還用再去煩熱的問題嗎？
“對(duì)我來說，能夠在工程設(shè)計(jì)前期與電子設(shè)計(jì)工程師密切合作是很重要的，只有這樣，我們才能在仍然有機(jī)會(huì)改變?cè)季植季€和電路板設(shè)計(jì)的時(shí)候檢測(cè)和確定各種熱設(shè)計(jì)解決方案，例如：添加銅介質(zhì)層或熱過孔以降低主要元件的溫度”。
通常情況下，工程師們會(huì)采用現(xiàn)成的設(shè)計(jì)方案，創(chuàng)新的設(shè)計(jì)僅作為第二位考慮。鑒于要在有限的時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出合格的元件，工程師們不得不采用他們知道的解決方案，而無法對(duì)各種可選設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)。
這不僅應(yīng)用于冷卻系統(tǒng)，PCBs及其它電子元器件的熱分析，而且還用于各種機(jī)械和電氣元件的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)方法對(duì)元件進(jìn)行熱分析所用的時(shí)間限制了重復(fù)設(shè)計(jì)的數(shù)量，不能達(dá)到工程師所希望的要求。如果可能，工程師會(huì)考慮更多情況，相應(yīng)的也會(huì)需要多次的重復(fù)設(shè)計(jì)。
但是，如果我們可以從完整的交互式元件庫(kù)中創(chuàng)建這一系列設(shè)計(jì)方案，并能在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)所用的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)它們的測(cè)試，工程師們就可以突破這一束縛，開拓更多全新的方法解決熱問題，優(yōu)化元件的熱性能，生產(chǎn)出更高性能的元器件。
Flomerics公司的Flotherm是業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的熱分析軟件，它的設(shè)計(jì)級(jí)分析工具正可以提供上述功能。自七八十年代起，F(xiàn)lomerics公司就從事熱流體分析軟件的開發(fā)研制，主要針對(duì)專業(yè)化的工程項(xiàng)目，對(duì)生產(chǎn)力基本沒有影響。Flotherm軟件是八十年代后期誕生的，它是第一個(gè)商業(yè)性的熱分析軟件，即便不是專家，也能通過Flotherm軟件的熱流體分析獲得有利于生產(chǎn)的解決方案。
正如所有流體分析軟件一樣，F(xiàn)lomerics公司的熱分析軟件也是基于Navier Stokes流體力學(xué)經(jīng)典公式（該公式根據(jù)十九世紀(jì)著名的工程物理學(xué)先驅(qū)法國(guó)的Claude Navier和George Stokes的名字命名）。Navier從事實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域諸如工程，彈性和流體機(jī)械等方面的研究。1821年，他為解決非壓縮流體力學(xué)問題的Navier-Stokes經(jīng)典公式建立了最初的算法和基本公式，1822年，他建立了粘性流體公式。他不僅是道路橋梁建筑方面的專家，而且他還是提出吊橋理論的第一人，在此之前，吊橋僅是一種實(shí)驗(yàn)性的理論。
George Stokes是愛爾蘭數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家。他研究流體力學(xué)，彈性固體，彈性介質(zhì)波以及波的衍射。盡管生于Navier之后，但他在推動(dòng)流體力學(xué)研究和建立支持流體力學(xué)的數(shù)學(xué)原理的公式上卻發(fā)揮了不容忽視的作用。
Navier-Stokes經(jīng)典公式是建立在流體非壓縮性特性的基礎(chǔ)上，它闡述的是質(zhì)量、動(dòng)量和能量在經(jīng)歷任何過程后都不會(huì)減少。如果對(duì)一物體施加外力，它會(huì)在力的作用點(diǎn)以同等大小的力反作用于施力物體。將這一過程分為有限單元，就像在進(jìn)行有限元分析時(shí)劃分網(wǎng)格一樣，我們認(rèn)定任一外力通過此模型的同時(shí)會(huì)對(duì)相鄰元素產(chǎn)生累積作用力。
非壓縮流體的Navier Stokes方程是流體力學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)理論的一個(gè)里程碑，它可以解決許多復(fù)雜的流體問題和熱問題，在CAD設(shè)計(jì)領(lǐng)域中稱為計(jì)算流體力學(xué)。實(shí)際上，它是介于根據(jù)可逆理論分析大系統(tǒng)分子相互作用的Liouville方程和用于許多工程科學(xué)（從航空設(shè)計(jì)到氣象預(yù)報(bào)）中紊流分析的復(fù)雜模型中間的一種分析方法。
在Flomerics的案例中，基本元的劃分基于Navier Stokes公式中假定的笛卡爾網(wǎng)格—其它流體分析公司采用四面體網(wǎng)格劃分，與FEA中使用的方法相似。
Flomerics公司最近版本的軟件又有了另一方面發(fā)展，在設(shè)計(jì)級(jí)分析過程中結(jié)合了三個(gè)基本概念，目的是要滿足電子工業(yè)中工程設(shè)計(jì)人員的特殊需要—設(shè)計(jì)流程整合，快速優(yōu)化設(shè)計(jì)以及過程集成化。
設(shè)計(jì)流程整合
熱分析過程的主要部分是創(chuàng)建分析模型—裝配所有的電氣元件。設(shè)計(jì)流程整合就是使用常見模型的庫(kù)，并結(jié)合模型的性能，從而加快對(duì)高級(jí)模型的定義。用戶不用從零開始自建模型，只要通過Flomerics公司的SmartParts工具就可以從庫(kù)中直接組裝。Flomerics公司的軟件還提供了與MCAD和EDA設(shè)計(jì)工具之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，因此用戶可以導(dǎo)入已創(chuàng)建的模型進(jìn)行熱分析。
快速優(yōu)化設(shè)計(jì)
快速優(yōu)化設(shè)計(jì)加快了分析模型的速度，可以在原先僅能求解一個(gè)解決方案的時(shí)間內(nèi)分析一系列的解決方案。這樣，用戶就可以選擇最佳的設(shè)計(jì)方案了。結(jié)合設(shè)計(jì)流程集成化，整個(gè)設(shè)計(jì)分析過程就會(huì)變得非常強(qiáng)大。
為了加快設(shè)計(jì)速度，F(xiàn)lotherm擁有自動(dòng)網(wǎng)格劃分功能。另外，F(xiàn)lotherm還允許通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分布式計(jì)算，為熱分析過程中復(fù)雜的求解過程提供了非常強(qiáng)大的處理能力。
過程集成化
熱分析可能被其它因素影響，例如：電磁兼容性，可靠性和應(yīng)力。過程集成化就是創(chuàng)造一個(gè)能夠解決內(nèi)部相關(guān)的設(shè)計(jì)問題的環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境下，各專業(yè)獨(dú)立的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以針對(duì)問題的各個(gè)方面進(jìn)行合作，從而在短期內(nèi)得到一個(gè)最優(yōu)的解決方案。
VALEO ELECTRONICS
如果您到Flotherm的網(wǎng)站上瀏覽一下，您會(huì)發(fā)現(xiàn)Flotherm對(duì)熱問題的解決方案覆蓋了工業(yè)設(shè)計(jì)中相當(dāng)大的范疇。這一軟件是大多數(shù)從事電氣電子元器件和設(shè)備生產(chǎn)的公司所需要的設(shè)計(jì)工具。在自動(dòng)化領(lǐng)域中，Valeo電子連接系統(tǒng)公司就是這樣一個(gè)客戶。
Valeo法國(guó)分公司需要確定電子發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的可靠性，這個(gè)控制單元決定著一個(gè)引擎冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。該公司已廣泛地使用了Flotherm軟件，并決定再次用它解決這種特殊的熱仿真問題。這種電子發(fā)動(dòng)控制單元是一個(gè)密閉的由鋁和塑料制成的箱體，置于一個(gè)極端惡劣的環(huán)境中—距離發(fā)動(dòng)機(jī)很近，而且環(huán)境溫度高達(dá)120度。Valeo的工程師Marc lliozer使用熱仿真和紅外成像能夠既快又準(zhǔn)地預(yù)測(cè)控制單元內(nèi)部敏感元器件的溫度，并確保所有的元件能夠在所要求的溫度范圍內(nèi)工作—尤其是確保它們的可靠性。
在修正板上的關(guān)鍵元件的位置之前，在設(shè)計(jì)過程一開始就進(jìn)行詳細(xì)的，板級(jí)熱仿真。Marc說：“對(duì)我來說，能夠在早期與電子設(shè)計(jì)工程師緊密合作是非常重要的，只有這樣，我們才能在仍然有機(jī)會(huì)改變?cè)季植季€和電路板設(shè)計(jì)的時(shí)候檢測(cè)和確定各種熱設(shè)計(jì)解決方案，例如：添加銅介質(zhì)層或熱過孔以降低主要元件的溫度。”
“通過這種方式，我們可以快速的找到一個(gè)既滿足電子設(shè)計(jì)要求又符合熱設(shè)計(jì)要求的最終解決方案”整個(gè)設(shè)計(jì)過程，采用熱仿真和測(cè)量法相結(jié)合的方式，使用紅外照相機(jī)和熱電耦測(cè)量法驗(yàn)證熱仿真結(jié)果。我們可以看到即使針對(duì)的是PCB板上銅布線這樣的詳細(xì)模型（其處于一種被稱為“Joule heating焦耳加熱”現(xiàn)象的非線性加熱環(huán)境中）和元件自身熱傳導(dǎo)性隨溫度改變的情況，紅外測(cè)量結(jié)果和熱仿真結(jié)果都有非常好的一致性。
Marc還說：“這些比較證實(shí)了Flotherm軟件預(yù)測(cè)的溫度是正確的，這使我們充分相信發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的樣機(jī)完全符合散熱要求。同時(shí)，仿真使我們不僅加快了設(shè)計(jì)而且優(yōu)化了設(shè)計(jì)，減輕了產(chǎn)品重量，從而降低了生產(chǎn)成本。對(duì)于像控制單元這種大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，所節(jié)約的成本是相當(dāng)可觀的。”
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