【ANSYS】基于ANSYS Workbench多物理場(chǎng)仿真平臺(tái)的系統(tǒng)級(jí)分析

關(guān)鍵字:ANSYS Workbench 多物理場(chǎng) 仿真

在快速發(fā)展的消費(fèi)類電子市場(chǎng)中,企業(yè)面臨著巨大的壓力,他們必須領(lǐng)先競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手一步推出產(chǎn)品。為應(yīng)對(duì)越來(lái)越高的產(chǎn)品復(fù)雜性,同時(shí)縮短設(shè)計(jì)周期時(shí)間,在研發(fā)過(guò)程中采用仿真軟件是一種業(yè)經(jīng)驗(yàn)證的工作方法。采用分析工具,設(shè)計(jì)工程師就能夠生成模型,虛擬地展現(xiàn)物理幾何結(jié)構(gòu),并用物理計(jì)算來(lái)調(diào)整和優(yōu)化產(chǎn)品。相對(duì)于過(guò)去的試錯(cuò)法原型設(shè)計(jì)方法而言,這種方法能夠大幅提升速度。因此,業(yè)界領(lǐng)先的組織機(jī)構(gòu)在許多工程領(lǐng)域都采用了仿真流程。

傳統(tǒng)上,工程師在開(kāi)展具體某方面的產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作時(shí),會(huì)對(duì)流體、 熱、結(jié)構(gòu)、電子等不同領(lǐng)域分別采用分析工具。但是這種孤立起來(lái)分別考慮不同物理作用的方法會(huì)導(dǎo)致工程師無(wú)法解釋有關(guān)物理效果疊加對(duì)其它領(lǐng)域或整體系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的其它功能的影響。ANSYS為工程師提供了相關(guān)功能,幫助他們深入了解特定的跨物理現(xiàn)象,知道這些物理因素如何相互影響。如果工程師關(guān)心電力輸送問(wèn)題,那么他可通過(guò)導(dǎo)體焦耳加熱造成的材料電阻變化來(lái)仿真電路中的電力損失。

利用ANSYS Workbench,我們可整合業(yè)界領(lǐng)先的結(jié)構(gòu)、熱、流體和電磁場(chǎng)求解器支持真正的多物理場(chǎng)仿真。不同求解器之間可自動(dòng)共享幾何結(jié)構(gòu),因?yàn)橐粋€(gè)求解器中的設(shè)計(jì)變化可能也會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)相同或者相鄰部分建模的其它求解器產(chǎn)生預(yù)測(cè)影響。

利用共享幾何結(jié)構(gòu),Workbench項(xiàng)目的設(shè)置可確保不同物理領(lǐng)域的專家都能分別針對(duì)各自特定領(lǐng)域配置適當(dāng)?shù)膯挝锢韴?chǎng)仿真,從而能在統(tǒng)一用戶界面中實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)的系統(tǒng)級(jí)分析。這種協(xié)作化設(shè)計(jì)方法意味著所有領(lǐng)域都能在仿真初始階段得到應(yīng)對(duì)解決——而不是在會(huì)造成巨大成本的原型設(shè)計(jì)或最后生產(chǎn)階段才解決。

電力傳輸設(shè)備必須滿足具體標(biāo)準(zhǔn)的要求才能夠上市,這就是多物理場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)要應(yīng)對(duì)的實(shí)際挑戰(zhàn)之一。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC) 制定了辦公室環(huán)境中的電氣放射、噪聲等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),除了符合這些標(biāo)準(zhǔn),產(chǎn)品還必須滿足散熱等可靠性要求。

電氣放射測(cè)試可以在ANSYS HFSS中進(jìn)行仿真。ANSYS HFSS是一款3D有限元電磁場(chǎng)求解器,能明確設(shè)計(jì)是否符合FCC電磁干擾 (EMI)的規(guī)范。在本例中,HFSS可幫助設(shè)計(jì)人員了解將通風(fēng)設(shè)置從較大通風(fēng)槽和通風(fēng)孔轉(zhuǎn)為較小圓孔的情況下是否會(huì)阻擋不必要的放射。

針對(duì)初始HFSS預(yù)測(cè)的兩處設(shè)計(jì)改動(dòng):(頂部)取代了大風(fēng)扇的通風(fēng)孔;(底部)用更多小圓孔取代側(cè)邊通風(fēng)槽,如下圖。

調(diào)整通風(fēng)設(shè)置后對(duì)電磁輻射的影響(紅線是初始設(shè)計(jì)3米處的電磁輻射,藍(lán)線為設(shè)計(jì)修改后的預(yù)測(cè)情況)如下圖。

雖然小孔有利于控制電氣放射,但如果這樣限制了制冷所必需的氣流進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備過(guò)熱,就會(huì)為散熱管理工程師帶來(lái)難題。

采用ANSYS Icepak進(jìn)行散熱分析就無(wú)需構(gòu)建并測(cè)試多個(gè)設(shè)計(jì)方案了。Icepak是一款電子散熱管理仿真工具,可對(duì)集成電路(IC) 封裝和印刷電路板(PCB)等系統(tǒng)進(jìn)行建模。該軟件能涵蓋所有的熱傳遞效應(yīng),可提供穩(wěn)健可靠的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFC)技術(shù),幫助工程師預(yù)測(cè)器件通電且制冷風(fēng)扇工作時(shí)的內(nèi)部溫度。

Icepak在初始設(shè)計(jì)中(初始通風(fēng)設(shè)置工作時(shí)功耗為6瓦特,這時(shí)風(fēng)扇速度為每分鐘3500轉(zhuǎn),能讓內(nèi)部溫度保持在110攝氏度的要求以內(nèi))預(yù)測(cè)的內(nèi)部溫度和氣流路徑,見(jiàn)下圖。

Icepak仿真在采用較小通風(fēng)孔的更新版設(shè)計(jì)中給出的結(jié)果(要滿足溫度不超過(guò)110攝氏度的要求,風(fēng)扇速度必須提升到每分鐘4600轉(zhuǎn)),見(jiàn)下圖。

改變通風(fēng)設(shè)置可會(huì)能需要提高風(fēng)扇速度,避免過(guò)熱情況出現(xiàn)。舉例來(lái)說(shuō),原來(lái)的通風(fēng)設(shè)置功耗為6瓦特,這時(shí)風(fēng)扇運(yùn)行速度為3500RPM,內(nèi)部溫度可保持在110攝氏度的目標(biāo)要求以下。如果采用較小的通風(fēng)孔,那么風(fēng)扇速度必須達(dá)到4600RPM,這樣才能滿足設(shè)定的溫度要求。結(jié)合采用HFSS和Icepak,散熱和EMI工程師可以共同協(xié)作找到一個(gè)同時(shí)滿足雙方設(shè)計(jì)目標(biāo)要求的解決方案。

如果無(wú)法提高風(fēng)扇速度,那么EMI工程師可選擇不同的通風(fēng)孔形狀,也可采用優(yōu)化方法來(lái)滿足散熱和EMI兩方面的要求。

在處理電磁效應(yīng)和熱傳遞問(wèn)題后,還需要考慮氣動(dòng)聲學(xué)問(wèn)題。修改通風(fēng)設(shè)計(jì)、提高風(fēng)扇速度雖然能解決EMI和散熱問(wèn)題,但這些修改會(huì)影響設(shè)備工作時(shí)的噪聲水平。消費(fèi)者必然不會(huì)接受家里或工作單位的設(shè)備工作時(shí)風(fēng)扇噪聲太大的情況。因此使用風(fēng)扇作為散熱管理組成部分的設(shè)備必須確保以低噪聲水平工作。

ANSYS Fluent能夠通過(guò)氣動(dòng)聲學(xué)CFD分析來(lái)解決噪聲水平的問(wèn)題。在人類能聽(tīng)到的音頻上,聲壓水平(SPL)強(qiáng)度通過(guò)外殼外邊風(fēng)扇進(jìn)氣區(qū)接收點(diǎn)上的壓力波動(dòng)得出。原始設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)會(huì)在人類能聽(tīng)到的音頻上生成不到50分貝的噪聲,這對(duì)于一般家庭環(huán)境而言已經(jīng)足夠低,能融于背景噪聲之中。

修改通風(fēng)設(shè)置并提高風(fēng)扇速度之后,峰值聲壓水平在311 Hz頻率上達(dá)到56 dB(見(jiàn)下圖),這相當(dāng)于在距離一米以外說(shuō)話所產(chǎn)生的音量。

設(shè)備工作期間,壓力波動(dòng)巨大,再加上風(fēng)扇、外殼以及電子組件固體表面的相互作用,這都會(huì)構(gòu)成噪聲源。我們可用特殊的Fluent工具來(lái)生成設(shè)備內(nèi)部給定頻率上噪聲源的3D等值線圖。識(shí)別出高SPL值的區(qū)域有助于我們開(kāi)展設(shè)計(jì)工作。舉例來(lái)說(shuō),風(fēng)扇生成的核心震動(dòng)區(qū)與風(fēng)扇扇葉和風(fēng)扇附近安裝的較大電子元件會(huì)產(chǎn)生相互作用。這種相互作用在風(fēng)扇和這兩個(gè)元件之間的區(qū)域造成更大的噪聲。要解決這個(gè)問(wèn)題,需要做進(jìn)一步的設(shè)計(jì)調(diào)整。

Fluent結(jié)果(見(jiàn)下圖)顯示局部氣壓近墻劇烈波動(dòng)造成的噪聲源空間分布(包括渦流粘度(左)和500 Hz的聲壓水平(右)所形成的彩色渦心區(qū)域)。

通過(guò)這一個(gè)電源實(shí)例,我們看到了ANSYS Workbench的多物理場(chǎng)功能仿真技術(shù)可幫助工程師評(píng)估不同虛擬設(shè)計(jì)方案的眾多物理因素,無(wú)需再費(fèi)時(shí)費(fèi)力去構(gòu)建和檢測(cè)物理原型。采用仿真化的設(shè)計(jì)流程,工程團(tuán)隊(duì)能夠加強(qiáng)協(xié)作,并加速新技術(shù)的開(kāi)發(fā)。由于產(chǎn)品上市進(jìn)度至關(guān)重要,如果在設(shè)計(jì)后期才發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)失敗,那將是公司不可承受之重。

當(dāng)結(jié)合利用一系列業(yè)界領(lǐng)先的求解器,ANSYS Workbench能夠分析系統(tǒng)整體的多物理情況,從而在設(shè)計(jì)早期就發(fā)現(xiàn)重要問(wèn)題,并改善產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程。