電子設(shè)備多物理場耦合分析

2016-09-20 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,被證實為行之有效的方法。

以前研究者只考慮一個場而忽略多場的耦合效應(yīng),由于各個物理場獨立計算,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)計進行整體、精細的模擬計算,這勢必影響電子設(shè)備真實的物理場分布。多物理場耦合問題是由兩個或兩個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,進而影響電子設(shè)備的散熱和屏蔽;溫度的升降會影響結(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)射功率會導(dǎo)致器件熱耗的改變,進而影響電子設(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(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)機的轉(zhuǎn)速,這將產(chǎn)生嚴重的噪音。在電源設(shè)備工作中,風(fēng)機、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,進而對其結(jié)構(gòu)做優(yōu)化計算。

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平臺對電子設(shè)備進行結(jié)構(gòu)性能、電磁兼容性能、散熱性能的耦合模擬計算時,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

在實際工程中,電動機、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)體的圓周方向會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(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平臺下進行電磁場、熱流場的雙向耦合計算,需要注意的步驟包括:

1、需要完成ANSYS電磁包與ANSYSWorkbench平臺的耦合配置。

配置ANSYS電磁模塊與Workbench平臺耦合

2、進行電磁—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Geometry分別至Maxwell單元、Icepak單元;拖動Maxwell的Solution至Icepak的Setup;拖動Maxwell的Solution至Feedback Iterator單元,可驅(qū)動Maxwell和Icepak,進行電磁-熱流的多次耦合迭代計算,直接求解計算收斂。

電磁—熱流耦合模擬流程圖

3、 Geometry模型進入各個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下點擊Update,自動驅(qū)動Maxwell和Icepak進行電磁—熱流耦合模擬計算。

完成電磁—熱流的耦合迭代計算

在計算結(jié)束中,可以查看Maxwell計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計算的熱耗和Icepak統(tǒng)計的熱耗相比,相對誤差極小。

Maxwell計算的電磁熱損耗.VS.Icepak統(tǒng)計的熱耗

將Icepak計算的溫度與反饋至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平臺下,各個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)備進行精確的多物理場耦合計算。

相關(guān)產(chǎn)品

1、ANSYS ICEPAK專業(yè)電子熱設(shè)計

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

2、ANSYS Maxwell 低頻電磁場仿真

滿足機電產(chǎn)品工程師的仿真設(shè)計需求,提升高品質(zhì)產(chǎn)品設(shè)計能力。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)確地計算力、轉(zhuǎn)矩、電容、電感、電阻和阻抗等參數(shù),并且能自動生成非線性等效電路和狀態(tài)空間模型,用于進一步的控制電路和系統(tǒng)仿真,實現(xiàn)此部件在考慮了驅(qū)動電路、負載和系統(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)進行快速精確的仿真。針對一個部件或子系統(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)造性地實現(xiàn)了與ANSYS新一代計算流體動力學(xué)分析程序Fluent、CFX的雙向流固耦合計算。全面集成于ANSYS新一代協(xié)同仿真環(huán)境ANSYSWorkbench,易學(xué)易用。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才