基于Flotherm二次開發的機電產品熱仿真系統
2016-04-12 00:00:00曹振亞袁宏杰程明李佩昌
現代電子技術 2016年12期
摘 要： 針對機電產品熱仿真試驗對試驗者理論基礎和軟件操作能力要求較高以及相似操作不能流程化解決的問題，應用C#.NET語言結合.NET Framework技術、Flotherm二次開發接口技術、SQLite數據庫技術、XML語言技術和Flotherm二次開發封裝與集成技術，開發出機電產品熱仿真系統，并應用于軍用車載機電產品熱仿真試驗，使得典型軍用車載機電產品熱仿真試驗自動化、流程化，實現了溫度表的自動輸出和薄弱點的暴露，大大縮短了仿真試驗時間，提高了試驗效率。最后通過XX檢測組合裝置熱分析仿真實例驗證了該系統的可行性。
關鍵詞： C#.NET語言； Flotherm二次開發接口； 熱仿真； XML
中圖分類號： TN61?34； TP311.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）12?0159?05
Abstract： Since the mechanical and electrical products thermal simulation experiment has high demand on theoretical basis and software operability of the experimenter， and its similar operation can’t be streamlined， a thermal simulation system for the mechanical and electrical products was developed by using C#.NET object?oriented language combined with .NET Framework technology， Flotherm redevelopment interface technology， SQLite technology， XML technology， and Flotherm redevelopment packaging and integration technology. It is applied to the thermal simulation experiment of military vehicle?mounted mechanical and electrical products， which can make the thermal simulation experiment for the typical military vehicle?mounted mechanical and electrical products automatic and in process， realize the automatic output of the thermometer and exposure of weak points， greatly shorten the simulation experiment time， and improve the test efficiency. The feasibility of this system was verified by means of thermal analysis simulation example of XX detection combination device.
Keywords： C#.NET language； Flotherm redevelopment interface； thermal simulation； XML
0 引 言
隨著集成技術的提高，電子設備功率上升，體積縮小，單位體積發熱量增加，發熱問題日益突出。美國空軍航空電子項目的研究結果發現，在影響電子產品可靠性的諸多因素中，溫度因素居首，其所占比例[1]為55%。而且，據國外資料統計：電子元器件溫度每升高2 ℃，可靠性下降10%，溫升50 ℃時的壽命[2]只有溫升25 ℃時的[16]。可見溫度對電子設備的壽命影響巨大，解決電子設備過熱問題十分必要。
熱仿真技術的發展為解決電子設備過熱問題提供了方法與途徑。工程上，在產品設計階段進行熱仿真試驗，確定產品模型的溫度分布，找出溫度最高點即薄弱點，通過改變布局或增加散熱等改進設計的措施，消除產品溫度薄弱點，進而達到設計指標。通過開展熱仿真試驗快速暴露產品設計缺陷，能夠有效降低設計費用，縮短產品研制周期，提高產品一次成功率和可靠性[3?4]。
軍用車載機電產品內部包含電路板以及元器件等電子設備，傳統情況下其熱仿真試驗與電子產品的熱仿真試驗相似，均通過Flotherm或Fluent等熱分析軟件完成。然而，這要求試驗者具有較好的流體力學、散熱學理論基礎和軟件操作能力。而且，在熱校模階段需要多次修改產品的材料特性、熱特性和流體的特性，并進行多次求解計算以達到熱仿真結果與實際溫度試驗結果相符合[5]。同時，由于商業軟件的通用性，指定仿真結果的輸出需要手工操作才能完成。為此，本文針對軍用車載機電產品的特點，采用C#.NET語言結合.NET Framework技術、Flotherm接口技術、SQLite數據庫技術、XML語言技術以及封裝與集成技術，開發出機電產品熱仿真系統，實現了典型軍用車載機電產品熱仿真試驗過程的自動化、流程化，以及關鍵點溫度表格輸出和薄弱點暴露，節省了試驗時間，提高了試驗效率。
1 總體方案
1.1 總體需求
本系統旨在完成軍用車載機電產品熱仿真試驗。產品設計圖紙、CAD模型、設計相關文檔一般由項目需方提供，因此產品所有零部件的位置、尺寸、材料特性以及功率元件的功率等都是已知的。系統可以從該已知信息中選擇需要的信息作為輸入，通過仿真分析，輸出產品關鍵部位溫度值（如元器件溫度），如圖1所示。為了實現仿真分析的自動化、流程化，系統輸入應盡量減少試驗者操作，可通過直接導入、下拉框選擇或簡單的鍵盤輸入完成。系統輸出可以是表格，也可以是文本等常見類型。
1.2 相關技術
根據應用于軍用車載機電產品的熱仿真系統總體功能需求，本文采用C#.NET對Flotherm二次開發、后臺封裝與集成的方式實現系統求解與結果輸出，系統總體技術路線如圖2所示。
基于.NET Framework的C#面向對象程序設計語言作為微軟.NET Windows網絡框架的主角，憑借其安全、穩定、簡單、優雅的特點，現已成為當今主流開發語言。針對本系統作為Windows應用的需求，考慮C#.NET開發Windows桌面應用程序的顯著優勢，系統開發語言采用C#.NET面向對象語言，開發環境為Visual Studio 2012集成開發環境。Flotherm二次開發接口技術是指利用計算機編程語言后臺啟動Flotherm的技術；SQLite數據庫是進程內的數據庫引擎，不存在數據庫的客戶端和服務器。使用時只需一個很小的動態庫（以版本3.6.11為例，Windows下為487 KB）即可享受其全部功能，具有輕量級、“綠色”、無需安裝，單一文件等優點。XML語言是Extensible Markup Language的縮寫，該語言具有整齊、規范、友好、通用的特點。Flotherm支持讀入XML格式的工程文件，文件中包含全部求解信息。Flotherm二次開發封裝與集成技術是指通過后臺封裝的形式將Flotherm集成到本系統，前臺界面與后臺Flotherm主程序之間通過進程通信傳遞數據。
1.3 產品特點
軍用車載機電產品CAD模型一般比較復雜，但經過簡化用于熱仿真試驗的模型都較為簡單，且具有一般特點，即包含前、后、左、右、上、下6個面板和內部幾個電路板，電路板上有元器件若干，如圖3所示。不同產品外觀相似，只是尺寸、電路板位置和元器件多少不同。簡化后的所有元件或部件都可以用立方體表示。
2 技術研究與系統實現
2.1 基于C#.NET的Flotherm二次開發接口技術與方法
Flotherm提供兩種啟動方式：圖形界面方式和批處理方式。本系統基于Flotherm二次開發，以批處理方式后臺啟動Flotherm[6]。
Flotherm二次開發的方式為：
（1） 編寫程序生成XML格式的工程文件，該文件中存儲Flotherm熱分析必需的全部信息，包括：模式信息，求解設置，網格設置，特性信息，幾何信息和求解域6個部分，見圖4。
（2） 啟動進程，以批處理方式打開Flotherm，并將該XML工程文件傳遞給Flotherm，設置輸出結果文件位置，即可開始分析。
（3） 分析完畢，通過程序讀取分析結果文件。
Flotherm二次開發接口如圖5所示。基于.NET Framework，使用C#語言開發Flotherm二次開發主程序和相關輔助程序，開啟進程調用Flotherm批處理主程序（flotherm.bat），并通過內存共享和文件映射實現前臺開發程序與后臺批處理程序的數據交換。最終實現二次開發程序與批處理程序的系統集成。
編程時，應首先將.NET提供的ProcessStartInfo類實例化，開啟一個新進程，用于調用Flotherm批處理程序。然后，將Flotherm批處理程序所在的完整安裝路徑字符串賦予該實例的FileName屬性。同時，在該實例的Arguments屬性中設置程序啟動方式為批處理啟動，并指明輸入文件路徑和輸出結果路徑。最后，啟動該進程，后臺調用Flotherm進行運算。
2.2 輸入/輸出分析
用戶使用Flotherm圖形界面方式進行產品熱仿真時，一般按照建立模型，基本參數設置，求解域設置，邊界條件設置，材料屬性設置，元件功率設置，網格設置，求解計算和結果后處理等步驟實施[7]。整個過程中需要設置的參數較多，設置過程復雜。本文根據軍用車載機電產品特點，對全部輸入參數進行分析并分為三類：
（1） 與產品仿真結果無關或對仿真結果影響甚微的參數；
（2） 仿真時需要，但其值不用改變或無需用戶設置的參數；
（3） 對仿真影響較大，每次都需要重新設置或改變的參數。
對于第一類參數，如熱功率相關的瞬態屬性、太陽輻射參數等采取忽略處理（本文所述產品均不暴露在室外，不考慮太陽輻射）。對于第二類參數，如熱模型設置、相關存儲設置等均采用Flotherm默認設置，而對于求解域位置與尺寸參數，則根據經驗，編寫程序在系統內部根據受試產品大小，自動計算并設置，使得求解域超出產品上方2倍產品高度，下方超出0.5倍產品高度，前、后、左、右超出0.5倍產品寬度。對于第三類參數，則作為本系統輸入，由用戶通過界面以寫入、選擇或導入的方式輸入系統。第三類參數與仿真分析結果密切相關，輸入系統后應全部寫入到上述XML文件（見圖4）中，所以這些參數同樣分為模式信息、求解設置、網格設置、特性信息、幾何信息和求解域6個部分。模式信息為系統的基本信息設置，包括求解類型選擇、重力參數、環境溫度、輻射溫度和大氣壓等。求解設置為求解計算的相關設置，包括求解器選擇、迭代次數以及與是否激活板傳導和是否使用雙精度求解等設置。
網格設置為網格劃分基本設置，包括系統網格最小尺寸、最大尺寸和局域網格最小尺寸、最大尺寸。特性信息為部件特性的描述信息，包括材料特性、表面特性、溫度特性、熱特性、流體特性和輻射特性等。幾何信息為產品幾何模型的參數描述，具體包括各部件的名稱、類型、位置、尺寸等。求解域描述求解區域大小以及流體特性等邊界條件。
對于系統輸出的定制，由于一般試驗者主要關心受試產品溫度，迭代收斂情況等，為此，系統設計輸出包括溫度表、綜合表和監測點溫度表以及其他Flotherm自動輸出表格。
溫度表存儲產品每個零部件的最高溫、最低溫、平均溫度和溫度差等；綜合表存儲產品每個外表面流入和流出的體積、質量、熱量和溫度等；監測點溫度表存儲監測點溫度隨迭代次數的變化情況。系統輸入/輸出數據如圖6所示。
2.3 基于SQLite數據庫和XML語言的數據存儲與解析技術
Flotherm二次開發所需XML工程文件中包含模式信息、求解設置、網格信息、特性信息、幾何信息和求解域設置（見圖4）。這些設置信息通過Flotherm二次開發程序界面（UI）獲得，如圖7所示。
對于模式信息、求解設置、網格信息、特性信息中的關鍵參數，如求解類型、環境溫度、fluid特性、迭代次數等，用戶須在二次開發程序界面通過簡單操作，以文本框寫入或下拉框選擇的方式輸入。幾何模型信息，可通過對CAD軟件二次開發，提取出模型BOM信息（包括各部件的位置，尺寸信息），存儲成XML格式[8]。Flotherm二次開發程序使用.NET提供的XDocument類的Load靜態方法讀取XML文件，一方面通過遍歷根元素中子元素的Name屬性，將每個幾何體的
2.4 基于C#.NET的Flotherm二次開發封裝與集成
本文采用C#.NET對軟件系統數據進行讀寫、存儲、解析與轉化操作并對Flotherm進行封裝與集成。對Flotherm進行后臺封裝與集成是構建本系統的關鍵。首先，直接將后臺處理數據通過編寫的ClassForWriteXML類封裝方法建立XML格式的工程文件。然后，系統自動開啟進程后臺調用Flotherm對XML工程文件進行批處理，再將輸出結果中的溫度信息讀入到軟件系統界面，從而實現C#.NET對Flotherm封裝與集成。
從系統UI直接或間接獲得的數據信息到XML工程文件的建立，即為數據信息集成過程。數據信息集成過程，首先獲取該工程文件的絕對路徑。然后新建一個ClassForWriteXML類的實例，通過該實例使用ClassForWriteXML類中的Write_Header方法寫入XML文件頭，文件名稱與工程名相同。文件頭寫入完畢，接下來使用ClassForWriteXML類中相應方法依次寫入模式信息、求解設置、網格信息、特性信息、幾何信息和求解域設置等設置信息。每個信息塊為XML文件根元素下的一個子元素，信息塊內部又包含這些子元素的子元素。所有信息寫入完成，由End_File方法結束文件寫入工作。
后臺調用Flotherm對XML工程文件進行批處理，即為Flotherm接口技術，已在第2.1節詳述，這里不再敖述。提取輸出結果顯示于系統UI是封裝與集成的最后環節。溫度結果文件為csv格式，讀取方式與xls格式相同。本系統采用NPOI讀取結果文件。首先創建一個FileStream流，然后獲取結果文件表，通過遍歷第一頁的所有行，并對溫度值進行比較，將最大的三個值存儲于字符串中，即為三個潛在薄弱點溫度。最后將這三個溫度值顯示于系統UI結果顯示框中。
3 典型軍用車載機電產品熱仿真示例
3.1 示例簡介
XX檢測組合裝置具有典型軍用車載機電產品的一般特征，其CAD模型如圖3所示。該裝置外觀為立方體，尺寸為310 mm×210 mm×150 mm，箱體材料參數如下：密度為2 650 kg/m3，熱導率為44 W/mK，特征熱為460[J/kg?K]。裝置內部有三塊電路板，板上元器件共87個，其中發熱元件76個，熱功耗為0.05 W，0.01 W，0.015 W和0.02 W共4個功率值。
電路板材料參數：密度為1 200 kg/m3，熱導率為0.3 W/mK，特征熱為880 [J/kg?K]。元器件材料參數：密度為2 500 kg/m3，熱導率為10 W/mK，特征熱880 [J/kg?K]。裝置工作環境溫度為60 ℃，流體參數：熱導率為0.021 04 W/mK，粘性為1.516×10-5 N·s/m2，密度為1.495 kg/m3，特征熱為1 007[J/kg?K，]膨脹系數0.004 313 1/K。
3.2 熱仿真分析
本文根據典型機電產品熱仿真分析需求，基于Flotherm二次開發使用C#.NET在Visual Studio 2012中開發機電產品熱仿真分析系統。應用本系統對XX檢測組合裝置進行熱仿真分析，系統運行流程如下：
（1） 選擇幾何信息文件，載入幾何模型數據至軟件系統GUI和數據庫表GeometryInfo。
（2） 選擇幾何體，賦予相應材料和功率，更新數據庫表GeometryInfo，MaterialInfo和PowerInfo。
（3） 輸入模型信息、網格信息，求解設置等設置信息。
（4） 讀取數據庫和系統GUI數據自動生成xml工程文件Project.xml。
（5） 啟動進程后臺調用Flotherm批處理程序，求解Project.xml。
（6） 讀取解算結果文件Output.csv，顯示結果于系統GUI。
系統運行流程圖如圖8所示。
圖8 系統運行流程
為XX檢測組合裝置各幾何體賦予相應材料和熱功耗，并按照本系統UI進行相關設置后進行熱仿真分析。分析完畢，得到三個薄弱點的溫度值分別為67.86 ℃，69.18 ℃和78.11 ℃。在Flotherm中對該模型進行熱分析，相關設置參數相同的情況下三個薄弱點的溫度值分別為67.9 ℃，69.2 ℃和78.1 ℃，見圖9。另外，在溫度箱中對該產品進行實際溫度試驗，測得三個相同位置的溫度值分別為67 ℃，69 ℃和78 ℃。對比發現使用本系統與操作Flotherm軟件對相同幾何模型進行相同設置得到的結果幾乎相同，與實際試驗結果相比相差也很小，從而驗證了基于Flotherm二次開發的熱分析系統的分析結果。
對軍用車載機電產品的熱仿真分析一般需要進行多次，以校正仿真溫度分布與實際溫度分布的一致性（熱校模），減少二者的差異，以便后續外推產品溫度分布和估計產品壽命。然而每次仿真只需變更少數幾何體的材料、熱功率值或個別參數。若分析人員使用商業熱分析軟件進行熱校模，每次分析都需要重復進行大量復雜的操作，耗時、耗力、試驗效率低。而應用本系統進行這種熱仿真分析無需重復整個分析過程的全部操作，只需在載入幾何信息后重新為少數關鍵幾何體賦予材料或功率，免去了分析人員大量重復性操作，大大節省了熱校模分析的時間，提高了仿真試驗的效率，加快了整個可靠性仿真試驗的進度。
圖9 Flotherm分析結果
4 結 論
傳統機電產品仿真試驗中熱應力仿真試驗對試驗人員理論基礎和軟件操作能力要求較高。本文考慮典型軍用車載機電產品的自身特點，應用C#.NET語言結合Flotherm二次開發相關技術與方法通過對Flotherm二次開發建立機電產品熱仿真分析系統。實現了典型軍用車載機電產品熱仿真分析的自動化、流程化，仿真結果準確，無需手動提取即可自動輸出溫度表和監測點溫度表，從而實現了結果定制。免去了分析人員大量重復性操作，大大節省了多次熱仿真分析的時間，提高了仿真試驗的效率，加快了產品整個仿真試驗的進度。通過XX檢測組合裝置熱校模仿真分析實例充分驗證了本系統可行性。本系統具有良好的工程應用背景和廣闊的市場推廣前景，對類似仿真分析系統的研制工作具有較高的參考價值和借鑒意義。
參考文獻
[1] 李承隆.電子產品熱設計及熱仿真技術應用的研究[D].成都：電子科技大學，2010.
[2] 陳善華.開關電源可靠性設計研究[J].電源技術應用，2000（11）：560?564.
[3] 鈕冬科，金曉怡，張向偉，等.基于Flotherm的電子電路熱仿真分析與研究[J].現代電子技術，2015，38（6）：16?19.
[4] LI Y， ZHAO G， SUN Y. Thermal simulation of stirling cooler in IR system based on Flotherm [C]// Proceedings of 2013 International Conference on Quality， Reliability， Risk， Maintenance， and Safety Engineering. Chengdu： IEEE， 2013： 824?828.
[5] 姜同敏.可靠性與壽命試驗[M].北京：國防工業出版社，2012：358?409.
[6] Mentor Graphics Corporation. FloTHERM user guide ver. 10.0 [R]. Oregon： Mentor Graphics Corporation， 2013： 269?277.
[7] 李波.FloTHERM軟件基礎與應用實例[M].北京：中國水利水電出版社，2014：196?253.
[8] 李淇陽，彭龑.基于C#.NET的ANSYS二次開發優化設計技術及應用[J].石油化工設備，2013，42（1）：85?89.
