CAE结构分析/CFD热流模拟-分析标准流程 完整网页版 https://megaflow.com.tw/cae-simulation-process/ 甚麽是CAE软体? 电脑辅助工程（Computer Aided Engineering），主要用於模拟分析、验证和改善设计。 目的为在设计初期，没有实际样品的情况下，利用电脑系统的高速运算机能，藉着数值分 析或商用分析软体，进行产品设计初期或是制造过程之模拟分析，透过可视化的结果呈现 提供工程师进行设计变更的参考依据，以达到最佳化设计。我们可以想像CAE软体就是将 实际会做的实验放在电脑中执行藉，以节省产品开发时间与降低时间成本。例如在CFD热 流模拟中常见的伺服器分析，都必须经过Simcenter Flotherm 伺服器热流分析软体，找 出最佳的散热对策才能进行伺服器的生产与制造，而常见的CAE软体二大使用领域为: --CFD流体力学与热传（FVM有限体积法为主） --FEA 结构应力与强度分析（FEM有限元素法为主） 甚麽是CFD软体? 隶属於CAE软体中分类的计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）为流 体力学领域的重要技术之一，使用数值方法在计算机中对流体力学的控制方程式进行求解 ，从而可预测流场的流动及温度的变化。 CAE/CFD热流模拟软体-分析标准流程 任何CAE模拟软体或CFD热流分析软体，大致上会以下六大步骤进行 步骤一:3-D CAD模型汇入 通常CAE/CFD热流分析工程师会从ME机构工程师拿到3-D CAD档案，一般是经过转档过後 3-D CAD的中继档，Step/Parasoild(x_t)/IGES/STL 等等的格式，很多时候机构工程师的 3-D CAD图为机构图不适合模拟分析，因此很多特徵与分析无关结构的都会保留，例如圆 角、螺丝孔、Logo、PCB板细部特徵。因此透过CAE/CFD将无关的细部特徵保留并直接去切 割网格(Mesh)的话，会导致网格量暴增更可能的是让分析无法收敛，因此分析前通常会进 行步骤二:简化模型，即将不必要之细部特徵简化。 步骤二:模型前处理与模型简化 CAD模型前处理与简化为CAE/CFD/FEA分析中最花时间与最重要的部份，有经验的工程师会 将过多的小孔、导角、公差细缝、干涉去除。若前处理为3D CAD的工具，可直接使用CAD 来简化，例如Simcenter FloEFD可内嵌在五大3D CAD(Siemens NX、Pro/E/CREO、 SolidWorks、CATIA V5) 中，机构与热流工程师可直接使用公司惯用的3D CAD来直接简化 模型，减少因转档造成的破面及误差。若使用的前处理工具不是3D-CAD 软体，汇入之3D CAD还是破图无法修复就需要回3D CAD或是用第三方软体来修补，有几种知名的前处理软 体会被拿来当作CAD修模工具使用，例如Altair HyperWorks、ANSYS SpaceClaim、BETA ANSA、或是其他CAE工具内建的前处理也都已经相当成熟，例如Simcenter 3D Engineering Desktop、MSC Patran、Abaqus CAE、也都广泛的被市场使用。 步骤三:分析参数设定与网格最佳化配置 关於分析准确度，除了分析参数是否与实验数据吻合之外，网格的数量与品质是另一个影 响分析准确度非常重要的因素，网格品质不佳或数量过少会得到较不精准的结果且易造成 分析结果容易发散，但使用过於庞大的网格数量又会导致计算时间过於冗长，因此有经验 的工程师会进行网格独立性的测试，找出最少的网格数量但又不会影响数值最网格最佳化 配置。 每套软体对於计算原理会有不同的网格（Meshing）处理方式，一般为解析流场边界层， 会沿着模型表面与边界建立非结构式网格，然後再藉由边界网格铺满整个计算域的网格， 最後藉由局部网格加密，提升高能量密度(Power density)以及高流场梯度区域 (velocity gradient)的解析度。然而网格配置是一种艺术，对於新手而言，难以掌握网 格配置的技巧，因此西门子热流软体为新手建立了一个网格自动化建立的桥梁，让新手在 使用CFD软体变得容易上手，更亲近使用者。 网格系统，最直觉的方式就是使用卡迪森直角座标网格(cartesian mesh)，然而 直角座标网格系统有令人诟病的地方，即在倾斜面或是曲面的物体上，须提高网格密来描 述物体边界的物理行为，然而这需要较多经验与知识来控制调整网格。 此种方法常见於 电子封装散热的软体，如Simcenter Flotherm、Simcenter Flotherm XT、Simcenter FloEFD、ANSYS-Icepak以及6-SigmaET。上述软体对於复杂的曲面外型的处理如下 1. Simcenter Flotherm需搭配MCAD汇入简化模型才能进行分析，若外型过於复杂，需要 简化，否则会产生过多的网格 2. 6-SigmaET与Simcenter Flotherm同为卡迪森直角座标网格，在复杂的几何外型可尝试 以较密的直角坐标网格去符合曲面几何外型，但是若外型过於复杂，有可能不易生成网格 3. Icepak的网格系统源自於ANSYS-Fluent，有非结构性网格能选择，因此能较好的分析 曲面外形之题目，但同时这也是ANSYS-Icepak 也有致命的缺点，即网格控制相当困难且 系统内的物件尺寸差异大的时候，会画分较多的网格数目，除了收敛性差，也颇占系统资 源 4. Simcenter FloEFD以及Flotherm XT的网格系统结合卡迪森直角座标网格系统以及沉浸 边界法的优势，利用物体边界条件修正边界附近的流场，使得在卡迪森直角座标网格系统 也可以轻松解析复杂的几何问题，此技术称为Partial Mesh技术，是FloEFD与FloTherm XT独有的技术。因为这个技术让FloEFD不仅可以快速的解析曲面外型复杂的问题且又兼顾 准确度及收敛型，按照我们的经验，同样的曲面外型复杂之题目，FloEFD以及Flotherm XT的网格数量只需要Flotherm/Icepak/6-sigma ET不到1/10 步骤四:求解参数与设定 我们可以想像工程分析软体就是一个黑盒子，输入错误的资讯到黑盒子里，就会得到错误 的结果，也就是我们分析业界常听到的” Garbage in garbage out” ，市场上只要可以 存活十年以上的任何CFD/CAE分析软体都已经相当成熟，使用的统御方程式也都相同，理 论上只要分析参数趋近於实验设置，网格有合理的配置，按照我们的实务经验，都可以让 分析准确度逼近5%以内。以CFD热流分析软体来说，影响分析准确度最大的因素就是热源 的设定，因为同样为IC元件，驱动方式不同，热瓦数计算方式也会不同，而这边所要设定 的是”热瓦数” ，就是所谓的thermal design power，而非一般EE认知中，经过一颗IC 的所有电流都会转换成，取决於这颗晶片的特性，因此一般IC的热功率时常被高估，即使 用驱动晶片功率(Driving Power)为热功率，所以若使用驱动晶片功率为热功率，在分析 时时常造成分析温度结果远高於实验值，结果导致一些公司认为CFD软体分析不准的主要 原因之一。 科普一下，热瓦数，一开始是Intel创建出来的，目前只要是CPU都会提供热瓦数的资讯， 以提供散热设计者确认再使用这些CPU时，需要散多少的热瓦数 步骤五:後处理与做报告 CFD分析软体常见後处理有流场图Flow pattern、压力分布图、温度分析图、烟线图、速 度分析图、各种动画图等等。经由流场数位可视化可以将抽象的影像在萤幕上显示，或是 降低实验所需的大量经费。此外，藉由後处理，能让工程师容易使用图示方式表达其设计 概念，并罗列出所有散热的可能性及优化的方向，使散热设计问题更浅显易懂。 步骤六:找出最佳化设计方案 除了上述五个步骤，最棘手的是第六个问题，如何找出最佳化设计，何谓最佳化设计?即 在目前的设计案中，找到可以节省成本(cost down)、轻量化、最小化或提升散热的设计 参数。随着这些问题的罗列，往往参数间存在着冲突，如产品轻量化，会有结构应力集中 的问题，因此可以透过一些最佳化演算法，找出最佳的参数设计，如一般常见的方法，全 域搜寻法 -- 实验设计法 (Design of Experiment) 或区域搜寻法 -- 响应曲面法 (Response surface optimization)。一般常见的热流分析案，其优化方针会以下几种因 素做参数设计， -风扇配置-针对不同散热条件替换风扇或调整风扇位置 -开孔位置-调整至散热效率最佳的位置，增加或减少开孔数量 -散热鳍片-加大或增加散热鳍片Fin的数量以增加导热面积，但有一些限制 -改变材质-增加Thermal conductivity 热传导系数K -PCB铜层-在热源较大且无法解过的IC附近，增加thermal via或铜线帮助散热 更多技术案例请见兆水科技Youtube频道:https://reurl.cc/NXLOd9 考虑到此板很多学生想要学习软体但找不到资源，因此我们提供: 1."免费"的Flotherm/FloEFD/XT 电子教材给乡民，请至下面留下资料 https://reurl.cc/9X8p08 2.若已索取免费的教材，兆水科技提供免费的线上学习频道给热流同好 https://megaflow.com.tw/free-on-line-training-course/ 更多软体教学影片，欢迎订阅兆水技术资源频道 https://reurl.cc/j1l5Yn 3.若有任何技术问题欢迎发e-mail至兆水科技热流部门技术支援信箱 [email protected] 纯粹想帮助有心学习热流软体的人，我们相信帮助别人就是帮助自己 若觉得我们提供的资源对您有所帮助，也欢迎与兆水科技一起做善事 https://megaflow.com.tw/charity-is-good-for-you/ --

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