【ANSYS】基于ANSYS Workbench多物理場仿真平臺的系統(tǒng)級分析

關(guān)鍵字:ANSYS Workbench 多物理場 仿真

在快速發(fā)展的消費類電子市場中,企業(yè)面臨著巨大的壓力,他們必須領(lǐng)先競爭對手一步推出產(chǎn)品。為應(yīng)對越來越高的產(chǎn)品復(fù)雜性,同時縮短設(shè)計周期時間,在研發(fā)過程中采用仿真軟件是一種業(yè)經(jīng)驗證的工作方法。采用分析工具,設(shè)計工程師就能夠生成模型,虛擬地展現(xiàn)物理幾何結(jié)構(gòu),并用物理計算來調(diào)整和優(yōu)化產(chǎn)品。相對于過去的試錯法原型設(shè)計方法而言,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,工程師在開展具體某方面的產(chǎn)品設(shè)計工作時,會對流體、 熱、結(jié)構(gòu)、電子等不同領(lǐng)域分別采用分析工具。但是這種孤立起來分別考慮不同物理作用的方法會導(dǎo)致工程師無法解釋有關(guān)物理效果疊加對其它領(lǐng)域或整體系統(tǒng)級設(shè)計的其它功能的影響。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)心電力輸送問題,那么他可通過導(dǎo)體焦耳加熱造成的材料電阻變化來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、流體和電磁場求解器支持真正的多物理場仿真。不同求解器之間可自動共享幾何結(jié)構(gòu),因為一個求解器中的設(shè)計變化可能也會對設(shè)計相同或者相鄰部分建模的其它求解器產(chǎn)生預(yù)測影響。

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

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

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

針對初始HFSS預(yù)測的兩處設(shè)計改動:(頂部)取代了大風扇的通風孔;(底部)用更多小圓孔取代側(cè)邊通風槽,如下圖。

調(diào)整通風設(shè)置后對電磁輻射的影響(紅線是初始設(shè)計3米處的電磁輻射,藍線為設(shè)計修改后的預(yù)測情況)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而導(dǎo)致設(shè)備過熱,就會為散熱管理工程師帶來難題。

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

Icepak在初始設(shè)計中(初始通風設(shè)置工作時功耗為6瓦特,這時風扇速度為每分鐘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)測的內(nèi)部溫度和氣流路徑,見下圖。

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

改變通風設(shè)置可會能需要提高風扇速度,避免過熱情況出現(xiàn)。舉例來說,原來的通風設(shè)置功耗為6瓦特,這時風扇運行速度為3500RPM,內(nèi)部溫度可保持在110攝氏度的目標要求以下。如果采用較小的通風孔,那么風扇速度必須達到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)作找到一個同時滿足雙方設(shè)計目標要求的解決方案。

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

在處理電磁效應(yīng)和熱傳遞問題后,還需要考慮氣動聲學(xué)問題。修改通風設(shè)計、提高風扇速度雖然能解決EMI和散熱問題,但這些修改會影響設(shè)備工作時的噪聲水平。消費者必然不會接受家里或工作單位的設(shè)備工作時風扇噪聲太大的情況。因此使用風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能夠通過氣動聲學(xué)CFD分析來解決噪聲水平的問題。在人類能聽到的音頻上,聲壓水平(SPL)強度通過外殼外邊風扇進氣區(qū)接收點上的壓力波動得出。原始設(shè)計預(yù)計會在人類能聽到的音頻上生成不到50分貝的噪聲,這對于一般家庭環(huán)境而言已經(jīng)足夠低,能融于背景噪聲之中。

修改通風設(shè)置并提高風扇速度之后,峰值聲壓水平在311 Hz頻率上達到56 dB(見下圖),這相當于在距離一米以外說話所產(chǎn)生的音量。

設(shè)備工作期間,壓力波動巨大,再加上風扇、外殼以及電子組件固體表面的相互作用,這都會構(gòu)成噪聲源。我們可用特殊的Fluent工具來生成設(shè)備內(nèi)部給定頻率上噪聲源的3D等值線圖。識別出高SPL值的區(qū)域有助于我們開展設(shè)計工作。舉例來說,風扇生成的核心震動區(qū)與風扇扇葉和風扇附近安裝的較大電子元件會產(chǎn)生相互作用。這種相互作用在風扇和這兩個元件之間的區(qū)域造成更大的噪聲。要解決這個問題,需要做進一步的設(shè)計調(diào)整。

Fluent結(jié)果(見下圖)顯示局部氣壓近墻劇烈波動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)。

通過這一個電源實例,我們看到了ANSYS Workbench的多物理場功能仿真技術(shù)可幫助工程師評估不同虛擬設(shè)計方案的眾多物理因素,無需再費時費力去構(gòu)建和檢測物理原型。采用仿真化的設(shè)計流程,工程團隊能夠加強協(xié)作,并加速新技術(shù)的開發(fā)。由于產(chǎn)品上市進度至關(guān)重要,如果在設(shè)計后期才發(fā)現(xiàn)設(shè)計失敗,那將是公司不可承受之重。

當結(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)計早期就發(fā)現(xiàn)重要問題,并改善產(chǎn)品開發(fā)流程。