作者blueway1222 (藍藍)
看板Cad_Cae
標題[心得] CAE結構分析/CFD熱流模擬-分析標準流程
時間Thu Nov 24 01:47:50 2022
CAE結構分析/CFD熱流模擬-分析標準流程 完整網頁版
https://megaflow.com.tw/cae-simulation-process/
甚麼是CAE軟體?
電腦輔助工程(Computer Aided Engineering),主要用於模擬分析、驗證和改善設計。
目的為在設計初期,沒有實際樣品的情況下,利用電腦系統的高速運算機能,藉著數值分
析或商用分析軟體,進行產品設計初期或是製造過程之模擬分析,透過可視化的結果呈現
提供工程師進行設計變更的參考依據,以達到最佳化設計。我們可以想像CAE軟體就是將
實際會做的實驗放在電腦中執行藉,以節省產品開發時間與降低時間成本。例如在CFD熱
流模擬中常見的伺服器分析,都必須經過Simcenter Flotherm 伺服器熱流分析軟體,找
出最佳的散熱對策才能進行伺服器的生產與製造,而常見的CAE軟體二大使用領域為:
--CFD流體力學與熱傳(FVM有限體積法為主)
--FEA 結構應力與強度分析(FEM有限元素法為主)
甚麼是CFD軟體?
隸屬於CAE軟體中分類的計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,簡稱CFD)為流
體力學領域的重要技術之一,使用數值方法在計算機中對流體力學的控制方程式進行求解
,從而可預測流場的流動及溫度的變化。
CAE/CFD熱流模擬軟體-分析標準流程
任何CAE模擬軟體或CFD熱流分析軟體,大致上會以下六大步驟進行
步驟一:3-D CAD模型匯入
通常CAE/CFD熱流分析工程師會從ME機構工程師拿到3-D CAD檔案,一般是經過轉檔過後
3-D CAD的中繼檔,Step/Parasoild(x_t)/IGES/STL 等等的格式,很多時候機構工程師的
3-D CAD圖為機構圖不適合模擬分析,因此很多特徵與分析無關結構的都會保留,例如圓
角、螺絲孔、Logo、PCB板細部特徵。因此透過CAE/CFD將無關的細部特徵保留並直接去切
割網格(Mesh)的話,會導致網格量暴增更可能的是讓分析無法收斂,因此分析前通常會進
行步驟二:簡化模型,即將不必要之細部特徵簡化。
步驟二:模型前處理與模型簡化
CAD模型前處理與簡化為CAE/CFD/FEA分析中最花時間與最重要的部份,有經驗的工程師會
將過多的小孔、導角、公差細縫、干涉去除。若前處理為3D CAD的工具,可直接使用CAD
來簡化,例如Simcenter FloEFD可內嵌在五大3D CAD(Siemens NX、Pro/E/CREO、
SolidWorks、CATIA V5) 中,機構與熱流工程師可直接使用公司慣用的3D CAD來直接簡化
模型,減少因轉檔造成的破面及誤差。若使用的前處理工具不是3D-CAD 軟體,匯入之3D
CAD還是破圖無法修復就需要回3D CAD或是用第三方軟體來修補,有幾種知名的前處理軟
體會被拿來當作CAD修模工具使用,例如Altair HyperWorks、ANSYS SpaceClaim、BETA
ANSA、或是其他CAE工具內建的前處理也都已經相當成熟,例如Simcenter 3D
Engineering Desktop、MSC Patran、Abaqus CAE、也都廣泛的被市場使用。
步驟三:分析參數設定與網格最佳化配置
關於分析準確度,除了分析參數是否與實驗數據吻合之外,網格的數量與品質是另一個影
響分析準確度非常重要的因素,網格品質不佳或數量過少會得到較不精準的結果且易造成
分析結果容易發散,但使用過於龐大的網格數量又會導致計算時間過於冗長,因此有經驗
的工程師會進行網格獨立性的測試,找出最少的網格數量但又不會影響數值最網格最佳化
配置。
每套軟體對於計算原理會有不同的網格(Meshing)處理方式,一般為解析流場邊界層,
會沿著模型表面與邊界建立非結構式網格,然後再藉由邊界網格鋪滿整個計算域的網格,
最後藉由局部網格加密,提升高能量密度(Power density)以及高流場梯度區域
(velocity gradient)的解析度。然而網格配置是一種藝術,對於新手而言,難以掌握網
格配置的技巧,因此西門子熱流軟體為新手建立了一個網格自動化建立的橋樑,讓新手在
使用CFD軟體變得容易上手,更親近使用者。
網格系統,最直覺的方式就是使用卡迪森直角座標網格(cartesian mesh),然而
直角座標網格系統有令人詬病的地方,即在傾斜面或是曲面的物體上,須提高網格密來描
述物體邊界的物理行為,然而這需要較多經驗與知識來控制調整網格。 此種方法常見於
電子封裝散熱的軟體,如Simcenter Flotherm、Simcenter Flotherm XT、Simcenter
FloEFD、ANSYS-Icepak以及6-SigmaET。上述軟體對於複雜的曲面外型的處理如下
1. Simcenter Flotherm需搭配MCAD匯入簡化模型才能進行分析,若外型過於複雜,需要
簡化,否則會產生過多的網格
2. 6-SigmaET與Simcenter Flotherm同為卡迪森直角座標網格,在複雜的幾何外型可嘗試
以較密的直角坐標網格去符合曲面幾何外型,但是若外型過於複雜,有可能不易生成網格
3. Icepak的網格系統源自於ANSYS-Fluent,有非結構性網格能選擇,因此能較好的分析
曲面外形之題目,但同時這也是ANSYS-Icepak 也有致命的缺點,即網格控制相當困難且
系統內的物件尺寸差異大的時候,會畫分較多的網格數目,除了收斂性差,也頗占系統資
源
4. Simcenter FloEFD以及Flotherm XT的網格系統結合卡迪森直角座標網格系統以及沉浸
邊界法的優勢,利用物體邊界條件修正邊界附近的流場,使得在卡迪森直角座標網格系統
也可以輕鬆解析複雜的幾何問題,此技術稱為Partial Mesh技術,是FloEFD與FloTherm
XT獨有的技術。因為這個技術讓FloEFD不僅可以快速的解析曲面外型複雜的問題且又兼顧
準確度及收斂型,按照我們的經驗,同樣的曲面外型複雜之題目,FloEFD以及Flotherm
XT的網格數量只需要Flotherm/Icepak/6-sigma ET不到1/10
步驟四:求解參數與設定
我們可以想像工程分析軟體就是一個黑盒子,輸入錯誤的資訊到黑盒子裡,就會得到錯誤
的結果,也就是我們分析業界常聽到的” Garbage in garbage out” ,市場上只要可以
存活十年以上的任何CFD/CAE分析軟體都已經相當成熟,使用的統御方程式也都相同,理
論上只要分析參數趨近於實驗設置,網格有合理的配置,按照我們的實務經驗,都可以讓
分析準確度逼近5%以內。以CFD熱流分析軟體來說,影響分析準確度最大的因素就是熱源
的設定,因為同樣為IC元件,驅動方式不同,熱瓦數計算方式也會不同,而這邊所要設定
的是”熱瓦數” ,就是所謂的thermal design power,而非一般EE認知中,經過一顆IC
的所有電流都會轉換成,取決於這顆晶片的特性,因此一般IC的熱功率時常被高估,即使
用驅動晶片功率(Driving Power)為熱功率,所以若使用驅動晶片功率為熱功率,在分析
時時常造成分析溫度結果遠高於實驗值,結果導致一些公司認為CFD軟體分析不準的主要
原因之一。
科普一下,熱瓦數,一開始是Intel創建出來的,目前只要是CPU都會提供熱瓦數的資訊,
以提供散熱設計者確認再使用這些CPU時,需要散多少的熱瓦數
步驟五:後處理與做報告
CFD分析軟體常見後處理有流場圖Flow pattern、壓力分佈圖、溫度分析圖、煙線圖、速
度分析圖、各種動畫圖等等。經由流場數位可視化可以將抽象的影像在螢幕上顯示,或是
降低實驗所需的大量經費。此外,藉由後處理,能讓工程師容易使用圖示方式表達其設計
概念,並羅列出所有散熱的可能性及優化的方向,使散熱設計問題更淺顯易懂。
步驟六:找出最佳化設計方案
除了上述五個步驟,最棘手的是第六個問題,如何找出最佳化設計,何謂最佳化設計?即
在目前的設計案中,找到可以節省成本(cost down)、輕量化、最小化或提升散熱的設計
參數。隨著這些問題的羅列,往往參數間存在著衝突,如產品輕量化,會有結構應力集中
的問題,因此可以透過一些最佳化演算法,找出最佳的參數設計,如一般常見的方法,全
域搜尋法 -- 實驗設計法 (Design of Experiment) 或區域搜尋法 -- 響應曲面法
(Response surface optimization)。一般常見的熱流分析案,其優化方針會以下幾種因
素做參數設計,
-風扇配置-針對不同散熱條件替換風扇或調整風扇位置
-開孔位置-調整至散熱效率最佳的位置,增加或減少開孔數量
-散熱鰭片-加大或增加散熱鰭片Fin的數量以增加導熱面積,但有一些限制
-改變材質-增加Thermal conductivity 熱傳導係數K
-PCB銅層-在熱源較大且無法解過的IC附近,增加thermal via或銅線幫助散熱
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