畢業自我鑒定通用

摘要 計算機輔助工程（cae）是一種迅速發展的信息技術，是實現重大工程和工業產品的計算分析、模擬仿真與優化設計的工程軟件，是支持工程科學家進行創新研究和工程師進行創新設計的、最重要的工具和手段。本文針對某微波通訊芯片的散熱分析，詳細介紹了運用 i-deas esc 系統進行熱分析的有限元建模方法與數值仿真過程，并與試驗結果進行了對比。結果表明，所用方法正確，計算結果精確可靠。

關鍵詞：電子系統冷卻；數值仿真；i-deas 微波芯片

1 緒論 1.1 cae 技術概述 cae(computer aided engineering)是用計算機輔助求解復雜工程和產品結構強度、剛度、屈曲穩定性、動力響應、流體、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結構性能的優化設計等問題的一種近似數值分析方法。

cae從60年代初在工程上開始應用到今天，已經歷了30多年的發展歷史，其理論和算法都經歷了從蓬勃發展到日趨成熟的過程，現已成為工程和產品結構分析中(如航空、航天、機械、土木結構等領域)必不可少的數值計算工具，同時也是分析連續力學各類問題的一種重要手段。隨著計算機技術的普及和不斷提高，cae系統的功能和計算精度都有很大提高，各種基于產品數字建模的cae系統應運而生，并已成為結構分析和結構優化的重要工具，同時也是計算機輔助4c系統(cad/cae/capp/cam)的重要環節。

cae系統的核心思想是結構的離散化，即將實際結構離散為有限數目的規則單元組合體，實際結構的物理性能可以通過對離散體進行分析，得出滿足工程精度的近似結果來替代對實際結構的分析，這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復雜問題。其基本過程是將一個形狀復雜的連續體的求解區域分解為有限的形狀簡單的子區域，即將一個連續體簡化為由有限個單元組合的等效組合體；通過將連續體離散化，把求解連續體的場變量(應力、位移、壓力和溫度等)問題簡化為求解有限的單元節點上的場變量值。此時得到的基本方程是一個代數方程組，而不是原來描述真實連續體場變量的微分方程組。求解后得到近似的數值解，其近似程度取決于所采用的單元類型、數量以及對單元的插值函數。根據經驗，cae各階段所用的時間為：40%～45%用于模型的建立和數據輸入，50%～55%用于分析結果的判讀和評定，而真正的分析計算時間只占5%左右。針對這種情況，采用cad技術來建立cae的幾何模型和物理模型，完成分析數據的輸入，通常稱此過程為cae的前處理。同樣，cae的結果也需要用cad技術生成形象的圖形輸出，如生成位移圖、應力、溫度、壓力分布的等值線圖，表示應力、溫度、壓力分布的彩色明暗圖。我們稱這一過程為cae的后處理。針對不同的應用，也可用cae仿真模擬零件、部件、裝置(整機)乃至生產線、工廠的運動和運行狀態。

1.2 cae 軟件簡介 cae軟件可以分為兩類：針對特定類型的工程或產品所開發的用于產品性能分析、預測和優化的軟件，稱之為專用cae軟件，如：專用的流體分析軟件—star cd、專門汽車分析軟件—adina；可以對多種類型的工程和產品的物理、力學性能進行分析、模擬和預測、評價和優化，以實現產品技術創新的軟件，稱之為通用cae軟件，如：i-dea、hyperworks、ansys。

cae軟件的主體是有限元分析(fea，finite element analysis)軟件。

有限元方法的基本思想是將結構離散化，用有限個容易分析的單元來表示復雜的對象，單元之間通過有限個節點相互連接，然后根據變形協調條件綜合求解。由于單元的數目是有限的，節點的數目也是有限的，所以稱為有限元法。這種方法靈活性很大，只要改變單元的數目，就可以使解的精確度改變，得到與真實情況無限接近的解。

cae軟件的基本結構其中包含以下模塊：

前處理模塊—給實體建模與參數化建模，構件的布爾運算，單元自動剖分，節點自動編號與節點參數自動生成，載荷與材料參數直接輸入有公式參數化導入，節點載荷自動生成，有限元模型信息自動生成等。

有限元分析模塊—有限單元庫，材料庫及相關算法，約束處理算法，有限元系統組裝模塊，靜力、動力、振動、線性與非線性解法庫。大型通用題的物理、力學和數學特征，分解成若干個子問題，由不同的有限元分析子系統完成。一般有如下子系統：線性靜力分析子系統、動力分析子系統、振動模態分析子系統、熱分析子系統等。

后處理模塊—有限元分析結果的數據平滑，各種物理量的加工與顯示，針對工程或產品設計要求的數據檢驗與工程規范校核，設計優化與模型修改等。

用戶界面模塊、數據管理系統與數據庫、專家系統、知識庫。

cae軟件對工程和產品的分析、模擬能力，主要決定于單元庫和材料庫的豐富和完善程度，單元庫所包含的單元類型越多，材料庫所包括的材料特性種類越全，其cae軟件對工程或產品的分析、仿真能力越強。

一個cae軟件的計算效率和計算結果的精度，主要決定于解法庫。先進高效的求解算法與常規的求解算法，在計算效率上可能有幾倍、幾十倍，甚至幾百倍的差異。

前后處理是近十多年發展最快的cae軟件成分，它們是cae軟件滿足用戶需求，使通用軟件專業化、屬地化，并實現cad、cam、capp、pdm等軟件無縫集成的關鍵性軟件成分。它們是通過增設cad軟件，例如pro/engineer，ug，solidedge，catia，mdt等軟件的接口數據模塊，實現了cad/cae的有效集成。

1.3 國外 cae 技術概況 計算機輔助工程的特點是以工程和科學問題為背景，建立計算模型并進行計算機仿真分析。一方面，cae 技術的應用，使許多過去受條件限制無法分析的復雜問題，通過計算機數值模擬得到滿意的解答；另一方面，計算機輔助分析使大量繁雜的工程分析問題簡單化，使復雜的過程層次化，節省了大量的時間，避免了低水平重復的工作，使工程分析更快、更準確。在產品的設計、分析、新產品的開發等方面發揮了重要作用，同時cae 這一新興的數值模擬分析技術在國外得到了迅猛發展，技術的發展又推動了許多相關的基礎學科和應用科學的進步。

在影響計算機輔助工程技術發展的諸多因素中，人才、計算機硬件和分析軟是三個最主要的方面?，F代計算機技術的飛速發展，已經為cae 技術奠定了良好的硬件基礎。

多年來，重視cae 技術人才的培養和分析軟件的開發和推廣應用，發達國家不僅在科技界而且在工程界已經具有一支較強的掌握cae 技術的人才隊伍，同時在分析軟件的開發和應用方面也達到了較高水平。

美 國 于 1998 年 成 立 了 工 程 計 算 機 模 擬 和 仿 真 學 會(computer modeling andsimulation in engineering)，其它國家也成立了類似的學術組織。各國都在投入大量的人力和物力，加快人才的培養。正是各行業中大批掌握cae 技術的科技隊伍推動了cae 技術的研究和工業化應用，cae 技術在國外已經廣泛應用于不同領域的科學研究，并普遍應用于實際工程問題，在解決許多復雜的工程分析方面發揮了重要作用。

國外對cae 技術的開發和應用真正得到高速的發展和普遍應用則是近年來的事。這一方面主要得益于計算機在高速化和小型化方面取得的成就，另一方面則有賴于通用分析軟件的推出和完善。早期的cae 分析軟件一般都是基于大型計算機和工作站開發的，近年來pc 機性能的提高，使采用pc 機進行分析成為可能，促使許多cae 軟件被移植到pc 機上應用。這顯然對cae 技術的推廣應用極為有利。

衡量cae 技術水平的重要標志之一是分析軟件的開發和應用。目前，一些發達國家在這方面已達到了較高的水平，僅以有限元分析軟件為例，國際上不少先進的大型通用有限元計算分析軟件的開發已達到較成熟的階段并已商品化，如i-deas、abaqus、ansys、nastran 等。這些軟件具有良好的前后處理界面，靜態和動態過程分析以及線性和非線性分析等多種強大的功能，都通過了各種不同行業的大量實際算例的反復驗證，其解決復雜問題的能力和效率，已得到學術界和工程界的公認。在北美、歐洲和亞洲一些國家的機械、化工、土木、水利、材料、航空、船舶、冶金、汽車、電氣工業設計等許多領域中得到了廣泛的應用。

就cae 技術的工業化應用而言，西方發達國家目前已經達到了實用化階段。通過cae 與cad、cam 等技術的結合，使企業能對現代市場產品的多樣性、復雜性、可靠性、經濟性等做出迅速反應，增強了企業的市場競爭能力。在許多行業中，計算機輔助分析已經作為產品設計與制造流程中不可逾越的一種強制性的工藝規范加以實施。如，以國外某大汽車公司為例，絕大多數的汽車零部件設計都必須經過多方面的計算機仿真分析，否則根本通不過設計審查，更談不上試制和投入生產。計算機數值模擬現在已不僅僅作為科學研究的一種手段，在生產實踐中也已作為必備工具普遍應用。

和地區分布方面來看，發展也還很不平衡。

目前，i-deas、abaqus、ansys、nastran 等大型通用有限元分析軟件已經引進我國，在汽車、航空、機械、材料等許多行業得到了應用，而且我們在某些領域的應用水平并不低。不少大型工程項目也采用了這類軟件進行分析。我國已經擁有一批科技人員在從事cae 技術的研究和應用，取得了不少研究成果和應用經驗，使我們在cae 技術方面緊跟住現代科學技術的發展。但是，這些研究和應用的領域以及分布的行業和地區還很有限，現在還主要局限于少數具有較強經濟實力的大型企業、部分大學和研究機構。

我國的計算機分析軟件開發是一個薄弱環節，嚴重地制約了cae 技術的發展。在cae 分析軟件開發方面，我國目前至少落后于美國等發達國家十年。計算機軟件是高技術和高附加值的商品，目前的國際市場為美國等發達國家所壟斷。僅以有限元計算分析軟件為例，目前的世界年市場份額達5 億美元，并且以每年15%的速度遞增。相比之下，我國自己民族的軟件工業還非常弱小，僅占有很少量的市場份額。作為一個國家，一個民族不能長期依賴于引進外國的技術和產品，因此我們必須加大力度開發自己的計算機分析軟件，只有這樣才能改變在技術上和經濟上受制于人的局面。

我國的工業界在cae 技術的應用方面與發達國家相比水平還比較低。大多數的工業企業對cae 技術還處于初步的認同階段，cae 技術的工業化應用還有相當的難度。這是因為，一方面我們缺少自己開發的具有自主知識產權的計算機分析軟件，另一方面大量缺乏掌握cae 技術的科技人員。對于計算機分析軟件問題，目前雖然可以通過技術引進以解燃眉之急，但是，國外的這類分析軟件的價格一般都相當貴，國內不可能有很多企業購買這類軟件來使用。而人才的培養則需要一個長期的過程，這將是對我國cae 技術的推廣應用產生嚴重影響的一個制約因素，而且很難在短期內有明顯的改觀。提高我國工業企業的科學技術水平，將cae技術廣泛應用于設計與制造過程還是一項相當艱巨的工作。

1.5 本課題主要目的 本課題的目的是了解cae技術的現狀及cae分析的理論方法—有限元分析法，掌握cae分析軟件i-deas對產品熱分析的基本方法和過程，并能利用大學所學習的力學原理對分析結果進行簡單判斷，及早發現設計缺陷，改進和優化設計方案，證實未來工程/產品的可用性和可靠性。通過對此課題的學習，鞏固大學所學的專業知識，進一步加深對cae領域和自己工作內容的了解，并對以后的工作和學習能有所幫助和提高。

論文以通用cae分析軟件i-deas在工程分析中的運用為背景，具體以微波芯片散熱仿真、熱分析為實例，詳細介紹i-deas軟件的操作方法和目的。包括：i-deas軟件esc(電子散熱系統)模塊進行熱分析的有限元建模方法、數值仿真的基本過程、軟件計算結果與實驗及理論手動驗算結果的對比。

2 i-deas 的有限元使用方法 2.1 i-deas 軟件及有限元法概述 2.1.1 i-deas 軟件概述 i-deas軟件是sdrc（structural dynamics research corporation）公司的產品。

sdrc 公司是世界領先的機械設計自動化（mda）和產品數據管理（pdm）系統及工程服務公司。公司成立于1967 年，總部設在美國俄亥俄州辛辛那提。

i-deas軟件是一套完全一體化的，面向二十一世紀的解決方案。這套完整方案貫串了從概念設計直到生產開發的全過程，涵蓋了機械設計自動化，產品數據管理，協同產品商務（cpc）以及工程資訊和實施服務等各方面。

產品仿真（simulation）是其模塊之一，其中仿真建模（simulation modeling set）是mda 集成環境中的有限元建模和結果可視化工具。直接利用i－deas 軟件主模塊或裝配，或其它cad 系統輸入的模型快速建立數字化的產品估計模型，仿真模型和設計模型具有相關性。

仿真求解（simulation solution linear）是有限元求解器，包括結構的線性靜態分析和結構模態分析。

非線性求解器（model solution non－linear）支持幾何非線性，材料非線性，彈塑性及綜合非線性分析，利用newton－raphson 方法求解非線性方程組。

變量化分析（variational analysis）使仿真在設計初期介入設計過程，利用單一模型進行廣泛的設計探索。變量化分析在設計可變的全變量范圍內自動地解算有限元模型，通過一次網格劃分和解算生成設計手冊式結果，得到多種可對比的方案。

相應分析（response analysis）用來探索結構在靜態，瞬態，諧波和隨機激勵下的受迫響應，模態可以來自結構分析或測試。

femap 是基于幾何的，用于有限元模型前后處理系統。采用windows native技術，使得幾何及圖形信息交互靈活，完成的前后處理工作具有高質量、專業化、快捷的特點。同時與其它cad/cae 系統有良好的兼容性，適用不同硬件及操作系統環境。

列單元，單元之間僅靠節點連接。單元內部的待求量可由單元節點量通過選定的函數關系插值求得。由于單元形狀簡單，易于由平衡關系或能量關系建立節點量之間的方程式然后將各個單元方程“組集”在一起而形成總體代數方程組，記入邊界條件后即可對方程組求解。單元劃分越細，計算結果就越準確。

有限元法的基本思想早在 40 年代初期就有人提出，但真正用于工程中則是電子計算機出現后?！坝邢拊ā边@一名稱是1960 年美國的克拉夫在一篇題為“平面應力分析的有限元法”論文中首先使用的。此后，有限元法的應用得到蓬勃的發展。到80 年代初期國際上大型的結構分析有限元通用程序達到幾百種，其中著名的有nastran、ansys、aska、adina、sap 等。它們采用fortran語言編寫，規模達幾萬條甚至幾十萬條語句。其功能越來越完善，不僅包含多種條件下的有限元分析程序，而且帶有功能強大的前處理（自動生成單元網格，形成輸入數據文件）和后處理（顯示計算結果、繪制變形圖、等值線圖（如等溫度、等應力線、等位移線等）、振型圖并可動態顯示結構的動力響應等）程序。由于有限元通用程序使用方便，計算精度高，其計算結果已成為各類工業產品和設計性能分析的可靠依據。有限元分析、計算機圖形學、優化技術與可靠性相結合可形成完整的計算機輔助設計系統，從而可以顯著提高產品設計性能、縮短生產周期以增強產品的市場競爭力。

有限元法應用范圍很廣，它不但可解決工程中的線性問題、非線性問題，而且對于各種不同性質的固體材料，如各向同性和各向異性材料，粘彈性和塑性材料以及流體均能求解；另外，對于工程中最有普遍意義的非穩態問題也能求解，甚至還能模擬構件之間的高速碰撞、炸藥的爆炸和應力波的傳播。目前，有限元法的應用已遍布機械、建筑、礦山、冶金、材料、化工、能源、交通、電磁甚至日常生活用品設計分析的各個領域中。

點取plannar surface，選共面的線框及邊創建表面。

點取surface by boundary，選線框及邊生成表面。

在平面上定義曲線 → 點取project curve圖標，選取要投影的目標表面 → 選要投影的曲線或截面 → 選投影方向。

點取surface operators圖標，打開surface abstraction面板 → 點取trim surface → 選取要裁剪或分區的表面 → 選取用來分割表面的曲線 → 點取曲面上的邊。

從surface abstraction面邊版上點取stitch surface圖標 → 從隱式菜單中選取select surface → 選取all。

從surface abstraction面板點取show free edges → 選取要檢查的表面（自由邊用虛線標示）。

從master modeler的面板中點取partition → 選取要被分區的零件 → 選取零件或表面分割將被分區的零件。

2.2.2 網格劃分

圖 圖 2 －2 生成自由網格 生成自由網格：自由網格劃分在幾何表面及實體上自動生成節點及單元。這種網格形式比映射網格更加靈活，表面及實體的邊界也可以更復雜。它可以劃分有孔的表面，體、孔洞及內部空腔。以下內容包括（1）確定網格類型 圖 圖 2 －3 網格類型（2）確定網格尺寸和屬性（殼單元為例）圖 圖 2 －4 網格尺寸和屬性 element length：單元長度—控制網格密度。

element family：單元族—薄殼單元，軸對稱單元，平面應力、平面應變單元。

element type：單元類型—線性或二次三角型單元，線性或二次四邊形單元。

physical property：物理屬性—控制單元厚度。

material：材料屬性—定義模型材料性質（例如鐵、樹脂、空氣等）。

（3）設定基于曲率的長度：可使軟件計算得到基于邊的曲率的單元長度 圖 圖 2 －5 設定基于曲率的長度 基于曲率的長度，可使軟件計算得到基于邊的曲率的單元長度。

選取 none 選項，單元長度按在單元長度域中鍵入的值。

選取 percent deviation 選項，單元長度基于偏離曲線的百分比，用弦高/弦長表示。鍵入值為1 – 100。

圖 圖 2 －6 局部密度設定 ①用于設定局部單元尺寸：

在模型中選定的位置改變單元尺寸。

優先于全局尺寸。

通過選取向量或曲線上的點確定局部單元尺寸。

通過選取邊確定曲線上的單元數目。

②設定圓孔密度及映射（用于螺栓孔連接）③生成網格（5）網格質量檢查 有限元計算結果的精度部分依賴于單元的質量，每種單元都有其理想的形狀，當模型中單元偏離理想形狀時，質量下降，結果的不精確度增加。

圖 圖 2 －7 網格質量檢查流程圖 2.2.3 建立邊界條件 正確的邊界條件對任何有限元分析的都是至關重要的。在 i-deas 軟件中進行有限元分析時，可以在模型上施加的邊界條件包括位移約束、自由度耦合、溫度、機械載荷以及兩個表面之間的接觸等等。不同分析類型中可能采用的邊界條件類型也不盡相同。比如，非線性分析的邊界條件可以是隨時間變化的，而線性分析的邊界條件則不能依賴于時間。當用分析類型圖標指定分析的類型后，軟件將自動限定適當的邊界條件類型。

（1）創建邊界條件的基本步驟 ① 選擇分析類型，比如，linear static（線性靜力學分析）。分析類型圖標或命令按鈕相當于一個過濾器，一旦選定，用戶將只能看到對該分析類型有效的邊界條件選擇項。缺省分析類型是linear static（線性靜力學分析）。

② 選擇相應的圖標菜單或命令菜單來創建需要的邊界條件。

③ 點取邊界條件施加的實體。邊界條件可以被加載到諸如邊、面、截面、頂點、以及邊和面上的任意點等幾何實體上，也可以加載有限單元實體，如節點和單元上。

④ 往邊界條件集合中添加包含所創建邊界條件子集。每次所創建的邊界條件都被放置于一個該種邊界條件子集中，該集合可以被選入一個邊界條件集合中。一次分析使用一個邊界條件集合。

（2）邊界條件集合 在 i-deas 軟件中，對模型定義的約束、自由度耦合、接觸、dof、溫度、及載荷等邊界條件都被分別保存在一個相應的組中，并稱之為相應的集合。這些集合可以組合而成一個更大的集合，稱之為邊界條件集合，相當于工程中的一種工況。在設定分析時，可以選定一個或多個邊界條件集合（即一種或多種工況），每一個都包含了適用于分析求解之任意類型的所有邊界條件。

例如，用戶創建位移約束后，它們將被保存到restraint(約束)集合中。而一個load(載荷)集合可以既包含集中力，又可以包含壓力。這兩個集合最終可以同時包括在一個邊界條件集合中 i-deas 中可以創建六種邊界條件集合類型。下圖給出了每種邊界條件集合中可以包含的邊界條件類型。

圖 圖 2 －8 邊界條件集合類型 在進行分析前，用戶必須先將要創建的集合指定為一個適當的邊界條件集合。一個邊界條件集合是所有用于模型分析的邊界條件的集合。在設定分析時，必須用i-dears 模型求解器或一個外部求解器來指定一個邊界條件集合。指定到求解器中的一個邊界條件集合，必須至少含有一個邊界條件子集。

（3）邊界條件的施加 進行有限元分析前的一個最重要的步驟是邊界條件的加載。邊界條件可以施加到模型的幾何實體或有限元實體上。在創建一個fe 模型時，可以指定“geometry-based analysis only（僅基于幾何分析）”，然后就只能選用用于創建幾何模型（在p 單元分析和幾何優化中所用）的命令鍵。

對于基于幾何模型建立的有限元模型，邊界條件可以施加在幾何體的邊、表面、頂點、中心點、參考點以及邊或面的位置點等等。而對于基于截面建立網格模型，邊界條件可以施加在線框曲線和截面上。一旦生成了有限元模型，邊界條件就可以施加到節點、單元面和單元邊等有限元實體上。

i-deas 同時支持這兩種邊界條件加載法。但是，由于不依賴于網格模型，基于幾何的邊界條件加載更具靈活性。

（4）設置分析類型 定義邊界條件時，需要指定分析類型（缺省的分析類型為linear statics（線性靜力學分析）。

如果在定義邊界條件之前選定分析類型，用戶將只能創建對所選分析類型有效的邊界條件。例如，對nonlinear statics 分析類型，可以定義隨時間變化的邊界條件，而這種邊界條件卻不能在線性分析（如linear statics）中定義。

i－deas 中可選擇的分析類型包括：

linear statics（線性靜力學分析）nonlinear statics（非線性靜力學分析）normal mode dynamics（正則模態動力學）constraint mode dynamics（約束模態動力學）（這種分析類型只能用于包括 system dynamics analysis 的i-deas 版本）。

linear buckling（線性屈曲分析）heat transfer（熱傳導分析）potential flow（勢流分析）2.2.4 求解及后處理（1）求解選項設置 ①選 verification checks and estimates，可檢查模型單元及邊界條件的合法性。而不進行深入的求解計算。該方法提供一種不完全的分析，但能為solution-no restart 方法提供矩陣數據庫尺寸規模的估計及cholesky 分解的cpu 時間。

②選 solution-no restart 完成對有限元模型的完整分析，如果成功，將結果置于有限元求解數據庫中，該方法保持求解過程中磁盤空間占用最少。如果不再對模型進行改變邊界條件的進一步分析，而是用同一邊界條件集進行不止一次的分析，使用solution-restart（initial run）方法。

③選 solution－restart（initial run），用當前求解集對問題進行首次分析，并為后續分析存儲矩陣數據，當使用其它重新開始方法時，可以重開始該分析使用同一矩陣數據庫，不同的邊界條件或載荷。和首次分析的計算時間比較，可以發現使用前面求解已求得的矩陣數據庫能節約相當多的時間，這對于用新載荷再次重新開始時是相當有效的。在 solve 表中選執行選項時保存矩陣文件，以便能成功地進行后續重新開始的分析。

重開始的方法把數據寫在模型文件及矩陣文件中以便同時保存矩陣文件和模型文件。如要進行一系列的重開始，確保在存儲軟件時保存模型。但該求解方法不能使用前面由于錯誤而求解失敗的求解數據。模型文件是結構化的，允許多個模型存在一個文件中，使矩陣文件只能包含模型的一組重開始數據。如果不止一個模型要執行重開始方法求解，要使用單獨的數據庫文件。關于矩陣文件的進一步信息，參見選執行選項的討論。

④選 solution－restart（new load），從已用solution－restart（initial）成功求解的模型獲得分析結果，但應施加新的載荷集。軟件已經在首次求解時構造了剛度矩陣的cholesky 分解，這些分解因子被重新使用。要用重新開始的方法執行求解，必須生成新的求解集，或者使用已存在的求解集，但首先必須在后處理中刪除所有的結果。由于軟件允許進行多次重開始求解，初始求解只需要執行一次，而不是每次施加新載荷后都要經過初始求解，為能成功地執行將來的重新開始，在solve 表中選執行選項時保存矩陣文件。重開始的方法把數據寫在模型文件及矩陣文件中，以便同時保存矩陣文件及模型文件，如要進行一系列的重新開始，退出軟件前一定保存模型。

⑤選solution-user defined 是用程序文件執行求解而不是軟件提供的標準求解，可以通過修改標準的求解序列，或使用一般的矩陣操作命令寫用戶定義程序文件。

（2）利用后處理整理計算結果 ①使用應力輪廓線評估結果：當選取顯示按鈕時，缺省顯示為變形后幾何的應力輪廓。變形按大百分比擴大顯示。輪廓以顏色帶形式出現，每種顏色代表一定的應力范圍值。

②選輸出數據：點取result → 點亮所要觀察的數據類型 → 選箭頭 → 選標量數據的組成。

③設定結果顯示：display template 表是一個信息模板，用于選取所選數據的后處理顯示類型。模板可用于設置輪廓及單元、箭頭顯示及顏色條、參數、顯示質量。

④設定數據范圍：缺省情況下顏色條從最小數值至最大值有六個相等的增量?？梢栽O定顯示輪廓及條形圖的應力范圍、具有線性增量的最小值及最大值、增量的范圍。

⑤輸出探針數據：可以用探針探取模型上特定點,顯示時列出數據。首先打開顯示模板中的探針按鈕。當探取特定點時，軟件會給出最近的節點的值及節點號、在列取信息區域顯示信息。

⑥繪數據圖線：繪圖線允許將所選元素以線圖格式顯示xy graph 完成一個線圖，xy graph setup 允許為線圖選取可選項、y-軸給出顯示結果（應力，位移，反力，等）、x-軸給出所選元素（節點或單元數據，標簽，距離，x 坐標值，等）、同一圖上可放置多個結果，y-軸按一定比例包含結果值所在的范圍。

⑦動畫結果：animation 動畫顯示初始與最終狀態的結果及變形。應用隱藏菜單可以加速或減慢動畫、在特定幀停止動畫、一次一幀逐幀演示動畫。

2.3 i-deas 熱分析的建模理論 2.3.1 用于熱分析的有限差分法 熱模擬使用有限元容積（有限差分）法完成對熱模型的求解。它使用非結構有限元網格對模型進行離散。它可以對實體的熱傳導、對流以及表面輻射進行模擬。

式中q b 為通過控制容積邊界的熱流；q o 為控制容積內產生的熱流；u為控制容積內貯存的能量。

溫度t i 和t j 在控制容積fd計算點被估算。對于導熱系數為線性的情況，g為常值，熱流與fd計算點溫差成正比。輻射傳熱系數、對流換熱系數和其他非線性傳熱系數涉及更復雜的溫度函數。

使用整個控制容積內的密度和比熱均為常數的假定，熱容項可簡化為：

這樣，對于控制容積i，熱平衡方程為：

這將產生整個問題區域內的一系列代數方程，對它們進行求解就可以得到控制容積fd計算點上的溫度值。

本熱分析軟件所用的控制容積法有一個優點：可以和有限元建模法兼容。只要把每個幾何單元當作一個控制容積，一個有限元網格就可以用來直接生成一個有限差分模型。

式中，ρ為單元的密度；c為單元的比熱；v為單元的容積。

相鄰且互相連接的兩個單元之間的傳導熱流的計算式為：

式中g ij 為傳熱系數。

對于模型中的每個單元，i-deas在其質心和邊界上建立計算點。使用滿足熱傳導控制方程的線性單元溫度函數確定邊界點之間的傳熱。質心計算點被用于計算分布式傳熱：輻射、對流和熱流。該點的溫度是在假定單元中的溫度滿足拋物線分布的情況下計算得到的。進入該點的熱流則分配給各邊界上的點。

2.4 i-deas 電子系統冷卻模塊（esc）i-deas electronic system cooling(esc電子系統冷卻)提供了許多工具用于模擬熱和流動現象。

2.4.1 esc 邊界條件概覽 圖 圖 2 －8 i-deas esc 模塊 ①熱耦合：建立不相連的網格之間的熱通路，應用于pc板與組件之間的耦合、插件與帶插槽的機殼之間的耦合、不相連的兩個網格之間的傳導、表面之間的輻射等。

②熱邊界條件：模擬固定溫度和熱負荷，應用于組件上的熱負荷、機殼和插件版上的固定溫度、流體中的源項等。

③流動表面和性質：模擬表面向流體的對流、表面性質描繪流動表面的粗糙程度和對流情況，應用于pc板及組件的對流換熱、非對流隔板等。

④流動障礙/屏障：模擬流動的障礙物（實心體、多孔板和平面阻力），應用于阻礙流動的大元件、內部屏障、過濾器和多孔板、其中有大量電纜的體積等。

⑤風扇和通風孔：模擬外部和內部的風扇及外部開口，應用于入口、出口、內部風扇、循環回路、風扇曲線、進流、出流和進出流混合的外部開口等。

2.4.2 esc 邊界條件定義及網格劃分簡例 圖 圖 2 －9 esc 模型 邊界條件可被定義于幾何實體或單元上，通常，將邊界條件定義在幾何體上更為可取。定義于單元上的邊界條件必須在改變網格劃分之前被刪除。所有定義了邊界條件的幾何實體在求解之前必須劃分網格。

風扇、通風孔和屏障用特殊的邊界殼單元（材料為null gas）劃分網格，邊界殼單元與流體單元面重疊。

在esc模型中給空氣部分賦予流體材料屬性（esc_air）。

3 i-deas 的熱分析基礎 3.1 熱量傳遞的三種基本方式 3.1.1 熱傳導 定義：指溫度不同的物體各部分或溫度不同的兩物體間直接接觸時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動而進行的熱量傳遞現象。

（1）特點：a必須有溫差；b物體直接接觸；c依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動而傳遞熱量。

（2）熱傳導系數λ：單位長度的物體保持兩端的溫度差為1℃時，通過單位截面積的熱量，單位【w/(m*℃)】。

（3）fourier定律，也稱為導熱基本定律，是一個一維穩態導熱。

定義：在導熱現象中，單位時間內通過給定截面的熱量，正比例于垂直于該界面方向上的溫度變化率和截面面積，而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。

熱流密度q=-λ(dt/dx)也可以表示為q=λ*δt*a/l，單位【w/m^2】；導熱量φ＝-λa(dt/dx)，單位【w】。

其中λ為導熱系數，w/(m*k)，a為傳熱面積，單位為m^2，t為溫度，單位為k，x為在導熱面上的坐標，單位為m，dt/dx是物體沿x方向的溫度梯度，即溫度變化率。

3.1.2 熱對流 定義：熱對流是指熱量通過流動介質，由空間的一處傳播到另一處的現象。

（1）特點：a當流體流過一個物體表面時的熱量傳遞過程，它與單純的對流不同，是導熱與熱對流同時存在的復雜地熱傳遞過程；b必須有直接接觸（流體與壁面）和宏觀運動，也必須有溫差；c壁面會形成速度很大的邊界層。

（2）熱對流換熱系數h：當流體與壁面溫度相差1度時，每單位壁面面積上單位時間內所傳遞的熱量，單位【w/（m^2*℃）】。

（3）牛頓冷卻定律：溫度高于周圍環境的物體向周圍媒質傳遞熱量逐漸冷卻時所遵循的規律。

3.1.3 熱輻射 定義：物體由于具有溫度而輻射電磁波的現象。

（1）特點：a任何物體，只要溫度高于0k，就會不停地向周圍空間發出熱輻射；b可以在真空中傳播；c伴隨能量形式的轉變；d具有強烈的方向性；e輻射能與溫度波長均有關；f發射輻射取決于溫度的四次方。

一維穩態導熱由fourier定律得：

圖 圖3 －5 設定完成的計算模型（5）計算結果讀?。?/p>

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