FloTHERM基础培训教程

FloTHERMBasicTrainingXuLei(徐磊)MechanicalAnalysisDivisionMentorGraphics-MechanicalAnalysisDivision（MAD）介绍2MentorGraphics–MAD，即过去Flomerics公司，Flomerics是成立于1988年的全球第一家专业从事电子散热仿真的公司总部：英国伦敦研发中心：伦敦、波士顿、硅谷圣迭戈、法兰克福、布达佩斯、莫斯科、班加罗尔分公司：英国、美国、俄罗斯匈牙利、法国、德国意大利、瑞典、日本中国、印度、新加坡代理商：以色列、韩国、日本、台湾、澳大利亚、巴西MentorGraphics–MAD主要产品散热仿真软件嵌入CAD的工程流体动力学/传热仿真软件-FloEFD高级热测试仪3ContentsL1–IntroductionofElectronicscoolingL2–BasictheoryofCFDL3–IntroductionofFLOTHERML4–BasictheoryofusingFLOTHERMtodosimulationL5–Build,solveandanalyzeasimplecaseL6–ModelpopularelectronicscomponentL7–DoagoodgridL8–DiagnosesolutionProblemsL9–ImportyourCADmodeltodoCFDsimulationContents–Cont’dL10–ModelrefinementL11–Furtherrefinement:solidtemperatureL12–ExtendingthesolutiondomainandtoolsforgridL13–Coolingtechniques:fansandheatsinksL14–IntroductionofcommandcenterL15–IntroductionofICpackageL16–BuildadetailorcompactchipmodelL17–DoagoodpostprocessL18–UseFLOTHERMtooptimizeyourdesign电子设备的发展趋势61.热耗上升化2.设备小巧化3.环境多样化过热--电子产品故障的首要原因7(Source:USAirForceAvionicsIntegrityProgram)Figure2:MajorCausesofElectronicsFailures图2：电子产品故障主要原因资料来源：美国空军航空电子整体研究项目55%温度20%振动6%粉尘19%潮湿Figure1:JunctionLifeStatistics(Source:GECResearch)图1：结点寿命统计故障率（10万小时）资料来源：GEC研究院发热问题被确认为电子设备结构设计所面临的三大问题之一…(强度与振动、散热、电磁兼容)热设计的基本要求满足设备可靠性的要求满足设备预期工作的热环境的要求满足对冷却系统的限制要求8热设计工程师——与EE,ME,Layout等项目相关人员紧密配合，力求提高产品各方面性能并降低成本了解散热性能的方法实验研究—优点：直观，可靠—缺点：昂贵，周期长数值仿真(CFD)—优点：周期短，成本低，—限制：数学模型的适用程度9了解散热性能的数值方法:CFD(ComputationalFluidDynamics)仿真的基本思想CFD的基本思想是把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。101D2D(1,1)(0,1)(1,0)(2,1)(1,2)f1f2f3f43D热仿真基本理论---传热的三种基本方式导热—Fourier定律：对流—Newton冷却定律：辐射—Stefan-Bolzman定律：11cQ=-AλΔTQ=-hAΔTh4412Q=A(TT)热仿真基本理论---控制方程能量守恒方程动量守恒方程质量守恒方程120uvwtxyzTpppTuTvTwTTTTStxyzxcxycyzczT1m1T2m2HotcomponentQuuuuuvuwpuuuStxyzxxxyyzz12p1V1p2V2速度大，则压力小，速度小，则压力大12V1A1V2A2A1V1=A2V2FLOTHERM软件介绍全球第一个专门针对电子散热领域的CFD软件—通过求解电子设备内外的传导\对流\辐射，从而解决热设计问题据第三方统计，在电子散热仿真领域，FloTHERM全球市场占有率达到70%据我们的调查，98%的客户乐意向同行推荐FloTHERM13FloTHERM软件主要模块14FloTHERM软件FloTHERM核心热分析模块1.简单的建模方式：节省建模时间2.笛卡尔网格：加快计算速度3.集成的经验公式：加速计算并保证准确度VisualEditor结果动态后处理模块1.简单的操作：节省后处理时间2.丰富的结果表现形式：方便项目人员的协作沟通CommandCenter优化设计模块1.先进的优化算法：保证优化结果的可靠性2.目标驱动的自动优化设计：减少工程师的工作量FloMCAD.BridgeCAD软件接口模块1.支持多种模型格式：适用范围广泛2.方便的操作：缩短建模时间FloEDAEDA软件高级接口1.支持多种EDA格式：方便电子工程师与热工程师协同工作2.包含走线、器件参数、过孔等详细信息的模型读入：保证模型准确性3.准确的模型简化方法：保证结果准确度的同时减少计算时间FloTHERM.Pack标准IC封装模型库1.丰富的IC模型：方便下载以减少建模时间2.欧盟资助的生成模型算法：保证模型准确度FloTHERM使用流程15Pre-ProcessingModelingMeshingBoundaryconditionsInitialconditionsSourcesMaterialpropertiesPhysicalmodelsSolverMonitoringFloTHERM使用流程16Post-ProcessingTemperatureProfileSpeedVectorCommandcenter优化DifferentCasesSolveProgressAsimplecaseFloTHERM基础介绍FloTHERM仿真的基本操作和流程电子设备常见原件的建模网格划分求解监控与后处理17FloTHERM用户界面介绍18ProjectManager项目管理器提供树状结构的几何体和模型数据管理DrawingBoard（模型）绘图板提供创立和修改几何模型的简易界面，面向对象的建模技术，专业针对电子热分析的参数化模型，完全三维CAD风格FloTHERM用户界面介绍19Table数据表窗口提供输入输出参数的数据表输出Visualeditor图形输出窗口提供结果的图形动态输出FloTHERM文件结构20库文件区项目文件索引文件FloTHERM文件结构21首先FLOTHERM软件借助四个目录管理文件管理每个项目文件千万别去尝试去修改项目文件中名中的数字串项目文件夹定义一个新项目定义项目名称定义散热环境以及散热方式定义求解域22机箱的建模薄壁设置—不考虑平面方向的热传导薄还是厚？各面单独定义：厚还是薄？开口不开口？薄壁设置厚壁设置厚壁设置24滤网、通风孔、打孔板的建模尺寸孔的形状与大小孔的间距直接定义开孔率22vfp25风扇的建模定义风扇旋转模拟风扇失效风扇功耗GvpGvmaxp0风扇的工作点系统阻抗26PCB板的建模PCBSmartPart–不考虑平面传导的薄板模型–全面考虑三个方向的热传导–直接确定含铜量–直接定义重量–分层定义含铜量各向异性的立方体27芯片建模搭建几何结构（复杂程度随考虑细致程度变化）(简单)(复杂)双热阻模型（较简化）热阻网络模型（较复杂）28TopinnerTopouterPhysicalLeadsLeadsJunctionBotinnerBotouterStand-offStand-offSideCJBRjbRjc散热器的建模29导热胶与导热垫片的建模30导热胶与导热垫片的建模31方法一用薄板建模方法二定义表面热阻方法三软件自带数据库材料定义32材料定义332)使用库；1)直接定义；功耗定义34固定温度固定热流量固定总功耗焦耳发热体积\面积热流热功耗随温升变化热功耗随时间变化ThermalAttributionThermalAttribution设定监控点35Step1：选定要监控的元件Step2：点击monitorpoint监控点生成，默认位置为选定元件的几何中心也可以不选择元件，直接建立监控点并把位置设置到关心的地方网格定义3636求解器设置37设置求解方式设置迭代次数附加选项错误检查与初始化错误检查—Error：Dataerrorinterruptingsolution—Warning：flagssetupproblemssuchasincorrectlocationofboundaries,e.g.afandetectedinsideablock—Information：purelyinformational,e.g.objectencounteredoutsidethesolutiondomain初始化38收敛监控39残差曲线监控点后处理---Table表格40后处理---VisualEditor图形化结果输出41FloTHERM项目的导入导出42可以导入＼导出的项目(Project)文件PDML文件:只包括模型文件,不包括计算结果Pack文件:包括计算结果的模型文件可以导入＼导出的部件(Assembly)文件AssemblyPDML：只包括模型的某部件模型ProjectPDML：包括整个项目模型及其网格、求解设定OtherIssuesMeshImprovementImportModelsIntroductionofcommandcenterIntroductionofLibrary43MeshImprovement44网格的密度增加，能得到更为详细的解。代价：内存使用量计算时间目标：网格独立解网格局域化45选中某物体加网格约束局部化支持多层嵌入式网格,可以进行不限层数的局部加密。ImportEDAModels46完全兼容业界通行的IDF格式文件支持EDA软件：IDF2.0IDF3.0CADENCEMENTORGRAPHICSZUKENPowerPCB等等大大简化复杂PCB模型的建模ImportCADModels47FLO/MCADACIS(SAT)FLOTHERMIGESSTLSATSTEPProE-prtasmCATIASolidWork双向的导入\导出IntroductionofCommandcenter48DOE(DesignonExperiments)实验设计由软件或用户安排N种设计方案,软件自动进行包括模型生成、网格划分和求解的批处理SO(SequentialOptimization)自动顺序寻优用户给定可变参数区间和优化目标权重，软件自动寻找最优方案CommandCentre运用两者的结合两个优化量，一个二维的变化区间无数种方案首先找出N种DOE方案,达到最优覆盖率进行DOE计算，找出DOE最优解从DOE最优解出发，寻找SO最优解最后找出局部最优解DOESOSODOEFloTHERMLibrary