Simcenter FloTHERM
1.3 Simcenter FloTHERM
电子设备的发展趋势呈现为：热耗上升化、设备小巧化、环境多样化，这对电子设计行业提出了巨大的挑战，作为电子设备结构设计所面临的三大问题之一的发热问题受到越来越多的关注。热设计的基本要求就是满足可靠性，满足设备预期工作的热环境的要求，同时还要满足对冷却系统的限制要求。热设计工程师需要与EE、ME、Layout等项目相关人员紧密配合，力求提高产品各方面性能并降低成本。传统的实验研究存在着周期长、成本昂贵的缺点，而数值仿真可以完美解决这些问题。
Simcenter FloTHERM 作为全球第一款专门针对电子器件/设备热设计而开发的仿真软件，通过求解电子设备内部的传导/对流/辐射，从而解决热设计问题，可以实现从元器件级、PCB 板和模块级、系统整机级到环境级的热分析。FloTHERM 软件自1989年推出以来就一直居于市场领导地位（市场占有率高达70%）并引领该行业的技术发展，据调查客户推荐评级高达98%。其研发人员是全球最早开始研究CFD 理论的科研人员，也是最早一批将传统的CFD 仿真技术工程化的技术先驱。
FloTHERM是模块化的软件，每一个模块实现其中一个功能，主要包含以下几个模块：
l FloTHERM—核心热分析模块：可以完成模型的建立、网格划分、求解计算
l Visual Editor—先进的仿真结果动态可视化后处理模块：用于仿真结果的可视化输出，可以观察软件的模型、尺寸和参数以及各种分析结果（包括温度场、流场、压力场的截面云图、等温面、动态气体/液体粒子流等），对比各种设计方案结果并自动生成分析报告
l Command Center—优化设计模块：进行目标驱动的自动优化设计，可以进行温度场、流场、重量及结构尺寸等方面的自动优化设计：包含DoE(实验设计法)、SO (自动循序优化法)、RSO(响应面法优化法)等先进优化方法
l FloEDA—电子电路设计软件（EDA）高级接口：不但支持以IDF 格式导入EDA 软件PCB 板模型，还有直接接口读入Allegro(Candence)、BoardStation 和Expedition(Mentor)及CR5000(Zuken)等EDA 软件PCB 模型的布线、器件尺寸和位置、过孔等详细信息，并可过滤选择各种器件的导入
l FloMCAD.Bridge —机械设计CAD（MCAD）软件接口模块：用于机械CAD 软件的模型导入和导出，不但完全支持Pro/ENGINEER，Solidworks，Catia 等机械CAD 软件几何模型的直接调用并自动简化，还可以通过IGES、SAT、STEP、STL 格式读入如Siemens-NX、I-DEAS 和Inventor 等MCAD 软件建立的三维几何实体模型，可以大大减少对复杂几何模型的建模时间
l FloTHERM.PACK—基于互联网的标准IC 封装热分析模型库：全球唯一符合JEDEC 标准的基于互联网实时更新下载的IC 封装热分析模型库，用于芯片热封装模型的建立
l FloVIZ—独立的仿真结果动态后处理软件：完全免费提供，可以自由无限安装（无需licence）可以实现Visual Editor 的所有功能
l FloTHERM.PCB—专业的电路板级电子散热分析软件: 为优化印刷电路板热设计提供了一种跨专业的设计环境，使电路板设计工程师们能够在设计电路板的概念阶段开始就很容易地将热设计也考虑在内
1.3.1 主要应用范围
FloTHERM作为专为电子散热设计的CFD工具，主要的应用都集中在电子半导体行业，按照尺寸级别可以分为以下四类：
l 元器件级：芯片封装的散热分析
l 板级和模块级：PCB 板的热设计和散热模块的设计优化
l 系统级：机箱、机柜等系级散热方案的选择及优化、散热器件的选型
l 环境级：数据机房、外太空等大环境的热分析
1.3.2 仿真能力
1.3.2.1热流场分析
FloTHERM可以全面考虑电子系统的热传导、对流及热辐射，分析电子设备内外的温度场和流场等，具备自然冷却、强迫冷却及混合冷却的分析能力。
1.3.2.2瞬态分析
FloTHERM具备变化功耗和变化环境的瞬态分析功能，不但可以进行开机、关机、故障的瞬态分析，同时也能进行变化功耗及环境变化情况下的瞬态分析。软件可以计算故障瞬态，如风扇失效等。
1.3.2.3辐射计算
目前唯一可以全部采用高精度Monte-Carlo 方法进行辐射计算的电子散热仿真软件，非常适合密闭设备及外太空电子设备的计算；FloTHERM可以自动确定太阳的入射角和辐射强度，自动计算太阳辐射的遮挡、吸收、反射、透射、折射，同时可以分别考虑太阳辐射的吸收率α与红外发射率ε的不同。
1.3.2.4液冷分析
FloTHERM可以分析含多种冷却介质的散热系统，如对液冷、风冷同时存在的电子设备或冷板等的热分析。
1.3.3 技术特点
1.3.3.1建模功能
FloTHERM 软件提供了专门应用于电子设备热分析的参数化模型技术（SmartParts），提供了电子设备的参数化三维建模，能够迅速、准确地为大量电子设备建模，主要元器件建模包括：
1）基本几何形体建模：提供了立方体、棱柱、圆柱、圆球、斜板等基本形体的模型建立。
2）典型电子器件的建模：提供了机箱、风扇、散热器、滤网、热交换器、热管、冷板、TEC(半导体制冷器件)等电子设备内的常有器件的参数化模型建立。
l 机箱：可以整体设置为薄壁或者厚壁，也可以各面单独定义厚度以及是否为开口，其中薄壁设置不考虑平面方向的热传导
l 滤网\通风孔\打孔板：设定孔的形状、大小、间距，并直接定义开孔率
l 风扇：允许客户定义风扇旋转参数、风扇功耗，可以模拟风扇失效
l PCB：可以定义不考虑平面传导的薄板模型和全面考虑三个方向的热传导模型，或者建立各向异性的立方体模拟PCB板
l 芯片：复杂程度随考虑细致程度变化，可用模型有双热阻模型和热阻网络模型等
l 散热器：可以参数化建立各种形式散热器模型
l 导热胶与导热垫片：有三种建模方法，分别为薄板建模、定义表面热阻以及使用软件自带数据库
l 热交换器：建模方法有定义吸风口与进风口的温差、直接定义换热量以及使用LMTD模型
3）简化模型的建立：可以进行模型的简化，软件提供了薄板导热模型和热阻-热容网络模型，同时也提供了热源和阻尼模型的建立，将器件的热源特性和阻尼特性进行输入仿真。
4）高级Zoom-in 功能：高级 Zoom-in 功能可将上级模型计算结果作为下级模型计算的边界条件，使得模型计算结果层层传递，从系统级到子系统级，简化计算过程，减轻工作量，从而大大缩减模型分析时间。
1.3.3.2全面的EDA和CAD接口
FloTHERM 软件提供了智能的EDA 和CAD 接口模块FloEDA 和FloMCAD.Bridge 模块，全面兼容通用EDA 和CAD 软件，如：Expedition、BoardStation、Allegro、CR5000 和Pro/E、Siemens-NX、Catia、Solidworks等，并可以通过STEP、SAT、IGES、STL、IDF 等标准格式导入导出其他CAD/EDA 模型。在导入过程中，FloMCAD.Bridge 模块还提供了智能的模型简化、筛选和转换能力，通过去除与散热无关的结构或工艺特征，降低模型复杂度，提高求解效率。
FloMCAD.Bridge采用ACIS格式建模内核，所有的MCAD模型都必须转换成ACIS格式，导入后简化为FLOTHERM软件中Drawing Board可以建立的模型。一些格式的MCAD模型比其他格式导入时更不易出错，主要体现在格式转换和模型修补两个方面，推荐的导入格式依次为SAT、PROE\SW\CATIA、STEP、IGES、STL。
l SAT：采用ASCI格式，无需格式转换
l PROE\SW\CATIA：专用的模型格式，可直接转换为ASCI格式
l STEP：专用的模型格式，可直接转换为ASCI格式
l IGES：点、线、表面数据格式为1D或2D格式，需转换为ASCI格式
l STL：斜表面数据为2D格式，需转换为ASCI格式
FloEDA通过独有的floeda文件可方便快捷地将PCB设计信息（几何尺寸、位置、铺铜及过孔等）从主流EDA软件（Xpedition PCB、BoardStation、Allegro、CR5000等）导入FloTHERM，同时也支持IDF格式文件的导入，通过csv文件给各器件附加功耗。
1.3.3.3基于网络的IC热模型数据库
FloTHERM.PACK基于网络的IC热模型数据库，提供球栅阵列封装(BGA)，引线封装(Leaded Packages)，针脚栅格阵列封装(Pin Grid Arrays)，堆栈封装(Multi-die Packages)等各种封装形式的模型，它被国际JEDEC组织定义为全球唯一的IC标准热模型。
1.3.3.4网格技术
FloTHERM采用业界最稳定、求解效率最高的正交网格技术，配合局域化网格按需加密，节省计算资源同时大大缩短计算时间。业界独创将网格作为实体属性选项之一，模型与网格实现动态关联，模型的任何调整网格将同步响应，实时掌控变化情况。FloTHERM 软件采用先进的非连续嵌入式网格技术和Cut Cell 网格切割技术，配有专门针对电子散热行业的自动网格划分技术，可以确保工程师在网格设置上投入的时间远远低于其它软件。FloTHERM 软件的网格不但在质量上更容易得到保证，而且解算时占用的内存和CPU 资源都比其它软件少四分之三以上。
1.3.3.5求解器
自发布以来，FloTHERM求解器一直专注于解决电子设备散热问题。基于笛卡尔网格系统的求解器，保证了求解精度同时还使单位网格的运算速度达到最快。针对电子系统内部换热的强耦合特性，采用先决耦合残差算法及多重网格循环技术解决。求解算法集成独有的实验数据和经验公式，一次求解即获得稳定结果，求解器关键特性如下：
l 耦合求解对流、传导及辐射三种换热
l 支持用户自定义收敛准则（如以某温度监控点收敛为准）
l 分析包含多种冷却介质的散热系统
l 覆盖层流、湍流及过渡态流动
l 支持瞬态分析，考虑器件功耗随时间变化
l 自动计算辐射换热因子并考虑角系数影响
l 导出求解结果作为有限元分析（FEA）的输入条件
1.3.3.6仿真结果可视化
FloTHERM后处理模块以图形和表格两种方式来展现结果，图形显示结果更直观，也可提取表格数据进行二次分析，主要特点概括为：
l 复杂、三维流体运动动画
l 热传流动的动画形式的轮廓图
l 等值面图和表面云图
l 向量或流线体现流体运动，用颜色区分温度和速度
l 输出AVI 格式动画
l 动态示踪图帮助用户更好理解复杂流体的流动
l 图片纹理增强真实感
1.3.3.7强大的自动优化功能
FloTHERM 软件配备功能强大的优化设计模块Command Center，可以对设计方案进行全面的优化设计，依据工程人员设定的优化目标和设计约束，自动寻找结构、尺寸、布局、物性等各种设计变量的最优组合，软件提供：
1) DoE(Design of Experiment)实验设计法，根据用户设计的方案，进行自动计算选优；
2) SO(Sequential Optimization)自动循序优化，基于梯度的方法将对原始模型不同变量建立新模型并对之运行求解，能够根据用户设定的参量范围和约束条件，自动选出并确定最优设计求解方案；
3) RSO(Response Surface Optimization) 响应面法优化，可以在优化的同时输出优化变量与优化目标间的关系曲线或关系曲面，保证寻优效能的同时又大大加快了优化速度。
FloTHERM 优化时还支持网络并行优化，可以在多台计算机上同时进行优化，大大加快优化设计速度。
1.3.4 专业而强大的数据库
FloTHERM 软件是全球第一个专业为电子散热应用开发的CFD 软件， 根据第三方公布的统计数据，目前拥有全球超过70%的市场份额，FloTHERM 软件不单单是一个仿真软件，更是为散热工程师进行热方案设计和数据交换的一个强大数据库。
1.3.4.1软件的基本数据库
FloTHERM 软件提供了远远多于其它软件的数据库，包括风扇、滤网、散热器、热管、电容器、电源模块、材料（各种金属与非金属、特殊导热材料等）、芯片模型等；开放的数据库可以导入，也可以输出，可以由用户自已建立企业平台的公用数据库。
1.3.4.2 FloTHERM.PACK
FloTHERM.PACK 模块是JEDEC 组织唯一认证的IC 热封装模型库www.flopack.com。自 90 年代中期开始，由欧盟资助，由ST、Nokia、Philips、Infineon 等IC 硬件厂家提供硬件支持，公司开发了芯片的热封装检索数据库FloTHERM.PACK，用户仅需提供芯片的封装代号和外观尺寸，FloTHERM.PACK模块就可以建立包括引线、基板、管脚等所有结构细节和材料参数的芯片热模型。利用FloTHERM.PACK 的热模型，工程师可以直接仿真出精确的芯片结温和壳温。基于网络的FloTHERM.PACK 数据库仍一直紧跟JEDEC和业界的标准，实时更新IC 热模型库。
1.3.5 FloTHERM各行业应用案例
l 半导体、集成电路以及元器件
l PCB及模块级
l 计算机和数据处理中心
l 航空航天
l 国防电子
l 电信设备和网络系统
l 汽车和交通运输系统
l 消费电子
