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                  SimcenterFloTHERM

                  Simcenter FloTHERM

                  1.3?Simcenter FloTHERM

                  電子設備的發展趨勢呈現為:熱耗上升化、設備小巧化、環境多樣化,這對電子設計行業提出了巨大的挑戰,作為電子設備結構設計所面臨的三大問題之一的發熱問題受到越來越多的關注。熱設計的基本要求就是滿足可靠性,滿足設備預期工作的熱環境的要求,同時還要滿足對冷卻系統的限制要求。熱設計工程師需要與EE、ME、Layout等項目相關人員緊密配合,力求提高產品各方面性能并降低成本。傳統的實驗研究存在著周期長、成本昂貴的缺點,而數值仿真可以完美解決這些問題。

                  Simcenter?FloTHERM 作為全球第一款專門針對電子器件/設備熱設計而開發的仿真軟件,通過求解電子設備內部的傳導/對流/輻射,從而解決熱設計問題,可以實現從元器件級、PCB 板和模塊級、系統整機級到環境級的熱分析。FloTHERM 軟件自1989年推出以來就一直居于市場領導地位(市場占有率高達70%)并引領該行業的技術發展,據調查客戶推薦評級高達98%。其研發人員是全球最早開始研究CFD 理論的科研人員,也是最早一批將傳統的CFD 仿真技術工程化的技術先驅。

                  FloTHERM是模塊化的軟件,每一個模塊實現其中一個功能,主要包含以下幾個模塊:

                  l?? FloTHERM—核心熱分析模塊:可以完成模型的建立、網格劃分、求解計算

                  l?? Visual Editor—先進的仿真結果動態可視化后處理模塊:用于仿真結果的可視化輸出,可以觀察軟件的模型、尺寸和參數以及各種分析結果(包括溫度場、流場、壓力場的截面云圖、等溫面、動態氣體/液體粒子流等),對比各種設計方案結果并自動生成分析報告

                  l?? Command Center—優化設計模塊:進行目標驅動的自動優化設計,可以進行溫度場、流場、重量及結構尺寸等方面的自動優化設計:包含DoE(實驗設計法)、SO (自動循序優化法)、RSO(響應面法優化法)等先進優化方法

                  l?? FloEDA—電子電路設計軟件(EDA)高級接口:不但支持以IDF 格式導入EDA 軟件PCB 板模型,還有直接接口讀入Allegro(Candence)、BoardStation 和Expedition(Mentor)及CR5000(Zuken)等EDA 軟件PCB 模型的布線、器件尺寸和位置、過孔等詳細信息,并可過濾選擇各種器件的導入

                  l?? FloMCAD.Bridge —機械設計CAD(MCAD)軟件接口模塊:用于機械CAD 軟件的模型導入和導出,不但完全支持Pro/ENGINEER,Solidworks,Catia 等機械CAD 軟件幾何模型的直接調用并自動簡化,還可以通過IGES、SAT、STEP、STL 格式讀入如Siemens-NX、I-DEAS 和Inventor 等MCAD 軟件建立的三維幾何實體模型,可以大大減少對復雜幾何模型的建模時間

                  l?? FloTHERM.PACK—基于互聯網的標準IC 封裝熱分析模型庫:全球唯一符合JEDEC 標準的基于互聯網實時更新下載的IC 封裝熱分析模型庫,用于芯片熱封裝模型的建立

                  l?? FloVIZ—獨立的仿真結果動態后處理軟件:完全免費提供,可以自由無限安裝(無需licence)可以實現Visual Editor 的所有功能

                  l?? FloTHERM.PCB—專業的電路板級電子散熱分析軟件:?為優化印刷電路板熱設計提供了一種跨專業的設計環境,使電路板設計工程師們能夠在設計電路板的概念階段開始就很容易地將熱設計也考慮在內

                  1.3.1 主要應用范圍

                  FloTHERM作為專為電子散熱設計的CFD工具,主要的應用都集中在電子半導體行業,按照尺寸級別可以分為以下四類:

                  l?? 元器件級:芯片封裝的散熱分析

                  l?? 板級和模塊級:PCB 板的熱設計和散熱模塊的設計優化

                  l?? 系統級:機箱、機柜等系級散熱方案的選擇及優化、散熱器件的選型

                  l?? 環境級:數據機房、外太空等大環境的熱分析


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                  1.3.2 仿真能力

                  1.3.2.1熱流場分析

                  FloTHERM可以全面考慮電子系統的熱傳導、對流及熱輻射,分析電子設備內外的溫度場和流場等,具備自然冷卻、強迫冷卻及混合冷卻的分析能力。

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                  1.3.2.2瞬態分析

                  FloTHERM具備變化功耗和變化環境的瞬態分析功能,不但可以進行開機、關機、故障的瞬態分析,同時也能進行變化功耗及環境變化情況下的瞬態分析。軟件可以計算故障瞬態,如風扇失效等。

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                  1.3.2.3輻射計算

                  目前唯一可以全部采用高精度Monte-Carlo 方法進行輻射計算的電子散熱仿真軟件,非常適合密閉設備及外太空電子設備的計算;FloTHERM可以自動確定太陽的入射角和輻射強度,自動計算太陽輻射的遮擋、吸收、反射、透射、折射,同時可以分別考慮太陽輻射的吸收率α與紅外發射率ε的不同。

                  1.3.2.4液冷分析

                  FloTHERM可以分析含多種冷卻介質的散熱系統,如對液冷、風冷同時存在的電子設備或冷板等的熱分析。

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                  1.3.3 技術特點

                  1.3.3.1建模功能

                  FloTHERM 軟件提供了專門應用于電子設備熱分析的參數化模型技術(SmartParts),提供了電子設備的參數化三維建模,能夠迅速、準確地為大量電子設備建模,主要元器件建模包括:

                  1)基本幾何形體建模:提供了立方體、棱柱、圓柱、圓球、斜板等基本形體的模型建立。

                  2)典型電子器件的建模:提供了機箱、風扇、散熱器、濾網、熱交換器、熱管、冷板、TEC(半導體制冷器件)等電子設備內的常有器件的參數化模型建立。

                  l?? 機箱:可以整體設置為薄壁或者厚壁,也可以各面單獨定義厚度以及是否為開口,其中薄壁設置不考慮平面方向的熱傳導

                  l?? 濾網\通風孔\打孔板:設定孔的形狀、大小、間距,并直接定義開孔率

                  l?? 風扇:允許客戶定義風扇旋轉參數、風扇功耗,可以模擬風扇失效

                  l?? PCB:可以定義不考慮平面傳導的薄板模型和全面考慮三個方向的熱傳導模型,或者建立各向異性的立方體模擬PCB板

                  l?? 芯片:復雜程度隨考慮細致程度變化,可用模型有雙熱阻模型和熱阻網絡模型等

                  l?? 散熱器:可以參數化建立各種形式散熱器模型

                  l?? 導熱膠與導熱墊片:有三種建模方法,分別為薄板建模、定義表面熱阻以及使用軟件自帶數據庫

                  l?? 熱交換器:建模方法有定義吸風口與進風口的溫差、直接定義換熱量以及使用LMTD模型

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                  3)簡化模型的建立:可以進行模型的簡化,軟件提供了薄板導熱模型和熱阻-熱容網絡模型,同時也提供了熱源和阻尼模型的建立,將器件的熱源特性和阻尼特性進行輸入仿真。

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                  4)高級Zoom-in 功能:高級 Zoom-in 功能可將上級模型計算結果作為下級模型計算的邊界條件,使得模型計算結果層層傳遞,從系統級到子系統級,簡化計算過程,減輕工作量,從而大大縮減模型分析時間。

                  1.3.3.2全面的EDA和CAD接口

                  FloTHERM 軟件提供了智能的EDA 和CAD 接口模塊FloEDA 和FloMCAD.Bridge 模塊,全面兼容通用EDA 和CAD 軟件,如:Expedition、BoardStation、Allegro、CR5000 和Pro/E、Siemens-NX、Catia、Solidworks等,并可以通過STEP、SAT、IGES、STL、IDF 等標準格式導入導出其他CAD/EDA 模型。在導入過程中,FloMCAD.Bridge 模塊還提供了智能的模型簡化、篩選和轉換能力,通過去除與散熱無關的結構或工藝特征,降低模型復雜度,提高求解效率。

                  FloMCAD.Bridge采用ACIS格式建模內核,所有的MCAD模型都必須轉換成ACIS格式,導入后簡化為FLOTHERM軟件中Drawing Board可以建立的模型。一些格式的MCAD模型比其他格式導入時更不易出錯,主要體現在格式轉換和模型修補兩個方面,推薦的導入格式依次為SAT、PROE\SW\CATIA、STEP、IGES、STL。

                  l?? SAT:采用ASCI格式,無需格式轉換

                  l?? PROE\SW\CATIA:專用的模型格式,可直接轉換為ASCI格式

                  l?? STEP:專用的模型格式,可直接轉換為ASCI格式

                  l?? IGES:點、線、表面數據格式為1D或2D格式,需轉換為ASCI格式

                  l?? STL:斜表面數據為2D格式,需轉換為ASCI格式

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                  FloEDA通過獨有的floeda文件可方便快捷地將PCB設計信息(幾何尺寸、位置、鋪銅及過孔等)從主流EDA軟件(Xpedition PCB、BoardStation、Allegro、CR5000等)導入FloTHERM,同時也支持IDF格式文件的導入,通過csv文件給各器件附加功耗。

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                  1.3.3.3基于網絡的IC熱模型數據庫

                  FloTHERM.PACK基于網絡的IC熱模型數據庫,提供球柵陣列封裝(BGA),引線封裝(Leaded Packages),針腳柵格陣列封裝(Pin Grid Arrays),堆棧封裝(Multi-die Packages)等各種封裝形式的模型,它被國際JEDEC組織定義為全球唯一的IC標準熱模型。

                  1.3.3.4網格技術

                  FloTHERM采用業界最穩定、求解效率最高的正交網格技術,配合局域化網格按需加密,節省計算資源同時大大縮短計算時間。業界獨創將網格作為實體屬性選項之一,模型與網格實現動態關聯,模型的任何調整網格將同步響應,實時掌控變化情況。FloTHERM 軟件采用先進的非連續嵌入式網格技術和Cut Cell 網格切割技術,配有專門針對電子散熱行業的自動網格劃分技術,可以確保工程師在網格設置上投入的時間遠遠低于其它軟件。FloTHERM 軟件的網格不但在質量上更容易得到保證,而且解算時占用的內存和CPU 資源都比其它軟件少四分之三以上。

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                  1.3.3.5求解器

                  自發布以來,FloTHERM求解器一直專注于解決電子設備散熱問題?;诘芽柧W格系統的求解器,保證了求解精度同時還使單位網格的運算速度達到最快。針對電子系統內部換熱的強耦合特性,采用先決耦合殘差算法及多重網格循環技術解決。求解算法集成獨有的實驗數據和經驗公式,一次求解即獲得穩定結果,求解器關鍵特性如下:

                  l?? 耦合求解對流、傳導及輻射三種換熱

                  l?? 支持用戶自定義收斂準則(如以某溫度監控點收斂為準)

                  l?? 分析包含多種冷卻介質的散熱系統

                  l?? 覆蓋層流、湍流及過渡態流動

                  l?? 支持瞬態分析,考慮器件功耗隨時間變化

                  l?? 自動計算輻射換熱因子并考慮角系數影響

                  l?? 導出求解結果作為有限元分析(FEA)的輸入條件

                  1.3.3.6仿真結果可視化

                  FloTHERM后處理模塊以圖形和表格兩種方式來展現結果,圖形顯示結果更直觀,也可提取表格數據進行二次分析,主要特點概括為:

                  l?? 復雜、三維流體運動動畫

                  l?? 熱傳流動的動畫形式的輪廓圖

                  l?? 等值面圖和表面云圖

                  l?? 向量或流線體現流體運動,用顏色區分溫度和速度

                  l?? 輸出AVI 格式動畫

                  l?? 動態示蹤圖幫助用戶更好理解復雜流體的流動

                  l?? 圖片紋理增強真實感

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                  1.3.3.7強大的自動優化功能

                  FloTHERM 軟件配備功能強大的優化設計模塊Command Center,可以對設計方案進行全面的優化設計,依據工程人員設定的優化目標和設計約束,自動尋找結構、尺寸、布局、物性等各種設計變量的最優組合,軟件提供:

                  1) DoE(Design of Experiment)實驗設計法,根據用戶設計的方案,進行自動計算選優;

                  2) SO(Sequential Optimization)自動循序優化,基于梯度的方法將對原始模型不同變量建立新模型并對之運行求解,能夠根據用戶設定的參量范圍和約束條件,自動選出并確定最優設計求解方案;

                  3) RSO(Response Surface Optimization) 響應面法優化,可以在優化的同時輸出優化變量與優化目標間的關系曲線或關系曲面,保證尋優效能的同時又大大加快了優化速度。

                  FloTHERM 優化時還支持網絡并行優化,可以在多臺計算機上同時進行優化,大大加快優化設計速度。

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                  1.3.4 專業而強大的數據庫

                  FloTHERM 軟件是全球第一個專業為電子散熱應用開發的CFD 軟件, 根據第三方公布的統計數據,目前擁有全球超過70%的市場份額,FloTHERM 軟件不單單是一個仿真軟件,更是為散熱工程師進行熱方案設計和數據交換的一個強大數據庫。

                  1.3.4.1軟件的基本數據庫

                  FloTHERM 軟件提供了遠遠多于其它軟件的數據庫,包括風扇、濾網、散熱器、熱管、電容器、電源模塊、材料(各種金屬與非金屬、特殊導熱材料等)、芯片模型等;開放的數據庫可以導入,也可以輸出,可以由用戶自已建立企業平臺的公用數據庫。

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                  1.3.4.2?FloTHERM.PACK

                  FloTHERM.PACK 模塊是JEDEC 組織唯一認證的IC 熱封裝模型庫www.flopack.com。自 90 年代中期開始,由歐盟資助,由ST、Nokia、Philips、Infineon 等IC 硬件廠家提供硬件支持,公司開發了芯片的熱封裝檢索數據庫FloTHERM.PACK,用戶僅需提供芯片的封裝代號和外觀尺寸,FloTHERM.PACK模塊就可以建立包括引線、基板、管腳等所有結構細節和材料參數的芯片熱模型。利用FloTHERM.PACK 的熱模型,工程師可以直接仿真出精確的芯片結溫和殼溫?;诰W絡的FloTHERM.PACK 數據庫仍一直緊跟JEDEC和業界的標準,實時更新IC 熱模型庫。

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                  1.3.5 FloTHERM各行業應用案例

                  l???半導體、集成電路以及元器件

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                  l???PCB及模塊級

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                  l???計算機和數據處理中心

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                  l???航空航天

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                  l???國防電子

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                  l???電信設備和網絡系統

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                  l???汽車和交通運輸系統

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                  l???消費電子

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