《ANSYS Icepak及Workbench結構熱力學仿真分析》之作者心語

 

1、成書過程簡介

春去秋來，寒暑易替，歷經一年的時間，一本《ANSYS Icepak及Workbench結構熱力學仿真分析》終于和廣大讀者朋友見面了。撫卷凝思，心中不禁有些許感慨。最早的材料來源于工程項目完成后零散記錄的技術總結，一段時間以后，不經意間發現已積少成多了；自己又在各個論壇逛，看到國內相關方面的資料（Icepak、MAPDL協同Workbench平臺）較少，論壇上網友呼聲也較高。于是決定寫成一書。它是作者一字一字碼出來的，基本上是根據作者思路和原創性的思考、總結、心得而成稿。撰寫的工作量較大，抓緊了工作之余和業余時間，其間還經過了多次修改，可謂為之付出了不少努力。在成書過程中得到了單位領導和身邊同事的大力協助，同時，安世亞太駐成都辦事處袁坤、唐天戶也給予了大力支持，一并致以衷心謝意。
本書總體上可分為兩個部分，前一部分（1~8章）針對電子設備Icepak熱仿真分析專題，后一部分（第9章）針對聯合ANSYS Classic（現稱MAPDL）和Workbench平臺進行結構力學有限元分析專題。對利用ANSYS產品進行電子設備結構熱、力學仿真分析的讀者朋友皆有裨益。

2、成書背景

針對傳統電子設備研制中周期較長、后期排故較難等問題，引入數字仿真工具，進行熱、力學分析，結合相關標準進行試驗，使設計方案得到充分驗證。這些方法的應用使產品存在的一些問題得到快速暴露和解決，提高了產品可靠性和數字化程度。以仿真+試驗為代表的新手段正在使電子設備研發領域進入一個新階段。
目前據個人的不完全統計（工作實踐、對外交流、高級研修班、千余篇公開文獻），國內中電10、29、30、14、20、26、27、34、36、54、55等所，華東計算機研究所、華北計算機研究所、中國航空無線電電子研究所、中航工業西安航空計算技術研究所、中科院空間應用工程與技術中心，中航工業洛陽光電設備研究所，中國科學院空間科學與應用研究中心，航天科工集團第三研究院第八三五七研究所，北京微科能創科技有限公司和北京計量測試研究所，北京國科環宇、安世亞太駐北京總部及駐成都辦事處、海基科技駐成都辦事處、天源博通駐北京總部，以及企業（如一汽研發中心）、高校等，均認識到仿真技術的重要作用，正在積極開展相關研究和條件建設。可以說這一波熱潮是方興未艾。
但是，仿真技術固有的較高門檻阻礙了本地化仿真設計研發能力的真正成型。即使是擁有了仿真專家和平臺，在面對復雜問題時仍會覺得比較棘手。這表明，能夠完成一些成功的分析不等于形成了仿真研發能力，花費較多的時間精力來跨越仿真“山頭”只能是曲高和寡。
正是為了解決這些存在的問題，我們瞄準“降低門檻”和“仿真工程化”目標，在《ANSYS Icepak及Workbench結構熱力學仿真分析》一書中，對阻礙仿真技術本地化應用的幾個問題進行了闡述，并給出了解決方案。它們包括用于Icepak熱仿真的非參多體CAD模型前處理，Icepak網格劃分，Icepak參數化，Icepak若干專題以及經典ANSYS（MAPDL）與ANSYS Workbench協同仿真技術等。遵循上述解決方案，可以使用CATIA強大的多（包絡）體零件快速建立Icepak熱分析模型，使用多種靈活的網格劃分方案對復雜幾何進行快速解析。采用高性能工作站可以在幾個小時內將整機結構模型快速轉換為粒度非常精細（包括PCB布線、熱源分布、接觸熱阻在內），或粒度較粗（快速方案比較）的各種層次的熱仿真產品并進行數輪分析。

3、成書之后的持續開發（"CATIA For Icepak"環境開發）

在書成稿后，我們又繼續對上述解決方案進行了研究，提煉出熱仿真分析的標準流程，對CATIA進行了開發，以VB代碼進行封裝、開發出易于使用的Icepak仿真模型前處理工具而形成一個專業化的處理環境，我們將該環境稱為“Catia for Icepak”（CFI，如圖 1所示，第1~9個圖標。其余為結構設計用。）。CFI創造性地研究并靈活使用了CATIA GSD(General Shape Design，創成式外形設計)模塊的帶參/非參包絡體體系，以及CATIA同步建模技術（不需要3D特征）和后期參數化技術，解決了三維CAD幾何模型的非參仿真多體模型快速創建、規范格式的數據描述和模型快速修改問題，使仿真產品成為了具有與結構產品一樣屬性的信息化研發產物，因為二者都具有了一整套產品建模和產品明細信息描述的便利本地化工具。
CFI真正使仿真技術門檻得到了降低（使Icepak熱分析成為“CAD式的CAE”），能夠使繁雜的模型創建過程規范為“簡化”（自動隱藏對熱分析影響不大的件；對幾何細節進行清理）→“分解”（將復雜幾何分割為簡單幾何）→“消參”（使模型成為非參模型）→“轉換”（將非參包絡體轉換為2類包絡體；將包絡體轉換出OGS--Ordered Geometrical Sets，有序幾何圖形集；在模型中創建出多個局部的非連續網格區域）→“重組”（將模型重組為僅由幾何體+OGS組成的規范格式仿真產品，并具有規范的產品明細信息描述）的創新性標準流程，使三維CAD模型在短時間內按照一套極具處理效率的方法轉換為熱仿真模型，實現類似結構設計的規范化明細信息描述，并可及其方便快速地創建出Icepak非連續網格區域，使各種不同精細粒度的模型能夠充分利用Icepak強大的網格功能、由粗略的背景網格和精細的非連續網格進行解析，極大地提高仿真速度和可靠度。


圖 1 CATIA For Icepak工具條功能按鈕一覽

4、案例簡介

通常一個稍復雜的模型，建模過程十分繁瑣，其中包含的熱對象和仿真參數數量龐大，且網格劃分不易成功。如何化繁為簡，對數量龐大的熱對象和仿真參數進行創建、修改，以及劃分出可靠經濟的網格，是仿真領域內面臨的主要困難，值得研究。目前在業內尚未見到公開報道的有效解決方案。
舉例說明：圖 2~圖 3顯示了一個PCB的Cadence設計信息及其對應的插卡模塊Icepak非連續網格區域詳細信息，可見其中包含的特征總數為86個。
圖 4~圖 11顯示了將一個典型密閉型總線結構設備創建出熱分析模型的過程。首先如圖 4~圖 5所示，將模型由包含1115個節點的裝配件，轉換為含有712個Icepak熱分析對象、14個非連續網格區域（N/C ASM）的零件，其模型樹節點列表如圖 6~圖 7所示，統計得到其中非連續網格區域的特征總數為260個（圖 8），然后在Icepak中建立模型（圖 9），再劃分網格用于分析計算（圖 10），得到計算結果如圖 11所示，仿真溫度值與實際試驗測試值誤差小于4%。
上述兩個案例中的熱對象及其相應的熱學信息數量大，可見，如果不針對性進行研究解決而使用手動操作，將使仿真工作不具備可操作性，人員負擔也比較重。使用CFI則可輕松完成全部建模和修改工作，目前它已在研發過程中得到了廣泛使用，效果優良。



 




圖 4 典型密閉型總線結構設備，節點總數=1115



圖 5 轉換為含有712個Icepak熱分析對象、14個非連續網格區域（N/C ASM）的零件



圖 6零件的模型樹節點列表1，由Body和OGS構成，其中不僅包含各個Icepak熱對象和熱仿真所需要的參數信息，還包含有非連續網格區域的標記信息“ASMx”


圖 7零件的模型樹節點列表2，由Body和OGS構成，其中不僅包含各個Icepak熱對象和熱仿真所需要的參數信息，還包含有非連續網格區域的標記信息“ASMx”



圖 8 非連續網格區域詳細信息



圖 9 在Icepak中建立模型



圖 10 再轉換為網格模型，用于計算



圖 11 計算結果
 
 
  
為了解決這些問題，行業內各單位提出了相應解決手段。XX所提出“電子設備多學科主模型及其建立技術”，應用基于設計規則的模型搭建和基于規范數據庫格式描述仿真信息的方法，來建立和管理分析模型，并在“電子設備多學科優化設計平臺的實現”中予以實施。XX所將電子設備仿真研發歸入其信息化建設的體系，以結構產品為主線，將仿真屬性作為結構產品不可或缺的一個重要屬性進行管理，且十分重視仿真設計與電子EDA設計之間的聯系，力求打造較為完備的多層次屬性結構產品設計與管理體系。XX所打造“電子產品多學科協同仿真平臺”，從平臺架構、多學科協同仿真、流程固化與管理、打通軟件接口等方面進行建設。


 附全書目錄：《ANSYS Icepak及Workbench結構熱力學仿真分析》出版啦  

介紹：ANSYS Icepak及Workbench結構熱力學仿真分析

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