干貨 | 電子設(shè)備多物理場耦合分析

2018-01-15 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

目前,各類電子設(shè)備呈現(xiàn)出智能化、微型化的趨勢,升級換代日新月異,這對電子設(shè)備的研發(fā)周期、產(chǎn)品的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備的可靠性等等提出了更高的要求。如果要快速研發(fā)復(fù)雜可靠的電子設(shè)備,那么將CAE模擬軟件應(yīng)用于電子設(shè)備的研發(fā)流程中,被證實(shí)為行之有效的方法。

以前研究者只考慮一個(gè)場而忽略多場的耦合效應(yīng),由于各個(gè)物理場獨(dú)立計(jì)算,互不影響,研究人員無法解釋場與場之間的互相影響,無法對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)進(jìn)行整體、精細(xì)的模擬計(jì)算,這勢必影響電子設(shè)備真實(shí)的物理場分布。多物理場耦合問題是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的場通過交互作用而形成的物理現(xiàn)象,它在客觀世界和工程應(yīng)用中廣泛存在。

隨著電子設(shè)備的發(fā)展以及CAE仿真技術(shù)的成熟,越來越多的研究者開始考慮電子設(shè)備多物理場的耦合效應(yīng),充分考慮設(shè)備在多物理場直接作用下的工作特性。ANSYS公司正是這一領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者,旗下產(chǎn)品可以對電子設(shè)備的多物理場進(jìn)行耦合模擬分析。

ANSYS軟件具有無與倫比的多物理場耦合模擬能力

智能化電子設(shè)備必須滿足可靠的結(jié)構(gòu)性能、電磁兼容性能、良好的散熱特性及噪音性能等等。ANSYS軟件可以從數(shù)值分析的角度來對電子設(shè)備進(jìn)行多物理場耦合分析,使得各物理場之間的相互作用能夠在設(shè)計(jì)階段得以精確呈現(xiàn),客觀上保證并加快了產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)程。

電子設(shè)備的多物理場耦合表現(xiàn)在:熱流場和電磁場呈現(xiàn)矛盾的關(guān)系,散熱要求孔縫越大越好,而電磁屏蔽需要孔縫越小越好,結(jié)構(gòu)的變形影響孔縫的尺寸,進(jìn)而影響電子設(shè)備的散熱和屏蔽;溫度的升降會(huì)影響結(jié)構(gòu)的變形、電磁發(fā)射器件的發(fā)射功率及導(dǎo)體電導(dǎo)率的改變;發(fā)射功率會(huì)導(dǎo)致器件熱耗的改變,進(jìn)而影響電子設(shè)備的熱流分布。

下圖為某電源設(shè)備的多物理場優(yōu)化計(jì)算,主要優(yōu)化了散熱孔的布局,以使電源設(shè)備滿足美國聯(lián)邦通信協(xié)會(huì)(FCC)制定的EMI標(biāo)準(zhǔn)。

不同形狀散熱孔結(jié)構(gòu)對電磁干擾的影響

減小了散熱孔的尺寸,滿足了EMI的要求,但是為了保證熱可靠性,勢必需要增大風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,這將產(chǎn)生嚴(yán)重的噪音。在電源設(shè)備工作中,風(fēng)機(jī)、殼體及器件之間壓力互相作用,造成更多的噪音源。使用Fluent軟件,可以計(jì)算一定頻率范圍內(nèi),設(shè)備內(nèi)部的噪音云圖分布,這將可以幫助工程師查看、辨別電源設(shè)備內(nèi)高噪音的區(qū)域,進(jìn)而對其結(jié)構(gòu)做優(yōu)化計(jì)算。

電源設(shè)備優(yōu)化前后的噪音曲線分布

電源設(shè)備渦流粘度和噪音云圖分布

使用ANSYS Workbench平臺(tái)對電子設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能、電磁兼容性能、散熱性能的耦合模擬計(jì)算時(shí),不同尺度的電子設(shè)備所需的CAE模塊不盡相同,可參考下圖。

不同尺度電子設(shè)備多場耦合所需的模塊

在實(shí)際工程中,電動(dòng)機(jī)、變壓器、電磁爐等等均利用了電磁的渦流現(xiàn)象,即在一根鋁塊外面繞上線圈,并讓線圈通入交變電流,那么線圈就產(chǎn)生交變磁場。由于線圈中間的導(dǎo)體在圓周方向是可以等效成一圈一圈的閉合電路,閉合電路中的磁通量在不斷發(fā)生改變,所以在導(dǎo)體的圓周方向會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和感應(yīng)電流,電流的方向沿導(dǎo)體的圓周方向轉(zhuǎn)圈,就像一圈一圈的漩渦,即電磁渦流現(xiàn)象(摘自《ANSYS Icepak進(jìn)階應(yīng)用導(dǎo)航案例》一書),其示意圖如下所示。

電磁渦流現(xiàn)象示意圖

下面以上述電磁渦流效應(yīng)為例,講解在ANSYS Workbench平臺(tái)下進(jìn)行電磁場、熱流場的雙向耦合計(jì)算,需要注意的步驟包括:

1、需要完成ANSYS電磁包與ANSYSWorkbench平臺(tái)的耦合配置。

配置ANSYS電磁模塊與Workbench平臺(tái)耦合

2、進(jìn)行電磁—熱流性能的雙向耦合模擬,需要建立Geometry、Maxwell(HFSS)、Icepak、Feedback Iterator單元,拖動(dòng)Geometry分別至Maxwell單元、Icepak單元;拖動(dòng)Maxwell的Solution至Icepak的Setup;拖動(dòng)Maxwell的Solution至Feedback Iterator單元,可驅(qū)動(dòng)Maxwell和Icepak,進(jìn)行電磁-熱流的多次耦合迭代計(jì)算,直接求解計(jì)算收斂。

電磁—熱流耦合模擬流程圖

3、 Geometry模型進(jìn)入各個(gè)CAE分析單元后,幾何模型的位置(坐標(biāo))不可以修改。

4、必須在Maxwell和Icepak單元里激活溫度反饋的設(shè)置。

Maxwell和Icepak單元中激活溫度反饋

5、在FeedbackIterator中設(shè)置耦合的最大迭代步數(shù)以及迭代的收斂標(biāo)準(zhǔn)(主要是通過溫度的相對改變量來判斷是否收斂)。

設(shè)置迭代步數(shù)及收斂標(biāo)準(zhǔn)

6、在FeedbackIterator下點(diǎn)擊Update,自動(dòng)驅(qū)動(dòng)Maxwell和Icepak進(jìn)行電磁—熱流耦合模擬計(jì)算。

完成電磁—熱流的耦合迭代計(jì)算

在計(jì)算結(jié)束中,可以查看Maxwell計(jì)算的線圈和鋁塊的電磁熱損耗、電流矢量圖。

線圈的渦流熱損耗云圖

鋁塊的渦流熱損耗云圖

鋁塊中渦流的電流云圖及矢量圖

將Maxwell計(jì)算的熱耗和Icepak統(tǒng)計(jì)的熱耗相比,相對誤差極小。

Maxwell計(jì)算的電磁熱損耗.VS.Icepak統(tǒng)計(jì)的熱耗

將Icepak計(jì)算的溫度與反饋至Maxwell的溫度相比較,相對誤差也非常小。

反饋至Maxwell的溫度.VS.Icepak的溫度比較

以上數(shù)據(jù)充分證明在ANSYSWorkbench平臺(tái)下,各個(gè)CAE單元可以將電磁-熱流的數(shù)據(jù)互相傳遞,從而對電子設(shè)備進(jìn)行精確的多物理場耦合計(jì)算。

相關(guān)產(chǎn)品

1、ANSYS ICEPAK專業(yè)電子熱設(shè)計(jì)

包含先進(jìn)的求解器,其魯棒性強(qiáng)、穩(wěn)定性高,自動(dòng)化的網(wǎng)格技術(shù),使得工程師可以對所有的電子產(chǎn)品進(jìn)行快速的熱設(shè)計(jì)模擬,比如:計(jì)算機(jī)、電信設(shè)備、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、航空航天、汽車產(chǎn)業(yè)及其他消費(fèi)性電子產(chǎn)品, 實(shí)現(xiàn)對電子產(chǎn)品進(jìn)行可靠、高效的熱管理和熱設(shè)計(jì)分析。

2、ANSYS Maxwell 低頻電磁場仿真

滿足機(jī)電產(chǎn)品工程師的仿真設(shè)計(jì)需求,提升高品質(zhì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力。Maxwell包含二維和三維的瞬態(tài)磁場、交流電磁場、靜磁場、靜電場、直流傳導(dǎo)場和瞬態(tài)電場求解器,能準(zhǔn)確地計(jì)算力、轉(zhuǎn)矩、電容、電感、電阻和阻抗等參數(shù),并且能自動(dòng)生成非線性等效電路和狀態(tài)空間模型,用于進(jìn)一步的控制電路和系統(tǒng)仿真,實(shí)現(xiàn)此部件在考慮了驅(qū)動(dòng)電路、負(fù)載和系統(tǒng)參數(shù)后的綜合性能分析。

3、ANSYS HFSS 高頻電磁場仿真

作為任意三維結(jié)構(gòu)全波電磁場仿真的標(biāo)準(zhǔn)和核簽工具,是現(xiàn)代電子設(shè)備中設(shè)計(jì)高頻/高速電子組件的首選工具。HFSS能夠在用戶最少干預(yù)的情況下,對直接關(guān)系到電子器件性能的電磁場狀態(tài)進(jìn)行快速精確的仿真。針對一個(gè)部件或子系統(tǒng)、系統(tǒng)以及終端產(chǎn)品在電磁場中的性能及其相互影響, HFSS可分析整個(gè)電磁場問題,包括反射損耗,衰減,輻射和耦合等。

4、ANSYS Mechanical 高級結(jié)構(gòu)力學(xué)分析及熱分析

提供全面的結(jié)構(gòu)、熱、壓電、聲學(xué)、以及耦合場等分析功能外,還創(chuàng)造性地實(shí)現(xiàn)了與ANSYS新一代計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析程序Fluent、CFX的雙向流固耦合計(jì)算。全面集成于ANSYS新一代協(xié)同仿真環(huán)境ANSYSWorkbench,易學(xué)易用。

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