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 更多技術案例請見兆水科技Youtube頻道:https://reurl.cc/NXLOd9 考慮到此板很多學生想要學習軟體但找不到資源，因此我們提供: 1."免費"的Flotherm/FloEFD/XT 電子教材給鄉民，請至下面留下資料 https://reurl.cc/9X8p08 2.若已索取免費的教材，兆水科技提供免費的線上學習頻道給熱流同好 https://megaflow.com.tw/free-on-line-training-course/ 更多軟體教學影片，歡迎訂閱兆水技術資源頻道 https://reurl.cc/j1l5Yn 3.若有任何技術問題歡迎發e-mail至兆水科技熱流部門技術支援信箱 [email protected] 純粹想幫助有心學習熱流軟體的人，我們相信幫助別人就是幫助自己 若覺得我們提供的資源對您有所幫助，也歡迎與兆水科技一起做善事 https://megaflow.com.tw/charity-is-good-for-you/ --

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