模型校準的案例
Flotherm：IGBT熱仿真模型的校準
背景介紹
無論什么學科，什么類型的仿真模型，都會設置各種參數的數值。由于種種原因，部分參數的預估和猜測是不可避免的。但是參數的預估和猜測會導致仿真模型準確性不足，和實際物理場景不一致。由此，仿真模型得到的結果可信度會大打折扣。
兩者有多接近？
為此，提出了模型校準的概念。所謂模型校準，是通過對仿真模型的參數進行不斷調整，以使仿真模型的參數和物理實際充分接近的迭代過程。
在電子熱仿真中，通常涉及模型校準的是元器件級和板級的仿真。
元器件級熱仿真
板級熱仿真
通過模型校準，不僅可以提高仿真模型的可信度，也可以提高仿真模型針對不同物理場景下的可重復利用能力，得到的某些參數可以在整機和環境級分析中提供元器件相關的更準確參數。
模型是否進行過校準，其仿真結果可能會有較大差異。
某型號芯片熱仿真模型校準前后的節溫比較
模型校準前后，在第一個脈沖結束時溫度分布對比
Flotherm軟件可以和T3ster熱阻測試儀聯合應用，對模型進行校準。其校準流程如圖所示。
展開 基于optiSLang的模型校準和參數反演示例
其流程如圖所示：
信號模擬曲線圖如下所示，模擬曲線充分覆蓋了參考曲線，說明給定的參數范圍足夠以進行校準，最優值紅色曲線與參考值綠色曲線幾乎重合，算法很好地收斂到較小的信號差異。
下表是系統參數初始值與反演值的對比，模型信號差異很大程度上得到縮減，參數反演分析使模型得到校準，仿真擬合曲線和參考曲線之間實現了出色的一致性。
模型校準和參數反演，將產品的特性被準確、清晰地仿真模擬，不再過保守設計，研發人員可以利用高置信度的虛擬樣機，進行高效的結構優化設計，大大降低產品的成本和增強品質競爭力。
另外optiSLang可以集成到Workbench界面，直接讀取Workbench中Mechanical的分析流程中的參數。上述案例用Workbench界面分析時的流程如下圖所示。
利用optiSLang模型標定與參數反演功能，可以讓我們的仿真模型更加準確，從而保證仿真結果更加精確。
文章來源于上海安世亞太 ，作者陳志梅
展開 模型校準：利用HyperStudy校準CAE模型參數，實現CAE仿真和實驗的擬合 ￥15
CAE計算的力學曲線與實驗測得的力學曲線擬合存在偏差，利用Hyperstudy校準CAE模型參數，校準后的參數輸入CAE模型，最終實現計算的力學曲線與實驗測得的力學曲線擬合
RecurDyn成功案例：校準多體模型以預測NVH激勵載荷
為了獲得可靠結果，多體模型的未知、不精確、不可測量的參數在過程早期需要對其進行調試，這種調試就是所謂的校準過程。當模型的輸出與實驗測量的相應信號匹配時終止校準，校準過程通常非常耗時且執行起來很復雜。實現此目的的最佳方法是將參數化模型連接到自動多目標優化器。本案例的冰箱壓縮機應用中，RecurDyn模型通過modeFRONTIER的算法進行調整，直至仿真的加速度與測量的加速度相匹配。
發動機燃燒仿真｜CMCL填補CFD與0維/1維均質反應模型方法間的空白
· 依托準確的湍流、傳熱、MDI、EGR、燃油揮發性等模型，可實現燃燒和排放預測。
· 適當地考慮化學反應動力學，涵蓋點火、熄火、失火、火焰傳播和排放多個過程。
· 易于與一維軟件（例如GT-POWER）耦合計算。
SRM Engine Suite耦合具有后處理模塊的一維計算軟件
· 使用簡便。預置了豐富的反應器模型，用戶可直接復制使用，如壓燃直噴發動機、直噴-火花塞點火發動機、均質壓燃發動機、CV、CP、PSR、PFR、尾氣后處理（例如DOC、SCR、顆粒過濾）等。
反應器模型
· 具有模型校準與驗證功能。MoDS基于機器學習，可根據實驗數據（如壓力、排放）對計算模型進行校準，經校準后的模型可以提升預測準確度。
校準原理
校準后理化模型與實驗數據對比
產品應用
動力總成
· 重型與常規車輛、非公路機械和船舶內燃發動機模擬與分析
· 燃料，燃燒，排放和性能分析
· 耦合CAE,1D CFD,3D CFD
能源 & 化工
· 流程和系統的技術經濟及敏感性分析
· 化學和能源過程的流程工程分析
· 氣相合成有機和無機納米材料
案例1：重型發動機燃燒和排放
本案例為 CMCL Innovations 與卡特彼勒公司的合作項目，CMCL數字工程應用于卡特彼勒C4.4重型壓燃柴油機的測量數據，以實現燃燒特性和發動機排放預測。
案例2：汽車尾氣納米顆粒排放瞬態模擬
針對汽車尾氣中的納米顆粒較難檢測的問題，本案例展示CMCL軟件中kinetics & SRM Engine Suite在物理化學建模中預測發動機氣相及顆粒物排放的能力，以及MoDS生成用于瞬態仿真的高維與快速響應替代模型的能力。
展開 DEM為赫氏公司提供仿真解決方案
通過EDEM BulkSim 可以熟練的重新設計輸送溜槽的解決方案，包括前期的物料性能測試及DEM 物料模型校準服務。
用于動態流量測試的煤炭和濾餅樣品都是取自于現場實際使用的物料。通過與物理模擬測試結果相比較，DEM 物料模型很快的被校準，在云計算平臺上使用自動參數掃描。
赫氏新的轉運站設計包括一個料斗自動閘門和頂部的鉸鏈，物料將直接順著兩個通路中的一個流下。
以前的轉運站，可以看出料斗閘門降（左）和升（右），容易積聚堵塞。
物料的顏色（藍色顯示速度較慢的物料）。赫氏集團已經決定重新設計的轉運站，提升處理的能力。
在模擬實際情況的虛擬環境下，我們的方案對各種物料進行了一系列性能測試，包括高度粘性物料。這樣可以使赫氏快速的挑選出最優的解決方案，針對解決他們的具體的生產情況。
通過EDEM BulkSim 仿真顯示，新的轉運站設計當在傳輸高粘度的物料或者在輸送流量激增的情況下，將會比預想中提供更高的吞吐量。
通過仿真，赫氏在制造轉運站之前，就能夠判定它的性能，并且通過仿真可以讓他們了解溜槽的低磨損率。
EDEM BulkSim 圖像顯示在這個區域可以可以清晰的體會到的更新后的配置（右）與原來的配置（左）上負載的滑槽相對磨損的不同。（紅色表示較高的磨損。）分析表明更新后的配置將出現較低的磨損率。
使用標準化的DEM 材料模型校準服務給赫氏提供了一個精確并且貼合實際的模擬仿真結果。
這種設計可以直接導致在啟動和調試階段，為設備的可靠性得到實實在在的好處，并為用戶提高產量，設備維護以及設備性能方面帶來益處。
EDEM BulkSim 新模擬設計的物料運行高峰流量（1 228 t/h），通過控制料斗閘門的升和降可以得到穩定可靠的流量。
展開 精準洞察熱性能：T3Ster 熱阻測試儀的強大優勢
（三）熱仿真模型校準
T3ster 的測試結果可生成熱阻熱容模型，供熱仿真軟件使用。同時，其測試數據能夠用于校準詳細的仿真模型，提高熱仿真的準確性和可靠性，使得工程師在設計階段能夠更準確地預測產品的熱性能，減少設計迭代次數，縮短產品上市時間 。
（四）研發創新
在半導體和電子領域的研發過程中，T3ster 可用于研究半導體器件的熱特性，評估新型封裝材料和結構的熱性能。通過對新設計和新材料的熱測試，為技術創新提供數據支持，推動行業的技術進步 。
在半導體和電子設備行業對熱管理要求日益嚴苛的今天，T3ster 熱阻測試儀憑借其卓越的測試性能、廣泛的應用范圍和強大的功能，成為熱特性測試領域的佼佼者。無論是半導體制造商、電子系統設計工程師，還是科研人員，T3ster 都能為其提供精準、高效的熱測試解決方案，助力產品性能提升與技術創新。
展開 半導體封裝整體解決方案
圖5:熱負荷下的位移模擬結果
熱模型校準:
即使FloEFD仿真工具已經非常成熟，并得到市場的考驗及認可，但也建議您通過物理實驗測試組件的最終熱特性，如果模擬和測試結果不匹配，則應重新校準熱模型參數。西門子提供了一種獨特的測試方法，稱為Simcenter T3Ster(熱瞬態測試儀)，可以在半導體芯片上施加功率階躍，并測量其相應的熱響應。“單位功率階躍響應”是熱系統的特征，因此封裝的傳遞函數很容易計算。
圖6: T3Ster熱瞬態測試方法
因此，封裝可以用由數百個元件組成的等效熱R-C網絡來建模。對于一維散熱情況，這些R-C元件與封裝各結構層的真實熱特性密切相關。
出于模型校準目的，如果我們在Simcenter FLOEFD內重復測試，使用與測試中相同的邊界條件、輸入功率和瞬態時間步長，描述封裝數字孿生的R-C網絡模型必須與從測試中獲得的R-C網絡模型相同。如果出現不匹配的情況，Simcenter FLOEFD可以自動找到缺失的接觸熱阻值，調整不明確的熱導率，甚至根據需要調整幾何形狀。
校準后的熱模型:
它的熱行為與真實的物理設備完全一樣，
即使在瞬態模擬情況下也是如此，相應的結構模擬也將更加精確，因為它們需要精確的熱場作為輸入
所選材料的行為將得到理解，并可保存在庫中，用于創建更好的模型
庭田科技，專注于為半導體封裝提供整體解決方案，
更多產品信息請登錄：www.anscos.com
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展開 報名 | 提高光芯片可制造性的五大途徑
Ansys Lumerical CML Compiler可以生成統計學緊湊模型庫。這些模型都可以加載到Ansys的光電系統級仿真工具Lumerical INTERCONNECT中，以開展良率分析、蒙特卡羅分析和Corner Analysis。
在器件級和系統級設計流程中使用自動模型生成、統計數據和工藝文件，可以提高設計的可制造性
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使用代工廠工藝文件設計定制器件
用戶可以使用代工廠工藝文件對定制器件進行可靠仿真，保證仿真輸入準確匹配特定代工廠工藝。工藝文件包含代工廠技術手冊中常見的關鍵信息（包括每個工藝層的垂直位置、厚度、材料和側壁角度）。使用工藝文件后，無需手工配置計算機輔助設計（CAD）模型，從而省去這一繁瑣、耗時且容易出錯的步驟。使用經過代工廠驗證的工藝文件，可以縮短為仿真配置幾何結構的時間，并將更多時間專注在自定義的設計與優化工作。
只要有GDS和代工廠工藝文件，用戶就可以使用Ansys Lumerical器件級工具軟件直接開展仿真，顯著提高設計成功的概率，從而節省大量重新流片的時間與成本。該流程中一個關鍵功能模塊是Layer Builder，它可根據器件設計人員提供的設計布局（通常為GDS格式）和代工廠提供的工藝文件生成3D模型。
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使用測量數據和仿真數據自動校準模型
緊湊模型校準很重要，但非常費時、繁瑣且容易出錯。
展開 使用激光跟蹤儀提升碼垛機器人精度
圖6 整體計算P6點異常大（左）和去掉P6計算結果正常（右）
3.3 模型校準
根據需要進行校準項勾選進行校準計算，得到校準后的DH模型（圖7左），將補償值修正到機器人控制器，完成對機器人參數的補償，可以看到校準后的最大位置精度提升到到0.5mm左右（7右）。
圖7 DH模型校準（左）和去掉P6計算結果正常（右）
3.4 校準驗證
切換性能檢測模塊，該模塊依據GB/T 12642即ISO 9283標準要求，幫助用戶完成對工業機器人各項性能指標的測試。
創建立方體，進行S1-位姿準確度和重復性項測試，從圖7可以看出，校準后的碼垛機器人位置準確度最大在0.5mm左右，與校準結果相符。
圖8 位置準確度與重復性
4.結論
工業機器人校準及性能檢測系統，借助RobotMaster軟件強大的機器人校準和檢測功能，配合GTS激光跟蹤儀頂尖的跟蹤測量性能，強強組合，已經在工業機器人領域取得了客戶充分認可和肯定，未來將用更快的響應和更好的服務支持，滿足機器人行業的不同需求，與客戶共同提高，確保機器人的性能時刻處于理想狀態。
展開 溢洪道水力評估
本文介紹了三個案例研究，強調了FLOW-3D HYDRO在不同類型的溢流道上的應用，以及可靠的原型或水力模型試驗數據對數值模型校準的重要性。
W. A. C. Bennett大壩 - 溢流道的沖擊波
在W. A. C. Bennett大壩，由于1960年代的水力模型試驗與原型溢流道的幾何形狀有所差異，因此很難從試驗結果中得到可靠的沖擊波形成和溢流道容量的結論。混凝土溢流道中的沖擊波大小受到入口處的三個射流閘門下游的溢洪道寬度減少44%以及射流閘門相對開度的影響。這些沖擊波導致了局部水位上升，在某些歷史操作條件下導致了溢洪道的溢流。
2012年進行了高達2865m3/s排放量的原型溢流測試，以提供沿溢流槽壁的水面剖面測量數據、溢流槽中水面的3D激光掃描以及流態的視頻，用于FLOW-3D HYDRO模型校準。數值模型與現場觀測結果高度一致，特別是在溢流槽壁上第一個沖擊波的位置和高度方面（見圖1）。
經校準的FLOW-3D HYDRO模型證實，只要按照現有的操作命令開啟所有三個射流閘門，并確保外側閘門開啟程度超過內側閘門，設計洪水就可以安全地通過，而不會溢過溢洪道壁。
CFD模型可以深入了解溢洪道的混凝土損壞情況。從FLOW-3D HYDRO模擬結果計算的空化指數與USBR的實際數據進行比較，結果與溢洪道的歷史表現一致。數值分析支持了現場檢查，得出的結論即溢洪道混凝土損壞可能并非由空化引起。
圖1. 貝內特大壩溢洪道在排洪量2865m3/s時，現場觀測數據與FLOW-3D HYDRO仿真結果的比較。
Strathcona大壩 - 惡劣進水條件和溢洪道流量曲線的不確定性
利用FLOW-3D HYDRO探討Strathcona水壩溢洪道的惡劣進水狀況以及流量曲線的不確定性。
展開 
【CAE案例】愛爾蘭西南海岸風暴潮汐預測系統的開發
Met éireann調和模型Harmonie（歐洲氣象局）數據：使用氣象學基本方程表征大氣，并以2.5km的水平分辨率，65層的垂直分辨率生成各種地面參數（風、雨、溫度和降水）的預測數據。在00Z、06Z、12Z和18Z（世界協調時），每天生成四次周期為54小時，時間分辨率為1h的預報。
歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）模型：每天生成四次周期為10天的預報，空間分辨率為0.1°。
在本研究中，TELEMAC-2D模型將采用00Z和12Z的諧波預測，以1小時的時間分辨率提供高達54小時的短期預測；采用00Z的ECMWF預測模型，滿足6天的預測要求，提供的預測模型時間分辨率為3小時，空間分辨率為0.125°。
考慮到模型外邊界處可能存在涌浪，調整了施加的潮汐高程以適應由空氣壓力（反向氣壓計效應）產生的靜水壓頭。此外，根據英國海洋科學研究所給出的標準TELEMAC計算公式，引入了風影響系數，從而可以考慮海洋的粗糙度和其他過程。
圖 3 ECMWF和Harmonie模型點位
II. 校準驗證
通過愛爾蘭西海岸和西南海岸的相關觀測潮汐數據對模型計算結果進行校準和驗證，值得注意的是，潮汐實測數據可能存在長時間的中斷（設備維修期）或數據量不夠大，在利用實測數據分析潮汐的時候，并非所有數據均是可用的。
為了校準潮汐和浪涌模型，使用來自ECMWF的TPXO和ERA5-風和壓力數據作為校準數據，并分析了Fenit碼頭的驗潮儀數據，確定了2013年至2017年間發生的五起具有顯著浪涌殘差的事件。模型的校準將包括對河床摩擦、潮汐和大氣壓迫的敏感性測試。
展開 MSC Nastran助力Infosy公司精確評估骨折風險
Infosys團隊使用了一個老年骨質疏松患者椎骨的50張計算機斷層掃描（CT）圖像，這些CT掃描圖像用于生成患者特定的3D CAD模型，該模型包含患者椎骨孔隙的確切形狀和大小。在使用CAD模型進一步用FEA進行斷裂風險分析之前，將CAD模型校準到實際尺寸大小。
圖：在導出模型到Patran之前，CAD模型被校準到實際尺寸
Infosys選擇MSC Nastran解決此問題，因為它是廣泛使用的FEA求解器之一，并已獲得FAA和其他監管機構的認證。在本項目中，有限元分析工具的精度非常重要，因為一旦該方法得到更充分的開發，關鍵的醫療決策就可以基于FEA結果。結果必須快速生成，以便做出診斷決定，沒有時間來評估FEA軟件的準確性。基于經驗和聲譽，Infosys工程師對MSC Nastran的結果充滿信心。
Infosys的工程師通過考慮骨質疏松患者椎骨的實際形狀和尺寸的3D模型，使用Patran中的CTETRA單元創建了FEA模型，保持網格質量參數以提高分析精度。從文獻關于皮質骨和松質骨的物理測試結果中獲得了兩種類型的材料特性，該研究在腰椎直立坐姿時使用了1000N 的壓力，這是文獻中發現的典型值。盡管這有點保守，然而，負荷很大程度上取決于身體的姿勢。椎骨的底部是固定的。考慮到孔隙的形狀、大小和材料特性，所以使用椎骨中產生的壓應力來計算患者特定的骨折風險系素。
圖：Patran中椎骨的網格模型
圖：椎骨出現的壓應力模式
結果
Infosys開發的骨質疏松癥創新解決方案使用了計算機輔助設計和FEA分析來定量評估椎骨骨折風險。
展開 設計仿真 | Digimat應用于金屬材料的仿真
廣泛的軟件接口可以為幾乎所有的主流有限元程序提供材料模型或進行多尺度的耦合分析。多尺度的分析結果使得對材料和結構的失效預測更加準確。
01 Digimat用于金屬晶體塑性
Digimat可以使用具有微觀結構細節（紋理、晶粒尺寸和形態、相等）的晶體塑性（CP）進行各向異性行為模擬，根據單次拉伸試驗數據校準模型。校準的模型可以作為虛擬實驗室來測試復雜的載荷條件，并確定高級各向異性宏觀屈服函數的屈服參數，預測 Lankford 值（r 值）。
圖2. 金屬晶體塑性及成型應用
Digimat用于成型的晶體塑性優勢：
1、高級各向異性/正交各向異性屈服函數: Barlat, Vegter等；
2、通過虛擬RVE測試生成更高應變的材料數據；
3、適用于疲勞性能；
4、考慮加工生成的材料微觀結構對材料性能和行為的影響。
02 Digimat用于金屬缺陷分析
使用Digimat，基于RVE的鑄件或增材制造零件宏觀行為孔隙率測試，可以預測結構/制造仿真中使用的宏觀特性（拉伸、疲勞），研究損傷起始和傳播。
圖3. 帶孔洞的金屬RVE單胞力學性能計算
03 Digimat用于雙相鋼性能
針對雙相鋼（DP，包含馬氏體+鐵氧體），通過各向同性硬化行為預測包辛格效應以及動力學參數。
圖4. 不同比例雙相鋼的RVE單胞模型和包辛格效應仿真結果
與實驗研究相比，雙相鋼不同預應變水平的包辛格效應預測。
圖5. 雙相鋼不同預應變水平的包辛格效應仿真結果（實線）和試驗結果（點）對比
同時，利用 J2 塑性，可以研究研究雙相鋼疲勞和損傷特性。從單軸拉伸試驗中提取的動力學參數。在HCF、LCF條件下結合損傷預測裂紋萌生和失效。
圖6.
展開 設計仿真 | MSC Nastran助力Infosy公司精確評估骨折風險
Infosys團隊使用了一個老年骨質疏松患者椎骨的50張計算機斷層掃描（CT）圖像，這些CT掃描圖像用于生成患者特定的3D CAD模型，該模型包含患者椎骨孔隙的確切形狀和大小。在使用CAD模型進一步用FEA進行斷裂風險分析之前，將CAD模型校準到實際尺寸大小。
圖：在導出模型到Patran之前，CAD模型被校準到實際尺寸
Infosys選擇MSC Nastran解決此問題，因為它是廣泛使用的FEA求解器之一，并已獲得FAA和其他監管機構的認證。在本項目中，有限元分析工具的精度非常重要，因為一旦該方法得到更充分的開發，關鍵的醫療決策就可以基于FEA結果。結果必須快速生成，以便做出診斷決定，沒有時間來評估FEA軟件的準確性。基于經驗和聲譽，Infosys工程師對MSC Nastran的結果充滿信心。
Infosys的工程師通過考慮骨質疏松患者椎骨的實際形狀和尺寸的3D模型，使用Patran中的CTETRA單元創建了FEA模型，保持網格質量參數以提高分析精度。從文獻關于皮質骨和松質骨的物理測試結果中獲得了兩種類型的材料特性，該研究在腰椎直立坐姿時使用了1000N 的壓力，這是文獻中發現的典型值。盡管這有點保守，然而，負荷很大程度上取決于身體的姿勢。椎骨的底部是固定的。考慮到孔隙的形狀、大小和材料特性，所以使用椎骨中產生的壓應力來計算患者特定的骨折風險系素。
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