《ANSYS Icepak及Workbench结构热力学仿真分析》之作者心语

 

1、成书过程简介

春去秋来，寒暑易替，历经一年的时间，一本《ANSYS Icepak及Workbench结构热力学仿真分析》终于和广大读者朋友见面了。抚卷凝思，心中不禁有些许感慨。最早的材料来源于工程项目完成后零散记录的技术总结，一段时间以后，不经意间发现已积少成多了；自己又在各个论坛逛，看到国内相关方面的资料（Icepak、MAPDL协同Workbench平台）较少，论坛上网友呼声也较高。于是决定写成一书。它是作者一字一字码出来的，基本上是根据作者思路和原创性的思考、总结、心得而成稿。撰写的工作量较大，抓紧了工作之余和业余时间，其间还经过了多次修改，可谓为之付出了不少努力。在成书过程中得到了单位领导和身边同事的大力协助，同时，安世亚太驻成都办事处袁坤、唐天户也给予了大力支持，一并致以衷心谢意。
本书总体上可分为两个部分，前一部分（1~8章）针对电子设备Icepak热仿真分析专题，后一部分（第9章）针对联合ANSYS Classic（现称MAPDL）和Workbench平台进行结构力学有限元分析专题。对利用ANSYS产品进行电子设备结构热、力学仿真分析的读者朋友皆有裨益。

2、成书背景

针对传统电子设备研制中周期较长、后期排故较难等问题，引入数字仿真工具，进行热、力学分析，结合相关标准进行试验，使设计方案得到充分验证。这些方法的应用使产品存在的一些问题得到快速暴露和解决，提高了产品可靠性和数字化程度。以仿真+试验为代表的新手段正在使电子设备研发领域进入一个新阶段。
目前据个人的不完全统计（工作实践、对外交流、高级研修班、千余篇公开文献），国内中电10、29、30、14、20、26、27、34、36、54、55等所，华东计算机研究所、华北计算机研究所、中国航空无线电电子研究所、中航工业西安航空计算技术研究所、中科院空间应用工程与技术中心，中航工业洛阳光电设备研究所，中国科学院空间科学与应用研究中心，航天科工集团第三研究院第八三五七研究所，北京微科能创科技有限公司和北京计量测试研究所，北京国科环宇、安世亚太驻北京总部及驻成都办事处、海基科技驻成都办事处、天源博通驻北京总部，以及企业（如一汽研发中心）、高校等，均认识到仿真技术的重要作用，正在积极开展相关研究和条件建设。可以说这一波热潮是方兴未艾。
但是，仿真技术固有的较高门槛阻碍了本地化仿真设计研发能力的真正成型。即使是拥有了仿真专家和平台，在面对复杂问题时仍会觉得比较棘手。这表明，能够完成一些成功的分析不等于形成了仿真研发能力，花费较多的时间精力来跨越仿真“山头”只能是曲高和寡。
正是为了解决这些存在的问题，我们瞄准“降低门槛”和“仿真工程化”目标，在《ANSYS Icepak及Workbench结构热力学仿真分析》一书中，对阻碍仿真技术本地化应用的几个问题进行了阐述，并给出了解决方案。它们包括用于Icepak热仿真的非参多体CAD模型前处理，Icepak网格划分，Icepak参数化，Icepak若干专题以及经典ANSYS（MAPDL）与ANSYS Workbench协同仿真技术等。遵循上述解决方案，可以使用CATIA强大的多（包络）体零件快速建立Icepak热分析模型，使用多种灵活的网格划分方案对复杂几何进行快速解析。采用高性能工作站可以在几个小时内将整机结构模型快速转换为粒度非常精细（包括PCB布线、热源分布、接触热阻在内），或粒度较粗（快速方案比较）的各种层次的热仿真产品并进行数轮分析。

3、成书之后的持续开发（"CATIA For Icepak"环境开发）

在书成稿后，我们又继续对上述解决方案进行了研究，提炼出热仿真分析的标准流程，对CATIA进行了开发，以VB代码进行封装、开发出易于使用的Icepak仿真模型前处理工具而形成一个专业化的处理环境，我们将该环境称为“Catia for Icepak”（CFI，如图 1所示，第1~9个图标。其余为结构设计用。）。CFI创造性地研究并灵活使用了CATIA GSD(General Shape Design，创成式外形设计)模块的带参/非参包络体体系，以及CATIA同步建模技术（不需要3D特征）和后期参数化技术，解决了三维CAD几何模型的非参仿真多体模型快速创建、规范格式的数据描述和模型快速修改问题，使仿真产品成为了具有与结构产品一样属性的信息化研发产物，因为二者都具有了一整套产品建模和产品明细信息描述的便利本地化工具。
CFI真正使仿真技术门槛得到了降低（使Icepak热分析成为“CAD式的CAE”），能够使繁杂的模型创建过程规范为“简化”（自动隐藏对热分析影响不大的件；对几何细节进行清理）→“分解”（将复杂几何分割为简单几何）→“消参”（使模型成为非参模型）→“转换”（将非参包络体转换为2类包络体；将包络体转换出OGS--Ordered Geometrical Sets，有序几何图形集；在模型中创建出多个局部的非连续网格区域）→“重组”（将模型重组为仅由几何体+OGS组成的规范格式仿真产品，并具有规范的产品明细信息描述）的创新性标准流程，使三维CAD模型在短时间内按照一套极具处理效率的方法转换为热仿真模型，实现类似结构设计的规范化明细信息描述，并可及其方便快速地创建出Icepak非连续网格区域，使各种不同精细粒度的模型能够充分利用Icepak强大的网格功能、由粗略的背景网格和精细的非连续网格进行解析，极大地提高仿真速度和可靠度。


图 1 CATIA For Icepak工具条功能按钮一览

4、案例简介

通常一个稍复杂的模型，建模过程十分繁琐，其中包含的热对象和仿真参数数量庞大，且网格划分不易成功。如何化繁为简，对数量庞大的热对象和仿真参数进行创建、修改，以及划分出可靠经济的网格，是仿真领域内面临的主要困难，值得研究。目前在业内尚未见到公开报道的有效解决方案。
举例说明：图 2~图 3显示了一个PCB的Cadence设计信息及其对应的插卡模块Icepak非连续网格区域详细信息，可见其中包含的特征总数为86个。
图 4~图 11显示了将一个典型密闭型总线结构设备创建出热分析模型的过程。首先如图 4~图 5所示，将模型由包含1115个节点的装配件，转换为含有712个Icepak热分析对象、14个非连续网格区域（N/C ASM）的零件，其模型树节点列表如图 6~图 7所示，统计得到其中非连续网格区域的特征总数为260个（图 8），然后在Icepak中建立模型（图 9），再划分网格用于分析计算（图 10），得到计算结果如图 11所示，仿真温度值与实际试验测试值误差小于4%。
上述两个案例中的热对象及其相应的热学信息数量大，可见，如果不针对性进行研究解决而使用手动操作，将使仿真工作不具备可操作性，人员负担也比较重。使用CFI则可轻松完成全部建模和修改工作，目前它已在研发过程中得到了广泛使用，效果优良。



 




图 4 典型密闭型总线结构设备，节点总数=1115



图 5 转换为含有712个Icepak热分析对象、14个非连续网格区域（N/C ASM）的零件



图 6零件的模型树节点列表1，由Body和OGS构成，其中不仅包含各个Icepak热对象和热仿真所需要的参数信息，还包含有非连续网格区域的标记信息“ASMx”


图 7零件的模型树节点列表2，由Body和OGS构成，其中不仅包含各个Icepak热对象和热仿真所需要的参数信息，还包含有非连续网格区域的标记信息“ASMx”



图 8 非连续网格区域详细信息



图 9 在Icepak中建立模型



图 10 再转换为网格模型，用于计算



图 11 计算结果
 
 
  
为了解决这些问题，行业内各单位提出了相应解决手段。XX所提出“电子设备多学科主模型及其建立技术”，应用基于设计规则的模型搭建和基于规范数据库格式描述仿真信息的方法，来建立和管理分析模型，并在“电子设备多学科优化设计平台的实现”中予以实施。XX所将电子设备仿真研发归入其信息化建设的体系，以结构产品为主线，将仿真属性作为结构产品不可或缺的一个重要属性进行管理，且十分重视仿真设计与电子EDA设计之间的联系，力求打造较为完备的多层次属性结构产品设计与管理体系。XX所打造“电子产品多学科协同仿真平台”，从平台架构、多学科协同仿真、流程固化与管理、打通软件接口等方面进行建设。


 附全书目录：《ANSYS Icepak及Workbench结构热力学仿真分析》出版啦  

介绍：ANSYS Icepak及Workbench结构热力学仿真分析

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