Flotherm软件

Flotherm软件（共4篇）

Flotherm软件 篇1

由于现有油田正在枯竭,较容易勘探的油气井都已经处在开发后期,如今世界上许多地区如北海、墨西哥和中国等均不同程度地面临超高温环境下油气勘探和测井作业[1]。据调查,深井环境中,测井仪器的温升主要取决于两个因素:外部环境热对流和内部元器件因功耗而产生的热耗散[2]。国内外在测井仪器上较多使用的保温瓶隔离来自深井的热量,保温瓶内的仪器处于密封环境,虽然存在吸热剂,但由于瓶内器件的热耗散导致瓶内的温度分布不均匀,因此如何保证电子系统在高温环境下的正常工作是系统设计必须考虑的问题。目前高温电路的实现方法可以分为传统法(基于PCB的方法)、混合电路法和ASIC(专用功能集成电路)法[3]。其中,传统法以其开发周期短,开发费用低,且最高适用温度符合我国测井温度环境,通常最高不超过150℃[4]的实际情况等显著特点,本文选择它来实现高温电路的设计。基于PCB法的传统设计主要在于高温器件的选择、电路结构的优化,以及低功耗的设计等途径来实现。而目前在高温电子器件的选择方面,业界基本上已经形成了定论,本文的重点在于优化电路结构和低功耗设计两方面。在设计初期,本文采用Flotherm热分析软件对电路结构和功耗进行了综合考虑及整体设计,节约了时间与成本,实现了高温电路的设计。

1 Flotherm建模与验证

本文所利用的Flotherm软件拥有全球85%以上的电子产品制造商客户,它是电子设备热仿真分析软件之一。应用Flotherm热分析软件对电子设备进行热分析计算的过程是建立分析对象中几何模型和输入模型的参数,设定环境条件与边界条件,划分网格,进行前处理,解算及后处理等。本文的研究背景为光纤测井电路系统,主要研究对象为放置在保温瓶内的光纤测井电路板。在对电路板进行建模之前,首先要确定电路板的主要热源。为了确保热源的选定无误,本文先用红外热像仪对电路板在一定温度下进行红外测试,从而可得到确定整个电路板的热源,为热分析建模奠定了可靠的基础。

1.1 红外热像仪测试热源节点

通过外部端子给PCB施加适当的电源和激励信号后,PCB上的每个器件都会有一定的工作温度,用红外热像仪对PCB的元件进行扫描,即可获得PCB表面的温度分布图[5]。因此将电路板放置在恒温60℃的温箱内工作4 h后,用红外热扫描仪测试电路板的表面温度,由此可得其表面温度场分布如图1所示。

由图1中红外测试温度场分布得知,电路板的热源主要为顶层的运放、箝位、AD、FPGA、电压转换、光模块以及底层的电源芯片和电压转换芯片(热源按图1电路板中从左到右排列)。

1.2 建立模型并验证

1.2.1 建模

对电路板进行建模和仿真分析是电路板级的热分析研究过程,在电路板级的热仿真研究中,建立分析对象的热模型可从印刷电路板和主要发热元器件的建模来考虑。光纤测井电路板的几何尺寸为(长×宽×高)145 mm×50 mm×2 mm,板材结构采用0.32 mm厚、介电常数为4.8的FR4材料,重力方向为沿电路板切线方向向下。建立好的电路板顶层和底层的三维热模型效果如图2所示。其中,印制电路板(PCB)绝缘体材料(如FR4)和铜经过加热和加压制作而成,纯FR4的传导率为0.35 W/(m·K),纯铜的传导率为388 W/(m·K)[6]。由于铜一般以铜线、焊盘和过孔等复杂的分布形式存在,所以不可能对其进行详细的建模。本文将电路板进行细分,根据实际的电路板上铜线分布的疏密情形将电路板划分为较小的子块,分别赋予不同的导热率系数。当印制电路板模型建立后,需建立板上分布元器件模型,用以分析元器件的稳态温度值、热点分布以及散热条件等。根据上一节中红外测试所确定的主要热源,建立热源模型,其余均用块状热源代替,且功耗很小的一般器件(如贴片电阻等)采用在电路板上均分的方式来处理,这样即保证了分析的精确性,同时也可获得主要器件在正常工作下的热状态。需要注意的是,材质与热耗的确定是建立元器件模型过程的关键部分。材质由元器件的封装形式并根据具体建模的方式确定;热耗一般可由元器件的功耗来近似代替。实际中准确确定PCB元件的功耗是一个重复迭代的过程。首先猜测元器件的工作环境温度或从初步热分析中得出估计值,并将其功耗输入到热模型中,计算PCB和相关元器件热点的温度,然后使用新温度重新计算元件功耗,算出的功耗再作为下一步热分析过程的输入,该过程一直进行下去直到其数值不再改变为止[7]。

1.2.2 边界环境参数

由于电路板被放在密封环境中,因此电路板的热设计应主要从传导和辐射方面来考虑。在Flotherm操作界面,设置电路板的工作环境温度,在自然散热状态下,流体速度估计值为0.2 m/s,激活辐射特性并设置模型中参与辐射散热器件的发射率,停滞空气的导热率为5 W/(m2·℃)。求解域大小为180 mm×60 mm×75 mm,既满足了求解域大小(求解域尺寸大于求解对象的几何尺寸)的要求,同时也可分析电路板周围的温度分布云图。

1.2.3 模型验证

稳态仿真是通过对主要元器件设置温度检测点,记录元器件的稳态温度值,主要分析研究电路板上的热点分布问题。设定仿真环境为60℃,即可得到电路板的仿真温度状态分布图,如图3所示。将仿真所得电路板表面温度值与前面红外测试所得结果相比较,即可验证模型建立方法的正确性与模型参数输入的精确性。表1为60℃时2种方法的结果统计。

由图3可见,电路板在60℃时仿真与热扫描的温度场分布状态(如图1所示)基本一致。另外,从表2中可知,仿真结果与测试结果之间存在误差,其原因有在仿真建模时,元器件功耗的准确测定是比较困难的,根据厂商提供的部分数据进行估计是造成数据产生偏差的原因;模型参数输入时,如界面热阻、边界换热系数等无法确定的因素,均采用经验值来代替;红外热像仪是非接触式测温仪,测量结果与被测目标的表面状况有关,造成数据上的偏差;主要热源分布在电路板顶层居多,进行红外测试时先测试发热器件较多的顶层之后才会测量电路板底层,因此测试时存在着时间差,造成底层节点D7和D8偏差较大。

据表2统计数据所示,仿真结果大于测试结果,且偏差值在10%之内,满足软件对偏差的要求[8],因此也可以说明所建立的仿真模型以及建模方法是正确的。

2 Flotherm对电路功耗的确定及结构的优化设计

2.1 功耗确定

测井通用保温瓶性能为:175℃环境下工作4 h后温升50~61℃(无热源情况下)[9],加上其初始温度的20~24℃,则保温瓶内无热源情况下内部温度为70~89℃。虽然目前器件的军品级已经达到了125℃,而光纤测井电路系统中的关键器件:光模块的工作温度上限仅为85℃,如果保温瓶内温度超过85℃,则可能对器件的性能产生严重的影响,甚至导致系统瘫痪。因此可设定保温瓶内无热源的状态下温度为77.5℃(取平均值),则该电路板工作在密封环境下由于器件热耗散引起的温升最高不能超过7.5℃。当电路板产生7.5℃的温升时,此时电路板的功耗为其极限值。通过Flotherm分析可得,电路板的最大功耗值为3.4 W。

需要说明的是,得出的最大极限值功耗是留有余量的。据调查,保温瓶口吸热剂一般能够吸收的热量为82.566 kJ,而保温瓶容器的总漏热为80.064 kJ[10],剩余可吸收热量为2.502 kJ,而该剩余热量可用于吸收0.174 W的热功耗引起的热量。该值的确定没有考虑额外添加吸热剂情况,可进一步节约成本。

2.2 高温建模

根据正确的模型,首先建立85℃环境,可得到电路板在85℃环境下的温度场分布如图4所示,其中电路板功耗为3.4 W。然后建立仿真环境为密封状态,密封空间温度为77.5℃,外界环境温度为175℃,其中电路板总功耗为3.2W,如图5所示。

从上面图组中可以清晰的看到:

(1)85℃环境下,总功耗值等于最大允许值,但是电路板顶层表面温度场大致呈现出两边高中间低的分布状态,中间温度分布较均匀,D1、D5点超出了器件本身所允许温度;电路板底层虽然热源较少,但底层平均温度却高达75℃;

(2)密封77.5℃状态下,电路板功耗值满足最大允许值,但是D1点温度接近其最大工作温度值,会对器件性能产生严重影响。电路板顶层表面上半边温度平均高出下半边温度8℃左右;电路板底层上功耗较大且发热较高的D7节点的位置靠近电路板边缘。

(3)电路板发热较大的热点为:D1,D5,D7,D8。可优化的设计方案为:将发热器件均放置在电路板的顶层,以便能够充分利用电路板空旷面积使温度场分布均匀,PCB设计时可在热源下面多设通孔引导其所耗散的热量顺利的散到电路板底层空间;根据热阻大散热差的特性,针对电路板发热较大的热源节点,考虑该器件的不同封装形式,甚至可以考虑更换功耗低、散热好的器件来代替,从而改善散热效果;发热较大的热源远离电路板边缘且相互间保持一定间距,发热器件错开排列,以便散热。将器件按耐热程度沿电路板从右至左排列。

2.3 电路结构优化方案及结果分析

如表2优化后的主要热源节点信息结构所示,节点D1′代替了D1,D1′的低热阻SO-8封装和大尺寸的特点能够很好的解决原有D1节点散热性能不好的问题;节点D4′代替了D4,虽然D4′的功耗大于D4,尺寸小于D4,但是D4′的使用能够将原有板上发热较大的D5,D8省去不用,而D5,D8由于其尺寸小、热阻大不利于散热再加上其功能的独特性等缺点,使得D4′的应用起到了很好的效果;节点D7′代替了D7,D7′的应用优点同D1′的应用。最终最终优化结果如图6~图8所示。

最终的优化可以很好地改善原有电路板热源散热状况以及温度场分布,最终功耗优化为3.2 W(模拟保温瓶环境),既满足了功耗要求,降低了整个电路板的温升,同时其温度场分布也较均匀。

3 结语

本文首先对电路板进行了初步的热仿真分析,验证所建模型的正确性之后,又对电路板进行了更高温度以及密封环境下的热仿真,从中得到如下结论:

(1)电路板上器件按其耐热性能从左到右排列,最右边为耐热性能最好的钢体器件,这样可以提高器件在受重力因素影响的热气流路径上的耐热性能;

(2)在对环境、电路板、器件等参数不断往复地设定值的过程中,发现器件的实际功耗、封装材质是元器件建模过程中最关键的部分,决定了所建模型的成败;

(3)通过对热仿真结果的分析与优化的结果可知,元器件的布局对电路板温度场的影响较大。

最终优化的结果表明,在系统设计初级阶段进行热仿真与热分析,可以更早的发现问题,节约设计时间,一定程度上提高了井下信号采集系统的耐热能力与工作的可靠性。

参考文献

[1]TOM Baird,TROY Fields,ROBERT Drummond.High-pressure,high-temperature well logging,perforation andtest[J].Oilfield Review,1998,10(2):50-67.

[2]池伟,李成.提高测井仪器耐高温性能方法的研究[J].传感器技术学报,2007(8):1093-1096.

[3]姜国.井下仪器高温电路设计方法研究[J].石油仪器,2005(6):58-60.

[4]楚泽涵,袁祖贵,李云平.关于提高地球物理测井仪器温度性能指标问题[J].测井技术,2004,28(3):181-186.

[5]万九卿.引制电路板(PCB)的红外热像诊断技术[J].电子测量与仪器学报,2003,17(2):19-25.

[6]ENRICO D,GI USEPPE V.Thermal characterization ofcompact electronic systems:a portable PC as a study case[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2002,17(2):187-195.

[7]杜丽华.PCB的热设计[J].现代电子技术,2002,25(8):75-77.

[8]Flomerics Inc..Flotherm user documentation[R].[S.l.]:Flomerics Inc.,2005.

[9]韩锐,章学化,张俊峰.一种新型的石油测井用金属保温瓶[J].低温与超导,2005,33(2):73-76.

[10]王亚芳,沙荣钧.石油测井仪用小型保温瓶的研制[J].低温与特气,2002,20(6):26-37.

Flotherm软件 篇2

发光二极管LED灯被认为是继火焰、白炽灯和荧光灯之后的新一代光源，其应用的领域越来越广泛。因为其具有无污染、装换效率高、寿命长、节能、环保等优点，LED灯的发展越来越迅速。然而，基于目前半导体的制造技术，LED输出功率只有大约15%的能量装换为光能，剩余部分的装换为热能，再加上对LED灯的封装要求的严格，这部分热能功耗会造成元器件结点温度的急剧升高，电子产品的温度对其是否可以安全可靠地工作影响非常大。如果产品生产出来研究其散热的合理性是否符合，不仅会产生浪费，而且还周期过长，因此需要热分析软件来对其进行分析，可以大大地提高产品的一次成功率。利用CDF软件Flotherm来进行热分析，从而加快了整个产品的设计周期。

Flotherm软件是由英国Flomerics公司开发专门针对电子散热领域的CFD仿真软件，主要是解决电子散热行业的实际工程应用问题。

2 物理模型和散热方案

设备的集合尺寸为60mm*60mm*200mm；最高工作环境温度是46℃，在不影响原始热分布的情况下其简化图如图1所示。

其所处环境的热交换系数为5W/㎡。LED灯的外部采用不锈钢，厚度设为1.1mm,LED灯的总功耗为110W，散热片采用7*7的圆形，材质为铝合金，直径为3mm，长为20mm。将LED灯贴在散热片上。

模型建立好了之后，进行局域网格的划分是很有必要的，这样可以节约Flotherm软件的计算时间，可以更快速地测试模型，如图2所示是进行的局域网格的划分。

网格划分好之后，接下来进行散热的模拟，图3～图4为测试的结果。

3 结语

利用Flotherm软件对LED灯散热进行了建模与网格划分及求解计算，分析了其稳态条件下的温度分布图，对LED等散热有了直观的了解，也缩短了分析计算时间，使产品可以高质量、高性能、短周期地进入市场。在加大此LED灯的外部接触面积的情况下，其散热会更加理想，但是不符合节约成本的规划。

摘要：利用Flotherm软件对具有荆楚特色的LED灯的封装结构进行建模与仿真,结果表明,改变LED的封装结构对其的散热有显著影响,增加封装结构的接地面积,散热更加明显。

关键词：热设计,热仿真,LED灯

参考文献

[1]李波,李科群,俞丹海.Flotherm软件在电子设备热设计中的应用[J].电子机械工程,2008,03:11-13+30.

[2]李晶.利用Flotherm对大功率LED封装的热分析[J].闽西职业技术学院学报,2010,03:112-117.

Flotherm软件 篇3

电子技术不断发展,大功率器件发热功耗越来越大,热流密度不断增加[1]。采用有效的散热设计可以控制产品内部所有电子元器件的温度,使其在所处的工作环境条件下不超过稳定运行时标准及规范所规定的最高温度,以保证产品正常运行的安全性,长期运行的可靠性。

Flotherm是目前较流行的专业的、面向工程师的电子产品热仿真软件之一,利用它可大大减少计算量,缩短研发周期,降低成本。介绍基于Flotherm9.1的一种车载充电设备的自然冷却散热设计仿真分析。与其他电子设备相比,该设备功耗大,元器件布局密集,工作环境比较苛刻。

1 Flotherm

Flotherm软件是由英国FLOMERICS软件公司开发的电子系统散热仿真分析软件,广为全球各地电子系统结构设计工程师和电子电路设计工程师使用[2]。Flotherm可以进行芯片和器件封装级、板级和模块级、机箱机柜等系统级、机房外太空等大环境级的热分析和热仿真设计。

该软件有如下技术特点:

(1)MCAD与EDA接口:可兼容Pro/ENGINEER、SolidWorks、CATIA以及其他主流MCAD软件数据,支持模型的导入和导出。EDA接口不但支持EDA软件的IDF格式、PCB板模型导入,还可直接接口读入BoardStation,Allegro和CR5000。

(2)正交网格技术:局域化网格功能可在需要时进一步细化网格,将求解时间缩至最短。

(3)自动优化:基于SmartParts的建模和结构化正交网格使FloTHERM模型可采用自动序贯优化技术。

(4)专业稳定的求解器:求解器基于正交网格系统,运算结果精准,单位网格之运算速度全球最快。针对大面积的不规则模型,FloTHERM采用局域化网格技术。该技术能够对不同求解域的元件之间生成相互匹配、嵌套和非连续网格界面。针对电子系统内部的热耦合特性,FloTHERM采用了先决耦合残差算法和灵活多重网格循环技术来处理这个问题。

(5)强大的可视化工具:完全逼真的模型、三维流动动画、速度矢量图、等值面图、粒子轨迹图、网格图、切面云图、点示踪图等都可以很直观地体现。另外还提供一个免费的后处理阅读器(FloVIZ阅读器),可在没有安装Flotherm的机器上观看仿真的结果。

2 热设计输入

该充电设备由上、下两部分扣合组成一个IP65的密闭结构。为了满足设备导热性能、轻量化、强度和刚度要求,设备机箱采用6061-T6铝合金材质,通过整体铝块CNC加工而成。考虑到辐射散热,整机外表面进行黑色阳极氧化处理,表面辐射系数大于0.85。主要功耗器件都直接安装在机箱上,大功耗器件做灌封工艺处理,主要以热传导方式散热。

设计输入及要求:

(1)极限工作环境温度为60℃,无风扇自然散热。

(2)器件温升要求不大于55℃。

(3)充电设备在满载工作模式下,热损耗约为110.9W,具体见表1。

注:损耗值均为单个器件损耗,同型号的器件损耗值一样。

3 充电设备的结构布局

设备整机结构件选用6061-T6铝合金,此材料具有加工性能佳、抗腐蚀性好、韧性高及加工后不变形、上色膜容易、氧化效果佳等优良特点,是机加产品的首选材料。其结构布局如图1所示。

该充电设备损耗较大,而且又为自然冷却,针对主要发热器件采取的散热路径为:所有发热器件都直接紧贴机壳安装,对于器件B、器件F、器件G三类损耗比较大的器件采用灌胶处理(硅胶导热系数在0.8以上)。

4 热仿真分析及结果

仿真的环境温度设为60℃,设备环境表面发黑处理(表面发射系数取0.85),由此确定求解条件,考虑传导和热辐射换热。

模型建立好之后,要进行网格划分。Flotherm的网格划分有系统网格和局部网格两种,系统网格自由划分,分为none、coarse、middle、fine4种;局部网格由用户自定义划分。Flotherm软件网格划分疏密会直接影响计算的结果,过密集会导致计算时间过长,过稀疏会影响计算精度。一般定义为middle,软件会根据模型的情况自动设置最小和最大网格单元尺寸。对于一些电子设备,大功率器件比较集中的区域还可以进行局部网格加密处理。对于此电源设备,根据模型实际情况,选定中等网格,对密集大功耗器件进行网格加密处理。其生成网格单元数为1312231个,如图2所示。

Flotherm分析结果可以通过视图形式输出,图3为软件求解之后得到的温度分布云图。由此可以直观了解各器件及机箱内部温度分布情况:图3(a)为设备整体温度分布云图;图3(b)、(c)为设备下箱体部分器件温度分布云图;图3(d)、(f)为设备上箱体部分器件温度分布云图。

主要功耗器件温度如表2所示。

从表2可以看出,该车载充电设备在极限温度60℃的情况下,器件的温升均小于55℃,满足设计输入要求。

5 结语

根据热仿真计算结果,该车载充电设备所设计的散热途径可以满足使用要求。所有主要发热器件均安装在机箱上,对于部分功耗大的器件采用灌封工艺处理,把整个机箱作为散热器。

利用热分析软件Flotherm建模模拟仿真分析,能得到直观的温度分布云图。根据分析结果,可以为设备结构设计、元器件布置和安装提供参考依据,有效降低产品设计成本,缩短研发周期。

参考文献

[1]余建祖.电子设备热设计及分析技术(第2版)[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008

Flotherm软件 篇4

随着集成技术的提高,电子设备功率上升,体积缩小,单位体积发热量增加,发热问题日益突出。美国空军航空电子项目的研究结果发现,在影响电子产品可靠性的诸多因素中,温度因素居首,其所占比例[1]为55%。而且,据国外资料统计:电子元器件温度每升高2℃,可靠性下降10%,温升50℃时的寿命[2]只有温升25℃时的1 6。可见温度对电子设备的寿命影响巨大,解决电子设备过热问题十分必要。

热仿真技术的发展为解决电子设备过热问题提供了方法与途径。工程上,在产品设计阶段进行热仿真试验,确定产品模型的温度分布,找出温度最高点即薄弱点,通过改变布局或增加散热等改进设计的措施,消除产品温度薄弱点,进而达到设计指标。通过开展热仿真试验快速暴露产品设计缺陷,能够有效降低设计费用,缩短产品研制周期,提高产品一次成功率和可靠性[3,4]。

军用车载机电产品内部包含电路板以及元器件等电子设备,传统情况下其热仿真试验与电子产品的热仿真试验相似,均通过Flotherm或Fluent等热分析软件完成。然而,这要求试验者具有较好的流体力学、散热学理论基础和软件操作能力。而且,在热校模阶段需要多次修改产品的材料特性、热特性和流体的特性,并进行多次求解计算以达到热仿真结果与实际温度试验结果相符合[5]。同时,由于商业软件的通用性,指定仿真结果的输出需要手工操作才能完成。为此,本文针对军用车载机电产品的特点,采用C#.NET语言结合.NET Framework技术、Flotherm接口技术、SQLite数据库技术、XML语言技术以及封装与集成技术,开发出机电产品热仿真系统,实现了典型军用车载机电产品热仿真试验过程的自动化、流程化,以及关键点温度表格输出和薄弱点暴露,节省了试验时间,提高了试验效率。

1 总体方案

1.1 总体需求

本系统旨在完成军用车载机电产品热仿真试验。产品设计图纸、CAD模型、设计相关文档一般由项目需方提供,因此产品所有零部件的位置、尺寸、材料特性以及功率元件的功率等都是已知的。系统可以从该已知信息中选择需要的信息作为输入,通过仿真分析,输出产品关键部位温度值(如元器件温度),如图1所示。为了实现仿真分析的自动化、流程化,系统输入应尽量减少试验者操作,可通过直接导入、下拉框选择或简单的键盘输入完成。系统输出可以是表格,也可以是文本等常见类型。

1.2 相关技术

根据应用于军用车载机电产品的热仿真系统总体功能需求,本文采用C#.NET对Flotherm二次开发、后台封装与集成的方式实现系统求解与结果输出,系统总体技术路线如图2所示。

基于.NET Framework的C#面向对象程序设计语言作为微软.NET Windows网络框架的主角,凭借其安全、稳定、简单、优雅的特点,现已成为当今主流开发语言。针对本系统作为Windows应用的需求,考虑C#.NET开发Windows桌面应用程序的显著优势,系统开发语言采用C#.NET面向对象语言,开发环境为Visual Studio 2012集成开发环境。Flotherm二次开发接口技术是指利用计算机编程语言后台启动Flotherm的技术;SQLite数据库是进程内的数据库引擎,不存在数据库的客户端和服务器。使用时只需一个很小的动态库(以版本3.6.11为例,Windows下为487 KB)即可享受其全部功能,具有轻量级、“绿色”、无需安装,单一文件等优点。XML语言是Extensible Markup Language的缩写,该语言具有整齐、规范、友好、通用的特点。Flotherm支持读入XML格式的工程文件,文件中包含全部求解信息。Flotherm二次开发封装与集成技术是指通过后台封装的形式将Flotherm集成到本系统,前台界面与后台Flotherm主程序之间通过进程通信传递数据。

1.3 产品特点

军用车载机电产品CAD模型一般比较复杂,但经过简化用于热仿真试验的模型都较为简单,且具有一般特点,即包含前、后、左、右、上、下6个面板和内部几个电路板,电路板上有元器件若干,如图3所示。不同产品外观相似,只是尺寸、电路板位置和元器件多少不同。简化后的所有元件或部件都可以用立方体表示。

2 技术研究与系统实现

2.1 基于C#.NET的Flotherm二次开发接口技术与方法

Flotherm提供两种启动方式:图形界面方式和批处理方式。本系统基于Flotherm二次开发,以批处理方式后台启动Flotherm[6]。

Flotherm二次开发的方式为:

(1)编写程序生成XML格式的工程文件,该文件中存储Flotherm热分析必需的全部信息,包括:模式信息,求解设置,网格设置,特性信息,几何信息和求解域6个部分,见图4。

(2)启动进程,以批处理方式打开Flotherm,并将该XML工程文件传递给Flotherm,设置输出结果文件位置,即可开始分析。

(3)分析完毕,通过程序读取分析结果文件。

Flotherm二次开发接口如图5所示。基于.NET Framework,使用C#语言开发Flotherm二次开发主程序和相关辅助程序,开启进程调用Flotherm批处理主程序(flotherm.bat),并通过内存共享和文件映射实现前台开发程序与后台批处理程序的数据交换。最终实现二次开发程序与批处理程序的系统集成。

编程时,应首先将.NET提供的Process Start Info类实例化,开启一个新进程,用于调用Flotherm批处理程序。然后,将Flotherm批处理程序所在的完整安装路径字符串赋予该实例的File Name属性。同时,在该实例的Arguments属性中设置程序启动方式为批处理启动,并指明输入文件路径和输出结果路径。最后,启动该进程,后台调用Flotherm进行运算。

2.2 输入/输出分析

用户使用Flotherm图形界面方式进行产品热仿真时,一般按照建立模型,基本参数设置,求解域设置,边界条件设置,材料属性设置,元件功率设置,网格设置,求解计算和结果后处理等步骤实施[7]。整个过程中需要设置的参数较多,设置过程复杂。本文根据军用车载机电产品特点,对全部输入参数进行分析并分为三类:

(1)与产品仿真结果无关或对仿真结果影响甚微的参数;

(2)仿真时需要,但其值不用改变或无需用户设置的参数;

(3)对仿真影响较大,每次都需要重新设置或改变的参数。

对于第一类参数,如热功率相关的瞬态属性、太阳辐射参数等采取忽略处理(本文所述产品均不暴露在室外,不考虑太阳辐射)。对于第二类参数,如热模型设置、相关存储设置等均采用Flotherm默认设置,而对于求解域位置与尺寸参数,则根据经验,编写程序在系统内部根据受试产品大小,自动计算并设置,使得求解域超出产品上方2倍产品高度,下方超出0.5倍产品高度,前、后、左、右超出0.5倍产品宽度。对于第三类参数,则作为本系统输入,由用户通过界面以写入、选择或导入的方式输入系统。第三类参数与仿真分析结果密切相关,输入系统后应全部写入到上述XML文件(见图4)中,所以这些参数同样分为模式信息、求解设置、网格设置、特性信息、几何信息和求解域6个部分。模式信息为系统的基本信息设置,包括求解类型选择、重力参数、环境温度、辐射温度和大气压等。求解设置为求解计算的相关设置,包括求解器选择、迭代次数以及与是否激活板传导和是否使用双精度求解等设置。

网格设置为网格划分基本设置,包括系统网格最小尺寸、最大尺寸和局域网格最小尺寸、最大尺寸。特性信息为部件特性的描述信息,包括材料特性、表面特性、温度特性、热特性、流体特性和辐射特性等。几何信息为产品几何模型的参数描述,具体包括各部件的名称、类型、位置、尺寸等。求解域描述求解区域大小以及流体特性等边界条件。

对于系统输出的定制,由于一般试验者主要关心受试产品温度,迭代收敛情况等,为此,系统设计输出包括温度表、综合表和监测点温度表以及其他Flotherm自动输出表格。

温度表存储产品每个零部件的最高温、最低温、平均温度和温度差等;综合表存储产品每个外表面流入和流出的体积、质量、热量和温度等;监测点温度表存储监测点温度随迭代次数的变化情况。系统输入/输出数据如图6所示。

2.3 基于SQLite数据库和XML语言的数据存储与解析技术

Flotherm二次开发所需XML工程文件中包含模式信息、求解设置、网格信息、特性信息、几何信息和求解域设置(见图4)。这些设置信息通过Flotherm二次开发程序界面(UI)获得,如图7所示。

对于模式信息、求解设置、网格信息、特性信息中的关键参数,如求解类型、环境温度、fluid特性、迭代次数等,用户须在二次开发程序界面通过简单操作,以文本框写入或下拉框选择的方式输入。几何模型信息,可通过对CAD软件二次开发,提取出模型BOM信息(包括各部件的位置,尺寸信息),存储成XML格式[8]。Flotherm二次开发程序使用.NET提供的XDocument类的Load静态方法读取XML文件,一方面通过遍历根元素中子元素的Name属性,将每个几何体的<name>元素的值显示给Tree View控件,另一方面通过循环遍历XML文件各层元素,获取其Name属性和Value属性,将几何体的名称、位置、尺寸、类别和从属关系载入数据库几何信息表中,完成几何数据的解析与存储。除了几何信息表,数据库还包括材料信息表和功率信息表,分别存储材料信息(包括材料编号、材料名、密度、热导率和特征热)和功率信息(包括功率编号、功率名和功率值),见图6。数据库中存储的信息和用户通过软件界面输入的设置信息写入XML工程文件须使用编写的Class For Write XML类。该类由依据XML工程文件格式编写的各种方法组成。这些方法涵盖XML文件头、模式信息、求解设置、网格信息、特性信息、几何信息和求解域设置等元素及其子元素的写入方法。它们由Stream Writer类的WriteLine()方法采用逐行写入的方式完成。

2.4 基于C#.NET的Flotherm二次开发封装与集成

本文采用C#.NET对软件系统数据进行读写、存储、解析与转化操作并对Flotherm进行封装与集成。对Flotherm进行后台封装与集成是构建本系统的关键。首先,直接将后台处理数据通过编写的Class For Write XML类封装方法建立XML格式的工程文件。然后,系统自动开启进程后台调用Flotherm对XML工程文件进行批处理,再将输出结果中的温度信息读入到软件系统界面,从而实现C#.NET对Flotherm封装与集成。

从系统UI直接或间接获得的数据信息到XML工程文件的建立,即为数据信息集成过程。数据信息集成过程,首先获取该工程文件的绝对路径。然后新建一个Class For Write XML类的实例,通过该实例使用Class ForWrite XML类中的Write_Header方法写入XML文件头,文件名称与工程名相同。文件头写入完毕,接下来使用Class For Write XML类中相应方法依次写入模式信息、求解设置、网格信息、特性信息、几何信息和求解域设置等设置信息。每个信息块为XML文件根元素下的一个子元素,信息块内部又包含这些子元素的子元素。所有信息写入完成,由End_File方法结束文件写入工作。

后台调用Flotherm对XML工程文件进行批处理,即为Flotherm接口技术,已在第2.1节详述,这里不再敖述。提取输出结果显示于系统UI是封装与集成的最后环节。温度结果文件为csv格式,读取方式与xls格式相同。本系统采用NPOI读取结果文件。首先创建一个File Stream流,然后获取结果文件表,通过遍历第一页的所有行,并对温度值进行比较,将最大的三个值存储于字符串中,即为三个潜在薄弱点温度。最后将这三个温度值显示于系统UI结果显示框中。

3 典型军用车载机电产品热仿真示例

3.1 示例简介

XX检测组合装置具有典型军用车载机电产品的一般特征,其CAD模型如图3所示。该装置外观为立方体,尺寸为310 mm×210 mm×150 mm,箱体材料参数如下:密度为2 650 kg/m3,热导率为44 W/m K,特征热为460J/kg⋅K。装置内部有三块电路板,板上元器件共87个,其中发热元件76个,热功耗为0.05 W,0.01 W,0.015 W和0.02 W共4个功率值。

电路板材料参数:密度为1 200 kg/m3,热导率为0.3 W/m K,特征热为880J/kg⋅K。元器件材料参数:密度为2 500 kg/m3,热导率为10 W/m K,特征热880J/kg⋅K。装置工作环境温度为60℃,流体参数:热导率为0.021 04 W/m K,粘性为1.516×10-5N·s/m2,密度为1.495 kg/m3,特征热为1 007J/kg⋅K,膨胀系数0.004 313 1/K。

3.2 热仿真分析

本文根据典型机电产品热仿真分析需求,基于Flotherm二次开发使用C#.NET在Visual Studio 2012中开发机电产品热仿真分析系统。应用本系统对XX检测组合装置进行热仿真分析,系统运行流程如下:

(1)选择几何信息文件,载入几何模型数据至软件系统GUI和数据库表Geometry Info。

(2)选择几何体,赋予相应材料和功率,更新数据库表Geometry Info,Material Info和Power Info。

(3)输入模型信息、网格信息,求解设置等设置信息。

(4)读取数据库和系统GUI数据自动生成xml工程文件Project.xml。

(5)启动进程后台调用Flotherm批处理程序,求解Project.xml。

(6)读取解算结果文件Output.csv,显示结果于系统GUI。

系统运行流程图如图8所示。

为XX检测组合装置各几何体赋予相应材料和热功耗,并按照本系统UI进行相关设置后进行热仿真分析。分析完毕,得到三个薄弱点的温度值分别为67.86℃,69.18℃和78.11℃。在Flotherm中对该模型进行热分析,相关设置参数相同的情况下三个薄弱点的温度值分别为67.9℃,69.2℃和78.1℃,见图9。另外,在温度箱中对该产品进行实际温度试验,测得三个相同位置的温度值分别为67℃,69℃和78℃。对比发现使用本系统与操作Flotherm软件对相同几何模型进行相同设置得到的结果几乎相同,与实际试验结果相比相差也很小,从而验证了基于Flotherm二次开发的热分析系统的分析结果。

对军用车载机电产品的热仿真分析一般需要进行多次,以校正仿真温度分布与实际温度分布的一致性(热校模),减少二者的差异,以便后续外推产品温度分布和估计产品寿命。然而每次仿真只需变更少数几何体的材料、热功率值或个别参数。若分析人员使用商业热分析软件进行热校模,每次分析都需要重复进行大量复杂的操作,耗时、耗力、试验效率低。而应用本系统进行这种热仿真分析无需重复整个分析过程的全部操作,只需在载入几何信息后重新为少数关键几何体赋予材料或功率,免去了分析人员大量重复性操作,大大节省了热校模分析的时间,提高了仿真试验的效率,加快了整个可靠性仿真试验的进度。

4 结论

传统机电产品仿真试验中热应力仿真试验对试验人员理论基础和软件操作能力要求较高。本文考虑典型军用车载机电产品的自身特点,应用C#.NET语言结合Flotherm二次开发相关技术与方法通过对Flotherm二次开发建立机电产品热仿真分析系统。实现了典型军用车载机电产品热仿真分析的自动化、流程化,仿真结果准确,无需手动提取即可自动输出温度表和监测点温度表,从而实现了结果定制。免去了分析人员大量重复性操作,大大节省了多次热仿真分析的时间,提高了仿真试验的效率,加快了产品整个仿真试验的进度。通过XX检测组合装置热校模仿真分析实例充分验证了本系统可行性。本系统具有良好的工程应用背景和广阔的市场推广前景,对类似仿真分析系统的研制工作具有较高的参考价值和借鉴意义。

参考文献

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