有限元如何建模？Flotherm軟件組件工程應用簡介
熱仿真中，如何有效地將實際的機器合理地轉(zhuǎn)化為虛擬的數(shù)值模型，是熱仿真的關鍵。軟件的操作方法很容易掌握，但各對象背后的物理意義卻并非一朝一夕就可以徹底理解。而后者往往極大限制了工程師的建模能力。有限元科技小編結(jié)合元王有限元案例，對Flotherm中常用的各種對象組件做一個詳細的工程實際映射，請大家參考。
深圳市有限元科技有限公司是Flotherm軟件的一級代理商，并代理國外其他多款cae軟件，有限元科技是以工程仿真軟件開發(fā)為核心，集cae咨詢、cae培訓、cae軟件研發(fā)與銷售為一體的高科技企業(yè)。公司秉承以最高質(zhì)量的產(chǎn)品和最高質(zhì)量的服務滿足客戶的各種需求的服務理念，致力于為客戶提供一站式cae整體解決方案，目前已為全國超過500家企業(yè)提供cae分析服務。如需購買軟件或咨詢服務等請聯(lián)系電話：13632683051，QQ：2039363860/4006046636。
Cuboid——塊。表示實體塊。產(chǎn)品中有各種結(jié)構(gòu)件，都可以用實體塊來代替。當然，F(xiàn)lotherm中的Cuboid是結(jié)構(gòu)化的六面體。從物理意義上理解，任何流體無法流過的區(qū)域或結(jié)構(gòu)，都可以認為是實體塊，都可以用實體塊進行建立，通過賦值不同的材料屬性、功耗等參數(shù)來表達其對散熱場的影響。因此，從這個角度講，幾乎所有的物理實體都可以在塊的空間處進行覆蓋。
Prism——物理屬性同Cuboid，只是形狀不一致。其形狀是棱柱。
TET——物理屬性同Cuboid和Prism，只是形狀不一致。其形狀是四面體。
Invertedtet——物理屬性同cuboid、Prism和TET，只是形狀不一致。其形狀是反四面體。
Resistance——Flotherm中一個常用的簡化物理模型的組件，表示某區(qū)域?qū)α鲃釉斐傻淖枇?。復雜模型中，resistance是一個非常有用的簡化工具。比如一個刀片式服務器，在設計前期，先通過數(shù)值風洞探究待插單板的阻力特性，然后設置resistance的相關參數(shù)（參數(shù)的設定在Flotherm官方的宏網(wǎng)站上有詳細的指導，輸入一定的參數(shù)之后，甚至可以直接輸出PDML格式的文檔，方便導入），通過resistance來替代詳細單板，極大地減小網(wǎng)格數(shù)量，在前期進行風道優(yōu)化設計，各結(jié)構(gòu)附件對整機散熱的影響時，有效提高仿真效率。從物理屬性上講，Resistance本質(zhì)上講就是一個均質(zhì)多孔介質(zhì)， Flotherm功能簡單，它無法實現(xiàn)Fluent那樣各處異性的賦值，不過，均質(zhì)多孔介質(zhì)的簡化對于電子器件阻力的近似已經(jīng)完全夠用。從數(shù)值計算的角度上理解，多孔介質(zhì)的設定并不引入新的變量，resistance存在的網(wǎng)格中，離散方程將根據(jù)用戶的設定自動在相應控制容積內(nèi)添加阻力項，此阻力項在控制方程中以源項的形式存在，調(diào)用的速度值為上一次迭代得出的速度值。因此，resistance模型的引入，完全沒有增加新的變量，在計算過程中也不會造成計算機負荷的明顯加重。推薦在風道優(yōu)化過程中，甚至系統(tǒng)進出風口采用。
Assembly：其作用相當于windows操作系統(tǒng)中的文件夾，可以存放各種類型的文件。所有可以單獨存在的組件都可以放在assembly中，而那些不能單獨存在的組件則不能直接建立?？梢杂眠@個例子類比：Windows文件夾中可以新建文件夾，這個文件夾可以是空的，也可以是有內(nèi)容的，與此類似，assembly也是如此，其下可以建立新的assembly，新的assembly可以是空的，也可以包含組件。再有，Windows文件夾中可以存放各種類型的文件，比如word文檔，exe文件，視頻文件等等，但它不能直接儲存幾個字符或者一段聲音。如果要存儲，這些字符或者聲音必須寫入到相關的文件里，比如word文檔或者一個MP3格式的文件，才能在文件夾中存放。Assembly也是如此，用戶不可能直接在assembly下建一個孔，supply，extract，一個器件，一個網(wǎng)絡節(jié)點或者網(wǎng)絡塊，因為這些組件不能脫離實體而存在。比如最簡單的孔：孔只有在塊或者板上出現(xiàn)，才能想象到它的意義，單獨說有個孔，顯然令人無法理解。
Source：源是Flotherm中另一個非常常用簡化組件。通常情況下，在分析傳熱問題時，它只被用作產(chǎn)生熱量或者設置定溫來使用，而實際上，它的功能遠不止此。它還可以作為質(zhì)量或力源。大家都知道，F(xiàn)lotherm求解的控制方程包含五個，連續(xù)方程，三個方向上的動量方程，以及能量方程。設置定溫或者定發(fā)熱功率，就是改變能量方程。數(shù)值壓力，就是改變連續(xù)方程。設置力，就是改變動量方程。其實，力和質(zhì)量極少使用，而溫度和發(fā)熱量非常常用。但既然flotherm已經(jīng)通過軟件實現(xiàn)了能量方程的有限制的定制化修改，實現(xiàn)另外四個方程實質(zhì)上已經(jīng)不需要再添加任何有難度的指令，所以即便不是很常用，也都集成過來放到這里供大家調(diào)用了。
Source的另外一個細節(jié)注意點是，面source會出現(xiàn)一個箭頭。Source作用到動量方程時，表示力的方向。同時，source作用于其箭頭指向的那一層網(wǎng)格。這一注意事項，在使用面熱源進行芯片發(fā)熱量建模時，有時很有必要注意。如果作用在芯片表面而箭頭方向指錯，有可能導致很大的計算誤差。
Heatsink：散熱器。實際上是Flotherm為了用戶建模方便設置的模塊。物理意義上，相當于一系列cuboid的堆積。所以，其屬性和塊體一致。但它不能設置孔，是最大缺陷。但是，如果用戶確實認為散熱器上某處需要打孔，而又想利用Flotherm自帶的這一模塊化的功能，就可以建好這一模塊之后，選中HeatSink，點Geometry，選擇Decompose，即可將散熱器打散，成為一系列cuboid的堆疊。此時，即可添加hole了。
PCB：PCB也是Flotherm便捷用戶操作的一個組件，可以覆蓋多種物理特性。
PCBComponent：類似Cuboid，但無法使用孔和循環(huán)設備。
Slopingblock：斜板，用于幾何建模，組件子關系同PCBcomponent。
Enclosure：框。屬性同Cuboid。所有情況下，都用Cuboid堆疊替代。
Cylinder：圓柱。屬性同cuboid。建議少用。Flotherm只有結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，圓形界面不可能完全貼合，固有誤差無法消除。
Hole：孔?？梢栽O置在Cuboid上，Hole分為開放式孔，還可以設定開孔率，模擬多孔板。設置開孔率去模擬多孔板，可以大幅降低網(wǎng)格數(shù)，極常用。
Fan：風扇。是Flotherm為簡化建模開發(fā)的最重要的部件之一。Flotherm中不能探究具體扇葉對流場的影響，但這種簡化會顯著提高建模和計算效率。Flotherm風扇的作用通過迭代實現(xiàn)。當設定PQ曲線時，軟件的計算過程如下：給定風機壓力，計算流場及溫度場；回歸計算風扇通風量，與PQ線進行比對。如有不符，根據(jù)上一次計算差調(diào)整給定的風機壓力，重復上述過程，直至符合。
Recirculationdevice：包含supply和extracts?？梢酝ㄟ^別的組件來拼湊supply和extracts的具體形狀。通常情況下，可以使用Recirculationdevice來對離心風機、換熱器等Flotherm中并未直接建好而卻比較常用的組件模塊進行建模。既然能模擬風機，Recirculationdevice自身也可以設置PQ線。當然，由于recirculationdevice又并非僅用來建立離心風機，任何循環(huán)流動組件都可以用它來建模，所以，這里的PQ線是一個更廣義的壓力-流量線，反映了這一組件的流動阻力特性?？梢哉f，再配合其熱學設置項，recirculationdevice可以對產(chǎn)品許多組件實現(xiàn)非常大幅度的簡化，當然，這一功能在Flotherm11中通過添加cooler和rack兩個組件更加細化和顯性化了。
Cooler&Rack：Flotherm11特地添加了這兩個組件。從組成上看，這兩個組件與recirculationdevice完全相同，但其屬性設置有所區(qū)別。相對于recirculationdevice而言，Cooler還可以設定某點的溫度值，設定其可以冷卻掉熱量的大小用來判斷是否失效。對于Rack，我的理解是另一種簡化程度更高的模型。它直接將產(chǎn)品中某對其他組件會產(chǎn)生熱級聯(lián)影響的組件集用rack這一個特征去代替。在了解了cooler的設置項后，rack的各屬性設定一目了然。
Networkassembly：從組件名稱就可以看出，它其實是一個集合而非簡單的幾何體。一個完整的networkassembly包含多級，結(jié)、殼和板是三個最基本的芯片元素。當精度要求較高，芯片內(nèi)部組成比較詳細時，你可以按照實際情況建立多個結(jié)，其熱量的傳遞路徑也可能并不是這么單一，除了結(jié)到板的傳遞，還可能有各種形式的邊緣的管腳進行熱量傳遞。內(nèi)部結(jié)到板的傳熱，也有可能有引線參與。通過右鍵在networkassembly上彈出的菜單中，可以設置node到node間的熱阻屬性，以便描述芯片內(nèi)部的熱物理屬性。從這個角度，你不難理解，實際上發(fā)熱塊模型、雙熱阻模型、星形熱阻模型等比較簡單的熱阻模型，都不過時networkassembly的一種簡化形態(tài)。
TEC：熱電制冷組件，室外柜中常用。室內(nèi)電子產(chǎn)品目前用的還不多。隨著其尺寸愈來愈緊湊，室內(nèi)的應用，應該也會逐漸出現(xiàn)。
PowerMap：需要從外部導入thermalmap文件。屬于精細化建模，而且模型樹中的模型需要與powermap導入的文件對應起來，才不會出錯。
對于工程師而言，必須牢記的一點是，熱仿真僅僅是一個設計工具，可用于對于產(chǎn)品的溫度表現(xiàn)做一個摸底和趨勢性的判斷。但如果作為專業(yè)的熱設計工作者，仍然迷信于熱仿真的絕對結(jié)果，甚至將熱仿真等同于熱設計，是極端狹隘的。而對于完全不懂熱學原理的人而言，即使其對軟件的操作已經(jīng)爛熟于胸，但由于完全沒有理論支撐，其建立的熱仿真模型仍有可能漏洞百出，導致熱仿真結(jié)果與散熱實際表現(xiàn)天差地別，此時，仍然過度依賴熱仿真極有可能適得其反，走向更加錯誤的一端。因此，熱仿真作為一種先進工具，合理運用會帶來巨大價值，不合理的使用，除了會耗費巨大精力和時間資源，還有可能將設計引向錯誤的方向，造成巨大的損失。
本文出自深圳有限元科技有限公司官網(wǎng)：7zhuan.cn 轉(zhuǎn)載請注明
