly也是如此，其下可以建立新的assembly，新的assembly可以是空的，也可以包含組件。再有，Windows文件夾中可以存放各種類型的文件，比如word文檔，exe文件，視頻文件等等，但它不能直接儲(chǔ)存幾個(gè)字符或者一段聲音。如果要存儲(chǔ)，這些字符或者聲音必須寫入到相關(guān)的文件里，比如word文檔或者一個(gè)MP3格式的文件，才能在文件夾中存放。Assembly也是如此，用戶不可能直接在assembly下建一個(gè)孔，supply，extract，一個(gè)器件，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或者網(wǎng)絡(luò)塊，因?yàn)檫@些組件不能脫離實(shí)體而存在。比如最簡(jiǎn)單的孔：孔只有在塊或者板上出現(xiàn)，才能想象到它的意義，單獨(dú)說(shuō)有個(gè)孔，顯然令人無(wú)法理解。

 Source：源是Flotherm中另一個(gè)非常常用簡(jiǎn)化組件。通常情況下，在分析傳熱問(wèn)題時(shí)，它只被用作產(chǎn)生熱量或者設(shè)置定溫來(lái)使用，而實(shí)際上，它的功能遠(yuǎn)不止此。它還可以作為質(zhì)量或力源。大家都知道，F(xiàn)lotherm求解的控制方程包含五個(gè)，連續(xù)方程，三個(gè)方向上的動(dòng)量方程，以及能量方程。設(shè)置定溫或者定發(fā)熱功率，就是改變能量方程。數(shù)值壓力，就是改變連續(xù)方程。設(shè)置力，就是改變動(dòng)量方程。其實(shí)，力和質(zhì)量極少使用，而溫度和發(fā)熱量非常常用。但既然flotherm已經(jīng)通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)了能量方程的有限制的定制化修改，實(shí)現(xiàn)另外四個(gè)方程實(shí)質(zhì)上已經(jīng)不需要再添加任何有難度的指令，所以即便不是很常用，也都集成過(guò)來(lái)放到這里供大家調(diào)用了。

 Source的另外一個(gè)細(xì)節(jié)注意點(diǎn)是，面source會(huì)出現(xiàn)一個(gè)箭頭。Source作用到動(dòng)量方程時(shí)，表示力的方向。同時(shí)，source作用于其箭頭指向的那一層網(wǎng)格。這一注意事項(xiàng)，在使用面熱源進(jìn)行芯片發(fā)熱量建模時(shí)，有時(shí)很有必要注意。如果作用在芯片表面而箭頭方向指錯(cuò)，有可能導(dǎo)致很大的計(jì)算誤差。

 Heatsink：散熱器。實(shí)際上是Flotherm為了用戶建模方便設(shè)置的模塊。物理意義上，相當(dāng)于一系列cuboid的堆積。所以，其屬性和塊體一致。但它不能設(shè)置孔，是最大缺陷。但是，如果用戶確實(shí)認(rèn)為散熱器上某處需要打孔，而又想利用Flotherm自帶的這一模塊化的功能，就可以建好這一模塊之后，選中HeatSink，點(diǎn)Geometry，選擇Decompose，即可將散熱器打散，成為一系列cuboid的堆疊。此時(shí)，即可添加hole了。

 PCB：PCB也是Flotherm便捷用戶操作的一個(gè)組件，可以覆蓋多種物理特性。

 PCBComponent：類似Cuboid，但無(wú)法使用孔和循環(huán)設(shè)備。

 Slopingblock：斜板，用于幾何建模，組件子關(guān)系同PCBcomponent。

 Enclosure：框。屬性同Cuboid。所有情況下，都用Cuboid堆疊替代。

 Cylinder：圓柱。屬性同cuboid。建議少用。Flotherm只有結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，圓形界面不可能完全貼合，固有誤差無(wú)法消除。

 Hole：孔?？梢栽O(shè)置在Cuboid上，Hole分為開放式孔，還可以設(shè)定開孔率，模擬多孔板。設(shè)置開孔率去模擬多孔板，可以大幅降低網(wǎng)格數(shù)，極常用。

 Fan：風(fēng)扇。是Flotherm為簡(jiǎn)化建模開發(fā)的最重要的部件之一。Flotherm中不能探究具體扇葉對(duì)流場(chǎng)的影響，但這種簡(jiǎn)化會(huì)顯著提高建模和計(jì)算效率。Flotherm風(fēng)扇的作用通過(guò)迭代實(shí)現(xiàn)。當(dāng)設(shè)定PQ曲線時(shí)，軟件的計(jì)算過(guò)程如下：給定風(fēng)機(jī)壓力，計(jì)算流場(chǎng)及溫度場(chǎng)；回歸計(jì)算風(fēng)扇通風(fēng)量，與PQ線進(jìn)行比對(duì)。如有不符，根據(jù)上一次計(jì)算差調(diào)整給定的風(fēng)機(jī)壓力，重復(fù)上述過(guò)程，直至符合。

 Recirculationdevice：包含supply和extracts。可以通過(guò)別的組件來(lái)拼湊supply和extracts的具體形狀。通常情況下，可以使用Recirculationdevice來(lái)對(duì)離心風(fēng)機(jī)、換熱器等Flotherm中并未直接建好而卻比較常用的組件模塊進(jìn)行建模。既然能模擬風(fēng)機(jī)，Recirculationdevice自身也可以設(shè)置PQ線。當(dāng)然，由于recirculationdevice又并非僅用來(lái)建立離心風(fēng)機(jī)，任何循環(huán)流動(dòng)組件都可以用它來(lái)建模，所以，這里的PQ線是一個(gè)更廣義的壓力-流量線，反映了這一組件的流動(dòng)阻力特性?？梢哉f(shuō)，再配合其熱學(xué)設(shè)置項(xiàng)，recirculationdevice可以對(duì)產(chǎn)品許多組件實(shí)現(xiàn)非常大幅度的簡(jiǎn)化，當(dāng)然，這一功能在Flotherm11中通過(guò)添加cooler和rack兩個(gè)組件更加細(xì)化和顯性化了。

 Cooler&Rack：Flotherm11特地添加了這兩個(gè)組件。從組成上看，這兩個(gè)組件與recirculationdevice完全相同，但其屬性設(shè)置有所區(qū)別。相對(duì)于recirculationdevice而言，Cooler還可以設(shè)定某點(diǎn)的溫度值，設(shè)定其可以冷卻掉熱量的大小用來(lái)判斷是否失效。對(duì)于Rack，我的理解是另一種簡(jiǎn)化程度更高的模型。它直接將產(chǎn)品中某對(duì)其他組件會(huì)產(chǎn)生熱級(jí)聯(lián)影響的組件集用rack這一個(gè)特征去代替。在了解了cooler的設(shè)置項(xiàng)后，rack的各屬性設(shè)定一目了然。

 Networkassembly：從組件名稱就可以看出，它其實(shí)是一個(gè)集合而非簡(jiǎn)單的幾何體。一個(gè)完整的networkassembly包含多級(jí)，結(jié)、殼和板是三個(gè)最基本的芯片元素。當(dāng)精度要求較高，芯片內(nèi)部組成比較詳細(xì)時(shí)，你可以按照實(shí)際情況建立多個(gè)結(jié)，其熱量的傳遞路徑也可能并不是這么單一，除了結(jié)到板的傳遞，還可能有各種形式的邊緣的管腳進(jìn)行熱量傳遞。內(nèi)部結(jié)到板的傳熱，也有可能有引線參與。通過(guò)右鍵在networkassembly上彈出的菜單中，可以設(shè)置node到node間的熱阻屬性，以便描述芯片內(nèi)部的熱物理屬性。從這個(gè)角度，你不難理解，實(shí)際上發(fā)熱塊模型、雙熱阻模型、星形熱阻模型等比較簡(jiǎn)單的熱阻模型，都不過(guò)時(shí)networkassembly的一種簡(jiǎn)化形態(tài)。

 TEC：熱電制冷組件，室外柜中常用。室內(nèi)電子產(chǎn)品目前用的還不多。隨著其尺寸愈來(lái)愈緊湊，室內(nèi)的應(yīng)用，應(yīng)該也會(huì)逐漸出現(xiàn)。

 PowerMap：需要從外部導(dǎo)入thermalmap文件。屬于精細(xì)化建模，而且模型樹中的模型需要與powermap導(dǎo)入的文件對(duì)應(yīng)起來(lái)，才不會(huì)出錯(cuò)。

 對(duì)于工程師而言，必須牢記的一點(diǎn)是，熱仿真僅僅是一個(gè)設(shè)計(jì)工具，可用于對(duì)于產(chǎn)品的溫度表現(xiàn)做一個(gè)摸底和趨勢(shì)性的判斷。但如果作為專業(yè)的熱設(shè)計(jì)工作者，仍然迷信于熱仿真的絕對(duì)結(jié)果，甚至將熱仿真等同于熱設(shè)計(jì)，是極端狹隘的。而對(duì)于完全不懂熱學(xué)原理的人而言，即使其對(duì)軟件的操作已經(jīng)爛熟于胸，但由于完全沒(méi)有理論支撐，其建立的熱仿真模型仍有可能漏洞百出，導(dǎo)致熱仿真結(jié)果與散熱實(shí)際表現(xiàn)天差地別，此時(shí)，仍然過(guò)度依賴熱仿真極有可能適得其反，走向更加錯(cuò)誤的一端。因此，熱仿真作為一種先進(jìn)工具，合理運(yùn)用會(huì)帶來(lái)巨大價(jià)值，不合理的使用，除了會(huì)耗費(fèi)巨大精力和時(shí)間資源，還有可能將設(shè)計(jì)引向錯(cuò)誤的方向，造成巨大的損失。

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