有限元如何建模？Flotherm软件组件工程应用简介

 热仿真中，如何有效地将实际的机器合理地转化为虚拟的数值模型，是热仿真的关键。软件的操作方法很容易掌握，但各对象背后的物理意义却并非一朝一夕就可以彻底理解。而后者往往极大限制了工程师的建模能力。有限元科技小编结合元王有限元案例，对Flotherm中常用的各种对象组件做一个详细的工程实际映射，请大家参考。

 深圳市有限元科技有限公司是Flotherm软件的一级代理商，并代理国外其他多款cae软件，有限元科技是以工程仿真软件开发为核心，集cae咨询、cae培训、cae软件研发与销售为一体的高科技企业。公司秉承以最高质量的产品和最高质量的服务满足客户的各种需求的服务理念，致力于为客户提供一站式cae整体解决方案，目前已为全国超过500家企业提供cae分析服务。如需购买软件或咨询服务等请联系电话：13632683051，QQ：2039363860/4006046636。

 Cuboid——块。表示实体块。产品中有各种结构件，都可以用实体块来代替。当然，Flotherm中的Cuboid是结构化的六面体。从物理意义上理解，任何流体无法流过的区域或结构，都可以认为是实体块，都可以用实体块进行建立，通过赋值不同的材料属性、功耗等参数来表达其对散热场的影响。因此，从这个角度讲，几乎所有的物理实体都可以在块的空间处进行覆盖。

 Prism——物理属性同Cuboid，只是形状不一致。其形状是棱柱。

 TET——物理属性同Cuboid和Prism，只是形状不一致。其形状是四面体。

 Invertedtet——物理属性同cuboid、Prism和TET，只是形状不一致。其形状是反四面体。

 Resistance——Flotherm中一个常用的简化物理模型的组件，表示某区域对流动造成的阻力。复杂模型中，resistance是一个非常有用的简化工具。比如一个刀片式服务器，在设计前期，先通过数值风洞探究待插单板的阻力特性，然后设置resistance的相关参数（参数的设定在Flotherm官方的宏网站上有详细的指导，输入一定的参数之后，甚至可以直接输出PDML格式的文档，方便导入），通过resistance来替代详细单板，极大地减小网格数量，在前期进行风道优化设计，各结构附件对整机散热的影响时，有效提高仿真效率。从物理属性上讲，Resistance本质上讲就是一个均质多孔介质， Flotherm功能简单，它无法实现Fluent那样各处异性的赋值，不过，均质多孔介质的简化对于电子器件阻力的近似已经完全够用。从数值计算的角度上理解，多孔介质的设定并不引入新的变量，resistance存在的网格中，离散方程将根据用户的设定自动在相应控制容积内添加阻力项，此阻力项在控制方程中以源项的形式存在，调用的速度值为上一次迭代得出的速度值。因此，resistance模型的引入，完全没有增加新的变量，在计算过程中也不会造成计算机负荷的明显加重。推荐在风道优化过程中，甚至系统进出风口采用。

 Assembly：其作用相当于windows操作系统中的文件夹，可以存放各种类型的文件。所有可以单独存在的组件都可以放在assembly中，而那些不能单独存在的组件则不能直接建立。可以用这个例子类比：Windows文件夹中可以新建文件夹，这个文件夹可以是空的，也可以是有内容的，与此类似，assembly也是如此，其下可以建立新的assembly，新的assembly可以是空的，也可以包含组件。再有，Windows文件夹中可以存放各种类型的文件，比如word文档，exe文件，视频文件等等，但它不能直接储存几个字符或者一段声音。如果要存储，这些字符或者声音必须写入到相关的文件里，比如word文档或者一个MP3格式的文件，才能在文件夹中存放。Assembly也是如此，用户不可能直接在assembly下建一个孔，supply，extract，一个器件，一个网络节点或者网络块，因为这些组件不能脱离实体而存在。比如最简单的孔：孔只有在块或者板上出现，才能想象到它的意义，单独说有个孔，显然令人无法理解。

 Source：源是Flotherm中另一个非常常用简化组件。通常情况下，在分析传热问题时，它只被用作产生热量或者设置定温来使用，而实际上，它的功能远不止此。它还可以作为质量或力源。大家都知道，Flotherm求解的控制方程包含五个，连续方程，三个方向上的动量方程，以及能量方程。设置定温或者定发热功率，就是改变能量方程。数值压力，就是改变连续方程。设置力，就是改变动量方程。其实，力和质量极少使用，而温度和发热量非常常用。但既然flotherm已经通过软件实现了能量方程的有限制的定制化修改，实现另外四个方程实质上已经不需要再添加任何有难度的指令，所以即便不是很常用，也都集成过来放到这里供大家调用了。

 Source的另外一个细节注意点是，面source会出现一个箭头。Source作用到动量方程时，表示力的方向。同时，source作用于其箭头指向的那一层网格。这一注意事项，在使用面热源进行芯片发热量建模时，有时很有必要注意。如果作用在芯片表面而箭头方向指错，有可能导致很大的计算误差。

 Heatsink：散热器。实际上是Flotherm为了用户建模方便设置的模块。物理意义上，相当于一系列cuboid的堆积。所以，其属性和块体一致。但它不能设置孔，是最大缺陷。但是，如果用户确实认为散热器上某处需要打孔，而又想利用Flotherm自带的这一模块化的功能，就可以建好这一模块之后，选中HeatSink，点Geometry，选择Decompose，即可将散热器打散，成为一系列cuboid的堆叠。此时，即可添加hole了。

 PCB：PCB也是Flotherm便捷用户操作的一个组件，可以覆盖多种物理特性。

 PCBComponent：类似Cuboid，但无法使用孔和循环设备。

 Slopingblock：斜板，用于几何建模，组件子关系同PCBcomponent。

 Enclosure：框。属性同Cuboid。所有情况下，都用Cuboid堆叠替代。

 Cylinder：圆柱。属性同cuboid。建议少用。Flotherm只有结构化网格，圆形界面不可能完全贴合，固有误差无法消除。

 Hole：孔。可以设置在Cuboid上，Hole分为开放式孔，还可以设定开孔率，模拟多孔板。设置开孔率去模拟多孔板，可以大幅降低网格数，极常用。

 Fan：风扇。是Flotherm为简化建模开发的最重要的部件之一。Flotherm中不能探究具体扇叶对流场的影响，但这种简化会显着提高建模和计算效率。Flotherm风扇的作用通过迭代实现。当设定PQ曲线时，软件的计算过程如下：给定风机压力，计算流场及温度场；回归计算风扇通风量，与PQ线进行比对。如有不符，根据上一次计算差调整给定的风机压力，重复上述过程，直至符合。

 Recirculationdevice：包含supply和extracts。可以通过别的组件来拼凑supply和extracts的具体形状。通常情况下，可以使用Recirculationdevice来对离心风机、换热器等Flotherm中并未直接建好而却比较常用的组件模块进行建模。既然能模拟风机，Recirculationdevice自身也可以设置PQ线。当然，由于recirculationdevice又并非仅用来建立离心风机，任何循环流动组件都可以用它来建模，所以，这里的PQ线是一个更广义的压力-流量线，反映了这一组件的流动阻力特性。可以说，再配合其热学设置项，recirculationdevice可以对产品许多组件实现非常大幅度的简化，当然，这一功能在Flotherm11中通过添加cooler和rack两个组件更加细化和显性化了。

 Cooler&Rack：Flotherm11特地添加了这两个组件。从组成上看，这两个组件与recirculationdevice完全相同，但其属性设置有所区别。相对于recirculationdevice而言，Cooler还可以设定某点的温度值，设定其可以冷却掉热量的大小用来判断是否失效。对于Rack，我的理解是另一种简化程度更高的模型。它直接将产品中某对其他组件会产生热级联影响的组件集用rack这一个特征去代替。在了解了cooler的设置项后，rack的各属性设定一目了然。

 Networkassembly：从组件名称就可以看出，它其实是一个集合而非简单的几何体。一个完整的networkassembly包含多级，结、壳和板是三个最基本的芯片元素。当精度要求较高，芯片内部组成比较详细时，你可以按照实际情况建立多个结，其热量的传递路径也可能并不是这么单一，除了结到板的传递，还可能有各种形式的边缘的管脚进行热量传递。内部结到板的传热，也有可能有引线参与。通过右键在networkassembly上弹出的菜单中，可以设置node到node间的热阻属性，以便描述芯片内部的热物理属性。从这个角度，你不难理解，实际上发热块模型、双热阻模型、星形热阻模型等比较简单的热阻模型，都不过时networkassembly的一种简化形态。

 TEC：热电制冷组件，室外柜中常用。室内电子产品目前用的还不多。随着其尺寸愈来愈紧凑，室内的应用，应该也会逐渐出现。

 PowerMap：需要从外部导入thermalmap文件。属于精细化建模，而且模型树中的模型需要与powermap导入的文件对应起来，才不会出错。

 对于工程师而言，必须牢记的一点是，热仿真仅仅是一个设计工具，可用于对于产品的温度表现做一个摸底和趋势性的判断。但如果作为专业的热设计工作者，仍然迷信于热仿真的绝对结果，甚至将热仿真等同于热设计，是极端狭隘的。而对于完全不懂热学原理的人而言，即使其对软件的操作已经烂熟于胸，但由于完全没有理论支撑，其建立的热仿真模型仍有可能漏洞百出，导致热仿真结果与散热实际表现天差地别，此时，仍然过度依赖热仿真极有可能适得其反，走向更加错误的一端。因此，热仿真作为一种先进工具，合理运用会带来巨大价值，不合理的使用，除了会耗费巨大精力和时间资源，还有可能将设计引向错误的方向，造成巨大的损失。

 本文出自深圳有限元科技有限公司官网：www.featech.com.cn 转载请注明