热仿真软件是用来干什么的？

2017-01-10 by:CAE仿真在线来源:互联网

最近,网上有一篇长文,说热设计师已经变成了热仿真师。结合国内热仿真软件的应用乱象,这句话可以说是彻底的骂街。所谓乱象,从各人眼中折射出来的表象是不同的。我的大学导师说:“仿真软件的大量使用使得人人都认为自己就是热设计专家。遇到过好几次,外行得出的热仿真结果错得离谱。”钱领导经常问:“这是仿真结果还是PS结果?”电讯设计师喜欢说:“还是再仿仿吧。”仿真软件的售后工程师说:“唉~还是不说了。”

low不low?low爆了!可是为什么?一个用于解释物理世界的数学工具,在信息化和电子化落后的上世纪都能蓬勃发展,怎么到今天就沦为笑柄了?我想说,主要的问题源自用它的人。首先,很多人从思想上对它的定位就有问题。

要说怎么定位热仿真软件,仁者见仁,智者见智,我概括不了。但我还是愿意尝试着提供一种可能被大多数人接受的观点。利用热仿真软件,热设计师应该为提供参数化的热信息和这些信息对整体设计的影响,使得设计团队的每个人都能够根据热仿真结果推断出热设计对其专业设计利益的定量影响,并据此讨论出最大化产品价值的设计方案。如果做不到这一点,那么,Fluent、Icepak、FloTherm、FloEFD这些软件的价值在很多场合下十分接近于Photoshop。请大家别误会,我没有贬低Photoshop的意思。我只是想说,如果仿真结果只是回答“行还是不行”的问题,而不参与“好还是不好”的讨论,那么很多时候一张笔和一支笔也就够下定论。这个时候,很不幸的,公式推演到设计报告的距离只是用图片展示效果。

那么,要实现上面所说的功能,是不是只能靠热仿真呢?依靠热仿真软件是不是就足够了呢?第一个问题的答案显然是否定的。第二个问题的答案,我认为:没有它是不够的,但是只有它是要坏事的。这里,就快要说到热仿真软件的价值区间了。但是,别急。我们先来解释一下第一个问题的答案,因为它是回答第二个问题的前提条件之一。

在回答上一段的第一个问题之前,请容我先兜一个必要的圈子。在研发流程中,参数化设计的意义在于:在设计阶段,工程师就能够预测设计方案对产品指标的影响。比如说:一个热设计师,正在为一个CPU设计/选型风冷翅片,他会用尽各种方法预测各种风冷翅片对CPU温度的影响,然后从各种风冷翅片中选出性能足够、且代价最小的那一个。

请注意,上一段话的关键词是预测,预测设计方案的效能。和其它所有预测一样,这种预测的结果可以为一个人或一群人未来的行动提供指引,其代价是来自四面八方的质疑。做这种预测,保持高的成功率很重要,否则是抵挡不住质疑的声音的。预测的方法大概有四种,成功率各不相同,付出的时间和努力也大相径庭。我来试着列个表,比较一下。

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这张打分表,我想,能够引起的质疑声肯定不会小。各位看官,请容我逐条解释一下我想表达的意思,然后再拍。

关于主观经验判断,其短板在于预测的准确度。我这样说,完全没有任何贬低工程经验的意思。事实上,在做宏观判断和故障诊断的时候,经验往往是最重要的。我之所以说它不准确,针对的是精确化、参数化的设计层面。这是因为很少有两个案例的设计目标和约束条件是完全一致的,但经验设计的前提就是过去和未来的一致性。这种矛盾,造成了经验设计的局限性。在标准化和信息化尚未完全覆盖的热设计领域,这种局限性可能带来的后果有三:无法挖掘优化空间、设计方案的弹性有限、设计人员的思维趋于僵化。因此,在精细化、轻量化、小型化和各种化的技术发展潮流中,我们应该为经验找准定位,和其它方式配合使用,才不至于走向依赖经验的极端。

实物测试数据库,可以说是客观经验。相比主观经验,它的好处是可追溯、易流通、可持续。但它也和主观经验共享了同样的弊端,就是在非标准化设计时的不可用性。对于非标产品,如果在产品定型之前用这种方法验证,既贵且慢。另外,使用数据库虽然容易,但数据积累需要大量的人力物力,必须通过非常长的时间积累才能获得全面的数据库。因此,这是一种很难获得的资源。

半实物验证,指的是设计、生产一个热原理样机,然后用热原理样机的测试结果说明设计效果。这个热原理样机可以是全尺寸的,也可以是区部的或者微缩的。使用这种方法有较高的人员要求。这是因为,设计这个热原理样机需要对产品的全貌有充分的了解,并能够敏感地提炼出热设计相关元素,将其融汇贯通到热原理样机的设计中。因此,人员的专业能力和沟通能力都不能差。相比实物验证,这种方式耗费的人力、财力和时间更少,因此更适合作为设计定型前的验证手段。

最后,说说热仿真软件的作用。它比实物验证和半实物验证来得快、花钱少、耗时短、灵活性强;与主观经验判断比起来,它又具有可调整性、可比较性和可展示性,适用于设计改进和设计交流。因此,它虽然不是最准的,也不是最快的,但是在多轮次论证和优化设计的时候具有最高的性价比。在某些场合,当热性能无法通过测量的手段快速展示给客户的时候,热仿真软件还可以直观地向别人演示散热效果,这个特点是其它手段不具备的。

好了,把几种主要的预测方式摆在一起,比较的初步结论是:热仿真软件的价格便宜量又足,设计师们应该本着一颗过日子的心,多用热仿真软件。

但是,细心地你可能已经发现了,我还留了个扣子没说。这是因为,我觉得,在说一件事情的缺点之前,还是把优点说完比较好。借着这个扣子,我来说说为什么过度依赖热仿真软件成不了事,甚至还要坏事。

下面开始说热仿真软件带来的问题。

为什么我在“熟练掌握技能的快速性”这一条上给热仿真软件的打分这么低?会不会有人认为这和现状不符啊?事实上,像所有商业软件一样,热仿真软件正在一天天地变得更容易上手,更容易展示。借COMSOL中国区CTO的话来说,他们的目标是让设计师一天就可以上手。从负面效果来看,这种趋势让设计师变得越来越懒。思想上的懒惰,是万恶之源,可以让设计人员的素质日益下降。有些人记不住N-S方程怎么写,也不知道某些被他们忽略的几何细节在传热通径上的意义重大,更不清楚时间步长和空间步长的合理比例,但他们还是可以用热仿真软件得出一张温度分布图。这无所谓对错,更不是批评,只是说明“贴心的”商业软件会把人惯出毛病。老实说,我现在也用惯了商用软件,要仔细想想才写得出N-S方程,玻尔兹曼常数也得靠翻书才能知道。(程老师、陈老师、叶老师,对不起。但是,我真的不是故意的。)我要说的重点是,这样的状态,造成了一种可能的结果,就是一些仿真人员无力左右仿真过程的有效性,更无法判断仿真结果的准确性。因此,他们也没有能力根据仿真结果和设计团队进行有效的交流。心里没有底,嘴上就没有声音。没有声音,哪里来的发言?又哪里来的发言权?

要解决上面这个问题,可以去温习传热学、流体力学、工程热力学、数理方程和数值传热学。但是,补课就够了吗?不够!因为,设计团队里的其它成员也已经被我们惯得懒了,他们懒得从我们这里获取帮助。上一篇说了怎么实现热设计的价值,现在把它放在仿真的环节上说。要体现出热仿真的价值,必须了解热源的发热机理和热对其性能的影响,并且将其应用到热仿真的实践中来。要做到这一点,需要补充的知识很多,每个行业也都不一样。我说不出来这样的过程需要付出多少努力,只能借用两位专业仿真人士的话描述其艰辛。海基负责FlowMaster仿真的专业组长说:“想掌握FlowMaster,要静下心来,在各个案例中摸爬滚打至少三年。”ANSYS中国负责Fluent的顶尖客服说:“我干了十多年,还是觉得不能解决所有问题。”想必,这两位会赞同我对热仿真软件应用难易度的评分的。

关于热仿真软件,我吹过了,也黑过了,该说说怎么定位它了。我觉得,它无非就是一种工具。利用这种工具,我们可以将我们的知识和灵感表象化,形成可供展示和交流的图像,并以此为平台,与设计团队的思想进行碰撞,经过不断地考证和扬弃,获得全局优化,作为指导整体设计的参考。相比起贴一张图,这难得多,要求热仿真软件应用者多学、多想、多问、多说,切莫因为软件的易操作性,就忘记了学习、聆听和表达的重要性。

说了这么多,纯属个人观点,供各位一笑。我明白,以上种种说法都是有时代局限性的。等到人工智能在这个领域超越人类了,或者精通电、结构、热、化学等等专业的设计仿真人员带着大一统的协同仿真软件上班了,上面这些话就都是废话了。但我想,这很可能是我们退休以后的事情,或者至少是我们提前退休的原因,也就不是我们可操心了。

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