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1、公司绝密毕业论文,cae毕业论文,ideas毕业论文,有限元分析毕业论文摘要计算机辅助工程(cae)是一种迅速发展的信息技术,是实现重大工程和工业产品的计算分析模拟仿真与优化设计的工程软件,是支持工程科学家进行创新研究和工程师进行创新设计的最重要的工具和手段。本文针对某微波通讯芯片的散热分析,详细介绍了运用i-deasesc系统进行热分析的有限元建模方法与数值仿真过程,并与试验结果进行了对比。结果表明,所用方法正确,计算结果精确可靠。关键词:电子系统冷却;数值仿真;i-deas微波芯片abstractcalculatorslendingsupporttoengineering(cae)isak

2、indoffast-developinginformationtechnique,isthecalculationanalysis,emulationthatcarriesoutimportantengineeringandindustrialproducttoimitatetrueandexcellentturntheengineeringofdesignofsoftware,issupportengineeringthescientistcarryoncreativeresearchandengineertocarryonacreativedesign,themostimportantto

3、olandmeans.thispaperintroducesaneffectivemethodofcreatingsimulatedmodelini-deaselectronicsystemcooling,andusesthismethodtosimulatecoolingofamicro-waveapparatus.thecalculatedvalueisparedwiththetestedvalue.theresultshowsthatthismethodisadvancedandthesimulatedresultsareprecise.keywords:electronicsystem

4、cooling(esc);numericalsimulation;i-deas;micro-wavechip目录1绪论11.1cae技术概述11.2cae软件简介11.3国外cae技术概况21.4我国cae技术现状31.5本课题主要目的42i-deas的有限元使用方法52.1i-deas软件及有限元法概述52.2i-deas进行有限元分析的基本过程62.3i-deas热分析的建模理论142.4i-deas电子系统冷却模块(esc)153i-deas的热分析基础173.1热量传递的三种基本方式173.2一维.稳态导热的理论计算183.3i-deas一维.稳态导热分析193.4理论计算与i-dea

5、s计算结果对比214基于i-deasesc的微波芯片散热仿真234.1esc热分析理论234.2微波芯片散热计算的有限元模型234.3计算结果与分析254.4结论265总结与展望27参考文献28致谢291绪论1.1cae技术概述cae(puteraidedengineering)是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度刚度屈曲稳定性动力响应热传导三维多体接触弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。cae从xx年代初在工程上开始应用到今天,已经历了0多年的发展历史,其理论和算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程,现已成为工程和产品结构分析中(如航空航天机械土

6、木结构等领域)必不可少的数值计算工具,同时也是分析连续力学各类问题的一种重要手段。随着计算机技术的普及和不断提高,cae系统的功能和计算精度都有很大提高,各种基于产品数字建模的cae系统应运而生,并已成为结构分析和结构优化的重要工具,同时也是计算机辅助4c系统(cad/cae/capp/cam)的重要环节。cae系统的核心思想是结构的离散化,即将实际结构离散为有限数目的规则单元组合体,实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析,得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析,这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。其基本过程是将一个形状复杂的连续体的求解区域分解为有限

7、的形状简单的子区域,即将一个连续体简化为由有限个单元组合的等效组合体;通过将连续体离散化,把求解连续体的场变量(应力位移压力和温度等)问题简化为求解有限的单元节点上的场变量值。此时得到的基本方程是一个代数方程组,而不是原来描述真实连续体场变量的微分方程组。求解后得到近似的数值解,其近似程度取决于所采用的单元类型数量以及对单元的插值函数。根据经验,cae各阶段所用的时间为:40%45%用于模型的建立和数据输入,50%55%用于分析结果的判读和评定,而真正的分析计算时间只占5%左右。针对这种情况,采用cad技术来建立cae的几何模型和物理模型,完成分析数据的输入,通常称此过程为cae的前处理。同样

8、,cae的结果也需要用cad技术生成形象的图形输出,如生成位移图应力温度压力分布的等值线图,表示应力温度压力分布的彩色明暗图。我们称这一过程为cae的后处理。针对不同的应用,也可用cae仿真模拟零件部件装置(整机)乃至生产线工厂的运动和运行状态。1.2cae软件简介cae软件可以分为两类:针对特定类型的工程或产品所开发的用于产品性能分析预测和优化的软件,称之为专用cae软件专门汽车分析adina;可以对多种类型的工程和产品的物理力学性能进行分析模拟和预测评价和优化,以实现产品技术创新的软件,称之为通用cae软件,i-deas(同时也做cad)hyperworksansyscae软件的主体是有限

9、元分析(fea,finiteelementanalysis)软件。有限元方法的基本思想是将结构离散化,用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象,单元之间通过有限个节点相互连接,然后根据变形协调条件综合求解。由于单元的数目是有限的,节点的数目也是有限的,所以称为有限元法。这种方法灵活性很大,只要改变单元的数目,就可以使解的精确度改变,得到与真实情况无限接近的解。cae软件的基本结构其中包含以下模块:前处理模块给实体建模与参数化建模,构件的布尔运算,单元自动剖分,节点自动编号与节点参数自动生成,载荷与材料参数直接输入有公式参数化导入,节点载荷自动生成,有限元模型信息自动生成等。有限元分析模块有限单元

10、库,材料库及相关算法,约束处理算法,有限元系统组装模块,静力动力振动线性与非线性解法库。大型通用题的物理力学和数学特征,分解成若干个子问题,由不同的有限元分析子系统完成。一般有如下子系统:线性静力分析子系统动力分析子系统振动模态分析子系统热分析子系统等。后处理模块有限元分析结果的数据平滑,各种物理量的加工与显示,针对工程或产品设计要求的数据检验与工程规范校核,设计优化与模型修改等。用户界面模块数据管理系统与数据库专家系统知识库。cae软件对工程和产品的分析模拟能力,主要决定于单元库和材料库的丰富和完善程度,单元库所包含的单元类型越多,材料库所包括的材料特性种类越全,其cae软件对工程或产品的分

11、析仿真能力越强。一个cae软件的计算效率和计算结果的精度,主要决定于解法库。先进高效的求解算法与常规的求解算法,在计算效率上可能有几倍几十倍,甚至几百倍的差异。前后处理是近十多年发展最快的cae软件成分,它们是cae软件满足用户需求,使通用软件专业化属地化,并实现cadcamcapppdm等软件无缝集成的关键性软件成分。它们是通过增设cad软件,例如pro/engineer,ug,solidedge,catia,mdt等软件的接口数据模块,实现了cad/cae的有效集成。1.3国外cae技术概况计算机辅助工程的特点是以工程和科学问题为背景,建立计算模型并进行计算机仿真分析。一方面,cae技术的

12、应用,使许多过去受条件限制无法分析的复杂问题,通过计算机数值模拟得到满意的解答;另一方面,计算机辅助分析使大量繁杂的工程分析问题简单化,使复杂的过程层次化,节省了大量的时间,避免了低水平重复的工作,使工程分析更快更准确。在产品的设计分析新产品的开发等方面发挥了重要作用,同时cae这一新兴的数值模拟分析技术在国外得到了迅猛发展,技术的发展又推动了许多相关的基础学科和应用科学的进步。在影响计算机辅助工程技术发展的诸多因素中,人才计算机硬件和分析软是三个最主要的方面。现代计算机技术的飞速发展,已经为cae技术奠定了良好的硬件基础。多年来,重视cae技术人才的培养和分析软件的开发和推广应用,发达国家不

13、仅在科技界而且在工程界已经具有一支较强的掌握cae技术的人才队伍,同时在分析软件的开发和应用方面也达到了较高水平。美国于1998年成立了工程计算机模拟和仿真学会(putermodelingandsimulationinengineering),其它国家也成立了类似的学术组织。各国都在投入大量的人力和物力,加快人才的培养。正是各行业中大批掌握cae技术的科技队伍推动了cae技术的研究和工业化应用,cae技术在国外已经广泛应用于不同领域的科学研究,并普遍应用于实际工程问题,在解决许多复杂的工程分析方面发挥了重要作用。国外对cae技术的开发和应用真正得到高速的发展和普遍应用则是近年来的事。这一方面主

14、要得益于计算机在高速化和小型化方面取得的成就,另一方面则有赖于通用分析软件的推出和完善。早期的cae分析软件一般都是基于大型计算机和工作站开发的,近年来pc机性能的提高,使采用pc机进行分析成为可能,促使许多cae软件被移植到pc机上应用。这显然对cae技术的推广应用极为有利。衡量cae技术水平的重要标志之一是分析软件的开发和应用。目前,一些发达国家在这方面已达到了较高的水平,仅以有限元分析软件为例,国际上不少先进的大型通用有限元计算分析软件的开发已达到较成熟的阶段并已商品化,如i-deasabaqusansysnastran等。这些软件具有良好的前后处理界面,静态和动态过程分析以及线性和非线

15、性分析等多种强大的功能,都通过了各种不同行业的大量实际算例的反复验证,其解决复杂问题的能力和效率,已得到学术界和工程界的公认。在北美欧洲和亚洲一些国家的机械化工土木水利材料航空船舶冶金汽车电气工业设计等许多领域中得到了广泛的应用。就cae技术的工业化应用而言,西方发达国家目前已经达到了实用化阶段。通过cae与cadcam等技术的结合,使企业能对现代市场产品的多样性复杂性可靠性经济性等做出迅速反应,增强了企业的市场竞争能力。在许多行业中,计算机辅助分析已经作为产品设计与制造流程中不可逾越的一种强制性的工艺规范加以实施。如,以国外某大汽车公司为例,绝大多数的汽车零部件设计都必须经过多方面的计算机仿

16、真分析,否则根本通不过设计审查,更谈不上试制和投入生产。计算机数值模拟现在已不仅仅作为科学研究的一种手段,在生产实践中也已作为必备工具普遍应用。1.4我国cae技术现状随着我国科学技术现代化水平的提高,计算机辅助工程技术也在我国蓬勃发展起来。科技界和政.府的主管部门已经认识到计算机辅助工程技术对提高我国科技水平,增强我国企业的市场竞争能力乃至整个国家的经济建设都具有重要意义。近年来,我国的cae技术研究开发和推广应用在许多行业和领域已取得了一定的成绩。但从总体来看,研究和应用的水平还不能说很高,某些方面与发达国家相比仍存在不小的差距。从行业和地区分布方面来看,发展也还很不平衡。目前,i-dea

17、sabaqusansysnastran等大型通用有限元分析软件已经引进我国,在汽车航空机械材料等许多行业得到了应用,而且我们在某些领域的应用水平并不低。不少大型工程项目也采用了这类软件进行分析。我国已经拥有一批科技人员在从事cae技术的研究和应用,取得了不少研究成果和应用经验,使我们在cae技术方面紧跟住现代科学技术的发展。但是,这些研究和应用的领域以及分布的行业和地区还很有限,现在还主要局限于少数具有较强经济实力的大型企业部分大学和研究机构。我国的计算机分析软件开发是一个薄弱环节,严重地制约了cae技术的发展。在cae分析软件开发方面,我国目前至少落后于美国等发达国家十年。计算机软件是高技术

18、和高附加值的商品,目前的国际市场为美国等发达国家所垄断。仅以有限元计算分析软件为例,目前的世界年市场份额达5亿美元,并且以每年15%的速度递增。相比之下,我国自己民族的软件工业还非常弱小,仅占有很少量的市场份额。作为一个国家,一个民族不能长期依赖于引进外国的技术和产品,因此我们必须加大力度开发自己的计算机分析软件,只有这样才能改变在技术上和经济上受制于人的局面。我国的工业界在cae技术的应用方面与发达国家相比水平还比较低。大多数的工业企业对cae技术还处于初步的认同阶段,cae技术的工业化应用还有相当的难度。这是因为,一方面我们缺少自己开发的具有自主知识产权的计算机分析软件,另一方面大量缺乏掌

19、握cae技术的科技人员。对于计算机分析软件问题,目前虽然可以通过技术引进以解燃眉之急,但是,国外的这类分析软件的价格一般都相当贵,国内不可能有很多企业购买这类软件来使用。而人才的培养则需要一个长期的过程,这将是对我国cae技术的推广应用产生严重影响的一个制约因素,而且很难在短期内有明显的改观。提高我国工业企业的科学技术水平,将cae技术广泛应用于设计与制造过程还是一项相当艰巨的工作。1.5本课题主要目的本课题的目的是了解cae技术的现状及cae分析的理论方法有限元分析法,掌握cae分析软件i-deas对产品热分析的基本方法和过程,并能利用大学所学习的力学原理对分析结果进行简单判断,及早发现设计

20、缺陷,改进和优化设计方案,证实未来工程/产品的可用性和可靠性。通过对此课题的学习,巩固大学所学的专业知识,进一步加深对cae领域和自己工作内容的了解,并对以后的工作和学习能有所帮助和提高。论文以通用cae分析软件i-deas在工程分析中的运用为背景,具体以微波芯片散热仿真热分析为实例,详细介绍i-deas软件的操作方法和目的。包括:i-deas软件esc(电子散热系统)模块进行热分析的有限元建模方法数值仿真的基本过程软件计算结果与实验及理论手动验算结果的对比。2i-deas的有限元使用方法2.1i-deas软件及有限元法概述2.1.1i-deas软件概述i-deas软件是sdrc(struct

21、uraldynamicsresearchcorporation)公司的产品。sdrc公司是世界领先的机械设计自动化(mda)和产品数据管理(pdm)系统及工程服务公司。公司成立于1967年,总部设在美国俄亥俄州辛辛那提。i-deas软件是一套完全一体化的,面向二十一世纪的解决方案。这套完整方案贯串了从概念设计直到生产开发的全过程,涵盖了机械设计自动化,产品数据管理,协同产品商务(cpc)以及工程资讯和实施服务等各方面。产品仿真(simulation)是其模块之一,其中仿真建模(simulationmodelingset)是mda集成环境中的有限元建模和结果可视化工具。直接利用i-deas软件主

22、模块或装配,或其它cad系统输入的模型快速建立数字化的产品估计模型,仿真模型和设计模型具有相关性。仿真求解(simulationsolutionlinear)是有限元求解器,包括结构的线性静态分析和结构模态分析。非线性求解器(modelsolutionnon-linear)支持几何非线性,材料非线性,弹塑性及综合非线性分析,利用newton-raphson方法求解非线性方程组。变量化分析(variationalanalysis)使仿真在设计初期介入设计过程,利用单一模型进行广泛的设计探索。变量化分析在设计可变的全变量范围内自动地解算有限元模型,通过一次网格划分和解算生成设计手册式结果,得到多种

23、可对比的方案。相应分析(responseanalysis)用来探索结构在静态,瞬态,谐波和随机激励下的受迫响应,模态可以来自结构分析或测试。femap是基于几何的,用于有限元模型前后处理系统。采用windowsnative技术,使得几何及图形信息交互灵活,完成的前后处理工作具有高质量专业化快捷的特点。同时与其它cad/cae系统有良好的兼容性,适用不同硬件及操作系统环境。2.1.2有限元法的基本概念许多工程分析问题,如固体力学中位移场和应力场分析振动特性分析传热学中的温度场分析流体力学中的流场分析等都可以归结为在给定的边界条件下求解其控制方程(一般为偏微分方程)的问题。这些控制方程只有在及其简

24、单的情况下才能获得解析解,大部分情况下只能用数值方法求得其近似解。随着计算机技术的飞速发展,数值解法变得越来越重要。有限单元法就是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。有限元法通用性好,应用广泛,其基本思想是将问题的求解域划分为一系列单元,单元之间仅靠节点连接。单元内部的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值求得。由于单元形状简单,易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式然后将各个单元方程“组集”在一起而形成总体代数方程组,记入边界条件后即可对方程组求解。单元划分越细,计算结果就越准确。有限元法的基本思想早在40年代初期就有人提出,但真正用于工程中则是电子计算机出现后

25、。“有限元法”这一名称是1960年美国的克拉夫在一篇题为“平面应力分析的有限元法”论文中首先使用的。此后,有限元法的应用得到蓬勃的发展。到80年代初期国际上大型的结构分析有限元通用程序达到几百种,其中著名的有nastranansysaskaadinasap等。它们采用fortran语言编写,规模达几万条甚至几十万条语句。其功能越来越完善,不仅包含多种条件下的有限元分析程序,而且带有功能强大的前处理(自动生成单元网格,形成输入数据文件)和后处理(显示计算结果绘制变形图等值线图(如等温度等应力线等位移线等)振型图并可动态显示结构的动力响应等)程序。由于有限元通用程序使用方便,计算精度高,其计算结果

26、已成为各类工业产品和设计性能分析的可靠依据。有限元分析计算机图形学优化技术与可靠性相结合可形成完整的计算机辅助设计系统,从而可以显著提高产品设计性能缩短生产周期以增强产品的市场竞争力。有限元法应用范围很广,它不但可解决工程中的线性问题非线性问题,而且对于各种不同性质的固体材料,如各向同性和各向异性材料,粘弹性和塑性材料以及流体均能求解;另外,对于工程中最有普遍意义的非稳态问题也能求解,甚至还能模拟构件之间的高速碰撞炸药的爆炸和应力波的传播。目前,有限元法的应用已遍布机械建筑矿山冶金材料化工能源交通电磁甚至日常生活用品设计分析的各个领域中。2.2i-deas进行有限元分析的基本过程2.2.1为有

27、限元模型准备零件图2-1模型准备(1)隐藏特征过多的诸如倒角倒边孔之类的特征,使得零件建模困难。要使零件简化应隐藏不必要的特征。操作如下:点modify选取零件及要隐藏的特征从菜单中点取suppress点取update观察结果。(update用于修改后更新模型并观察结果)(2)生成曲面生成薄壳网格的表面常使用下面两种方法:点取plannarsurface,选共面的线框及边创建表面。点取surfacebyboundary,选线框及边生成表面。(3)曲线向表面上投影在定义轮廓表面上的曲线时,表面投影曲线是很有用的,与裁剪表面连接就是一个典型应用。投影曲线具有历史记录,可以修改其外观。曲线向表面投影

28、操作如下:在平面上定义曲线点取projectcurve图标,选取要投影的目标表面选要投影的曲线或截面选投影方向。(4)裁剪曲面曲面可以被分区以定义单元的边界或进行映射式网格划分。操作如下:点取surfaceoperators图标,打开surfaceabstraction面板点取trimsurface选取要裁剪或分区的表面选取用来分割表面的曲线点取曲面上的边。(5)缝合曲面曲面可以在公共边处合并在一起消除缝隙,缝合曲面的操作如下:从surfaceabstraction面边版上点取stitchsurface图标从隐式菜单中选取selectsurface选取all。(6)检查曲面上的自由边自由边是表

29、面上不被其他表面共享的边,零件内部高亮度的边表明表面间存在缝隙,这些缝隙会导致网格不连续。可以按以下操作显示自由边:从surfaceabstraction面板点取showfreeedges选取要检查的表面(自由边用虚线标示)。(7)零件分区partition命令在零件内部增加表面将零件分成多个区域。进行映射式网格划分控制自由网格质量时零件分区很有用。零件分区操作如下:从mastermodeler的面板中点取partition选取要被分区的零件选取零件或表面分割将被分区的零件。2.2.2网格划分图2-2生成自由网格生成自由网格:自由网格划分在几何表面及实体上自动生成节点及单元。这种网格形式比映射

30、网格更加灵活,表面及实体的边界也可以更复杂。它可以划分有孔的表面,体孔洞及内部空腔。以下内容包括(1)确定网格类型图2-3网格类型(2)确定网格尺寸和属性(壳单元为例)图2-4网格尺寸和属性elementlength:单元长度控制网格密度。elementfamily:单元族薄壳单元,轴对称单元,平面应力平面应变单元。elementtype:单元类型线性或二次三角型单元,线性或二次四边形单元。physicalproperty:物理属性控制单元厚度。material:材料属性定义模型材料性质(例如铁树脂空气等)。(3)设定基于曲率的长度:可使软件计算得到基于边的曲率的单元长度图2-5设定基于曲率的

31、长度基于曲率的长度,可使软件计算得到基于边的曲率的单元长度。选取none选项,单元长度按在单元长度域中键入的值。选取percentdeviation选项,单元长度基于偏离曲线的百分比,用弦高/弦长表示。键入值为1100。选取absolutedeviation选项,单元长度是与边的绝对偏移量(弦高)(4)局部密度设定以及生成网格图2-6局部密度设定用于设定局部单元尺寸:在模型中选定的位置改变单元尺寸。优先于全局尺寸。通过选取向量或曲线上的点确定局部单元尺寸。通过选取边确定曲线上的单元数目。设定圆孔密度及映射(用于螺栓孔连接)生成网格(5)网格质量检查有限元计算结果的精度部分依赖于单元的质量,每种

32、单元都有其理想的形状,当模型中单元偏离理想形状时,质量下降,结果的不精确度增加。图2-7网格质量检查流程图2.2.3建立边界条件正确的边界条件对任何有限元分析的都是至关重要的。在i-deas软件中进行有限元分析时,可以在模型上施加的边界条件包括位移约束自由度耦合温度机械载荷以及两个表面之间的接触等等。不同分析类型中可能采用的边界条件类型也不尽相同。比如,非线性分析的边界条件可以是随时间变化的,而线性分析的边界条件则不能依赖于时间。当用分析类型图标指定分析的类型后,软件将自动限定适当的边界条件类型。(1)创建边界条件的基本步骤选择分析类型,比如,linearstatic(线性静力学分析)。分析类

33、型图标或命令按钮相当于一个过滤器,一旦选定,用户将只能看到对该分析类型有效的边界条件选择项。缺省分析类型是linearstatic(线性静力学分析)。选择相应的图标菜单或命令菜单来创建需要的边界条件。点取边界条件施加的实体。边界条件可以被加载到诸如边面截面顶点以及边和面上的任意点等几何实体上,也可以加载有限单元实体,如节点和单元上。往边界条件集合中添加包含所创建边界条件子集。每次所创建的边界条件都被放置于一个该种边界条件子集中,该集合可以被选入一个边界条件集合中。一次分析使用一个边界条件集合。(2)边界条件集合在i-deas软件中,对模型定义的约束自由度耦合接触dof温度及载荷等边界条件都被分

34、别保存在一个相应的组中,并称之为相应的集合。这些集合可以组合而成一个更大的集合,称之为边界条件集合,相当于工程中的一种工况。在设定分析时,可以选定一个或多个边界条件集合(即一种或多种工况),每一个都包含了适用于分析求解之任意类型的所有边界条件。例如,用户创建位移约束后,它们将被保存到restraint(约束)集合中。而一个load(载荷)集合可以既包含集中力,又可以包含压力。这两个集合最终可以同时包括在一个边界条件集合中i-deas中可以创建六种边界条件集合类型。下图给出了每种边界条件集合中可以包含的边界条件类型。图2-8边界条件集合类型在进行分析前,用户必须先将要创建的集合指定为一个适当的边

35、界条件集合。一个边界条件集合是所有用于模型分析的边界条件的集合。在设定分析时,必须用i-dears模型求解器或一个外部求解器来指定一个边界条件集合。指定到求解器中的一个边界条件集合,必须至少含有一个边界条件子集。(3)边界条件的施加进行有限元分析前的一个最重要的步骤是边界条件的加载。边界条件可以施加到模型的几何实体或有限元实体上。在创建一个fe模型时,可以指定“geometry-basedanalysisonly(仅基于几何分析)”,然后就只能选用用于创建几何模型(在p单元分析和几何优化中所用)的命令键。对于基于几何模型建立的有限元模型,边界条件可以施加在几何体的边表面顶点中心点参考点以及边或

36、面的位置点等等。而对于基于截面建立网格模型,边界条件可以施加在线框曲线和截面上。一旦生成了有限元模型,边界条件就可以施加到节点单元面和单元边等有限元实体上。i-deas同时支持这两种边界条件加载法。但是,由于不依赖于网格模型,基于几何的边界条件加载更具灵活性。(4)设置分析类型定义边界条件时,需要指定分析类型(缺省的分析类型为linearstatics(线性静力学分析)。如果在定义边界条件之前选定分析类型,用户将只能创建对所选分析类型有效的边界条件。例如,对nonlinearstatics分析类型,可以定义随时间变化的边界条件,而这种边界条件却不能在线性分析(如linearstatics)中定

37、义。i-deas中可选择的分析类型包括:linearstatics(线性静力学分析)nonlinearstatics(非线性静力学分析)normalmodedynamics(正则模态动力学)constraintmodedynamics(约束模态动力学)(这种分析类型只能用于包括systemdynamicsanalysis的i-deas版本)。linearbuckling(线性屈曲分析)heattransfer(热传导分析)potentialflow(势流分析)2.2.4求解及后处理(1)求解选项设置选verificationchecksandestimates,可检查模型单元及边界条件的合法性

38、。而不进行深入的求解计算。该方法提供一种不完全的分析,但能为solution-norestart方法提供矩阵数据库尺寸规模的估计及cholesky分解的cpu时间。选solution-norestart完成对有限元模型的完整分析,如果成功,将结果置于有限元求解数据库中,该方法保持求解过程中磁盘空间占用最少。如果不再对模型进行改变边界条件的进一步分析,而是用同一边界条件集进行不止一次的分析,使用solution-restart(initialrun)方法。选solution-restart(initialrun),用当前求解集对问题进行首次分析,并为后续分析存储矩阵数据,当使用其它重新开始方法时

39、,可以重开始该分析使用同一矩阵数据库,不同的边界条件或载荷。和首次分析的计算时间比较,可以发现使用前面求解已求得的矩阵数据库能节约相当多的时间,这对于用新载荷再次重新开始时是相当有效的。在solve表中选执行选项时保存矩阵文件,以便能成功地进行后续重新开始的分析。重开始的方法把数据写在模型文件及矩阵文件中以便同时保存矩阵文件和模型文件。如要进行一系列的重开始,确保在存储软件时保存模型。但该求解方法不能使用前面由于错误而求解失败的求解数据。模型文件是结构化的,允许多个模型存在一个文件中,使矩阵文件只能包含模型的一组重开始数据。如果不止一个模型要执行重开始方法求解,要使用单独的数据库文件。关于矩阵

40、文件的进一步信息,参见选执行选项的讨论。选solution-restart(newload),从已用solution-restart(initial)成功求解的模型获得分析结果,但应施加新的载荷集。软件已经在首次求解时构造了刚度矩阵的cholesky分解,这些分解因子被重新使用。要用重新开始的方法执行求解,必须生成新的求解集,或者使用已存在的求解集,但首先必须在后处理中删除所有的结果。由于软件允许进行多次重开始求解,初始求解只需要执行一次,而不是每次施加新载荷后都要经过初始求解,为能成功地执行将来的重新开始,在solve表中选执行选项时保存矩阵文件。重开始的方法把数据写在模型文件及矩阵文件中,

41、以便同时保存矩阵文件及模型文件,如要进行一系列的重新开始,退出软件前一定保存模型。选solution-userdefined是用程序文件执行求解而不是软件提供的标准求解,可以通过修改标准的求解序列,或使用一般的矩阵操作命令写用户定义程序文件。(2)利用后处理整理计算结果使用应力轮廓线评估结果:当选取显示按钮时,缺省显示为变形后几何的应力轮廓。变形按大百分比扩大显示。轮廓以颜色带形式出现,每种颜色代表一定的应力范围值。选输出数据:点取result点亮所要观察的数据类型选箭头选标量数据的组成。设定结果显示:displaytemplate表是一个信息模板,用于选取所选数据的后处理显示类型。模板可用于

42、设置轮廓及单元箭头显示及颜色条参数显示质量。设定数据范围:缺省情况下颜色条从最小数值至最大值有六个相等的增量。可以设定显示轮廓及条形图的应力范围具有线性增量的最小值及最大值增量的范围。输出探针数据:可以用探针探取模型上特定点,显示时列出数据。首先打开显示模板中的探针按钮。当探取特定点时,软件会给出最近的节点的值及节点号在列取信息区域显示信息。绘数据图线:绘图线允许将所选元素以线图格式显示xygraph完成一个线图,xygraphsetup允许为线图选取可选项y-轴给出显示结果(应力,位移,反力,等)x-轴给出所选元素(节点或单元数据,标签,距离,x坐标值,等)同一图上可放置多个结果,y-轴按一

43、定比例包含结果值所在的范围。动画结果:animation动画显示初始与最终状态的结果及变形。应用隐藏菜单可以加速或减慢动画在特定帧停止动画一次一帧逐帧演示动画。2.3i-deas热分析的建模理论2.3.1用于热分析的有限差分法热模拟使用有限元容积(有限差分)法完成对热模型的求解。它使用非结构有限元网格对模型进行离散。它可以对实体的热传导对流以及表面辐射进行模拟。本软件使用控制容积法建立与偏微分控制方程相近似的离散化的有限差分方程。这种方法也称为集总参数法,它建立在求解区域内的局部能量守恒和全局能量守恒基础之上。这个技术包括几何离散或对模型进行网格划分生成控制容积区,在每个区内建立fd(有限差分

44、)计算点。对每个控制容积建立热平衡方程。对于控制容积,通用的热平衡方程为:式中qb为通过控制容积边界的热流;qo为控制容积内产生的热流;u为控制容积内贮存的能量。这个方程不仅应用于单个控制容积,还应用于整个问题区域。通过相邻控制容积之间的边界的热流可用传热系数g来表征:温度ti和tj在控制容积fd计算点被估算。对于导热系数为线性的情况,g为常值,热流与fd计算点温差成正比。辐射传热系数对流换热系数和其他非线性传热系数涉及更复杂的温度函数。使用整个控制容积内的密度和比热均为常数的假定,热容项可简化为:这样,对于控制容积i,热平衡方程为:qi和ci可能是时间和(或)温度的函数。稳态条件下,该方程与

45、时间无关,则有:这将产生整个问题区域内的一系列代数方程,对它们进行求解就可以得到控制容积fd计算点上的温度值。本热分析软件所用的控制容积法有一个优点:可以和有限元建模法兼容。只要把每个几何单元当作一个控制容积,一个有限元网格就可以用来直接生成一个有限差分模型。2.3.2热传导和热容本软件可以自动地精确计算任意一个单元网格的有限差分热容和传热系数。只要给定一个已划分好网格的几何形状以及单元的材料属性,有限差分传热系数和热容矩阵的生成就会自动完成。单元热容ci的计算式为:式中,为单元的密度;c为单元的比热;v为单元的容积。相邻且互相连接的两个单元之间的传导热流的计算式为:式中gij为传热系数。对于

46、模型中的每个单元,i-deas在其质心和边界上建立计算点。使用满足热传导控制方程的线性单元温度函数确定边界点之间的传热。质心计算点被用于计算分布式传热:辐射对流和热流。该点的温度是在假定单元中的温度满足抛物线分布的情况下计算得到的。进入该点的热流则分配给各边界上的点。2.4i-deas电子系统冷却模块(esc)i-deaselectronicsystemcooling(esc电子系统冷却)提供了许多工具用于模拟热和流动现象。2.4.1esc边界条件概览图2-8i-deasesc模块热耦合:建立不相连的网格之间的热通路,应用于pc板与组件之间的耦合插件与带插槽的机壳之间的耦合不相连的两个网格之间

47、的传导表面之间的辐射等。热边界条件:模拟固定温度和热负荷,应用于组件上的热负荷机壳和插件版上的固定温度流体中的源项等。流动表面和性质:模拟表面向流体的对流表面性质描绘流动表面的粗糙程度和对流情况,应用于pc板及组件的对流换热非对流隔板等。流动障碍/屏障:模拟流动的障碍物(实心体多孔板和平面阻力),应用于阻碍流动的大元件内部屏障过滤器和多孔板其中有大量电缆的体积等。风扇和通风孔:模拟外部和内部的风扇及外部开口,应用于入口出口内部风扇循环回路风扇曲线进流出流和进出流混合的外部开口等。2.4.2esc边界条件定义及网格划分简例图2-9esc模型边界条件可被定义于几何实体或单元上,通常,将边界条件定义

48、在几何体上更为可取。定义于单元上的边界条件必须在改变网格划分之前被删除。所有定义了边界条件的几何实体在求解之前必须划分网格。风扇通风孔和屏障用特殊的边界壳单元(材料为nullgas)划分网格,边界壳单元与流体单元面重叠。在esc模型中给空气部分赋予流体材料属性(esc_air)。3i-deas的热分析基础3.1热量传递的三种基本方式3.1.1热传导定义:指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时,依靠分子原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。(1)特点:a必须有温差;b物体直接接触;c依靠分子原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量。(2)热传导系数:单位长度的物体保持

49、两端的温度差为1时,通过单位截面积的热量,单位【w/(m*)】。(3)fourier定律,也称为导热基本定律,是一个一维.稳态导热。定义:在导热现象中,单位时间内通过给定截面的热量,正比例于垂直于该界面方向上的温度变化率和截面面积,而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。q=-(dt/dx)也可以表示为q=*t*a/l,单位【w/m2】;导热量=-a(dt/dx)为导热系数,w/(m*k)a为传热面积,单位为m2t为温度,单位为kx为在导热面上的坐标,单位为mdt/dx是物体沿x方向的温度梯度,即温度变化率热对流是指热量通过流动介质,由空间的一处传播到另一处的现象。m2*)】。(3)牛顿冷却定

50、律:温度高于周围环境的物体向周围媒质传递热量逐渐冷却时所遵循的规律。=ha(tw-t);q=/a=h(tw-t)热流量【w】,单位时间传递的热量q热流密度【w/m2】h表面传热系数【w/m2*k】a与流体接触的壁面面积【m2】tw固体壁表面温度【】t流体温度【】3.1.3热辐射定义:物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。=at4;q=t4;真实物体为:=at4两黑体表面间的辐射换热:=a(t14-t24);q12=(t14-t24);=5.67e-83.2一维.稳态导热的理论计算例:铁块截面a:10mm10mm,长度为l:100mm图3-1铁块截面a:10mm10mm,长度为l:100mm铁块材

51、料为铁steel热载荷条件:左端面环境温度100,对流换热系数为10n/(m?s?k)右端面环境温度0,对流换热系数为20n/(m?s?k)=45w/(m*k)求温度分布?解:一维.稳态导热由fourier定律得:铁块内部热流密度:q=*t/l=*(tl-tr)/l=45*(tl-tr)/0.1铁块两端为对流导热左端热流密度ql=hl*(tl-100)=10*(tl-100)右端热流密度qr=hr*(tr-0)=20*tr由热平衡得到q=-ql=qr由解得tl=34.3066tr=32.8467q=656.93w/m2设铁块左端为x=0,右端为x=100那么铁块的温度分布tx=tl-q*x/=

52、34.3066-656.93*x/45(见表3.1)表3.1铁块温度分布x(mm)010203040tx()34.30734.16134.01533.86933.723x(mm)5060708090100tx()33.57733.43133.28533.13932.93332.8473.3i-deas一维.稳态导热分析例子参照3.2一维.稳态导热的理论计算(1)建模:截面为10mm10mm,长度为100mm图3-1建模(2)划分网格:类型一次六面体;材料为默认材料(铁);尺寸10mm图3-2网格参数(3)加载边界条件:左端面环境温度100,对流换热系数为10n/(m?s?k)右端面环境温度0,

53、对流换热系数为20n/(m?s?k)图3-3左端热载荷条件图3-4右端热载荷条件(4)计算:图3-5设定完成的计算模型(5)计算结果读取:图3-6i-deas温度分布图图3-7i-deas热流密度分布图3.4理论计算与i-deas计算结果对比从表3.2表3.3可以看出,i-deas计算值与理论计算值完全吻合,i-deas软件在热分析模块的计算结果是非常值得信任的,能够满足工程需要。表3.2温度分布对比温度分布理论计算值i-deas结果0mm34.30734.30710mm34.16134.16120mm34.01534.01530mm33.86933.86940mm33.72333.72350

54、mm33.57733.57760mm33.43133.43170mm33.28533.28580mm33.13933.13990mm32.93332.933100mm32.84732.847表3.3热流密度对比热流密度理论计算值i-deas结果0mm656.93656.9310mm656.93656.9320mm656.93656.9330mm656.93656.9340mm656.93656.9350mm656.93656.9360mm656.93656.9370mm656.93656.9380mm656.93656.9390mm656.93656.93100mm656.93656.93基于

55、i-deasesc的微波芯片散热仿真4.1esc热分析理论esc热分析采用的是集总热容有限差分法。这种方法基于局部和总体能量平衡的原则将目标划分为多个控制区域,对每一控制区域用集总参数法建立平衡方程,对一控制区域的热平衡方程如下:式中:b控制体边界;v控制体体积;qn流过控制边界的热流;q0控制体内的热生成流;密度;c比热;t温度;t时间。(1)式又可表示为:式中:qb:流进控制体积的热量;q0控制体内的生成热;u控制体内的能量存储。对于密度与比热为常数的材料:相邻控制容积处的热交换为:qij=gijf(ti,tj)式中:gij为相邻控制容积处的热交换系数;ti,tj分别为i,j区域差分点的温

56、度。则相邻区域热交换体现在传热系数g上。因此,边界条件的建立就是确定各相邻区域的传热系数g。对某一控制容积i热平衡方程可表示为:对稳态热分析则在i-deasesc中把每一几何单元作为控制体积,则创建的有限元网格可直接作为有限差分分析模型,这样避免了对复杂结构难以划分有限差分网格的麻烦。我们可以用有限元法灵活的建立模型,再用有限差分法进行计算,这也是i-deas软件热分析最突出的优点。4.2微波芯片散热计算的有限元模型某微波发生器工作时环境温度高达50摄氏度。芯片所耗散的全部电能中(每只62.5w),只有一小部转换为有用的能量,而绝大部分都变成热能,使仪器的内部和周围发热。电子元件能够正常工作的

57、温度范围为芯片结温175。采用强迫冷却,风扇通风量为每只0.035m3/s,共三只,芯片布置及风扇位置如图4-1示。图4-1微波机箱结构图4-2芯片位置温度分布4.2.1有限元网格建模时分别建立散热器与箱体模型,最后将二者装配起来,其中散热器材料为紫铜,箱体材料为空气。网格划分均采用四面体四节点单元,划分单元时根据结构特点首先将模型分区,然后对不同的区域采用不同的单元长度进行网格划分。由于芯片与机箱相比尺寸很小,为避免网格尺寸相差悬殊而引起的畸变与误差,散热器采用与实际尺寸吻合的实体建模,用solid单元。芯片用附着在散热器对应位置上的表面代替,采用shell单元。散热器单元与芯片单元之间采用传导热耦合最终有限元模型包含18642个单元,4579个节点。4.2.2边界条件边界条