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FLOTHERM软件高级培训全


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FLOTHERM使用高级培训

段宗宪\俞丹海 Flomerics中国代表处

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Agenda
2006.10.25 ?FLOTHERM的文件管理(20min) ?网格划分技术(40min) ?FLOMOTION的使用(30min) ?收敛问题及其解决(20min) ?FLO/M

CAD的导入(30min) ?优化模块的使用(30min)
2006.10.26 ?瞬态分析定义(30min) ?芯片建模方法(90min) ?批处理文件的编辑(10min) ?Compact Model的建立(30min) ?其它使用技巧(40min)

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高级培训:FLOTHERM文件管理
20min 段宗宪 Flomerics中国代表处

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FLOTHERM项目的文件结构
库文件区

索引文件

模板

Help文档

项目文件

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FLOTHERM项目的文件结构
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

借助于项目文件长长的数字字 符串,FLOTHERM软件管理了 整个项目里所有的数据

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FLOTHERM项目的导入\导出
PDML文件: 只包括模型文件,不包括计算结果
Physical Design Model Language

Assembly PDML
只包括模型的 某部件模型

Pack文件: 包括计算结果的模型文件

Project PDML
包括整个项目模型及 其网格、求解设定

可以导入\导出的项目(Project)文件

可以导入\导出的部件(Assembly)文件

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项目文件的Load
删除FLOTHERM 项目 如系统意外导致 FLOTHERM关闭 ,在重新读入时必 须Unlock该文件

将其它项目文件从其 它文件夹拷入或者在 Windows界面下删除, 必须使用Catalog进行 整理

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项目文件的转移
1 :将项目文件夹拷至 目标文件夹下

2: 使用Catalog进行整 理

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项目文件的恢复
如果意外导致项目文件不可用!!
1: 在目录:项目文件\PDProject下,将文件group拷出

2: 将group文件添加后缀后.pdml
3: 重新读入该pdml文件即可,便可恢复该文件,但计算结果无法恢复

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IDF导入
可导入的文件包括IDF2.0及IDF3.0 IDF文件包括 Board 文件(.brd or .emn) Library文件(.lib or .emp)

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IDF导入
在导入过程当中,可以进行替换和筛选 如果采用Import IDF link Library 进行IDF文件的导入,可以采用库 中芯片模型进行自动替换

可以跟据器件尺寸进行筛选

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数据库的管理
数据库文件放置于 Flocentral\Libraries目录下

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数据库的管理
数据库文件属性的编辑
Library Name:数据库名 Directory:数据库存放路径

Read Only:只读属性

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数据库的管理

数据库的导入导出可借助于数 据库文件.library来进行

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高级培训:网格划分技巧
40min 俞丹海 Flomerics中国代表处

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求解域设定
? 在某些特殊场合必须要放大求解区域
– 自然对流换热系统 – 封闭系统 – 外部边界条件对内部影响较大的情况

? 在强迫对流散热系统中,通常不需要放大求解域

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求解域扩大原则
2y x y z – 除重力反方向外,其余按照装 置尺寸在各个方向扩大一倍 – 重力反方向放大两倍尺寸 z x

z
x

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网格约束
? 网格约束用于在几何实体上设定网格

点击打 开膨胀 设置

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网格约束
Minimum Number和 Maximum Size 分别设置最 小单元数,或者最大网格单元 尺寸.建议采用Maximum Size.

Minimum Size是设置最小网 格尺寸,可以控制网格精度

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使用Region定义网格约束
? 网格约束可以用于Region, 这样可以应用于无几何实 体的空间场所

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使用Region定义网格约束
? 例如,在两平板间增加网格
1. 定义几何尺寸 2. 定义Region
3. 帖附网格约束 4. 检查网格

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网格约束(膨胀)
? 膨胀可以使网格约束延伸到物体边界以 外的区域.
– 膨胀区域可以按照尺 寸大小或物体比例来 定义 – 可以通过定义最小单 元数或最大单元尺寸 来控制网格 – 不同的膨胀可以单独 设置在正,反两个方向.

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网格约束(膨胀)
? 我们来看一下前面的例子…
– Low 方向约束定义 为10%尺寸内最小 划分两个网格单元 设置 – High 方向约束定义 为100mm内最大网 格尺寸10mm设置

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网格划分
? 划分准则:
网格长宽比值越接近越好 1 最理想的状态
< 20 良好 >200 可能造成不收敛

尽量避免大尺寸网格到小尺寸网格的直 接过度

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网格划分
? 网格长宽比例问题:
– 网格平滑工具(系统网格)
– 增加网格线减小长宽比

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网格划分
– 网格平滑工具(系统网格)
– 增加网格线减少网格过度问题的产生

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网格划分
? 网格长宽比问题:
– 最小单元尺寸(系统网格) – 建立合理精度的模型(例如,根据实际问题的大小 确定尺寸单位精度) – 避免产生小尺寸网格导致较大差异的网格过渡

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扩大求解域的影响
? 当我们扩大求解域时,必然增加整个系统网格数 .
? 这主要是因为物体几何网格线延伸到整个求解 域边界, 同时会增加求解计算时间.

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处理方法
? 解决办法是将整个装置采用局域化处理. ? 产生两类网格

粗略外部网格 精细膨胀网格

精细局域网格

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局域化网格
? 网格局域化可以应用于:
– 物体 – 组件 – Regions

? 使用网格约束定义.

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局域化网格
? 方法1 –单个物体进行设置. 1. 选择物体 2. 设置网格约束(注意:
可在各个方向可独立设置 不同网格约束.)

3. 按图标 化操作.

,进行局域

列表中的图标显示局域化提 示

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局域化网格
4. 检查Drawing Board…
选中物体 增加网格约束 局域化

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局域化网格
? 如何对组设置局域化网格?

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局域化网格
? 方法二.采用Region 将多个物体”包”起来.
– 包含三个物体 的组 – 绘制region – 添加网格约束 – 局域化

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局域化网格
? 我们来分析一个采用局域化网格的散热器 模型…

– 存在两个问题

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局域化网格
1. 物体几何边界与局域 化边界重合时,网格 线会延伸到外部区域 边界.

2. 空气出/入口部分,需 要更详细网格描述

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局域化网格
– 解决的办法是将网 格约束做膨胀设置.

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局域化网格
? 局域化网格区域之间可以相互嵌套
壳体采用局域化网格

散热器采用局域化网格

FLOTHERM 要求在局域化区 域与求解域之间最少两个网格 单元进行描述.

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局域化网格
? 局域化网格不能相 互部分重叠,但可以 紧邻. – 包括膨胀区域

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局域化网格
? 如果有部分重叠的 局域化网格,可以采 用多个相邻局域化 空间来组合完成,避 免产生网格冲突.

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网格质量检查
? 在系统网格( )数据栏中检查局域化网格长宽比

选择一个局域化区域 . 它会在DB中被击活 .

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网格质量检查
? 在Drawing Board中检查局域化网格
– 在当前模式中选中Workplane – 选择 Workplane (灰色轮廓) ,使用鼠标或键盘通过 来移动平面

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网格质量检查
? 在FLOMOTION中检查网格
– 重新初始化 (如果没有计算结果) – 打开Flomotion,并创建可视平面 – 通过操作杆移动平面

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网格划分思路
1. 建立几何模型后,软件自带四种网格划分类型 “None, Coarse, Medium, Fine”, 建议选择”None”型. 2. 在Grid Summary 中,检查细小网格(三个不同方向)所 在位置,通过调整物体尺寸消除较小单元,提高最小网 格单元数量级. 3. 针对不同区域,采用局域化网格.在网格单元控制参数 中 ,建议采用控制最大单元尺寸选项. 4. 调整系统网格,通过控制Maxsize和Smooth来使系统 网格长宽比控制在最佳范围内.

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Flotherm后处理

40min 俞丹海 Flomerics中国代表处

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Flomotion操作界面

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Flomotion
网格显示
矢量显示

示图编辑器 材料调色板 材料编辑器 图例编辑器 渲染编辑器
云图显示

手动杆

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Flomotion

半 全 线 框 图
可以通过热键 ”W”,”S”切换实体和 线框图 显示实体线框选择

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Flomotion
创建新平面 删除平面

视图方向选择

视图变量选择

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Flomotion
标注控制框

数值显示框

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Flomotion 动态粒子数

粒子类型

手动控制选项

流线类型

显示控制开关

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设置动态粒子流方法
方法一: 1.在模型选中放置粒子源的物体面(例如风扇,通风口处等) 2.激活粒子流图标,并创建”source”源,并设置显示参数.

方法二:
1.激活粒子流图标,并创建”source”源(默认位置),并设置显 示参数. 2.通过手动调整粒子源位置,确定显示方式.

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Flomotion

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Flomotion

动态播放控制

动态输出

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Flomotion
? 云图可以动态播放:
– 点播放”On”按钮

– 可以通过动 态设置对话 框来控制播 放效果.

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Flomotion
?三种类型流线:
粒子 不同形状 带状 – 伴随不 同类型插 入形 线状

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Flomotion
? 以 AVI格式输出…

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Flomotion
? 保存预定位置图片:
1. 打开照相 编辑 器. 2. 将图片设置 到指定位置 3.点击保存

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Flomotion
? 重现已保存位置图片
1. 打开照相 编辑 器. 2. 在列表中点击 所需位置图.

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Flomotion
? 拍照位置可以保存…
– 注意这个过程 将保存所以平 面,粒子流和表 面渲染等设置

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Flomotion
? 也可以保存多个位置 图片,并且将该组以 AVI格式输出播放…

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Table Window
数据表切换键

表格类型 数据表格选项

对流换热系数计算器

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Table Window
变量选择 网格类型 区域选择 类型选择

结果数据选项

位置和尺寸设置

瞬态参数

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Convergence and Troubleshooting
30min 俞丹海 Flomerics中国代表处

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Convergence
? ? ? ? ? ? ? 收敛的定义 终止标准 导致收敛问题的原因 残差曲线诊断 改善收敛 Solution Control设置 Pro-Active 技术

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Convergence
? Flotherm 求解一组 偶合非线性偏微分方程 (来源于 NavierStokes方程) ? Flotherm 采用迭代来求解方程(SIMPLE算法, Patankar and Spalding) ? 求解收敛的准则:
– 任何变量的残差达到软件默认设置(终止标准) – 任何监控点不发生波动

? 在Profile 窗口中检查收敛问题

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收敛的定义
? 在下列情况下,被认为已收敛

每个变量残差 值达到1

监控点走平

AND

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终止标准
? 可以在PM中 [Control/Variable] 菜单中查看 指定不同变量的残差终止标准

? FLOTHERM软件默认的终止标准值在大多数 产品分析中,安全余量相对可靠,不需要更改.
? 终止标准是基于系统的质量,动量和能量三个 方面来设定的.

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终止标准
? 质量平衡(压力场残差)
– 终止标准= 0.005 M
– 强迫对流: – 自然对流:

(kg/s)

M = Total Inlet or Outlet Flow Rate M = ?.EFCV.A ?: Air density EFCV: Estimated Free Convection Velocity A: Area perpendicular to the vertical

? 动量平衡 (速度场残差)
– 终止标准= 0.005 MV
– 强迫对流: – 自然对流: V = EFCV

(N)

V = Fan or Fixed Flow maximum velocity

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终止标准
? 能量平衡(温度场残差)
– 终止标准 = 0.005 Q (W)
– 如果在系统中有热源或热沉: Q = Total Heat Sources or Sinks – 如果系统中无热源或热沉: Q = M Cp ?Ttyp

?Ttyp = 20 °C

? 这些参数设置满足大多数系统的要求,并且是相 当保守的收敛标准
对于某些特殊的系统,不需要采用这么严格的 收敛的标准.

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与终止标准相关的收敛问题
? 例如:
– 多流体系统(液冷)
– 如果系统中主导的是液体,会收敛问题发生,默认系 统是以空气作为流体特性参数而设置.

– 有风扇和导流板
– FLOTHERM 计算特征速度是以风扇出口的最大流 速度为参考. 由于其中某一个风扇尺寸和导流板的 原因,速度可能是原先值的上百倍,这样会导致动量 收敛问题.

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其它收敛问题
? 产生收敛问题的因素
– 建模型过程中产生的错误 – 网格设置精度不够大 – 方案中的不稳定性或不良设计 – 控制参数不适宜

? 过多网格或者过少网格都是不合适的做法

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残差曲线
收敛

高位震荡

高位稳定

Residual Error

Residual Error > 50 >10

Residual Error > 50 >10

Iteration

Iteration

Iteration

低位震荡

低位稳定

发散

Residual Error

Residual Error

Residual Error

< 50 <10

<10 < 50
Iteration
Iteration

Iteration

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小技巧:
?通常情况下,如果收敛慢就需要用户终止计算进行调整模型
?检查模型错误,比如在密闭系统中装有离心风扇或进入系统的热无法向外传递 ?在残差大的区域检查网格 – 网格不足无法捕获详细信息 ?检查本身不稳定性- 用监控点来追踪不稳定区域 ?用监控点和残差场来分析低位震荡或低位稳定- 通常不需要再做修改

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收敛曲线发散
– 第一步检查
– 复查Sanity Check结果 – 复查建模过程 – 寻找明显网格不足问题
Residual Error

– 确定问题点
– 采用Monitor Points – Deactivate Objects/Assemblies用于隔离问题点

Iteration

– 检查问题点?
– 网格是否足够描述物理现象? – 是否有荒谬的类似热源,粗糙度,表面属性等设置?单位是否正确? – 切记: 如果曲线发散的很明显,结果一定是不正确的. 对于发散问题重新求解时,一定要重新初始化

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低位稳定和震荡
? 打开残差场存储设置
– 在 Project Manager 中 [Solve/Overall Control]设置

?

残差存保留储每个单元格的残差参数
– 可以在 FLOMOTION 中检查确定最大和最小值的位置 – 同时打开网格显示来判断问题是否与网格有关联

? 如果发现残差较大的位置不在所关注的范围内,就不需要再 对模型再做修改使其收敛
如果监控点已经达到稳态

?

残差常可以帮助发现劣质网格问题

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低位稳定和震荡
? 温度场残差
– 可以使用自动收敛设置 [Solve/Overall Control]

- 如果温度监控点在30步迭代保 持在0.5度范围内波动 和 - 如果温度收敛曲线降到10以下

停止求解

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改善收敛
? 改变求解选项
– 修正慢速温度收敛

? 松弛因子法
– – – – 内部迭代 Fan 松弛控制 线性松弛控制 relaxation(欠松弛) Successive over松弛控制(超松弛)

? 调整 False Time Step
– 松弛因子 – 改进高位稳定或震荡非收敛问题

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求解器选项
? 求解器选择在 [Solve/Overall]中更改 ? Segregated Conjugate Residual (默认状态)
– 可以适用大多数分析状况 – 采用分离压力区域改善收敛问题 – 对于温度收敛问题, 可以使用块校正法
– 首先查找分析具有大温度残差的固体模型 – 将其加入块校正组 – 在[Solve/Overall] 中激活快校正求解

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求解器选项
? Multi Grid求解器
– 在质量和动量求解收敛过程中和 Segregated Conjugate Residual方法一样 – 采用multi grid技术加快求解温度场线性方 程 – 可以很大的提高传热问题的收敛速度 – 在多求解器和局域化中,Multi Grid求解器也 可以使用

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松弛控制法
? 内部迭代 (在 [Solve/Variable Control]中设置)
– 对于压力项可以采用大(等)于100步 – 增加步数将会降低收敛速度

? 线性松弛控制 (在 [Solve/Solver Control]中设置)
– 通常设在0.5~0.9范围内 – 0: 冻结求解; 1: 无阻尼

? Successive Over-relaxation (在 [Control/Solver]中 设置)
– – – – 很少使用 非常容易导致不稳定,慎用 建议在1.0~1.5范围 用于纯传导问题和高压系统

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松弛控制法
? Fan松弛控制
– 在[Solve/Overall Control]中设置 – 有效值范围是0.5~0.9 – 有助于改善工作点在风扇PQ中梯度较小位置的收敛速度

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False Time Step
? 通过变量求解控制栏来调节 [Solve/Variable Control] ? 自动设置的值是基于时间特征常数,适用于大多数 情况 ? 用户可以针对每个变量设定不同的值 variable
– 使用滑标 – 直接输入值

? 如果 False Time Step放大或缩小超过50倍容易导 致 发散 ? 切记要检查监控点以确认达到收敛

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False Time Step
? 调节 False Time Step类似于调节阻尼
– – – – false time step较大值 – 减少阻尼 false time step 较小值- 增加阻尼 false time step非常大值 –无阻尼 false time step 非常小值-无变化,无法求解

? False Time Step 举例
– 减少False time Step (提高阻尼)到10-50, 目的在于改进高 位震荡 – 增大False Time Step (减少阻尼) 到10-50,目的在于改进高 位稳态收敛问题 – 在复杂系统中,降低 False Time Step 有时会改善高位稳态 收敛问题

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Pro-Active技术
? 在求解模型前
– 使用 Sanity Check信息窗口(under [Solve/Sanity Check]) – 检查FLOTHERM 模型:
– 物体覆盖问题 – 物体等级问题 – 未附材料属性或其他属性

– 设置监控点来观察局部参数和判断局部非稳定性问 题 – 网格检查(aspect ratio, enough grid cells, …)

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Pro-Active技术
? 求解过后, 如果有收敛问题
– 检查流入和流出系统的质量流 – 使用Regions获取系统空气流量 – 打开残差场存储来确定最大残差点位置
– 如果在低位稳态或震荡,主要监控点参数稳定,且大残 差不在关注区域,则不需要再采取改进措施 – 如果残差在关注区域,请检查网格

– 如果在高位稳态或震荡, Solution control 参数 需要做调整 (Relaxation)

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高级培训:MCAD模型的导入
30min 段宗宪 Flomerics中国代表处

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FLO/MCAD – 可导入的数据模型
? FLO/MCAD 采用 ACIS 格式建模内核(由达索Spatial公司提供) ? 所有的MCAD模型都必须转换为ACIS格式 ? 格式的转化通过Spatial公司的 ‘Translator Husks?工具进行.
STEP IGES

FLO/MCAD
ACIS (SAT)

FLOTHERM

STL
SAT

SolidWorks

CATIA V4 V5

ProE - prt asm

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FLO/MCAD – 什么格式的模型最好导入?
? 最好导入的格式? – 一些格式的MCAD模型比其它格式导入时更不易出错; – 不易出错主要在两个方面:1)格式转换、2)必要的模型修补;



SAT
ProE, SW CATIA

采用ASCI格式,无需格式转换 专用的模型格式,可直接转换为ASCI格式 专用的模型格式,可直接转换为ASCI格式 点、线、表面数据格式为1D或2D格式,需 转换为ASCI格式 斜表面数据为2D格式,需转换为ASCI格式

STEP IGES

不好

STL

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FLO/MCAD – 模型管理
目录树管理(Assembly Tree)

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FLO/MCAD – 模型管理
? 操作模式 – 旋转\移动 ? 选取模式 – 选择几何体 ? 选择项目

MCAD PART --- MCAD BODY ---MCAD FEATURE --- MCAD FACE ---MCAD EDGE 选择层次 ---MCAD VERTEX

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FLO/MCAD – 模型修补(Healing)
? 模型的修补? – 模型修补:将所有的模型转换为Manifold格式;
Vertex (point)

Edge (bounded curve) Face (bounded surface) Sheet (unbounded volume)

…..a collection of faces with no free edges
Shell (bounded volume) MANIFOLD

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FLO/MCAD – 模型修补(Healing)
[Option/Preferences]

? 导入过程中的三种Healing模式: – Full – 修补所有的未闭合的点、线、面 – 最可靠 – Stitch – 修补达到条件的点、线、面 – 点、线较接近时进行修补 – 过程快、便可靠性稍差 – None ? [Tools/Heal Model] 全部修补

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FLO/MCAD – 模型修补(Healing)
? 未修补的模型 – 那些模型未被修补?

[Edit/Modify/double click on part]

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FLO/MCAD – 模型修补(Healing)
? 为什么要进行模型修补? – 基本上所有的模型简化和分解都需要利用模型的体积; – Bounding Box 方法 (add, subtract, replace with bounding cuboid/prism) 不需要进行体积计算; ? 什么时候进行模型修补? – 当简化或分解操作遇上Fs(错误)时; – 当创立了FLOTHERM无法表述的模型或者必须进行重大 的简化时。

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FLO/MCAD – 模型修补(Healing)
当一个非常复杂的模型中包含一些无关紧要的部件时 (垫圈, 螺栓,电线等.) – 导入时将 Healing选项设为None [Option/Preferences] – 以Non-Manifold格式直接导入 – 删除无关的细节 – 然后进行修补 [Tools/Heal Model] – 正常的导入简化

– 或者在进行导入之前首先在MCAD工具里进行模型简化

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FLO/MCAD – 简化
? 导入简化金定律:

? “任何导入的模型都必须简化为 FLOTHERM软件中Drawing Board

可建立的模型”

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FLO/MCAD – 简化
? 两种简化手段: – 手工简化(local simplify)
– 选择简化的面或特征,右键点 击替换或简化 – [Tools/Local Simplify]

– 自动简化 (global simplify)
– 选择简化的面或特征,右键点 击替换或简化(批处理简化) – [Tools/Global Simplify] – 考虑一下体积因素

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FLO/MCAD – 简化
那些细节需要简化呢? – 模型细节的观察; – 不必要的细节保留往往导致过于复杂的模型 – 采用s 或 w快捷键去进行实体模型和线框模型的切换

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FLO/MCAD – 简化(Simplify)
Local simplify中各类简化操作
f Flatten r/delete Remove

+

Add bounding box
l Level

- Subtract bounding box

操作对象:MCAD face/MCAD feature

m/u Mark/Unmark

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FLO/MCAD – 简化(Simplify)
Local simplify中各类简化操作
特征(Feature)的删除

Add Bounding Box

Replace by Single Object

孔的删除

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FLO/MCAD – 简化(Simplify)
Local simplify中各类简化操作(Replace By Single Object)

保证尺寸? 保证体积?

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FLO/MCAD – 简化(Simplify)
Global simplify中各类简化操作 操作对象:MCAD BODY MCAD PART
方法一:[Decompose] 方法二: [Tools/Global Simplify] 方法三:右键选对对象,菜单Global Simplify

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FLO/MCAD – 简化(Simplify)
? Global simplify中各类简化的难易度 只需要进行表面的再生 容易
Remove Small Holes
Remove Small Humps

Remove Small Face Groups

Remove Non Planar Faces

曲线的修补较费时

Flatten Small Drafts

涉及周围特征的复杂算法
Level Near Level Faces

困难

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FLO/MCAD – 简化(Simplify)

? 信息框中 . (点)的表意? – 每个点都表示一次成功的简化 ? 信息框中 F 的表意? – 一次简化的失败 – 通常在另外一个信息框中也会显示简化错误 – 失败的原因: – 修补工作没做好 – Non-manifold 模型 – Spatial公司 ‘local operations? 功能的内核错误

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FLO/MCAD – 简化(Simplify)
在简化过程中的错误显示 - Fs
– ACIS 错误信息是最常见的 :
– E/12012 - ACIS Model error <INCONS_FACE - inconsistent face-body relationships in api_boolean> – ERROR E/12012 - ACIS Model error <NO_ATTRIB_INTCOED - unexpected missing attribute on coedge in api_boolean> – ERROR E/12012 - ACIS Model error <BAD_CONTAINMENT - inconsistent containment of intersection curve in api_boolean> – ERROR E/12012 - ACIS Model error <BODY_VERTEX_CRUMBLE - coincident face_face_ints with different body vertices in api_body_mass_pr>

– 少量的错误显示不用管 – 避免简化错误的几个方法:
– 简化之前进行修补[Tools/Heal Model] – 简化过程中保留某些复杂细节 – 采用更好的文件格式进行导入

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FLO/MCAD – 简化(Simplify) 确认进行了那些简化
Cntrl-U ([Edit/Undo])的操作

Cntrl-U

Cntrl-U

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FLO/MCAD – 分解(Decompose&Dissect)
? 一般而言,Dissect Body前三项设为默认 ? 弓弦比(Arc/Chord Radio)设置 – 理论上最好的A/C比为1.0 – 默认为 1.1 ,如认为是过于粗糙,则可设为 C 1.05, 1.025 或1.01 – 当模型表面为曲面时需要设置
A

? Conserve volume(体积控制) – 当MCAD模型为Prism 基本体取代时,保证体积一致; – 会导致表面突刺 ? Sloping Blocks(斜板) – 当Sloping Blocks厚度小于一定值,则可 创建Thin Sloping Blocks

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FLO/MCAD – 分解(Decompose&Dissect)
Slice&Split 操作对象: MCAD BODY

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FLO/MCAD – 分解(Decompose&Dissect)
Decompose
[Tools/Decompose ] 分解成功后可用 线框形式显示已 分解的模型

[Option/Picture/Display Primitives as Wireframe]

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FLO/MCAD – Voxelization
Voxelization:将模型使用六面体进行阶梯近拟

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FLO/MCAD – Voxelization
? Voxelize的‘网格? 定义类似于求解网格 – 最大”网格尺寸” 或 – 最小网格数目 ? 最小的”网格”尺寸应定义大于一些关键尺寸 – 壳尺寸 – 孔直径

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FLO/MCAD – Voxelization
? voxelization 工作步骤:
1)首先跟据选择的Body或Part的轮廓 线或者角点创建基础的Voxel网格; 2)然后跟据用户定义去创立更详细的 Voxel网格; 3)如果在Voxel网格中有固体的存在 ,则将该网格转为一个六面体; 4)如果有两个多面体共享一个面,则 合并这两个多面体

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FLO/MCAD – Voxelization
? 建议
– 定义求解网格的网格约束 时尽可能与Voxel的网格条 件一致 – 使用局部化网格 – 对不同物性的Body分别进 行Voxelization,统一进行 材料物性的赋于

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FLO/MCAD – Voxelization
? voxelization 精度对求解结果 的影响

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FLO/MCAD – 布尔运算(Boolean Operation)
操作对象:MCAD Body

Unite Bodies

Subtract Bodies Intersect Bodies

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FLO/MCAD – Transfer
Transfer
Part name -> Assembly name
Body name-> FLOTHERM PRIMITIVE

导入后会保留原FLO/MCAD的组织形式

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Command Center优化
40min 俞丹海 Flomerics中国代表处

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启动
? 导入基础模型 ? 点击 Command Center 图标.

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Command Center步骤
1. 输入自变量 2. 图形输入 3. 输出应变量 4. 方案列表 5. 求解监控

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输入自变量
? 双击你所要更改的变量参数 – ?Use as Input Variable in Scenario? 选项被激活 用以下方式定义参量变化范围 – Ad Hoc – Linear – Design Parameter – Linear Function Scenario/Reset可以清除所有参 量变化的设置

?

?

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输入自变量
? Ad Hoc
– 允许基于原始模型手 动设置变量 – 使用”Append” 按钮 增加不同的变量.

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输入自变量
? 线性变化
– 允许输入一个带有特 定增量的变量 – 输入变量的步长和步 数

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输入自变量
? 设计参数
– 设定输入变量的变化范 围(最大,最小值) – 实验设计和自动连续优 化所必须参数设定

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输入自变量
? 线性函数
– 允许在设计参数中建立 线性关系(y = ax + b). – 可以用于实验设计和自 动循序优化

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图形输入
? 左侧列表中展示所有不同参数设置 的状况 – 初始时仅仅可以看到原始模型 – 原始模型的数字代码是 0. 当产生新的参数设置状况时,可以通 过点击列表中的代号激活 所显示的Drawing Board 是简化版 本 – 所有快捷键和大多数DB 功能 都可以使用 – 不能创建新的几何实体.

?
?

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图形输入
? 检查任何一个参数 设置状态. ? 切记,使用?g? 键检查 所以变化状态的网 格.

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输入应变量
? 在所列方案中,设置 定义你所需要优化 的目标. ? 这样做是为了节省 存储空间,尽管所有 参数设置方案结果 都可以存储.

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方案列表
? 蓝色条框是输入变量概述 – 每个方案(柱状表)的输入 变量都被罗列出并且可 以修改 ? 白色部分是求解设置和当前 状态描述 ? 桃红色部分是输出变量概述. – 其中的变量值随求解过 程及时更新.

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方案列表
? 在白色部分右击可以对参数设 置进行修改 ? Store results:(存储结果)
– None(不保存) – Full(全部保存) – History Only(保存残差和监控点 数据)

? Initialize From(初始化基点):
– All from Base Project(从基础模 型) – All from No Project(方案默认设 置) – All from Previous Project(从指 定方案)

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方案列表
? 对于一个典型仿真,我 们一般都是采用最节省 存储空间的方式,并且 采用基础模型作为起始 ,点击GO就可以!

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方案列表
?点击”Go”,软件依次对 每个方案进行求解 – Solved(求解完成) – Solving(正在求解) – Queuing(排队中)

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求解监控
?可以显示每个方案 的监控图形(收敛曲 线,监控点). ?在求解过程中,可以 进行访问. ?收敛也是很重要的 因素!

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结果保存
? 如果所有参数设置都必须保留, 那么可以将整个方案独立保存 起来. – 可以在PM中导入存储的文 件 – 必须在Flomotion中观察后 处理结果.

? 在柱状列表中右键点击方案, 并选择保存即可.

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结果– 图表
? 可以创建图表来显示输出变量 值 – 方案求解过程完成,及时更 新数据

? 可以通过图表对话框的参数 变化, 来学习和分析不同方 案之间的差别,从而理会其中 的规律.

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实验设计法
? 一种在具有多个变量参数中确定最佳方 案的途径. ? 其解可以作为循序优化的基础参数.



The Design of Experiments (DOE) and Optimization software included in the Command Center are being used under license from the Center for Quantitative Methods CQM BV (http://www.cqm.nl/eng/index.htm)

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实验设计法
1. 定义任何受约束变量的 变化范围. – 有无穷多个组合 可能存在

2. DOE 根据自定义数的 大小寻找最佳覆盖率.

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连续优化
3. 从DOE中选择最佳方 案 4. 从最佳方案为基点,进 行连续小步长自动优化

5. 寻找到最优方案

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连续优化
? 设置需求:
1. 在输入变量中建 立 parameters变 量 2. 设置目标函数

3. 启动优化

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连续优化
? 可选择设置:
– 优化类型和步数

– 冲突校验

– 优化前对DOE 设置

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连续优化
?优化过程中显示两个图表
– 输入变量 vs. 方 案序号

– 目标函数vs. 方 案序号

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连续优化
?举例
DOE SO

– DOE 中设置10 个试验点 – 寻找最佳点

– 从最佳出发连续 优化
– 寻找最优点…
DOE

SO

.

连续优化
– 在方案列表中最 优方案会被附以 其它颜色突出 – 该方案可以被选 中… – 另存为一个项目, 并可以打开

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优化方案
优化参量: 尺寸、形状、位置、风量、材料、工 况等计算参数; 优化过程中,可变化的参数 网格、求解器、收敛准则等控制参数 有可变参数A,变化范围为A1、 A2 ~An等离散值; 有可变参数B,变化范围为 Bmin~Bmax范围的连续值;

有可变参数C,变化范围与A、B 相关,设为C=a×A+b×B+C0; 输入约束: 可变化参数A、B与C必须满足一定约束: ax×A+by×B+Cz×C+D0<=0

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优化方案
任何计算结果作为输出,如温 代价函数: 度、压力、重量等; 代价函数为优化目标,可设 网格质量和计算时间等 定为多目标加权: 温度值U,越低越好,加权0.25;

温度值V,越高越好,加权0.4; 温度值W,越接近W0值越好,加 权0.35; 最终代价函数为:
输出约束:

冲突校验: 物体的几何结构是否会 在优化中发生冲突

Cost F=0.25×U-0.4×V+0.35×|W-W0|

任何计算结果(R、S、T)都可以定义上输出约束一定约束: rx×R+sy×S+tz×T+Q0<=0

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高级培训:瞬态分析
25min 段宗宪 Flomerics中国代表处

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瞬态分析
? ? ? ? ? 开机瞬态; 关机瞬态; 故障瞬态:冷却设备发生故障,如风扇失效; 变化功耗的瞬态; 变化环境温度的瞬态;

瞬态所需要的参数:
? ? ? 初场; 材料密度+比热容; 时间步上的离散;

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瞬态特性
时间常数:热阻*热容

TC ?

? V Cpl
kA

经验公式:开机经过5*TC时间后,固体大致达到热平衡。

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瞬态特性
时间常数的求解方法:t时刻一固体的温度值 估计公式,可借助该公式求解TC:
160.00 1.00 0.90
Temperature T-Ts/Tamb-Ts Exp Curve fit

T ? Ts ? exp(?t / tc ) Tamb ? Ts
T:器件的t时刻点温度;
TS:器件的稳态温度; Tamb:环境温度

140.00 120.00 100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 0 50 100 150 200 y=e
2 -0.05x

0.80 0.70 0.60 0.50 0.40

R =1

0.30 0.20 0.10 0.00 250

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瞬态分析步骤
1) 同稳态分析一样建立求解模型(材料的密度和比热容); 2) 设定求解初场;

3) 设定瞬态变化物理量(变功耗\变环境温度\其它);
4) 划分求解时间步; 5) 设定需保存结果的各时间步; 6) 求解分析; 7) 后处理;

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瞬态的初场
初场的定义:
1)Global System Settings; 2)Initial Variables; 3)Subdomain

1)初场(优先级较initial variables小) Global System Settings的功能 2)边界条件(优先级较ambient小) 3)浮升力、辐射计算基准

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瞬态的初场
初场的定义:
1)Global System Settings; 2)Initial Variables; 3)Subdomain

1)定义一 固定值的初场 2)调用其它计算好的结果作为初场

模型可以不一致,网格必须一致

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瞬态的初场
初场的定义:
1)Global System Settings; 2)Initial Variables; 3)Subdomain 3)Subdomain
定义求解域内不同值的物理量

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瞬态参数-密度、比热容
瞬态分析必须保证密度和 比热容属性的存在!!
Thin Plate V7.1新功能:热容网络模型

Compact Component
2R model

任何Collapsed的Cuboid或Enclosure Wall都不具备热容属性
芯片的双热阻模型或热阻网络模型 也不具备热容属性

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瞬态参数-芯片的折合材料库

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瞬态函数的设定
Transient Function
变化物理量=稳态设定值 * Transient F

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瞬态函数的设定

采用曲线输入

函数形式输入

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瞬态函数的设定
几种瞬态函数

+

+

=

.

瞬态函数的设定
Overlapping Functions

+

×

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时间步的划分
Total Transient Time: Start Time:设定整个瞬态求解的起始时间 End Time:设定整个瞬态求解的终止时间 Transient Solution Period: Start Time:本次求解时瞬态计算起始的时间 Duration: 最大充许的时间步 Keypoint Tolerance: 最小充许的时间步

软件会自动跟据瞬态函数的 周期和忽变点上划分时间步

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时间步的划分
时间步细分准则:一定要细分到 计算结果不发生改变为致:

5分钟划分一个时间步 2.5分钟划分一个时间步 1.25分钟划分一个时间步
0.625分钟划分一个时间步 0.3125分钟划分一个时间步

例:一变化功耗:周期为5分钟

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变化环境温度的设定

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变化环境温度的设定
流体物性的计算 如果环境温度变化太大: 1)流体的物性应随温度值变化 2)自然浮升力的计算应基于变化 的流体密度

Fluid Property选择Ideal Gas Law而非Constant

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瞬态分析的收敛性
最大迭代次数N的设定必须合理,否则每 一次计算如果都无法完全收敛,则每一个 时间步都必须计算完最大的迭代次数N。

收敛准则:采用稳态收敛准则

因瞬态计算包括非稳态项在内,故时间 步的划分同网格的划分一样,都会对计 算的误差起影响,同网格一样,时间步 也必须足够密到能够描述所发生的变化

最好采用收敛准则: Monitor Point Convergence For Temperature

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瞬态分析的收敛性
总功耗=稳态功耗值 * Transient F
收敛准则=稳态功耗值/200 !!!!!
例:某总功耗为200*F(t)W,设定方法如下两种: 1)稳态功耗值=200, F(t)=X[0,1],收敛准则为1W 2)稳态功耗值=1, F(t)=X[0,200],收敛准则为0.005W

注意:在瞬态分析中,如果某一时间步上的计算没有良好的 收敛,则计算的误差会累积到以后时间步的计算当中。

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瞬态分析的后处理
2)FLOMOTION后处理调入相应时刻点的温度场, Menu[File->Load Time Data] 1)首先在解算前必须保存某时 刻点的计算结果, Menu[Model->Save Transient Data]
FLOMOTION

3)Table后处理调入相应时刻点的温 度场, Menu[Edit->Mode->Display Result->Display Transient Data]

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瞬态分析的后处理
? Profile中,可借助Monitor Point描述出 元器件某处温度随时间的变化关系

Monitor Points VS Time

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高级培训:芯片的热模型建立
90min 段宗宪 Flomerics中国代表处

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芯片的主要结构
Die “enclosure” Die

Level 1 interconnect
Level 2 interconnect PCB Substrate

? 并非所有的芯片都包含所有的上述结构; ? Die是一定存在的; ? 多核芯片(多个Die)越来越多了。

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陶瓷芯片与塑料芯片
结构区别:芯片的基片(Substrate)材料:陶瓷?塑料?
塑料芯片
- 通常结构更复杂,建模较难 - 价格便宜 - 可靠性差 - 非全气密封封装 - 热性能差,需加强考虑 - 目前为主流的芯片类型

陶瓷芯片
- 价格昂贵 - 可靠性高 - 良好的电气性能 (fine line widths, multiple layers) - 全气密封装 - 良好的热性能 - 应用场合少 主要应用: 高功耗处理器,军用\航空\ 航天用芯片

主要应用: ASIC芯片, 逻辑芯片, 内存 芯片,低功耗处理器

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芯片的热阻模型
? JEDEC定义了半导体芯片的热属性定义方法:各种热阻定 义标准; ? 这些标准可从网站www.jedec.org上免费下载; ? JEDEC组织有关热方面的系列文件位于 JESD51 series (JESD51-X) 热阻定义:

? jx ?

T j ? Tx P

Tj = Die发热部位的温度值 die (“junction”) Tx = 某参考点的温度值 P = 芯片的功耗

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芯片的热阻模型
? JEDEC定义了半导体芯片的热属性定义方法:各种热阻定 义标准; ? 这些标准可从网站www.jedec.org上免费下载; ? JEDEC组织有关热方面的系列文件位于 JESD51 series (JESD51-X) 热阻定义:

? jx ?

T j ? Tx P

Tj = Die发热部位的温度值 die (“junction”) Tx = 某参考点的温度值 P = 芯片的功耗

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?ja 结-空气热阻
? ?ja – 最早也是最常用的标准之一 – 定义标准由文件 JESD51-2给出

? ja ?

T j ? Ta P

– Ta = 环境空气温度, 取点为 JEDEC组织定义的特定空箱中特 定点 (Still-Air Test) – 芯片下印制板可为高传导能力的四层板(2S2P)或低传导能力 的一层板之任一种 (1S0P)

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N

?jma 结-移动空气热阻
? ?jma – 空气流速范围为 0-1000 LFM – 定义标准由文件 JESD51-6给出

? jma ?

T j ? Ta P

– Ta = 空气温度,取点为风洞上流温度 – 印制板朝向为重大影响因素

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?jc 结壳热阻
??jc
– 从结点到封装外表面(壳)的热阻,外表面壳取点尽量 靠近Die安装区域
Case

? jc ?

T j ? Tc P
Die

Junction

Substrate

PCB

.

?jb 结板热阻
? ?jb – 从结点至印制板的热阻 – 定义标准由文件 JESD51-8给出

? jb ?

T j ? Tb P

严格地讲,Theta-JB不仅仅反映了芯片的内 热阻,同时也反映了部份环境热阻,如印制板。 正因如些, Theta-JB相对于其它热阻而言,虽然 JEDEC组织在99年就发布了它的热阻定义方式, 但是芯片供应商采用较慢。 部份传热路径严重不对称芯片,如TO-263目 前尚无该热阻的定义标准

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?jx 使用的局限性
Convection/Radiation Conduction Convection Conduction Radiation Convection/Radiation
X

θjx

Junction

Conduction

? ?jx 试图采用简单的热阻表示复杂的芯片传热现象 ? 芯片内部的热传现象非常复杂,无法使用热阻来完美表示; ? 热阻?jx 无法用于准确预测芯片的温度,只能提供定性的热性 能对比; ? 如需准确预测特定工况下芯片的温度,我们需要其它的方法

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芯片的详细模型
建立所有芯片内部所有影响传热的结构
Die
硅或砷化镓材料,表面 有发热集成电路

Bond Wires
金或铝制,数目等同于外面管脚数

Solder Balls
通常材料为锡 铅合金95Pb/5Sn 或37Pb/63Sn.

Die Attach
通常为环氧树脂,厚为1-2mil

Leadframes
铜或铝42合金制

Die Flag/Die Pad
铜制,用于加强传热或其它目地

Encapsulant
通常为环氧树脂材料

Substrate
通常由BT\FR4制 成(塑料芯片); 或氧化铝制成(陶 瓷芯片)

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热阻网络模型-DELPHI模型
DELPHI 项目:从1993年到1996年,由欧盟资助,Flomerics公司负责协调 ,Alcatel Bell 、Alcatel Espace 、Philips CFT 、Thomson CSF 、Flomerics 、 NMRC 等公司合作,旨在开发芯片的简化热模型的精确表示方法。 PROFIT项目:同样由欧盟资助,由Philips公司负责协调,Flomerics、Nokia 、Infineon、Philips、ST、Micred、TIMA、等公司合作,旨在开发芯片热模型 的快速建立方法。 项目产生了一系列成果,如芯片的热阻网络模型DELPHI标准、JEDEC组 织认证的唯一热模型库FLOPACK、芯片热应力分析工具Flo/stress等。

PROFIT 项目 PRediction OF temperature gradients Influencing The quality of electronic products DELPHI项目 DEvelopment of Libraries of PHysical models for an Integrated design environment

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DELPHI模型生成原理
封装参数 (结构、材料参数)

发布 详细 模型

标准实验验证

建立详细模型

多种边界条件可以表 示自然对流、强迫对流、 散热器等多种环境 DELPHI项目组定义了99种 边界条件; Flopack应用了44种或88种

在规定的N种边界条件下 批处理进行详细模型计算

根据各种封装特点离散出 各种热阻网络拓朴结构

根据各热阻节点的温度值优 化得出具有最小误差的热阻值

误差估计

简化 模型

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PBGA封装模型的建立
? PBGA封装特点?
– 有机基片Organic substrate – 使用焊球(Solder balls)作为二级互联 主要应用: ASIC?s, 内存, 图形显示,芯片组,通讯等.

?

? PBGA封装优缺点? – I/O密度高; – 基片材BT具有较好的电性能; – 加工工艺类似PCB板,成本低廉 – 非气密封装,不适合于长时工作的芯片或军用芯片 – Die与基片(Substrate)间的CTE不匹配 – 如功耗大于2W,则可能需要加强散热手段

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主要类型的PBGA封装
Wire-Bonded PBGA (Die-up)
Epoxy-based Encapsulant BT Dielectric Die Attach & Solder Mask Gold Bond Wires Cu Traces

Silicon Die

Die Flag

Solder Balls (37Pb/63Sn)

Signal Vias

Thermal Vias

Bottom Spreader

Power & Ground Planes

最主流的PBGA封装,相对成熟的加工技术,可处理5W以上热耗。

.

主要类型的PBGA封装
Fine-Pitch BGA
Bond Wires Die Attach & Solder Mask

? 由die-up PBGA变化而来 – 别名: FSBGA, ChipArrayTM Die Substrate – 焊球间隙较小 – 可归类为 Near-CSP – 建模也较困难 – 焊球间隙典型值为1mm,0.8mm,0.65mm,0.5mm,0.4mm – 经常缺少明显可见,比Die尺寸大的Die Pad,因为Die大小与封装大小相近 – 基片(substrate)中每个信号过孔都必须单独建出; – 在FLOPACK中,别名ChipArrayTM

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主要类型的PBGA封装
Die-down PBGA
Stiffener Ring
Encapsulant Die Attach Spreader Adhesive

Signal Vias

Organic Substrate with Traces

Bond Wires

Die

Solder Balls

1) 最常见的Die-down PBGA芯片为Amkor 公司的SuperBGATM ,但是 SuperBGA中无上图结构中的加强环(Stiffener Ring), 2) Spreader(铜合金)可直接与散热器相连,良好的散热性能,可处理功耗8-10W 3) 如无加强环(Stiffener Ring),则塑料基片与Spreader直接相连。

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主要类型的PBGA封装
Flip-Chip PBGA
Die Underfill Flip-Chip Bumps Build-up

Build-up Microvias

Core Vias

Core

1) 因电气性能良好,应用越来越广泛 2)因布线考虑,很难在Die下方布热过孔,故信号过孔会对散热有较大影响 3) 基片(substrate)复杂,一般中间层为BT层,两边另附有其它层。

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主要类型的PBGA封装
Flip-Chip PBGA的散热加强手段
Metal Cap

Metal Cap与Lid可能由铝与铜制

Lid Attach

Metal Lid

建模时需特别注意Cap/Lid Attach的 厚度与材质,因为该类芯片功耗一般 较大,主要热阻的组成部分之一 Attach即使有较小的误差,也会引起 结温和热阻值Theta-JC估计较大的 误差。

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CBGA封装模型的建立
? 主要应用:高功耗处理器,军事用芯片 ? 主要分为: 1)Flip-Chip 2)BondWire

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主要类型的CBGA封装
Wire-Bonded CBGA
Epoxy encapsulant Ceramic substrate (usually Alumina) Traces (Tungsten or Molybdenum)

Solder balls (typically 90Pb/10Sn)

Silicon Die

Die attach

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主要类型的CBGA封装
Flip-Chip CBGA Bare-Die
Traces (Tungsten or Molybdenum) Flip-chip layer Die Underfill (typically epoxy based)

Ceramic substrate (Typically Alumina)

Solder Balls (typically 90Pb/10Sn) Metal Cap Adhesive

Caped

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PQFP封装模型的建立
? Plastic Quad Flat Pack (thin version called TQFP) ? 常用于逻辑芯片, ASIC芯 片, 显示芯片等 ? 封装外管脚(Lead), 表面 贴装

External leadframe (gull-wing leads)

Plastic Encapsulant

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PQFP封装模型的建立
Au bond wire Cu / Alloy 42 leadframe

截面结构图
Epoxy overmold

Cu / Alloy 42 tie bars

Cu / Alloy 42 die flag

? PQFP封装优缺点? – 成熟的封装类型,可采用传统的加工方法; – 成本低廉; – 适用于中低功耗且中等数目I/O(50-300), – 热阻高,不采用Heatslug等附加散热手段的条件下功耗很难突破2W – 管脚间距难以做得过小(难于小于0.4mm),相对于BGA封装I/O 数目少.

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N

PQFP封装模型的建立
? 无散热器时的主要散热路径
– The die and the die flag – The leadframe – The board 注意:在Lead数目较多的情况下, Bondwires的传热份额可能高达15%, 但是在热测试芯片中,由于Bondwires 数目较少,忽略了这部分热量 注意:一部分热量由芯片传至散热器上, 又有可能重新传递回芯片上.
Thermal grease

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SOP/TSOP封装模型的建立
? Small Outline Package ? Low profile version known as Thin Small Outline Package (TSOP) ? 类似于 PQFP, 只是只有两边有管脚 ? 广泛应用于内存芯片 ? 常见的类型 - 常规 - Lead-on-Chip

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SOP/TSOP封装模型的建立
? ? ? ? 部分芯片建模时可将各边管脚统一建立; 管脚数较小应将各管脚单独建出. fused lead 一定要单独建出 Tie bars 一般可以忽略. Lead-on-Chip
Bond Wires

Bond Wires

常规

Insulation

Leadframe

Die

Die Flag

Encapsulant

Die

Leadframe

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QFN封装模型的建立
? ? ? ? ? ? 主要用于替换引脚数小于80的引线装芯片 (主要是 TSOP and TSSOP) 尺寸较小,同时相对于TSOP/TSSOP散热性能好 Theta-JA 通常只有 TSSOP芯片的一半左右 主要传热路径:Die ? Die Attach Pad? Exposed Pad ? PCB 次要传热路径:Lead(最好各个管脚单独建出) PCB板下(Exposed Pad下方)通常添加热过孔以加强散热
Die Die Attach Pad Exposed Pad Mold

Leads (Internal)
Solder

PCB Thermal Land in PCB Thermal Vias in PCB

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CSP封装模型的建立
? 封装相对于Die尺寸不大于20% – 主要应用于内存芯片,应用越来越广泛 – 尺寸小,同时由于信号传输距离短,电气性能好 – 种类超过 40 种 ? 如封装尺寸相对于Die,大于20%但接近20%,则称为 NearCSP

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Micro-BGATM封装模型的建立
Die Elastomer Encapsulant

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

为早期的一种 CSP 设计 常用于闪存芯片 Traces 排布于聚酰亚胺的tape 层 Die与Tape之间有专用的Elastomer Leads Tape & Traces 采用引脚Lead将电信号由die传递至 traces Solder Balls 焊球可较随意排布 Die 可放在中心,也可以偏置 主要传热路径: Die --> elastomer --> solder balls --> board Lead传导热量较少,很多情况下可忽略 Elastomer导热能力差,为主要的散热瓶颈 焊球要求单独建出 Tape中Trace的传导较少,但是不能忽略 Solder Ball也够成相对较小的热阻(相对于Elastomer)

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其它的 CSP芯片
? Fine-Pitch BGA (ChipArrayTM, FSBGA) – 类拟于PBGA, 更焊球间距更小 – Fan-in traces – 所有的过孔都必须单独建出 ? MicroStarTM / FlexBGATM – 类拟于 ChipArray, 但基片材料为tape 而非 BT

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堆栈封装(Stacked Packages)模型的建立
? 开始应用于内存领域 (stacked TSOP) ? 近来应用到了面阵列封 装领域
Stacked TSOP

mZ-Ball StackTM

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堆栈裸片封装(Stacked-Die Packages)的建模
? 别名 SiP (System in Package) ? 通常堆栈2-4层裸片 – 目前也在研发6层或更多数目的堆栈裸片 ? 当所有的功能难以集中在单片裸片中时应用 ? 常见的应用: Flash/SRAM, ASIC/Memory, Memory/Logic, Analog/Logic ? In area array or leaded package outlines ? 加工困难,第层裸片都必须加工为特别薄 (50微米级) ? 需要精细的电路设计和散热设计 ? 尚无成熟的热简化模型 ? 芯片常用于体积要求较小的手机或其它移动电子设计

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堆栈裸片封装(Stacked-Die Packages)的建模
? 如上层的Die尺寸大于或接近于下 层的Die,因为无法安排Wirebond可能就必须放置硅制或其它 材料制的转接板 Interposer (spacer)

SiP

? SiP本身也可以堆栈到其它的SiP 或单核封装上面

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堆栈裸片封装(Stacked-Die Packages)的建模
? 有问题多问问芯片供应商! ? 不用问我们!

SiP

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芯片的结构建模 Die
? 晶片(Dice),表面附有集成电路 ? 通常为硅制,部份为砷化镓制(微波芯片或高速芯片) ? 集成电路位于表面一侧的细节内,也可称 active surface
Circuitry Die body (typically silicon)

Active surface

Collapsed source

Cuboid

? 通常可将Die表面视为均温(热测试芯片); ? 部分芯片Die表面温差可在10℃以上,FLOPACK可处理 T =T T ? 注意多核芯片现在越来越多了 Actual
TOuter
Inner Node c ma x Node

Tempera ture Profile

.

芯片的结构建模 Die

Tc=Tmax TInner Node Actual Temperature Profile

TOuter Node

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芯片的结构建模 Die Pad
Die Flag

Die

? ? ? ? ?

在塑料封装中Die通常位于一金属薄片上(Die Pad 或Die Flag) Die Pad通常为铜制,通常大于Die的尺寸 能够起到良好的散热效果 在部分的芯片当中,Die Pad有其它形状(X形或窗口形 PQFP) Die Pad最好单独建出,因为Die Pad与Leadframe或Trace间的 间距够成明显的热阻 ? 一定要考虑热量在平面方向的热传递,否则热阻会增加15%

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芯片的结构建模 Die Attach
? 建模的建议 – 忽略其在平面方面的热传递,考虑其厚度方向的热阻 – 建为 collapsed cuboid 或full cuboid ? Die Attach够成的热阻比较明显,尤其是金属或陶瓷的芯片(如带 有Lid或Cap的Flip-Chip PBGA,TBGA) ? Die较小时,Die Attach也有相当的热阻

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芯片的结构建模 Wire Bonds
? 陶瓷封装芯片中可忽略
? 金属较少的塑料封装中导热量较大 ? 建议的建模方法 – 建为各向导性的的立方体 ? 在某些电源芯片中,需详细建出(TO) ? 热测试芯片Wire Bond较少,无法准确考虑其导热效果 ? 千万不要低估Wire Bond的传热能力,在一些芯片如(2-layer PBGA?s (dieup), PQFP),其传热量有可能占到总功耗的15%

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芯片的结构建模 Flip-Chip Bonding
Flip-chip bumps Die Underfill

Substrate

? 倒装焊技术起源于 1960年IBM 公司 ? 但从1980年以后才开始流行 ? Die通过焊球(Ball)直接与基片(Substrate)相连
– 通常不是常规的阵列排布倒装焊球 – 常见的焊球材料: 37Pb/63Sn, 95Pb/5Sn – 常见的焊球直径太概为is ~ 3 mils

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N

芯片的结构建模 倒装互联
? 倒装焊的优势和劣势 – 电气性能好 – I/O数高,因为采用面阵列 – CTE(热膨胀系数)不匹配是一个问题 – 填充料(Underfill)的存在要求芯片不能返工 – 价格昂贵(相对于Wire Bond PBGA) ? 建模方法 – 热阻较小 ,但必须建出(尤其是陶瓷芯片) – 不考虑倒装层平面方向上的热扩散 – 作为 collapsed cuboid 建模,采用体积平均的热导系数
Collapsed Cuboid Flip-chip bumps Die Substrate Underfill

Die Substrate

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芯片的结构建模 焊球(Solder Ball)
? BGA 起源于1960年的IBM,1990年 后起为主流 ? 球栅阵列(BGA)焊球可部分缺失 ? 很少采用填充料Underfill
? 采用焊球的优缺点 – I/O数高 – 电性能良好 (自感较低) – 在回流焊接时可自动对齐,不良率低 – 热膨胀系数(CTE)不匹配 – 难以发现加工缺陷
Peripheral Balls Central/Thermal Balls

Solder balls typically of 95Pb/5Sn or 37Pb/63Sn solder

.

N

芯片的结构建模 焊球(Solder Ball)
每个焊球都可 以单独建出

真实的 焊球

等截面积

Full Cuboid

也可以折合成 一块各向异性 的立方块

平面方面热导能力差

厚度方面传热能力好

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芯片的结构建模 陶瓷基片

? ? ? ? ? ? ? ?

通常由氧化铝制 (k = 20 W/mK) 为了更好地散热,材料也有可能是 AlN 或 BeO (k ~ 200 W/mK) BeO 有毒,需特殊处理 陶瓷各层叠放在一起,放于高温炉中烧制 其中金属走线(traces)材料通常为钨或钼,对导热影响很小,可忽略 建模时可将基片作为一整块建出 热量主要通过焊球导向PCB板 带有散热器的Capped C4/CBGA 芯片,通常一半以上的热量流向散热器

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芯片的结构建模 有机基片
? 建模较复杂 ? 电介质采用塑料层压 制品如(FR4,BT),金 属铜走线
Die Resin

Organic Substrate Metallization

Bond wire
Die Die Flag Bond wire

Two signal traces

Additional power and ground planes

Die Die Flag

? 走线 – 信号层或电源层\地层 – 通常有机基片为二层板或四层板 – 二层板通常只包括信号层 – 四层板包括电源层或地层

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芯片的结构建模 有机基片
? 将走线层定义为不同层 – 不建议将整个基片都定义为一个立方体 ? 在每个走线层,热传导系数大小取决于含铜体积率

Cuboids

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芯片的结构建模 过孔(Vias)
? 原用于增加PCB多层板的互联 ? 现也有于芯片内部 ? 有点过孔也有于加强散热 (热过孔)
Substrate Cu plating Air or solder filled

? 过孔分类 – 信号过孔 – 热过孔 – 单用于加强散热 – 通常为通孔 – 一般联接到热焊球上 – 位于Die Pad正下方最好 – 在Wire-Bond PBGA中,如Die Pad下方有热过孔,通常可忽略信号 过孔的导热

.

芯片的结构建模 过孔(Vias)
? 建模建议 – 热过孔对散热影响很大 – 信号过孔在某些情况下对散热影响较大(如倒装芯片) – 可将过孔详细建出 – 占用网格多 – 建议 – 将所有的过孔作为各项异性的立方块 – 不推荐

.

芯片的结构建模 Overmolding
? ? ? ? 材料为环氧树脂 热传导系数较低 (0.6 - 0.8 W/mK) 相当大的热阻 为降低热阻,通常在塑料芯片中放置内置的金属散热器 (heatslug)

Adhesive
Metal Slug Overmold

Die

.

芯片的结构建模 Leadframes
? 引线封装(Lead Package)的标准部件 ? 大多数具有Leadframe都是塑料芯片 (PQFP, SOP, PLCC) 部分为陶瓷芯片 (CQFP) ? 通常由铜制,部分为Alloy-42 (一种含铁合金) ? 通常可使用立方块统一建出
Die Flag

Internal Leadframe External Leadframe Die

.

N

芯片的结构建模 Leadframes
? Leadframe 的联接方式 – 通常由Bond-Wire联接到Die上 – 在TAB封装中使用TAB 联接 – 在最新的一些TSOP封装中,Leadframe可使用绝缘胶直 接联接至Die表面(Lead-on-Chip) – 如采用Wire-Bond封装,则Die Pad与Leadframe为主要传 热瓶颈
Bond wire Die Die flag Leadframe

Thermal bottleneck

Die attach

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芯片之外的结构建模 PCB板
? FLOPACK PCB smartpart 支持: – 任何数目的含铜层 – 不限数目的过孔组 – Filled 或unfilled vias – 可将过孔组建为 lumped 或 discrete – 可参数化排列过孔 – PCB上表面为加强散热的单独铜层

Via disconnected from copper plane

Through-hole vias

Dielectric

Metal Planes

.

芯片之外的结构建模 散热器
? 进行散热器选择或设计时需考虑的因素
– – – – – – 充许的尺寸大小 散热器的热阻Rsa 接触热阻Interface Resistance 扩散热阻Spreading Resistance 压降Pressure Drop 冷却风流量Flow by pass

Approach Velocity (LFM)

.

芯片之外的结构建模 散热器
? 几种散热器的热阻和流阻
300

Volumetric Resitance C-cm^3/W) (°

250 200 150 100 50
Impingement Folded Fin Pin Fin Bonded Fin Vapor Base Parallel Fin

0 0.01

0.1

1 Rsa (° C/W)

10

100

Data collected from various vendors and based on 200 LFM

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芯片之外的结构建模 散热器
? 例:快速进行片状散热器选型的经验方法(Rules of Thumb)
– 层流 – 300K空气温度 对流换热系数的估计公式 h = 1.26e-3 (V/H) 0.5 (W/in2 °C) 最小肋片间距的估计值 Smin = 1.3 (H/V) 0.5 (inches) H = 空气流动方向散热器的长度 (inches) V = 空气的接近流速 (ft/min)

理想情况下散热器的热阻估算公式 R = 1/ ?hA ? =散热器效率 R = 热阻 A = 总表面积 h = 对流换热系数

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芯片之外的结构建模 散热器
网格定义

肋片间网格数目定义:
1)2个网格:层流(温度场误差在10%以内) 2)3个网格:考虑了边界层,较好地模拟了温度性能 3)4-5个网格:较好地计算了散热器的流阻.

高度方向:
1)为考虑散热器底座的扩散热阻,至少在散热器的底座上加2个网格 2)肋高方向,3-4个网格一般就足够了

肋片厚度方向的网格:
1)1个网格一般就可以了
一个网格

三个网格

分为两 层网格

.

芯片之外的结构建模 散热器
网格定义 散热器压力降:
1)肋片间的沿程压力损失 2)肋片出入口忽扩\忽缩压力损失(主要)

流体流动方向的压力损失:
1)出入口处加密且不要形成网格间断面 2)肋片出入口忽扩\忽缩压力损失(主要)

.

www.

.com

基于互联网的IC封装热模型库

JEDEC组织唯一认 证的芯片热封装数 据库

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FLOPACK的功能
快速生成芯片模型-面阵列封装及CSP封装
? Ball Grid Arrays and CSP?s: – Plastic Ball Grid Array (PBGA) – Wirebonded; with or without slug. – PBGA - Flip-Chip, with or without lid – PBGA - Cavity-Down, including SuperBGATM – PBGA - Stacked Die (TFBGA) – Ceramic Ball Grid Array (CBGA) Wirebonded – CBGA - Flip-Chip, with or without lid – Tape Ball Grid Array (TBGA) – ChipArrayTM also known as Fine Pitch BGA (FPBGA) or FSBGA – Board-on-Chip BOCTM – MicroStarTM BGA – MicroBGATM – mZ-Ball StackTM

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FLOPACK的功能
快速生成芯片模型-引线封装(表面贴装)
? Leaded SMT – Quad Flat No-Lead (QFN) or MLFTM – Quad Flat Pack?s of various kinds including MQFP, LQFP, TQFP - with and without slugs. – Small Outline packages such as SOIC, SOP, SSOP – Thin Small Outline Package (TSOP) and TSSOP; Conventional and Lead-on-Chip leadframes. – Exposed Pad versions of popular QFP and SOIC/TSOP packages. – Plastic Leaded Chip Carrier (PLCC).

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FLOPACK的功能
快速生成芯片模型-穿孔安装或功率芯片
? Leaded Through-Hole – PDIP – CPGA - Cavity Up – CPGA - Cavity Down – CPGA - Flip Chip Power Packages – TO-220, – TO-263 (D2PAK) – TO-252 (DPAK) – SOT-89

?

.

FLOPACK的功能
快速生成芯片模型-其它器件
? Other parts – PGA Socket – Extruded Heatsink – Pin Fin Heatsink – Disk Fin Heat Sink – PCB with user-defined layers and via clusters – Bare die with multiple heat sources

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FLOPACK的功能
生成JEDEC标准测试环境
? Standard JEDEC test environments – Still Air – Moving Air – Ring Cold Plate – Standard Test Boards (2S2P and 1S0P), etc. FLOPACK 支持所有的 JEDEC 测试环境

?

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FLOPACK的功能
生成2R或DELPHI等热阻网格模型

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DELPHI模型生成流程_FLOPACK
?在FLOPACK选择合适的封装类型 ?选择合适的JEDEC外观尺寸 ?在明细单中修改具体的参数 ?下载后在FLOTHERM中修改参数 ?将修改过的模型上传至FLOPACK

?在FLOPACK生成修改模型的热阻 网络模型
?将热阻网络模型下载至 FLOTHERM准备分析

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高级培训:应用外部.bat文件进行批处理
10min 段宗宪 Flomerics中国代表处

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批处理过程
1. 将所有应进行批处理的文 件放入统一的一个文件夹A内
2. 打开FLOTHERM软件,设 定各求解项目的求解设定, 特别是最大迭代次数及收敛 准则

7a.后处理

7b.中止

3. 退出FLOTHERM软件

6. 运行

4. 编辑批处理文件

5. 将批处理文件拷入文件夹A内

.

批处理文件的编辑
批处理文件编辑示例:
Call "D:\Program Files\flomerics\flosuite_v61\flotherm\WinXP\bin\flotherm" -b \"project1\" Call "D:\Program Files\flomerics\flosuite_v61\flotherm\WinXP\bin\flotherm" -b \"project2\" 所有字符都不都采用除英文符 员的其它符号

批处理其它选项:

1)-i projecta : 将批处理的项目文件之初场设为项目projecta的结果 2)-x :只计算项目中的辐射交换系数 3)-s :只计算项目中的CFD方程,不计算辐射 4)-z packa.pack :将计算后的结果打包成packa.pack文件输出 5-r htmla.html : 将计算后的表格结果输出为htmla.html文件输出 6-c :不但求解批处理中的项目文件,同时求解项目文件所包括的优化Command Center 7 –o csva : 将后处理文件以.csv文件的形式输出在文件夹csva中。 例:flotherm -b \"my project\" -r \“a.html\"

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Floerror文件的显示
功用同普通求解中Message对话框

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批处理的中止
在预中止的项目文件夹下 Projecta/DataSets/BaseSolution/ 创建一名为stopnow的空文件,确保没有任何扩展名

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求解的监控
在项目文件目录DataSets/BaseSolution/PDTemp 下观察logit文件

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Pdml文件的批处理
FLOTHERM求解执行文件目录 Batch模式

例:<install_directory>Flomerics\flosuite_v61\flotherm\WinXP\ bin\flotherm -b
full_pathname/project.pdml -o <output directory>
Pdml文件路径及文件名 输出的.CSV文件 输出.csv文件的目录

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Compact Model

30min 俞丹海 Flomerics中国代表处

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Compact Models
? 为何在系统级分析模型中建立建立Compact Model?
– 加快求解
? 减少网格数量 ? 叠代次数减少(传热问题简化)

– 更加容易建模和修改调整模型

? 可以用Compact Model来替代的组件
– – – – – 电源 散热器 滤网,EMI屏蔽罩 电路板 热交换器

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Compact Models
? 对于流动的模型简化
– 使用Cuboids替代完全无孔实体 – 使用体积阻尼(设定适当损失系数)替代多孔组件

? 对于传热的模型简化
– 除散热器外均可以采用热源(附上发热量参数) – 对于散热器,在基板表面设置传热系数(通过风洞 分析)

.

Compact Models
? 数值风洞 (仅对流动)
– 在没有压降损失参数时采用的方法 – 用于检验体积阻尼参数设定 – 例如:建立单板 Compact Model (*)
板长L 元件 片状散热器 流动方向 子板
(*) FLOTHERM 5.1 Template “Wind Tunnel PCB Characterization”

母板

.

Compact Models
? 数值风洞 (仅对流动)
– 板侧视图
固定流设置
母板+元件+子板 求解域 出口(Open face)

L

L 散热器
子板

L

– Board Front view
4
1 2

3

1, 2, 3, 4:绝缘绝热面

注意: -母板不要放置到求解域中 - 细化板组件进出口处网格

.

Compact Models
? 数值风洞 (仅对流动)
– 使用具有典型应用范围的固定流设置 (200 to 800 ft/mn)
? 用 Command Center (CC)实现变速控制功能

– 针对每个采用的流速测量相应的压力损失 ?P
? ?P 是在固定流中简易测量的平均压差 (Flomotion) ? 或者, 在进出口设置监控点,测量两侧的压力

– 将 ?P和速度参数记录在Notepad file文本中并上传到用户支持页面
即可(www.flotherm.com). ? http://www.flotherm.com/support/supp/webparts/advanced_resi stance/

.

1

3

2

.

Compact Models ? 数值风洞 (仅对流动)
– 在风洞中定义同等效应的体积阻尼(在无流体可通过的方 向设置较大的损失系数来替代 (A=105, B=0)) – 重新在风洞中分析体积阻尼产生的压力差 ?P,比较详细模 型和compact模型的差异.

电路板Compact Model侧视图

体积阻尼

L

L

L

.

Compact Models
? Compact Model发热体简化方法
– 设置与体积阻尼相同尺寸的体积热源 – 将热功耗值设为物体总的实际发热量 – 这个方法可以应用于任何物体(散热器除外)

电路板Compact Model侧视图

体积热源

L

L

L

.

Compact Models
? 在系统热分析中采用compact models替代详细模型
系统正视图 母板 (PCB Smart Part) 母板+子板的Compact Model (体积阻尼+体积热源)

(*) See FloTherm v5.1 Template “Compact Telecoms Sub Rack”

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Compact Models
? 散热器
– 采用不同的固定流速度在Command Center 进行分析 (e.g. 200 to 800 ft/min) – 在散热器基板底部设置一个压扁热源(与实际发热值相同),热源方向 指向散热器 – 获取散热器基板上表面平均温度 TH.S.BaseTop 和热流 qH.S.BaseTop (使用 Flomotion 和 Tables)
风洞正视图 风洞侧视图 压扁热源

压扁Region

L

L

L

在散热器基板前后侧设置 cut-outs 及symmetry面

.

Compact Models
? 散热器在数值风洞中模拟的网格划分设定
在fin之间采用4-5网格单元 (获取f更精确的压力损失值) Fin本身采用两个网格单元
–+

基板

设置2-3网格单元可以获得较好的热特性参数

.

Compact Models
? 具有热负载的散热器 (e.g.散热器安放在器件上表面)
– 在Command Center 针对不同流速计算出散热器的热阻值

RHS

? T ?

H .S . BaseTop

? TFixedFlow?

qH .S .BaseTop

– 以.csv文件格式存放数据结果
? 速度以 (m/s or ft/min)存在第一柱状栏中;热阻 (K/W or F.hr/Btu)存在第二 柱状栏.

.

Compact Models
? 具有热负载的散热器
– 在风洞中删除散热器的散热片,仅保留基板 – 在散热器基板上表面创建一个表面换热属性

- 传热模式中选择 “Volume” - Extent of Heat Transfer 选择fin的高度

-在 “Specified Profile”中导入 .csv文件

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Compact Models
? 具有热负载的散热器
– 重新验算散热器compact model来验证是否与详细模型具有同样 的性能参数.

风洞正视图

风洞侧视图

流体体积阻尼

L 散热器热阻是以速度变量为函数的参数属性附在基 板的上表面

L

L

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热管
? 什么是热管?
– 热管包括真空腔体,芯结构及 工作工质三个部分. – 腔内气液会处于一个平衡状态 . 在蒸发端液体被加热汽化,压 力提高.在压差的作用下蒸汽 流到压力较低冷凝端进行凝结 ,释放汽化潜热.. 凝结液体通过 内芯的毛细作用流回蒸发端. 这样往复循环进行,达到传热 效果.

.

热管
? 热管在Flotherm中是无法直接建模,因为其中有复杂 的相变过程.

? 热管模型最大的特点是用小温差(温度梯度)可以进 行传递较大的热量.
? Thermacore 在FLOTHERM网站上提供了一些相关 的文章描述建模的方法
– http://www.flotherm.com/technical_papers/t263.pdf – http://www.flotherm.com/technical_papers/t235.pdf

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热管
? 总体来说, 热管建模有三个主要部分
– 热管铜壁面可以用相同厚度尺寸的Cuboid替代
– 在Cuboid附上材料属性copper

– 蒸汽流动空间即热管空心部分可以用同尺寸的Cuboid来 建模.
– 设置高热传导系数 (50,000 W/m.K)替代蒸汽 – 确认vapor Cuboid 在Project Manager中位为 copper Cuboid下方 .

– wick 可以在铜与vapor Cuboids用Collapsed Cuboid 或表 面属性来建模
– 设置厚度为 1 mm及导热系数为 40 W/m.K

.

热管
? 前面讲述的方法可以作为普通建模型的基本方法
? 核实供应商所提供的准确参数(如wick的厚度和导热系数),可 能有所差别
– 这些参数对热管的性能参数有很重要的影响 – 比如, Thermacore 中提到的(t235 ) 当采用高热流密度时,wick 热导率 可以 提高 50%

.

热管
? 不要忽略其他热阻
– 热管是如何在散热器中进行安装的? – 热管是如何和元件相接触的?

? 在某些条件下,热管的性能要衰减
– 弯曲 – 压扁 – 与热管供应商确定参数

? Vapor chamber 散热器也可以参照此方法进行建模

.

热管
Heat Pipe Wick Structure : Grooved, Screen Mesh,Sintered,Fiber Mass Production Diameter : D= φ4, φ5, φ6, φ8, φ10 Production Length : L= 80 ~ 350 mm

.

热管

Mesh

Sintered

Fiber

Grooved

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高级培训:其它使用技巧(Tips and Tricks)
60min 段宗宪 Flomerics中国代表处

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热仿真的理论
? 控制方程
? 通称为 Navier-Stokes 方程 ? 包括质量\动量\能量三个守恒方程

? ? ?? ? ? div ?V? ? ?? grad? ? S? ? ?t

?

?

瞬态项 + 对流项 – 扩散项 = 源项

CFD – 有限体积方法

aP?P ? ahx?hx ? alx?lx ? ahy?hy ? aly?ly ? ahz?hz ? alz?lz ? alt?lt ? SP

.

N-S方程
Navier-Stokes方程:
质量守恒方程:
p1 V1T 速度大,则压力小,速 A1 V1 = A2 V2 Hot 度小,则压力大 component

动量守恒方程:
能量守恒方程:

V1 m1 1 A1 1

1

Q

p2 T2 V2 mV 2
2 2

A2

2

能量守恒方程: 动量守恒方程: 质量守恒方程:

.

有限体积法Vs有限元法
有限体积法:从描述流体运动和传热的守恒型控制方程着手,通过对 控制体积作积分计算进行求解。为目前CFD计算运用最普遍的一种方法。

有限体积法
?物理意义明确,物理学家的方法 ?通过控制每个网格(有限体积)的 物理量守恒来进行求解; ?方法为守恒型的方法,可保证能 量\动量\质量的守恒 ?方法可靠,鲁捧性(ROBUST)强, 适用于涉及流动的热流仿真 ?占有内存少,求解速度快 ?进行热流求解时一般全面考虑 传导\对流和辐射 ?适合于使用结构化网格

有限元法
?物理意义不明确,数学家的方法 ?通过变分方法建立起联系各个 单元(点)的方程进行数值解算 ?方法的离散方式不能保证守恒, 并非守恒型方法 ?在求解高度非线性方程如自然 对流问题时,可能会有收敛的问题, 求解鲁棒性(ROBUST)差 ?不适合作流动计算,进行热流求 解时一般简化考虑对流和辐射 ?占有内存多,求解速度慢 ?适合采用非结构化网格

.

计算 流程

有限体积法的SIMPLE算法
设定计算初场(压力\速度\温度) 更新初场值(压力\速度\温度) 求解动量守恒方程 (u, v, w速度分量). 利用质量守恒方程修正压力值 求解能量守恒方程与湍流模型,修正温度值
质量守恒? 能量守恒? 假设的压力场



收敛否?(各网格是否达 到动量\质量\能量守恒)


停止

SIMPLER算法_Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations Revised

.

求解域的设定
求解域大小设定 强迫冷却 自然对流\密闭系统 2a a b a
机箱壁面向外的对流换热必 需通过放大求解域来确定

G

b
机箱壁面向外的对流换热可简单通 过设定一表面换热系数来确定

如估计95%以上的功耗为风扇的冷却风带走, 可称之为强迫对流,否则依自然对流设定方法

.

求解域的设定-Cutout的使用
? Cutouts 可使用于: – 求解域内任何区域,包括与求解 域相领区域 – 求解域外,只要有一个面与求解 域相领或者部位在求解域内 ? 通过求解域定义的边界条件,如与 Ambient或Global中设定的边界条 件冲突,则无论如何Cutout的优先 级要高
Cutout

Cutouts

.

辐射的设定
什么时候需要计算辐射:
自然对流、密闭系统、外太空等辐射换热量较大的情况

热辐射光谱
X Gamma Ultraviolet Thermal Radiation Visible Infrared

? 可见光区: λ= 0.38-0.76 μm ? 热辐射波段 : λ = 0.1-100 μm

Microwave

10-5

10-4 10-3 10-2 10-1

1

101

102 103

104

波长 l, mm

.

(发射率)吸收率的波段选择性
W ?l ?
太阳辐射 λ?0.49 μm
T=100℃ λ?7.77 μm 紫外 可见

太阳辐射的吸收率α≠红外辐射的吸收率ε

红外

辐射光谱

l

物体表面在不同光谱波段具有不同的吸收率 太阳辐射能量集中在紫外7%\可见50%\红外43%; 普通辐射主要集中在红外区

.

辐射的设定
? 漫灰体假设:
– 灰体

? ?? ? l ?

? ??

(Kirchoff?s Law) W=??T4

– 漫发射\漫反射
Wl
黑体 灰体假设. 实际物体 漫反射





(Surfaces at Same T)

l

镜反射

? ?

.

辐射计算基本理论
辐射交换系数与角系数 ?辐射交换系数Fi,j:从一个表面i辐射出来的能量直接投射或经其它 表面一次反射/多次反射最终为表面j吸收的份额; ?角系数Fi,j:从一个表面i辐射出来的能量下直接投射到其它表面的 份额;

辐射交换系数

角系数

.

辐射计算基本理论
采用角系数的不足: 辐射交换系数与角系数

1) 只考虑了面-面辐射的一次交换关系,必须使用有效辐射来 考虑面-面辐射的多次反射辐射;
2)基本上所有的流体力学计算软件将其面与面之间的角系数计 算简化为点与点之间的角系数计算;

1 Fi , j ? Ai

?A ?A
i

cos?i cos? j
j

? r2

? i , j dAi dAj
i
Ai

?j
?i

j

其中如果点i与点j间无遮挡:?i , j ? 1

Aj

?i, j ? 0 如果点i与点j间有遮挡:

.

计算辐射交换系数的Monte-Carlo法
原理:将某表面通过辐射传递出去的能量 分为若干随机发射的能量束,最后统计各 个表面接收这些能量束的数目. 发射:随机方向发射; 吸收:根据吸收率随机吸收; 反射:随机方向反射

遮挡表面3 发射表面1

吸收表面2

反射表面4

辐射交换系数 F12 =
由表面1辐射出,最终为表面2吸收的能量 表面1辐射出的总能量

.

FLOTHERM辐射交换计算的精度
普通精度的辐射计算: 辐射交换系数的计算精度控 制在5%以内;

高精度的辐射计算: 辐射交换系数的计算精度控 制在1%以内,相对而言,计算时 间为普通精度辐射计算的四倍 左右; 辐射交换系数绝对满 足归一性
将附带Debug.pts文件放入项目文件夹/DataSets/BaseSolution/PDTemp下,重新计算 辐射交换系数,便可在 /DataSets/BaseSolution/Exchange 下观察到viewf.log

.

各表面参与辐射计算的方式
各个表面都可以控制是否参与辐射计算
该面不参与辐射计算 该面视同一点进行辐射计算 该面细分为多个小平面进行辐射计算
辐射表面细分尺度 Collaspsed Cuboid及Thin Wall无 法参与辐射计算

表面积小于一定尺 度便不考虑其辐射

.

进行辐射仿真的三步骤
菜单->Model->Modeling

1.打开辐射计算开关Radiation on;
2.对各表面添加Radiation属性;

3.定义各表面黑度Emissivity;

右键点击参与辐射物体->Radiation

右键点击参与辐射物体->surface或者 编辑Material属性中surface name项

.

如何在FLOTHERM软件中定义外太空计算环境
1)设置计算类型:消除对流的作用; 2)消除流体的热传导作用; 3)进行辐射计算设置;

.

如何在FLOTHERM软件中定义外太空计算环境
1)设置计算类型:消除对流的作用; 2)消除流体的热传导作用; 3)进行辐射计算设置;

将FLOTHERM软件中的默认的流体 热传导系数设为1e-10至1e-15W/mK

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如何在FLOTHERM软件中定义外太空计算环境
菜单->Model->Modeling

1)设置计算类型:消除对流的作用; 2)消除流体的热传导作用; 3)进行辐射计算设置;
1.打开辐射计算开关Radiation on; 2.对各表面添加Radiation属性; 3.定义各表面黑度Emissivity;

右键点击参与辐射物体->Radiation

右键点击参与辐射物体->surface或者 编辑Material属性中surface name项

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太阳辐射的定义
FLOTHERM跟据物体的朝向、所处 纬度、工作日期与工作时间进行太 阳辐射天顶角和周向角的计算;
太阳辐射的强度可以指定; 分别考虑了太阳辐射的吸收率α与 红外辐射的吸收率ε 透明表面:吸收?反射?透射?

.

太阳辐射的定义
自动计算太阳方位角和辐射强度

设备的朝向
设备的纬度

工作日期
工作时辰 云遮挡比例

太阳常数:1353W/m2

.

多网格求解器(Multi-grid solver)
Level 3 Level 2 Level 1 Level 0

节省求解时间2-10倍

.

多网格求解器(Multi-grid solver)
1)多网格求解技术只加快温度项的收敛速度;
2)多网格求解器与普通求解器(Segregated Conjugated Residual Solver)得到的收敛解同样可靠;

3)极少极少数情况下,多网格求解器会造成收敛困难;
4)多网格技术也可以称着一种全面的块修正(Block Correction)技 术,因此在FLOTHERM软件中,如应用多网格求解器,就不会使用块 修正技术

.

风扇的建模
?轴流风扇:可提供高的 流量、低的静压; ?离心风扇:可提供高的 静压、低的流量。

.

风扇的建模
模拟风扇失效
定义风扇旋转 风扇功耗 ?p

?p0 系统阻抗
Gvmax

风扇的工作点

Gv

.

风扇的建模-Swirl的建模
? 轴流风扇的Swirl – 为风扇工作点的一个函数 – 在以下情况需要格外考虑:
– 风扇工作点较高,出风压力较大 – 器件排布不规则,尤其是斜置时 – 关键器件离风扇较近时
?P Swirl 可能会很重要

Swirl 可能不太重要 Q

.

风扇的建模-Swirl的建模

Vswirl

? 两种Swirl形式 Vaxial – Constant Speed – 不管风扇工作点,恒定风扇的转速 – 好好观察一下风扇的厂家数据,可能会有提示 – 用户指定风扇的转速 – Flow Dependent Speed – 风扇转速为风扇工作点的函数 – 通常在很多情况下会比较准确 – 输入的转速一般为风扇的最大转速(指定电压下)

.

风扇的并联和串联
串联 2?p0 ?p0 并联 ?p0
2 fans in parallel (ideal curve)
Single fan
Fans in series (ideal curve)

Single fan

Gvmax

Gvmax

2Gvmax

.

风扇的失效分效
? 不直接考虑风扇失效后扇片的阻尼作用

.

风扇的特性
? 基本的风扇定律
风扇转速发生改变时
流量 压头 功耗 噪声 CFM2 = CFM1(RPM2/RPM1) P2 =P1 (RPM2/RPM1)2 HP2 = HP1 (RPM2/RPM1)3 N2 = N1 + 50 log10 (RPM2/RPM1)

空风密度发生改变时
CFM2 = CFM1 (density2/density1) P2 = P1 (density2/density1) HP2 = HP1 (density2/density1) N2 = N1 + 20 log10 (density2/density1)

? 电压与功耗的关系 – Power = V I – (V1I1)/ (?P1G1) = (V2I2)/ (?P2G2)

.

离心风扇的建模
在FLOTHERM V6.1中,采用Recirculation Device进行离心风扇的建模

不同的出口流场形式

.

Normal outlet profile

一些离心风扇整个侧面都为出风 口,此种风扇有平行的出风流场

.

Angled outlet profile

一些离心风扇因结构原因,其出 风流场带有一定角度

.

Sheared Outlet Profile

多数离心风扇的出风流场为不均匀的 出风流场

.

在 drawing board中建立离心风机

.

User support区域的风扇 建模方法

.

离心风机建模示例

complex

simple

当系统中含离心风扇时,注意将Fan Relaxation设为0.4-0.7

.

离心风扇的效率
均匀出风

velocity 2 2 2 2 2 Total:

flowrate 2A 2A 2A 2A 2A 10A

energy 0.5*M*22 0.5*M*22 0.5*M*22 0.5*M*22 0.5*M*22 10M

C

不均匀出风
velocity 0 1 2 3 4 Total: flowrate 0 A 2A 3A 4A 10A energy 0 0.5*M*12 0.5*M*22 0.5*M*32 0.5*M*42 15M

效率 = 3bc/4ac 不均匀出风消耗能量 均匀出风消耗能量

效率=:

b ca c

A B

.

例:离心风扇的出风效率

0.8

0.7

0.6 0.5
Efficiency

0.4

0.3

0.2 0.1

0 0 0.2 0.4 0.6 Volume Flow cfm 0.8 1 1.2

Efficiency = 0.73

.

例:离心风扇的出风效率

0.8

0.7

0.6 0.5
Efficiency

0.4

0.3

0.2 0.1

0 0 0.2 0.4 0.6 Volume Flow cfm 0.8 1 1.2

Efficiency = 0.71

.

例:离心风扇的出风效率

0.8

0.7

0.6 0.5
Efficiency

0.4

0.3

0.2 0.1

0 0 0.2 0.4 0.6 Volume Flow cfm 0.8 1 1.2

Efficiency = 0.66

.

例:离心风扇的出风效率

0.8

0.7

0.6 0.5
Efficiency

0.4

0.3

0.2 0.1

0 0 0.2 0.4 0.6 Volume Flow cfm 0.8 1 1.2

Efficiency = 0.59

.

热管的设定
? V6.1以下版本:采用一高热传导系数的立方块 (k=20000W/mK)代替 ? V7.1专门的热管模型

Heat Pipe Heat Sink

Bonding Material Interface Material Mounting Plate

Package

PCB

.

阻尼与打孔板的设定
? 两种阻尼计算模型: – Standard – Advanced

? Standard resistance formula:
– 假设 ? p ? v2 – 恒定的压力损失系数 f

? Advanced resistance formula:
– 假设 ? p ? vn – 压力损失系数 f 为与Re相关函数
– f = a/Re + b/Re?

.

阻尼与打孔板的设定
?采用Standard 阻尼公式得到压力损失系数f ?v2 ?p ? f 2 ?v为接近速度(Approach Velocity) ?采用Advance 阻尼公式得到压力损失系数f

?请登录User Support区

.

常见的压力损失系数
?基于接近速度approach velocity 下的压力损失系数为: 0 < fd < ~1,000
?基于穿越速度device velocity下的压力损失系数为is: 0 < fd < ~3 ?对于圆孔或丝网等流体流入流出变化较平缓: fd~1.0 (基于穿越速度 device velocity).

?对于流体流入流出变化较剧烈的孔板: 1.0<fd<2.0 (基于穿越速度 device velocity).

注fd/fa=b2
fd= 基于穿越速度 device velocity的压力损失系数 fa=基于接近速度 approach velocity的压力损失系数 b= 开孔比率

.

Swirl设置+平面阻尼的产生问题
在流体流动速 度方面带有一 点角度时,尽 量使用体积阻 尼

风扇Swirl的影响

平面阻尼或是体积阻尼

.

并行处理
普通计算中的并行处理Menu PM Edit/Preference 优化计算中的采用多个License进行计算 Menu CC Edit/Solver Configuration 优化计算中的并行处理Menu CC Edit/Solver Configuration 优化计算中的网络并行处理Menu CC Edit/Solver Configuration

并行处理需要并行处理的License

.

网络并行处理
详细设置见HELP

.

Q&A


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