摘 要： 針對機(jī)電產(chǎn)品熱仿真試驗對試驗者理論基礎(chǔ)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(yīng)用C#.NET語言結(jié)合.NET Framework技術(shù)、Flotherm二次開發(fā)接口技術(shù)、SQLite數(shù)據(jù)庫技術(shù)、XML語言技術(shù)和Flotherm二次開發(fā)封裝與集成技術(shù)，開發(fā)出機(jī)電產(chǎn)品熱仿真系統(tǒng)，并應(yīng)用于軍用車載機(jī)電產(chǎn)品熱仿真試驗，使得典型軍用車載機(jī)電產(chǎn)品熱仿真試驗自動化、流程化，實現(xiàn)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(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞： C#.NET語言； Flotherm二次開發(fā)接口； 熱仿真； XML

中圖分類號： TN61?34； TP311.1 文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)的提高，電子設(shè)備功率上升，體積縮小，單位體積發(fā)熱量增加，發(fā)熱問題日益突出。美國空軍航空電子項目的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在影響電子產(chǎn)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(jù)國外資料統(tǒng)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]?？梢姕囟葘﹄娮釉O(shè)備的壽命影響巨大，解決電子設(shè)備過熱問題十分必要。

熱仿真技術(shù)的發(fā)展為解決電子設(shè)備過熱問題提供了方法與途徑。工程上，在產(chǎn)品設(shè)計階段進(jìn)行熱仿真試驗，確定產(chǎn)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(jìn)設(shè)計的措施，消除產(chǎn)品溫度薄弱點，進(jìn)而達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。通過開展熱仿真試驗快速暴露產(chǎn)品設(shè)計缺陷，能夠有效降低設(shè)計費(fèi)用，縮短產(chǎn)品研制周期，提高產(chǎn)品一次成功率和可靠性[3?4]。

軍用車載機(jī)電產(chǎn)品內(nèi)部包含電路板以及元器件等電子設(shè)備，傳統(tǒng)情況下其熱仿真試驗與電子產(chǎn)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(xué)、散熱學(xué)理論基礎(chǔ)和軟件操作能力。而且，在熱校模階段需要多次修改產(chǎn)品的材料特性、熱特性和流體的特性，并進(jìn)行多次求解計算以達(dá)到熱仿真結(jié)果與實際溫度試驗結(jié)果相符合[5]。同時，由于商業(yè)軟件的通用性，指定仿真結(jié)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(jī)電產(chǎn)品的特點，采用C#.NET語言結(jié)合.NET Framework技術(shù)、Flotherm接口技術(shù)、SQLite數(shù)據(jù)庫技術(shù)、XML語言技術(shù)以及封裝與集成技術(shù)，開發(fā)出機(jī)電產(chǎn)品熱仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了典型軍用車載機(jī)電產(chǎn)品熱仿真試驗過程的自動化、流程化，以及關(guān)鍵點溫度表格輸出和薄弱點暴露，節(jié)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(tǒng)旨在完成軍用車載機(jī)電產(chǎn)品熱仿真試驗。產(chǎn)品設(shè)計圖紙、CAD模型、設(shè)計相關(guān)文檔一般由項目需方提供，因此產(chǎn)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(tǒng)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(chǎn)品關(guān)鍵部位溫度值（如元器件溫度），如圖1所示。為了實現(xiàn)仿真分析的自動化、流程化，系統(tǒng)輸入應(yīng)盡量減少試驗者操作，可通過直接導(dǎo)入、下拉框選擇或簡單的鍵盤輸入完成。系統(tǒng)輸出可以是表格，也可以是文本等常見類型。

1.2 相關(guān)技術(shù)

根據(jù)應(yīng)用于軍用車載機(jī)電產(chǎn)品的熱仿真系統(tǒng)總體功能需求，本文采用C#.NET對Flotherm二次開發(fā)、后臺封裝與集成的方式實現(xiàn)系統(tǒng)求解與結(jié)果輸出，系統(tǒng)總體技術(shù)路線如圖2所示。

基于.NET Framework的C#面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言作為微軟.NET Windows網(wǎng)絡(luò)框架的主角，憑借其安全、穩(wěn)定、簡單、優(yōu)雅的特點，現(xiàn)已成為當(dāng)今主流開發(fā)語言。針對本系統(tǒng)作為Windows應(yīng)用的需求，考慮C#.NET開發(fā)Windows桌面應(yīng)用程序的顯著優(yōu)勢，系統(tǒng)開發(fā)語言采用C#.NET面向?qū)ο笳Z言，開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2012集成開發(fā)環(huán)境。Flotherm二次開發(fā)接口技術(shù)是指利用計算機(jī)編程語言后臺啟動Flotherm的技術(shù)；SQLite數(shù)據(jù)庫是進(jìn)程內(nèi)的數(shù)據(jù)庫引擎，不存在數(shù)據(jù)庫的客戶端和服務(wù)器。使用時只需一個很小的動態(tài)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(yōu)點。XML語言是Extensible Markup Language的縮寫，該語言具有整齊、規(guī)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(fā)封裝與集成技術(shù)是指通過后臺封裝的形式將Flotherm集成到本系統(tǒng)，前臺界面與后臺Flotherm主程序之間通過進(jìn)程通信傳遞數(shù)據(jù)。

1.3 產(chǎn)品特點

軍用車載機(jī)電產(chǎn)品CAD模型一般比較復(fù)雜，但經(jīng)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(nèi)部幾個電路板，電路板上有元器件若干，如圖3所示。不同產(chǎn)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(shù)研究與系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 基于C#.NET的Flotherm二次開發(fā)接口技術(shù)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(tǒng)基于Flotherm二次開發(fā)，以批處理方式后臺啟動Flotherm[6]。

Flotherm二次開發(fā)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(shè)置，網(wǎng)格設(shè)置，特性信息，幾何信息和求解域6個部分，見圖4。

（2） 啟動進(jìn)程，以批處理方式打開Flotherm，并將該XML工程文件傳遞給Flotherm，設(shè)置輸出結(jié)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(jié)果文件。

Flotherm二次開發(fā)接口如圖5所示。基于.NET Framework，使用C#語言開發(fā)Flotherm二次開發(fā)主程序和相關(guān)輔助程序，開啟進(jìn)程調(diào)用Flotherm批處理主程序（flotherm.bat），并通過內(nèi)存共享和文件映射實現(xiàn)前臺開發(fā)程序與后臺批處理程序的數(shù)據(jù)交換。最終實現(xiàn)二次開發(fā)程序與批處理程序的系統(tǒng)集成。

編程時，應(yīng)首先將.NET提供的ProcessStartInfo類實例化，開啟一個新進(jìn)程，用于調(diào)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(shè)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(jié)果路徑。最后，啟動該進(jìn)程，后臺調(diào)用Flotherm進(jìn)行運(yùn)算。

2.2 輸入/輸出分析

用戶使用Flotherm圖形界面方式進(jìn)行產(chǎn)品熱仿真時，一般按照建立模型，基本參數(shù)設(shè)置，求解域設(shè)置，邊界條件設(shè)置，材料屬性設(shè)置，元件功率設(shè)置，網(wǎng)格設(shè)置，求解計算和結(jié)果后處理等步驟實施[7]。整個過程中需要設(shè)置的參數(shù)較多，設(shè)置過程復(fù)雜。本文根據(jù)軍用車載機(jī)電產(chǎn)品特點，對全部輸入?yún)?shù)進(jìn)行分析并分為三類：

（1） 與產(chǎn)品仿真結(jié)果無關(guān)或?qū)Ψ抡娼Y(jié)果影響甚微的參數(shù)；

（2） 仿真時需要，但其值不用改變或無需用戶設(shè)置的參數(shù)；

（3） 對仿真影響較大，每次都需要重新設(shè)置或改變的參數(shù)。

對于第一類參數(shù)，如熱功率相關(guān)的瞬態(tài)屬性、太陽輻射參數(shù)等采取忽略處理（本文所述產(chǎn)品均不暴露在室外，不考慮太陽輻射）。對于第二類參數(shù)，如熱模型設(shè)置、相關(guān)存儲設(shè)置等均采用Flotherm默認(rèn)設(shè)置，而對于求解域位置與尺寸參數(shù)，則根據(jù)經(jīng)驗，編寫程序在系統(tǒng)內(nèi)部根據(jù)受試產(chǎn)品大小，自動計算并設(shè)置，使得求解域超出產(chǎn)品上方2倍產(chǎn)品高度，下方超出0.5倍產(chǎn)品高度，前、后、左、右超出0.5倍產(chǎn)品寬度。對于第三類參數(shù)，則作為本系統(tǒng)輸入，由用戶通過界面以寫入、選擇或?qū)氲姆绞捷斎胂到y(tǒng)。第三類參數(shù)與仿真分析結(jié)果密切相關(guān)，輸入系統(tǒng)后應(yīng)全部寫入到上述XML文件（見圖4）中，所以這些參數(shù)同樣分為模式信息、求解設(shè)置、網(wǎng)格設(shè)置、特性信息、幾何信息和求解域6個部分。模式信息為系統(tǒng)的基本信息設(shè)置，包括求解類型選擇、重力參數(shù)、環(huán)境溫度、輻射溫度和大氣壓等。求解設(shè)置為求解計算的相關(guān)設(shè)置，包括求解器選擇、迭代次數(shù)以及與是否激活板傳導(dǎo)和是否使用雙精度求解等設(shè)置。

網(wǎng)格設(shè)置為網(wǎng)格劃分基本設(shè)置，包括系統(tǒng)網(wǎng)格最小尺寸、最大尺寸和局域網(wǎng)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(chǎn)品幾何模型的參數(shù)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(qū)域大小以及流體特性等邊界條件。

對于系統(tǒng)輸出的定制，由于一般試驗者主要關(guān)心受試產(chǎn)品溫度，迭代收斂情況等，為此，系統(tǒng)設(shè)計輸出包括溫度表、綜合表和監(jiān)測點溫度表以及其他Flotherm自動輸出表格。

溫度表存儲產(chǎn)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(chǎn)品每個外表面流入和流出的體積、質(zhì)量、熱量和溫度等；監(jiān)測點溫度表存儲監(jiān)測點溫度隨迭代次數(shù)的變化情況。系統(tǒng)輸入/輸出數(shù)據(jù)如圖6所示。

2.3 基于SQLite數(shù)據(jù)庫和XML語言的數(shù)據(jù)存儲與解析技術(shù)

Flotherm二次開發(fā)所需XML工程文件中包含模式信息、求解設(shè)置、網(wǎng)格信息、特性信息、幾何信息和求解域設(shè)置（見圖4）。這些設(shè)置信息通過Flotherm二次開發(fā)程序界面（UI）獲得，如圖7所示。

對于模式信息、求解設(shè)置、網(wǎng)格信息、特性信息中的關(guān)鍵參數(shù)，如求解類型、環(huán)境溫度、fluid特性、迭代次數(shù)等，用戶須在二次開發(fā)程序界面通過簡單操作，以文本框?qū)懭牖蛳吕蜻x擇的方式輸入。幾何模型信息，可通過對CAD軟件二次開發(fā)，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(fā)程序使用.NET提供的XDocument類的Load靜態(tài)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，將每個幾何體的元素的值顯示給TreeView控件，另一方面通過循環(huán)遍歷XML文件各層元素，獲取其Name屬性和Value屬性，將幾何體的名稱、位置、尺寸、類別和從屬關(guān)系載入數(shù)據(jù)庫幾何信息表中，完成幾何數(shù)據(jù)的解析與存儲。除了幾何信息表，數(shù)據(jù)庫還包括材料信息表和功率信息表，分別存儲材料信息（包括材料編號、材料名、密度、熱導(dǎo)率和特征熱）和功率信息（包括功率編號、功率名和功率值），見圖6。數(shù)據(jù)庫中存儲的信息和用戶通過軟件界面輸入的設(shè)置信息寫入XML工程文件須使用編寫的ClassForWriteXML類。該類由依據(jù)XML工程文件格式編寫的各種方法組成。這些方法涵蓋XML文件頭、模式信息、求解設(shè)置、網(wǎng)格信息、特性信息、幾何信息和求解域設(shè)置等元素及其子元素的寫入方法。它們由StreamWriter類的WriteLine（）方法采用逐行寫入的方式完成。

2.4 基于C#.NET的Flotherm二次開發(fā)封裝與集成

本文采用C#.NET對軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫、存儲、解析與轉(zhuǎn)化操作并對Flotherm進(jìn)行封裝與集成。對Flotherm進(jìn)行后臺封裝與集成是構(gòu)建本系統(tǒng)的關(guān)鍵。首先，直接將后臺處理數(shù)據(jù)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(tǒng)自動開啟進(jìn)程后臺調(diào)用Flotherm對XML工程文件進(jìn)行批處理，再將輸出結(jié)果中的溫度信息讀入到軟件系統(tǒng)界面，從而實現(xiàn)C#.NET對Flotherm封裝與集成。

從系統(tǒng)UI直接或間接獲得的數(shù)據(jù)信息到XML工程文件的建立，即為數(shù)據(jù)信息集成過程。數(shù)據(jù)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(yīng)方法依次寫入模式信息、求解設(shè)置、網(wǎng)格信息、特性信息、幾何信息和求解域設(shè)置等設(shè)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(nèi)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(jié)束文件寫入工作。

后臺調(diào)用Flotherm對XML工程文件進(jìn)行批處理，即為Flotherm接口技術(shù)，已在第2.1節(jié)詳述，這里不再敖述。提取輸出結(jié)果顯示于系統(tǒng)UI是封裝與集成的最后環(huán)節(jié)。溫度結(jié)果文件為csv格式，讀取方式與xls格式相同。本系統(tǒng)采用NPOI讀取結(jié)果文件。首先創(chuàng)建一個FileStream流，然后獲取結(jié)果文件表，通過遍歷第一頁的所有行，并對溫度值進(jìn)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(tǒng)UI結(jié)果顯示框中。

3 典型軍用車載機(jī)電產(chǎn)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(jī)電產(chǎn)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(shù)如下：密度為2 650 kg/m3，熱導(dǎo)率為44 W/mK，特征熱為460[J/kg?K]。裝置內(nèi)部有三塊電路板，板上元器件共87個，其中發(fā)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(shù)：密度為1 200 kg/m3，熱導(dǎo)率為0.3 W/mK，特征熱為880 [J/kg?K]。元器件材料參數(shù)：密度為2 500 kg/m3，熱導(dǎo)率為10 W/mK，特征熱880 [J/kg?K]。裝置工作環(huán)境溫度為60 ℃，流體參數(shù)：熱導(dǎo)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(shù)0.004 313 1/K。

3.2 熱仿真分析

本文根據(jù)典型機(jī)電產(chǎn)品熱仿真分析需求，基于Flotherm二次開發(fā)使用C#.NET在Visual Studio 2012中開發(fā)機(jī)電產(chǎn)品熱仿真分析系統(tǒng)。應(yīng)用本系統(tǒng)對XX檢測組合裝置進(jìn)行熱仿真分析，系統(tǒng)運(yùn)行流程如下：

（1） 選擇幾何信息文件，載入幾何模型數(shù)據(jù)至軟件系統(tǒng)GUI和數(shù)據(jù)庫表GeometryInfo。

（2） 選擇幾何體，賦予相應(yīng)材料和功率，更新數(shù)據(jù)庫表GeometryInfo，MaterialInfo和PowerInfo。

（3） 輸入模型信息、網(wǎng)格信息，求解設(shè)置等設(shè)置信息。

（4） 讀取數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)GUI數(shù)據(jù)自動生成xml工程文件Project.xml。

（5） 啟動進(jìn)程后臺調(diào)用Flotherm批處理程序，求解Project.xml。

（6） 讀取解算結(jié)果文件Output.csv，顯示結(jié)果于系統(tǒng)GUI。

系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)運(yùn)行流程

為XX檢測組合裝置各幾何體賦予相應(yīng)材料和熱功耗，并按照本系統(tǒng)UI進(jìn)行相關(guān)設(shè)置后進(jìn)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(jìn)行熱分析，相關(guān)設(shè)置參數(shù)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(chǎn)品進(jìn)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(fā)現(xiàn)使用本系統(tǒng)與操作Flotherm軟件對相同幾何模型進(jìn)行相同設(shè)置得到的結(jié)果幾乎相同，與實際試驗結(jié)果相比相差也很小，從而驗證了基于Flotherm二次開發(fā)的熱分析系統(tǒng)的分析結(jié)果。

對軍用車載機(jī)電產(chǎn)品的熱仿真分析一般需要進(jìn)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(xù)外推產(chǎn)品溫度分布和估計產(chǎn)品壽命。然而每次仿真只需變更少數(shù)幾何體的材料、熱功率值或個別參數(shù)。若分析人員使用商業(yè)熱分析軟件進(jìn)行熱校模，每次分析都需要重復(fù)進(jìn)行大量復(fù)雜的操作，耗時、耗力、試驗效率低。而應(yīng)用本系統(tǒng)進(jìn)行這種熱仿真分析無需重復(fù)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(shù)關(guān)鍵幾何體賦予材料或功率，免去了分析人員大量重復(fù)性操作，大大節(jié)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(jìn)度。

圖9 Flotherm分析結(jié)果

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品仿真試驗中熱應(yīng)力仿真試驗對試驗人員理論基礎(chǔ)和軟件操作能力要求較高。本文考慮典型軍用車載機(jī)電產(chǎn)品的自身特點，應(yīng)用C#.NET語言結(jié)合Flotherm二次開發(fā)相關(guān)技術(shù)與方法通過對Flotherm二次開發(fā)建立機(jī)電產(chǎn)品熱仿真分析系統(tǒng)。實現(xiàn)了典型軍用車載機(jī)電產(chǎn)品熱仿真分析的自動化、流程化，仿真結(jié)果準(zhǔn)確，無需手動提取即可自動輸出溫度表和監(jiān)測點溫度表，從而實現(xiàn)了結(jié)果定制。免去了分析人員大量重復(fù)性操作，大大節(jié)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(chǎn)品整個仿真試驗的進(jìn)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(tǒng)可行性。本系統(tǒng)具有良好的工程應(yīng)用背景和廣闊的市場推廣前景，對類似仿真分析系統(tǒng)的研制工作具有較高的參考價值和借鑒意義。

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