FloTHERM 基础培训教程

1、FloTHERM Basic TrainingFloTHERM Basic TrainingXu Lei ( (徐磊徐磊) )Mechanical Analysis DivisionMentor Graphics - Mechanical Analysis Division（MAD）介绍）介绍n Mentor Graphics 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n 总部：总部：英国伦敦n 研发中心：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n 分公司：分公司：英国、美国、俄罗斯匈牙利、法

2、国、德国意大利、瑞典、日本中国、印度、新加坡n 代理商：代理商：以色列、韩国、日本、台湾、澳大利亚、巴西Mentor Graphics MAD 主要产品主要产品n散热仿真软件n嵌入CAD的工程流体动力学/传热仿真软件-FloEFDn高级热测试仪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电子设备的发展趋势电子设备的发展趋势过热过热-电子产品故障的首要原因电子产品故障的首要原因(Source : US Air Force Avionics Integrity Program)Figure 2: Major Causes of El

5、ectronics Failures 图图2 2：电子产品故障主要原因：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资料来源：美国空军航空电子整体研究项目55%55%温度温度20%20%振动振动6%6%粉尘粉尘19%19%潮湿潮湿Figure 1 : Junction Life Statistics(Source : GEC Research)图图1 1：结点寿命统计：结点寿命统计故障率（故障率（1010万小时）万小时）资料来源：资料来源：GECGEC研究院研究院热设计的基本要求热设计的基本要求n满足设备可靠性的要求n满足设备预期工作的热环境的要求n满足对冷却系统的限制要求热设计

6、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了解散热性能的方法n实验研究优点：直观，可靠缺点：昂贵，周期长n数值仿真(CFD)优点：周期短，成本低，限制：数学模型的适用程度了解散热性能的数值方法: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。1D2D(1,1)(0,1

7、)(1,0)(2,1)(1,2)f1f2f3f43D热仿真基本理论热仿真基本理论 -传热的三种基本方式传热的三种基本方式n 导 热Fourier 定律：n 对 流Newton 冷却定律：n 辐 射Stefan-Bolzman 定律：cQ =-ATQ =-hATh4412Q =A(TT )热仿真基本理论热仿真基本理论 -控制方程控制方程n能量守恒方程n动量守恒方程n质量守恒方程0uvwtxyzTpppTuTvTwTTTTStxyzx cxy cyz czT1 m1T2 m2 Hot componentQuuuuuvuwpuuuStxyzxxxyyzz 12 p1 V1 p2V2 速度大，则压力小

8、，速度小，则压力大12V1 A1V2 A2A1 V1 = A2 V2 FLOTHERM 软件介绍软件介绍n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n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%n据我们的调查，98%的客户乐意向同行推荐 FloTHERMFloTHERM软件主要模块软件主要模块1.1. 简单的建模方式：节省建模时间简单的建模方式：节省建模时间2.2. 笛卡尔笛卡尔网格网格：加快计算速度：加快计算速度3.3. 集成的经验公式：加速计算并保集成的经验公式：加速计算并保证准确度证准确度1.1. 简单

9、的操作：节省后处理时间简单的操作：节省后处理时间2.2. 丰富的结果表现形式：方便项目丰富的结果表现形式：方便项目人员的协作沟通人员的协作沟通1.1. 先进的优化算法：保证优化结果先进的优化算法：保证优化结果的可靠性的可靠性2.2. 目标驱动的自动优化设计：减少目标驱动的自动优化设计：减少工程师的工作量工程师的工作量1.1. 支持多种模型格式：适用范围广支持多种模型格式：适用范围广泛泛2.2. 方便的操作：方便的操作：缩短建模缩短建模时间时间1.1. 支持多种支持多种EDAEDA格式：方便电子工格式：方便电子工程师与热工程师协同工作程师与热工程师协同工作2.2. 包含走线、器件参数、过孔等详包

10、含走线、器件参数、过孔等详细信息的模型读入：保证模型准细信息的模型读入：保证模型准确性确性3.3. 准确的模型简化方法：保证结果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准确度的同时减少计算时间1.1. 丰富的丰富的IC模型：方便下载以减少模型：方便下载以减少建模时间建模时间2.2. 欧盟资助的生成模型算法：保证欧盟资助的生成模型算法：保证模型准确度模型准确度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 优化优化Different CasesSolve ProgressA simple casenFloTHERM基础介绍nFloTHERM仿真的基本操作和流程n电子设备常见原件的建模n网格划分n求解监控与后处理FloTHERM用户界面介绍用户界面介绍Project Manager 项目管理器提供树状结构的几何体和模型数据管理Drawing Board （模型）绘图板提供创立和修改几何模

12、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用户界面介绍用户界面介绍Table 数据表窗口提供输入输出参数的数据表输出Visual editor 图形输出窗口提供结果的图形动态输出FloTHERM文件结构文件结构库文件区项目文件索引文件FloTHERM文件结构文件结构 首先首先FLOTHERM软件借助四软件借助四个目录管理文件管理每个项个目录管理文件管理每个项目文件目文件 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一个新项目n定义项目名称n定义散热环境以及散热方式n定义求解域太阳辐射的定义太阳辐射的定义设置：设备

13、的纬度工作日期工作时辰云遮当比设置：被照射表面的反射率机箱的建模机箱的建模n薄壁设置不考虑平面方向的热传导薄还是厚？薄还是厚？各面单独定义：各面单独定义：厚还是薄？厚还是薄？开口不开口？开口不开口？薄壁设置n厚壁设置厚壁设置滤网、通风孔、打孔板的建模滤网、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风扇的建模风扇的建模定义风扇旋转模拟风扇失效风扇功耗GvpGvmaxp0风扇的工作点系统阻抗PCB板的建模板的建模nPCB SmartPart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n各向异性的立方体芯片建模芯片建模n搭建几何

14、结构（复杂程度随考虑细致程度变化） (简单) (复杂)n双热阻模型（较简化）n热阻网络模型（较复杂）Top innerTop outerPhysical LeadsLeadsJunctionBot innerBot outerStand-offStand-offSideCJBRjbRjc散热器的建模散热器的建模导热胶与导热垫片的建模导热胶与导热垫片的建模导热胶与导热垫片的建模导热胶与导热垫片的建模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材料定义材料定义材料定义2)使用库；1)直接定义；功耗定义功耗定义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

15、时间变化nThermal AttributionnThermal Attribution设定监控点设定监控点Step1：选定要监控的元件Step2：点击monitor point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网格定义求解器设置求解器设置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与初始化n错误检查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初始化收敛监控收敛监控残差曲线监控点后处理后处理 -Table表格表格后处理后处理 -Visual Editor图形化结果输出图形化结果输出FloTHERM项目的导入导出项目的导入导出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Ass

17、embly PDML： 只包括模型的某部件模型Project PDML： 包括整个项目模型及其网格、求解设定Other IssuesnMesh ImprovementnImport ModelsnIntroduction of command centernIntroduction of LibraryMesh Improvementn网格的密度增加，能得到更为详细的解。代价：代价： 内存使用量 计算时间目标：目标： 网格独立解网格局域化网格局域化选中某物体加网格约束局部化n 支持多层嵌入式网格,可以进行不限层数的局部加密。Import EDA Modelsn 完全兼容业界通行的IDF格式文件

18、n 支持EDA软件：IDF2.0IDF3.0CADENCEMENTOR GRAPHICSZUKENPowerPCB等等大大简化复杂PCB模型的建模Import CAD ModelsFLO/MCADACIS (SAT)FLOTHERMIGESSTLSATSTEPProE - prt asmCATIASolidWork双向的导入导出Introduction of Command centern DOE (Design on Experiments) 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n SO(Sequential Optimization) 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Command Centre 运用两者的结合两个优化量，一个二维的变化两个优化量，一个二维的变化区间区间无数种方案首先找出N种DOE方案,达到最优覆盖率