熱仿真軟件是用來干什么的？

2017-01-10 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

最近,網(wǎng)上有一篇長文,說熱設(shè)計師已經(jīng)變成了熱仿真師。結(jié)合國內(nèi)熱仿真軟件的應(yīng)用亂象,這句話可以說是徹底的罵街。所謂亂象,從各人眼中折射出來的表象是不同的。我的大學(xué)導(dǎo)師說:“仿真軟件的大量使用使得人人都認(rèn)為自己就是熱設(shè)計專家。遇到過好幾次,外行得出的熱仿真結(jié)果錯得離譜?！卞X領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)常問:“這是仿真結(jié)果還是PS結(jié)果?”電訊設(shè)計師喜歡說:“還是再仿仿吧?！狈抡孳浖氖酆蠊こ處熣f:“唉~還是不說了?！?

low不low?low爆了!可是為什么?一個用于解釋物理世界的數(shù)學(xué)工具,在信息化和電子化落后的上世紀(jì)都能蓬勃發(fā)展,怎么到今天就淪為笑柄了?我想說,主要的問題源自用它的人。首先,很多人從思想上對它的定位就有問題。

要說怎么定位熱仿真軟件,仁者見仁,智者見智,我概括不了。但我還是愿意嘗試著提供一種可能被大多數(shù)人接受的觀點。利用熱仿真軟件,熱設(shè)計師應(yīng)該為提供參數(shù)化的熱信息和這些信息對整體設(shè)計的影響,使得設(shè)計團(tuán)隊的每個人都能夠根據(jù)熱仿真結(jié)果推斷出熱設(shè)計對其專業(yè)設(shè)計利益的定量影響,并據(jù)此討論出最大化產(chǎn)品價值的設(shè)計方案。如果做不到這一點,那么,Fluent、Icepak、FloTherm、FloEFD這些軟件的價值在很多場合下十分接近于Photoshop。請大家別誤會,我沒有貶低Photoshop的意思。我只是想說,如果仿真結(jié)果只是回答“行還是不行”的問題,而不參與“好還是不好”的討論,那么很多時候一張筆和一支筆也就夠下定論。這個時候,很不幸的,公式推演到設(shè)計報告的距離只是用圖片展示效果。

那么,要實現(xiàn)上面所說的功能,是不是只能靠熱仿真呢?依靠熱仿真軟件是不是就足夠了呢?第一個問題的答案顯然是否定的。第二個問題的答案,我認(rèn)為:沒有它是不夠的,但是只有它是要壞事的。這里,就快要說到熱仿真軟件的價值區(qū)間了。但是,別急。我們先來解釋一下第一個問題的答案,因為它是回答第二個問題的前提條件之一。

在回答上一段的第一個問題之前,請容我先兜一個必要的圈子。在研發(fā)流程中,參數(shù)化設(shè)計的意義在于:在設(shè)計階段,工程師就能夠預(yù)測設(shè)計方案對產(chǎn)品指標(biāo)的影響。比如說:一個熱設(shè)計師,正在為一個CPU設(shè)計/選型風(fēng)冷翅片,他會用盡各種方法預(yù)測各種風(fēng)冷翅片對CPU溫度的影響,然后從各種風(fēng)冷翅片中選出性能足夠、且代價最小的那一個。

請注意,上一段話的關(guān)鍵詞是預(yù)測,預(yù)測設(shè)計方案的效能。和其它所有預(yù)測一樣,這種預(yù)測的結(jié)果可以為一個人或一群人未來的行動提供指引,其代價是來自四面八方的質(zhì)疑。做這種預(yù)測,保持高的成功率很重要,否則是抵擋不住質(zhì)疑的聲音的。預(yù)測的方法大概有四種,成功率各不相同,付出的時間和努力也大相徑庭。我來試著列個表,比較一下。

熱仿真軟件是用來干什么的？fluent仿真分析圖片1

這張打分表,我想,能夠引起的質(zhì)疑聲肯定不會小。各位看官,請容我逐條解釋一下我想表達(dá)的意思,然后再拍。

關(guān)于主觀經(jīng)驗判斷,其短板在于預(yù)測的準(zhǔn)確度。我這樣說,完全沒有任何貶低工程經(jīng)驗的意思。事實上,在做宏觀判斷和故障診斷的時候,經(jīng)驗往往是最重要的。我之所以說它不準(zhǔn)確,針對的是精確化、參數(shù)化的設(shè)計層面。這是因為很少有兩個案例的設(shè)計目標(biāo)和約束條件是完全一致的,但經(jīng)驗設(shè)計的前提就是過去和未來的一致性。這種矛盾,造成了經(jīng)驗設(shè)計的局限性。在標(biāo)準(zhǔn)化和信息化尚未完全覆蓋的熱設(shè)計領(lǐng)域,這種局限性可能帶來的后果有三:無法挖掘優(yōu)化空間、設(shè)計方案的彈性有限、設(shè)計人員的思維趨于僵化。因此,在精細(xì)化、輕量化、小型化和各種化的技術(shù)發(fā)展潮流中,我們應(yīng)該為經(jīng)驗找準(zhǔn)定位,和其它方式配合使用,才不至于走向依賴經(jīng)驗的極端。

實物測試數(shù)據(jù)庫,可以說是客觀經(jīng)驗。相比主觀經(jīng)驗,它的好處是可追溯、易流通、可持續(xù)。但它也和主觀經(jīng)驗共享了同樣的弊端,就是在非標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計時的不可用性。對于非標(biāo)產(chǎn)品,如果在產(chǎn)品定型之前用這種方法驗證,既貴且慢。另外,使用數(shù)據(jù)庫雖然容易,但數(shù)據(jù)積累需要大量的人力物力,必須通過非常長的時間積累才能獲得全面的數(shù)據(jù)庫。因此,這是一種很難獲得的資源。

半實物驗證,指的是設(shè)計、生產(chǎn)一個熱原理樣機(jī),然后用熱原理樣機(jī)的測試結(jié)果說明設(shè)計效果。這個熱原理樣機(jī)可以是全尺寸的,也可以是區(qū)部的或者微縮的。使用這種方法有較高的人員要求。這是因為,設(shè)計這個熱原理樣機(jī)需要對產(chǎn)品的全貌有充分的了解,并能夠敏感地提煉出熱設(shè)計相關(guān)元素,將其融匯貫通到熱原理樣機(jī)的設(shè)計中。因此,人員的專業(yè)能力和溝通能力都不能差。相比實物驗證,這種方式耗費的人力、財力和時間更少,因此更適合作為設(shè)計定型前的驗證手段。

最后,說說熱仿真軟件的作用。它比實物驗證和半實物驗證來得快、花錢少、耗時短、靈活性強(qiáng);與主觀經(jīng)驗判斷比起來,它又具有可調(diào)整性、可比較性和可展示性,適用于設(shè)計改進(jìn)和設(shè)計交流。因此,它雖然不是最準(zhǔn)的,也不是最快的,但是在多輪次論證和優(yōu)化設(shè)計的時候具有最高的性價比。在某些場合,當(dāng)熱性能無法通過測量的手段快速展示給客戶的時候,熱仿真軟件還可以直觀地向別人演示散熱效果,這個特點是其它手段不具備的。

好了,把幾種主要的預(yù)測方式擺在一起,比較的初步結(jié)論是:熱仿真軟件的價格便宜量又足,設(shè)計師們應(yīng)該本著一顆過日子的心,多用熱仿真軟件。

但是,細(xì)心地你可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了,我還留了個扣子沒說。這是因為,我覺得,在說一件事情的缺點之前,還是把優(yōu)點說完比較好。借著這個扣子,我來說說為什么過度依賴熱仿真軟件成不了事,甚至還要壞事。

下面開始說熱仿真軟件帶來的問題。

為什么我在“熟練掌握技能的快速性”這一條上給熱仿真軟件的打分這么低?會不會有人認(rèn)為這和現(xiàn)狀不符啊?事實上,像所有商業(yè)軟件一樣,熱仿真軟件正在一天天地變得更容易上手,更容易展示。借COMSOL中國區(qū)CTO的話來說,他們的目標(biāo)是讓設(shè)計師一天就可以上手。從負(fù)面效果來看,這種趨勢讓設(shè)計師變得越來越懶。思想上的懶惰,是萬惡之源,可以讓設(shè)計人員的素質(zhì)日益下降。有些人記不住N-S方程怎么寫,也不知道某些被他們忽略的幾何細(xì)節(jié)在傳熱通徑上的意義重大,更不清楚時間步長和空間步長的合理比例,但他們還是可以用熱仿真軟件得出一張溫度分布圖。這無所謂對錯,更不是批評,只是說明“貼心的”商業(yè)軟件會把人慣出毛病。老實說,我現(xiàn)在也用慣了商用軟件,要仔細(xì)想想才寫得出N-S方程,玻爾茲曼常數(shù)也得靠翻書才能知道。(程老師、陳老師、葉老師,對不起。但是,我真的不是故意的。)我要說的重點是,這樣的狀態(tài),造成了一種可能的結(jié)果,就是一些仿真人員無力左右仿真過程的有效性,更無法判斷仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此,他們也沒有能力根據(jù)仿真結(jié)果和設(shè)計團(tuán)隊進(jìn)行有效的交流。心里沒有底,嘴上就沒有聲音。沒有聲音,哪里來的發(fā)言?又哪里來的發(fā)言權(quán)?

要解決上面這個問題,可以去溫習(xí)傳熱學(xué)、流體力學(xué)、工程熱力學(xué)、數(shù)理方程和數(shù)值傳熱學(xué)。但是,補(bǔ)課就夠了嗎?不夠!因為,設(shè)計團(tuán)隊里的其它成員也已經(jīng)被我們慣得懶了,他們懶得從我們這里獲取幫助。上一篇說了怎么實現(xiàn)熱設(shè)計的價值,現(xiàn)在把它放在仿真的環(huán)節(jié)上說。要體現(xiàn)出熱仿真的價值,必須了解熱源的發(fā)熱機(jī)理和熱對其性能的影響,并且將其應(yīng)用到熱仿真的實踐中來。要做到這一點,需要補(bǔ)充的知識很多,每個行業(yè)也都不一樣。我說不出來這樣的過程需要付出多少努力,只能借用兩位專業(yè)仿真人士的話描述其艱辛。海基負(fù)責(zé)FlowMaster仿真的專業(yè)組長說:“想掌握FlowMaster,要靜下心來,在各個案例中摸爬滾打至少三年?！盇NSYS中國負(fù)責(zé)Fluent的頂尖客服說:“我干了十多年,還是覺得不能解決所有問題。”想必,這兩位會贊同我對熱仿真軟件應(yīng)用難易度的評分的。

關(guān)于熱仿真軟件,我吹過了,也黑過了,該說說怎么定位它了。我覺得,它無非就是一種工具。利用這種工具,我們可以將我們的知識和靈感表象化,形成可供展示和交流的圖像,并以此為平臺,與設(shè)計團(tuán)隊的思想進(jìn)行碰撞,經(jīng)過不斷地考證和揚(yáng)棄,獲得全局優(yōu)化,作為指導(dǎo)整體設(shè)計的參考。相比起貼一張圖,這難得多,要求熱仿真軟件應(yīng)用者多學(xué)、多想、多問、多說,切莫因為軟件的易操作性,就忘記了學(xué)習(xí)、聆聽和表達(dá)的重要性。

說了這么多,純屬個人觀點,供各位一笑。我明白,以上種種說法都是有時代局限性的。等到人工智能在這個領(lǐng)域超越人類了,或者精通電、結(jié)構(gòu)、熱、化學(xué)等等專業(yè)的設(shè)計仿真人員帶著大一統(tǒng)的協(xié)同仿真軟件上班了,上面這些話就都是廢話了。但我想,這很可能是我們退休以后的事情,或者至少是我們提前退休的原因,也就不是我們可操心了。

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