甚麼是CAE軟體?

電腦輔助工程（Computer Aided Engineering），主要用於模擬分析、驗證和改善設計。目的為在設計初期，沒有實際樣品的情況下，利用電腦系統的高速運算機能，藉著數值分析或商用分析軟體，進行產品設計初期或是製造過程之模擬分析，透過可視化的結果呈現提供工程師進行設計變更的參考依據，以達到最佳化設計。我們可以想像CAE軟體就是將實際會做的實驗放在電腦中執行藉，以節省產品開發時間與降低時間成本。例如在CFD熱流模擬中常見的伺服器分析，都必須經過Simcenter Flotherm 伺服器熱流分析軟體，找出最佳的散熱對策才能進行伺服器的生產與製造，而常見的CAE軟體二大使用領域為:

• CFD 計算流體力學與熱傳（FVM有限體積法為主）

• FEA 結構應力與強度分析（FEM有限元素法為主）

CAE分析流程-CFD熱流模擬技巧

任何CAE模擬軟體或CFD熱流分析軟體，大致上會以下六大步驟進行

步驟一:3-D CAD模型匯入

通常CAE/CFD熱流分析工程師會從ME機構工程師拿到3-D CAD檔案，一般是經過轉檔過後3-D CAD的中繼檔，Step/Parasoild(x_t)/IGES/STL 等等的格式，很多時候機構工程師的3-D CAD圖為機構圖不適合模擬分析，因此很多特徵與分析無關結構的都會保留，例如圓角、螺絲孔、Logo、PCB板細部特徵。因此透過CAE/CFD將無關的細部特徵保留並直接去切割網格(Mesh)的話，會導致網格量暴增更可能的是讓分析無法收斂，因此分析前通常會進行步驟二:簡化模型，即將不必要之細部特徵簡化。

步驟二:模型前處理與模型簡化

CAD模型前處理與簡化為CAE/CFD/FEA分析中最花時間與最重要的部份，有經驗的工程師會將過多的小孔、導角、公差細縫、干涉去除。若前處理為3D CAD的工具，可直接使用CAD來簡化，例如Simcenter FloEFD可內嵌在五大3D CAD(Siemens NX、Pro/E/CREO、SolidWorks、CATIA V5) 中，機構與熱流工程師可直接使用公司慣用的3D CAD來直接簡化模型，減少因轉檔造成的破面及誤差。若使用的前處理工具不是3D-CAD 軟體，匯入之3D CAD還是破圖無法修復就需要回3D CAD或是用第三方軟體來修補，有幾種知名的前處理軟體會被拿來當作CAD修模工具使用，例如Altair HyperWorks、ANSYS SpaceClaim、BETA ANSA、或是其他CAE工具內建的前處理也都已經相當成熟，例如Simcenter 3D Engineering Desktop、MSC Patran、Abaqus CAE、也都廣泛的被市場使用。

步驟三:分析參數設定與網格最佳化配置

關於分析準確度，除了分析參數是否與實驗數據吻合之外，網格的數量與品質是另一個影響分析準確度非常重要的因素，網格品質不佳或數量過少會得到較不精準的結果且易造成分析結果容易發散，但使用過於龐大的網格數量又會導致計算時間過於冗長，因此有經驗的工程師會進行網格獨立性的測試，找出最少的網格數量但又不會影響數值最網格最佳化配置。

每套軟體對於計算原理會有不同的網格（Meshing）處理方式，一般為解析流場邊界層，會沿著模型表面與邊界建立非結構式網格，然後再藉由邊界網格鋪滿整個計算域的網格，最後藉由局部網格加密，提升高能量密度(Power density)以及高流場梯度區域(velocity gradient)的解析度。然而網格配置是一種藝術，對於新手而言，難以掌握網格配置的技巧，因此西門子熱流軟體為新手建立了一個網格自動化建立的橋樑，讓新手在使用CFD軟體變得容易上手，更親近使用者。

Flotherm 卡迪森直角座標網格(cartesian mesh)

Icepak 結構性網格

網格系統，最直覺的方式就是使用卡迪森直角座標網格(cartesian mesh)，然而直角座標網格系統有令人詬病的地方，即在傾斜面或是曲面的物體上，須提高網格密來描述物體邊界的物理行為，然而這需要較多經驗與知識來控制調整網格。 此種方法常見於電子封裝散熱的軟體，如Simcenter Flotherm、Simcenter Flotherm XT、Simcenter FloEFD、ANSYS-Icepak以及6-SigmaET。上述軟體對於複雜的曲面外型的處理如下

1. Simcenter Flotherm需搭配MCAD匯入簡化模型才能進行分析，若外型過於複雜，需要簡化，否則會產生過多的網格
2. 6-SigmaET與Simcenter Flotherm同為卡迪森直角座標網格，在複雜的幾何外型可嘗試以較密的直角坐標網格去符合曲面幾何外型，但是若外型過於複雜，有可能不易生成網格
3. Icepak的網格系統源自於ANSYS-Fluent，有非結構性網格能選擇，因此能較好的分析曲面外形之題目，但同時這也是ANSYS-Icepak 也有致命的缺點，即網格控制相當困難且系統內的物件尺寸差異大的時候，會畫分較多的網格數目，除了收斂性差，也頗占系統資源
4. Simcenter FloEFD以及Flotherm XT的網格系統結合卡迪森直角座標網格系統以及沉浸邊界法的優勢，利用物體邊界條件修正邊界附近的流場，使得在卡迪森直角座標網格系統也可以輕鬆解析複雜的幾何問題，此技術稱為Partial Mesh技術，是FloEFD與FloTherm XT獨有的技術。因為這個技術讓FloEFD不僅可以快速的解析曲面外型複雜的問題且又兼顧準確度及收斂型，按照我們的經驗，同樣的曲面外型複雜之題目，FloEFD以及Flotherm XT的網格數量只需要Flotherm/Icepak/6-sigma ET不到1/10

註:Partial Mesh 網格系統

步驟四:求解參數與設定

我們可以想像工程分析軟體就是一個黑盒子，輸入錯誤的資訊到黑盒子裡，就會得到錯誤的結果，也就是我們分析業界常聽到的” Garbage in garbage out” ，市場上只要可以存活十年以上的任何CFD/CAE分析軟體都已經相當成熟，使用的統御方程式也都相同，理論上只要分析參數趨近於實驗設置，網格有合理的配置，按照我們的實務經驗，都可以讓分析準確度逼近5%以內。以CFD熱流分析軟體來說，影響分析準確度最大的因素就是熱源的設定，因為同樣為IC元件，驅動方式不同，熱瓦數計算方式也會不同，而這邊所要設定的是”熱瓦數” ，就是所謂的thermal design power，而非一般EE認知中，經過一顆IC的所有電流都會轉換成，取決於這顆晶片的特性，因此一般IC的熱功率時常被高估，即使用驅動晶片功率(Driving Power)為熱功率，所以若使用驅動晶片功率為熱功率，在分析時時常造成分析溫度結果遠高於實驗值，結果導致一些公司認為CFD軟體分析不準的主要原因之一。

科普一下，熱瓦數，一開始是Intel創建出來的，目前只要是CPU都會提供熱瓦數的資訊，以提供散熱設計者確認再使用這些CPU時，需要散多少的熱瓦數

步驟五:後處理與做報告

CFD分析軟體常見後處理有流場圖Flow pattern、壓力分佈圖、溫度分析圖、煙線圖、速度分析圖、各種動畫圖等等。經由流場數位可視化可以將抽象的影像在螢幕上顯示，或是降低實驗所需的大量經費。此外，藉由後處理，能讓工程師容易使用圖示方式表達其設計概念，並羅列出所有散熱的可能性及優化的方向，使散熱設計問題更淺顯易懂。

步驟六:找出最佳化設計方案

除了上述五個步驟，最棘手的是第六個問題，如何找出最佳化設計，何謂最佳化設計?即在目前的設計案中，找到可以節省成本(cost down)、輕量化、最小化或提升散熱的設計參數。隨著這些問題的羅列，往往參數間存在著衝突，如產品輕量化，會有結構應力集中的問題，因此可以透過一些最佳化演算法，找出最佳的參數設計，如一般常見的方法，全域搜尋法 — 實驗設計法 (Design of Experiment) 或區域搜尋法 — 響應曲面法(Response surface optimization)。一般常見的熱流分析案，其優化方針會以下幾種因素做參數設計，

• 風扇配置-針對不同散熱條件替換風扇或調整風扇位置
• 開孔位置-調整至散熱效率最佳的位置，增加或減少開孔數量
• 散熱鰭片-加大或增加散熱鰭片Fin的數量以增加導熱面積，但有一些限制
• 改變材質-增加Thermal conductivity 熱傳導係數K
• PCB銅層-在熱源較大且無法解過的IC附近，增加thermal via或銅線幫助散

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