FloTHERM 基礎培訓教程

1、FloTHERM Basic TrainingFloTHERM Basic TrainingXu Lei ( (徐磊徐磊) )Mechanical Analysis DivisionMentor Graphics - Mechanical Analysis Division（MAD）介紹）介紹n Mentor Graphics MAD，即過去Flomerics公司，F(xiàn)lomerics是成立于1988年的全球第一家專業(yè)從事電子散熱仿真的公司n 總部：總部：英國倫敦n 研發(fā)中心：研發(fā)中心：倫敦、波士頓、硅谷圣迭戈、法蘭克福、布達佩斯、莫斯科、班加羅爾n 分公司：分公司：英國、美國、俄羅斯匈牙利、法

2、國、德國意大利、瑞典、日本中國、印度、新加坡n 代理商：代理商：以色列、韓國、日本、臺灣、澳大利亞、巴西Mentor Graphics MAD 主要產(chǎn)品主要產(chǎn)品n散熱仿真軟件n嵌入CAD的工程流體動力學/傳熱仿真軟件-FloEFDn高級熱測試儀ContentsL1 Introduction of Electronics coolingL2 Basic theory of CFDL3 Introduction of FLOTHERML4 Basic theory of using FLOTHERM to do simulationL5 Build, solve and analyze a sim

3、ple caseL6 Model popular electronics componentL7 Do a good gridL8 Diagnose solution ProblemsL9 Import your CAD model to do CFD simulationContents ContdL10 Model refinementL11 Further refinement: solid temperatureL12 Extending the solution domain and tools for gridL13 Cooling techniques: fans and hea

4、t sinksL14 Introduction of command centerL15 Introduction of IC packageL16 Build a detail or compact chip modelL17 Do a good post processL18 Use FLOTHERM to optimize your design電子設備的發(fā)展趨勢電子設備的發(fā)展趨勢過熱過熱-電子產(chǎn)品故障的首要原因電子產(chǎn)品故障的首要原因(Source : US Air Force Avionics Integrity Program)Figure 2: Major Causes of El

5、ectronics Failures 圖圖2 2：電子產(chǎn)品故障主要原因：電子產(chǎn)品故障主要原因資料來源：美國空軍航空電子整體研究項目資料來源：美國空軍航空電子整體研究項目55%55%溫度溫度20%20%振動振動6%6%粉塵粉塵19%19%潮濕潮濕Figure 1 : Junction Life Statistics(Source : GEC Research)圖圖1 1：結點壽命統(tǒng)計：結點壽命統(tǒng)計故障率（故障率（1010萬小時）萬小時）資料來源：資料來源：GECGEC研究院研究院熱設計的基本要求熱設計的基本要求n滿足設備可靠性的要求n滿足設備預期工作的熱環(huán)境的要求n滿足對冷卻系統(tǒng)的限制要求熱設計

6、工程師 與EE, ME, Layout等項目相關人員緊密配合，力求提高產(chǎn)品各方面性能并降低成本了解散熱性能的方法了解散熱性能的方法n實驗研究優(yōu)點：直觀，可靠缺點：昂貴，周期長n數(shù)值仿真(CFD)優(yōu)點：周期短，成本低，限制：數(shù)學模型的適用程度了解散熱性能的數(shù)值方法:CFD (Computational Fluid Dynamics)仿真的基本思想仿真的基本思想nCFD的基本思想是把原來在時間域和空間域上連續(xù)的物理量的場，用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點上場變量之間關系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值。1D2D(1,1)(0,1

7、)(1,0)(2,1)(1,2)f1f2f3f43D熱仿真基本理論熱仿真基本理論 -傳熱的三種基本方式傳熱的三種基本方式n 導 熱Fourier 定律：n 對 流Newton 冷卻定律：n 輻 射Stefan-Bolzman 定律：cQ =-ATQ =-hATh4412Q =A(TT )熱仿真基本理論熱仿真基本理論 -控制方程控制方程n能量守恒方程n動量守恒方程n質量守恒方程0uvwtxyzTpppTuTvTwTTTTStxyzx cxy cyz czT1 m1T2 m2 Hot componentQuuuuuvuwpuuuStxyzxxxyyzz 12 p1 V1 p2V2 速度大，則壓力小

8、，速度小，則壓力大12V1 A1V2 A2A1 V1 = A2 V2 FLOTHERM 軟件介紹軟件介紹n全球第一個專門針對電子散熱領域的CFD軟件通過求解電子設備內外的傳導對流輻射，從而解決熱設計問題n據(jù)第三方統(tǒng)計，在電子散熱仿真領域，F(xiàn)loTHERM 全球市場占有率達到70%n據(jù)我們的調查，98%的客戶樂意向同行推薦 FloTHERMFloTHERM軟件主要模塊軟件主要模塊1.1. 簡單的建模方式：節(jié)省建模時間簡單的建模方式：節(jié)省建模時間2.2. 笛卡爾笛卡爾網(wǎng)格網(wǎng)格：加快計算速度：加快計算速度3.3. 集成的經(jīng)驗公式：加速計算并保集成的經(jīng)驗公式：加速計算并保證準確度證準確度1.1. 簡單

9、的操作：節(jié)省后處理時間簡單的操作：節(jié)省后處理時間2.2. 豐富的結果表現(xiàn)形式：方便項目豐富的結果表現(xiàn)形式：方便項目人員的協(xié)作溝通人員的協(xié)作溝通1.1. 先進的優(yōu)化算法：保證優(yōu)化結果先進的優(yōu)化算法：保證優(yōu)化結果的可靠性的可靠性2.2. 目標驅動的自動優(yōu)化設計：減少目標驅動的自動優(yōu)化設計：減少工程師的工作量工程師的工作量1.1. 支持多種模型格式：適用范圍廣支持多種模型格式：適用范圍廣泛泛2.2. 方便的操作：方便的操作：縮短建模縮短建模時間時間1.1. 支持多種支持多種EDAEDA格式：方便電子工格式：方便電子工程師與熱工程師協(xié)同工作程師與熱工程師協(xié)同工作2.2. 包含走線、器件參數(shù)、過孔等詳包

10、含走線、器件參數(shù)、過孔等詳細信息的模型讀入：保證模型準細信息的模型讀入：保證模型準確性確性3.3. 準確的模型簡化方法：保證結果準確的模型簡化方法：保證結果準確度的同時減少計算時間準確度的同時減少計算時間1.1. 豐富的豐富的IC模型：方便下載以減少模型：方便下載以減少建模時間建模時間2.2. 歐盟資助的生成模型算法：保證歐盟資助的生成模型算法：保證模型準確度模型準確度FloTHERM使用流程使用流程Pre-ProcessingModelingMeshing Boundary conditions Initial conditions Sources Material properties P

11、hysical modelsSolverMonitoringFloTHERM使用流程使用流程Post-ProcessingTemperature ProfileSpeed VectorCommand center 優(yōu)化優(yōu)化Different CasesSolve ProgressA simple casenFloTHERM基礎介紹nFloTHERM仿真的基本操作和流程n電子設備常見原件的建模n網(wǎng)格劃分n求解監(jiān)控與后處理FloTHERM用戶界面介紹用戶界面介紹Project Manager 項目管理器提供樹狀結構的幾何體和模型數(shù)據(jù)管理Drawing Board （模型）繪圖板提供創(chuàng)立和修改幾何模

12、型的簡易界面，面向對象的建模技術，專業(yè)針對電子熱分析的參數(shù)化模型，完全三維CAD風格FloTHERM用戶界面介紹用戶界面介紹Table 數(shù)據(jù)表窗口提供輸入輸出參數(shù)的數(shù)據(jù)表輸出Visual editor 圖形輸出窗口提供結果的圖形動態(tài)輸出FloTHERM文件結構文件結構庫文件區(qū)項目文件索引文件FloTHERM文件結構文件結構 首先首先FLOTHERM軟件借助四軟件借助四個目錄管理文件管理每個項個目錄管理文件管理每個項目文件目文件 千萬別去嘗試去修改項目文件中名中的數(shù)字串項目文件夾定義一個新項目定義一個新項目n定義項目名稱n定義散熱環(huán)境以及散熱方式n定義求解域太陽輻射的定義太陽輻射的定義設置：設備

13、的緯度工作日期工作時辰云遮當比設置：被照射表面的反射率機箱的建模機箱的建模n薄壁設置不考慮平面方向的熱傳導薄還是厚？薄還是厚？各面單獨定義：各面單獨定義：厚還是??？厚還是??？開口不開口？開口不開口？薄壁設置n厚壁設置厚壁設置濾網(wǎng)、通風孔、打孔板的建模濾網(wǎng)、通風孔、打孔板的建模尺寸孔的形狀與大小孔的間距直接定義開孔率22vfp風扇的建模風扇的建模定義風扇旋轉模擬風扇失效風扇功耗GvpGvmaxp0風扇的工作點系統(tǒng)阻抗PCB板的建模板的建模nPCB SmartPart不考慮平面?zhèn)鲗У谋“迥Ｐ腿婵紤]三個方向的熱傳導直接確定含銅量直接定義重量分層定義含銅量n各向異性的立方體芯片建模芯片建模n搭建幾何

14、結構（復雜程度隨考慮細致程度變化） (簡單) (復雜)n雙熱阻模型（較簡化）n熱阻網(wǎng)絡模型（較復雜）Top innerTop outerPhysical LeadsLeadsJunctionBot innerBot outerStand-offStand-offSideCJBRjbRjc散熱器的建模散熱器的建模導熱膠與導熱墊片的建模導熱膠與導熱墊片的建模導熱膠與導熱墊片的建模導熱膠與導熱墊片的建模方法一用薄板建模方法二定義表面熱阻方法三軟件自帶數(shù)據(jù)庫材料定義材料定義材料定義材料定義2)使用庫；1)直接定義；功耗定義功耗定義固定溫度固定熱流量固定總功耗焦耳發(fā)熱體積面積熱流熱功耗隨溫升變化熱功耗隨

15、時間變化nThermal AttributionnThermal Attribution設定監(jiān)控點設定監(jiān)控點Step1：選定要監(jiān)控的元件Step2：點擊monitor point監(jiān)控點生成，默認位置為選定元件的幾何中心也可以不選擇元件，直接建立監(jiān)控點并把位置設置到關心的地方網(wǎng)格定義網(wǎng)格定義求解器設置求解器設置設置求解方式設置迭代次數(shù)附加選項錯誤檢查與初始化錯誤檢查與初始化n錯誤檢查Error：Data error interrupting solutionWarning：flags set up problems such as incorrect location of boundaries

16、, e.g. a fan detected inside a blockInformation：purely informational, e.g. object encountered outside the solution domainn初始化收斂監(jiān)控收斂監(jiān)控殘差曲線監(jiān)控點后處理后處理 -Table表格表格后處理后處理 -Visual Editor圖形化結果輸出圖形化結果輸出FloTHERM項目的導入導出項目的導入導出可以導入導出的項目(Project)文件PDML文件: 只包括模型文件,不包括計算結果Pack文件: 包括計算結果的模型文件可以導入導出的部件(Assembly)文件Ass

17、embly PDML： 只包括模型的某部件模型Project PDML： 包括整個項目模型及其網(wǎng)格、求解設定Other IssuesnMesh ImprovementnImport ModelsnIntroduction of command centernIntroduction of LibraryMesh Improvementn網(wǎng)格的密度增加，能得到更為詳細的解。代價：代價： 內存使用量 計算時間目標：目標： 網(wǎng)格獨立解網(wǎng)格局域化網(wǎng)格局域化選中某物體加網(wǎng)格約束局部化n 支持多層嵌入式網(wǎng)格,可以進行不限層數(shù)的局部加密。Import EDA Modelsn 完全兼容業(yè)界通行的IDF格式文件

18、n 支持EDA軟件：IDF2.0IDF3.0CADENCEMENTOR GRAPHICSZUKENPowerPCB等等大大簡化復雜PCB模型的建模Import CAD ModelsFLO/MCADACIS (SAT)FLOTHERMIGESSTLSATSTEPProE - prt asmCATIASolidWork雙向的導入導出Introduction of Command centern DOE (Design on Experiments) 實驗設計由軟件或用戶安排N種設計方案,軟件自動進行包括模型生成、網(wǎng)格劃分和求解的批處理n SO(Sequential Optimization) 自動順序尋優(yōu)用戶給定可變參數(shù)區(qū)間和優(yōu)化目標權重，軟件自動尋找最優(yōu)方案Command Centre 運用兩者的結合兩個優(yōu)化量，一個二維的變化兩個優(yōu)化量，一個二維的變化區(qū)間區(qū)間無數(shù)種方案首先找出N種DOE方案,達到最優(yōu)覆蓋率