FloTHERM 基礎(chǔ)培訓(xùn)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(guó)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(dá)佩斯、莫斯科、班加羅爾n 分公司：分公司：英國(guó)、美國(guó)、俄羅斯匈牙利、法

2、國(guó)、德國(guó)意大利、瑞典、日本中國(guó)、印度、新加坡n 代理商：代理商：以色列、韓國(guó)、日本、臺(tái)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(dòng)力學(xué)/傳熱仿真軟件-FloEFDn高級(jí)熱測(cè)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(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)電子設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)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(lái)源：美國(guó)空軍航空電子整體研究項(xiàng)目資料來(lái)源：美國(guó)空軍航空電子整體研究項(xiàng)目55%55%溫度溫度20%20%振動(dòng)振動(dòng)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(jié)點(diǎn)壽命統(tǒng)計(jì)：結(jié)點(diǎn)壽命統(tǒng)計(jì)故障率（故障率（1010萬(wàn)小時(shí)）萬(wàn)小時(shí)）資料來(lái)源：資料來(lái)源：GECGEC研究院研究院熱設(shè)計(jì)的基本要求熱設(shè)計(jì)的基本要求n滿足設(shè)備可靠性的要求n滿足設(shè)備預(yù)期工作的熱環(huán)境的要求n滿足對(duì)冷卻系統(tǒng)的限制要求熱設(shè)計(jì)

6、工程師 與EE, ME, Layout等項(xiàng)目相關(guān)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(shí)驗(yàn)研究?jī)?yōu)點(diǎn)：直觀，可靠缺點(diǎn)：昂貴，周期長(zhǎng)n數(shù)值仿真(CFD)優(yōu)點(diǎn)：周期短，成本低，限制：數(shù)學(xué)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(lái)在時(shí)間域和空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來(lái)代替，通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)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(dǎo) 熱Fourier 定律：n 對(duì) 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(dòng)量守恒方程n質(zhì)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(gè)專門針對(duì)電子散熱領(lǐng)域的CFD軟件通過求解電子設(shè)備內(nèi)外的傳導(dǎo)對(duì)流輻射，從而解決熱設(shè)計(jì)問題n據(jù)第三方統(tǒng)計(jì)，在電子散熱仿真領(lǐng)域，F(xiàn)loTHERM 全球市場(chǎng)占有率達(dá)到70%n據(jù)我們的調(diào)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(jiǎn)單的建模方式：節(jié)省建模時(shí)間簡(jiǎn)單的建模方式：節(jié)省建模時(shí)間2.2. 笛卡爾笛卡爾網(wǎng)格網(wǎng)格：加快計(jì)算速度：加快計(jì)算速度3.3. 集成的經(jīng)驗(yàn)公式：加速計(jì)算并保集成的經(jīng)驗(yàn)公式：加速計(jì)算并保證準(zhǔn)確度證準(zhǔn)確度1.1. 簡(jiǎn)單

9、的操作：節(jié)省后處理時(shí)間簡(jiǎn)單的操作：節(jié)省后處理時(shí)間2.2. 豐富的結(jié)果表現(xiàn)形式：方便項(xiàng)目豐富的結(jié)果表現(xiàn)形式：方便項(xiàng)目人員的協(xié)作溝通人員的協(xié)作溝通1.1. 先進(jìn)的優(yōu)化算法：保證優(yōu)化結(jié)果先進(jìn)的優(yōu)化算法：保證優(yōu)化結(jié)果的可靠性的可靠性2.2. 目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)：減少目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)：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?？s短建模時(shí)間時(shí)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(xì)信息的模型讀入：保證模型準(zhǔn)細(xì)信息的模型讀入：保證模型準(zhǔn)確性確性3.3. 準(zhǔn)確的模型簡(jiǎn)化方法：保證結(jié)果準(zhǔn)確的模型簡(jiǎn)化方法：保證結(jié)果準(zhǔn)確度的同時(shí)減少計(jì)算時(shí)間準(zhǔn)確度的同時(shí)減少計(jì)算時(shí)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(shí)間建模時(shí)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(zhǔn)確度模型準(zhǔn)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(chǔ)介紹nFloTHERM仿真的基本操作和流程n電子設(shè)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(xiàng)目管理器提供樹狀結(jié)構(gòu)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(jiǎn)易界面，面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，專業(yè)針對(duì)電子熱分析的參數(shù)化模型，完全三維CAD風(fēng)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(jié)果的圖形動(dòng)態(tài)輸出FloTHERM文件結(jié)構(gòu)文件結(jié)構(gòu)庫(kù)文件區(qū)項(xiàng)目文件索引文件FloTHERM文件結(jié)構(gòu)文件結(jié)構(gòu) 首先首先FLOTHERM軟件借助四軟件借助四個(gè)目錄管理文件管理每個(gè)項(xiàng)個(gè)目錄管理文件管理每個(gè)項(xiàng)目文件目文件 千萬(wàn)別去嘗試去修改項(xiàng)目文件中名中的數(shù)字串項(xiàng)目文件夾定義一個(gè)新項(xiàng)目定義一個(gè)新項(xiàng)目n定義項(xiàng)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(yáng)輻射的定義太陽(yáng)輻射的定義設(shè)置：設(shè)備

13、的緯度工作日期工作時(shí)辰云遮當(dāng)比設(shè)置：被照射表面的反射率機(jī)箱的建模機(jī)箱的建模n薄壁設(shè)置不考慮平面方向的熱傳導(dǎo)薄還是厚？薄還是厚？各面單獨(dú)定義：各面單獨(dú)定義：厚還是??？厚還是薄？開口不開口？開口不開口？薄壁設(shè)置n厚壁設(shè)置厚壁設(shè)置濾網(wǎng)、通風(fēng)孔、打孔板的建模濾網(wǎng)、通風(fēng)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(fēng)扇的建模風(fēng)扇的建模定義風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)模擬風(fēng)扇失效風(fēng)扇功耗GvpGvmaxp0風(fēng)扇的工作點(diǎn)系統(tǒng)阻抗PCB板的建模板的建模nPCB SmartPart不考慮平面?zhèn)鲗?dǎo)的薄板模型全面考慮三個(gè)方向的熱傳導(dǎo)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(jié)構(gòu)（復(fù)雜程度隨考慮細(xì)致程度變化） (簡(jiǎn)單) (復(fù)雜)n雙熱阻模型（較簡(jiǎn)化）n熱阻網(wǎng)絡(luò)模型（較復(fù)雜）Top innerTop outerPhysical LeadsLeadsJunctionBot innerBot outerStand-offStand-offSideCJBRjbRjc散熱器的建模散熱器的建模導(dǎo)熱膠與導(dǎo)熱墊片的建模導(dǎo)熱膠與導(dǎo)熱墊片的建模導(dǎo)熱膠與導(dǎo)熱墊片的建模導(dǎo)熱膠與導(dǎo)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(kù)材料定義材料定義材料定義材料定義2)使用庫(kù)；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(shí)間變化nThermal AttributionnThermal Attribution設(shè)定監(jiān)控點(diǎn)設(shè)定監(jiān)控點(diǎn)Step1：選定要監(jiān)控的元件Step2：點(diǎn)擊monitor point監(jiān)控點(diǎn)生成，默認(rèn)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(diǎn)并把位置設(shè)置到關(guān)心的地方網(wǎng)格定義網(wǎng)格定義求解器設(shè)置求解器設(shè)置設(shè)置求解方式設(shè)置迭代次數(shù)附加選項(xiàng)錯(cuò)誤檢查與初始化錯(cuò)誤檢查與初始化n錯(cuò)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(diǎn)后處理后處理 -Table表格表格后處理后處理 -Visual Editor圖形化結(jié)果輸出圖形化結(jié)果輸出FloTHERM項(xiàng)目的導(dǎo)入導(dǎo)出項(xiàng)目的導(dǎo)入導(dǎo)出可以導(dǎo)入導(dǎo)出的項(xiàng)目(Project)文件PDML文件: 只包括模型文件,不包括計(jì)算結(jié)果Pack文件: 包括計(jì)算結(jié)果的模型文件可以導(dǎo)入導(dǎo)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(gè)項(xiàng)目模型及其網(wǎng)格、求解設(shè)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(xì)的解。代價(jià)：代價(jià)： 內(nèi)存使用量 計(jì)算時(shí)間目標(biāo)：目標(biāo)： 網(wǎng)格獨(dú)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(jìn)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(jiǎn)化復(fù)雜PCB模型的建模Import CAD ModelsFLO/MCADACIS (SAT)FLOTHERMIGESSTLSATSTEPProE - prt asmCATIASolidWork雙向的導(dǎo)入導(dǎo)出Introduction of Command centern DOE (Design on Experiments) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)由軟件或用戶安排N種設(shè)計(jì)方案,軟件自動(dòng)進(jìn)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(dòng)順序?qū)?yōu)用戶給定可變參數(shù)區(qū)間和優(yōu)化目標(biāo)權(quán)重，軟件自動(dòng)尋找最優(yōu)方案Command Centre 運(yùn)用兩者的結(jié)合兩個(gè)優(yōu)化量，一個(gè)二維的變化兩個(gè)優(yōu)化量，一個(gè)二維的變化區(qū)間區(qū)間無(wú)數(shù)種方案首先找出N種DOE方案,達(dá)到最優(yōu)覆蓋率