干貨 | 電子設備多物理場耦合分析

2018-01-15 by:CAE仿真在線來源:互聯網

目前,各類電子設備呈現出智能化、微型化的趨勢,升級換代日新月異,這對電子設備的研發周期、產品的設計標準、設備的可靠性等等提出了更高的要求。如果要快速研發復雜可靠的電子設備,那么將CAE模擬軟件應用于電子設備的研發流程中,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,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,無法對產品的設計進行整體、精細的模擬計算,這勢必影響電子設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象,它在客觀世界和工程應用中廣泛存在。

隨著電子設備的發展以及CAE仿真技術的成熟,越來越多的研究者開始考慮電子設備多物理場的耦合效應,充分考慮設備在多物理場直接作用下的工作特性。ANSYS公司正是這一領域的領導者,旗下產品可以對電子設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

智能化電子設備必須滿足可靠的結構性能、電磁兼容性能、良好的散熱特性及噪音性能等等。ANSYS軟件可以從數值分析的角度來對電子設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計階段得以精確呈現,客觀上保證并加快了產品的研發進程。

電子設備的多物理場耦合表現在:熱流場和電磁場呈現矛盾的關系,散熱要求孔縫越大越好,而電磁屏蔽需要孔縫越小越好,結構的變形影響孔縫的尺寸,進而影響電子設備的散熱和屏蔽;溫度的升降會影響結構的變形、電磁發射器件的發射功率及導體電導率的改變;發射功率會導致器件熱耗的改變,進而影響電子設備的熱流分布。

下圖為某電源設備的多物理場優化計算,主要優化了散熱孔的布局,以使電源設備滿足美國聯邦通信協會(FCC)制定的EMI標準。

不同形狀散熱孔結構對電磁干擾的影響

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,勢必需要增大風機的轉速,這將產生嚴重的噪音。在電源設備工作中,風機、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,設備內部的噪音云圖分布,這將可以幫助工程師查看、辨別電源設備內高噪音的區域,進而對其結構做優化計算。

電源設備優化前后的噪音曲線分布

電源設備渦流粘度和噪音云圖分布

使用ANSYS Workbench平臺對電子設備進行結構性能、電磁兼容性能、散熱性能的耦合模擬計算時,不同尺度的電子設備所需的CAE模塊不盡相同,可參考下圖。

不同尺度電子設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,那么線圈就產生交變磁場。由于線圈中間的導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生改變,所以在導體的圓周方向會產生感應電動勢和感應電流,電流的方向沿導體的圓周方向轉圈,就像一圈一圈的漩渦,即電磁渦流現象(摘自《ANSYS Icepak進階應用導航案例》一書),其示意圖如下所示。

電磁渦流現象示意圖

下面以上述電磁渦流效應為例,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)不可以修改。

4、必須在Maxwell和Icepak單元里激活溫度反饋的設置。

Maxwell和Icepak單元中激活溫度反饋

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

設置迭代步數及收斂標準

6、在FeedbackIterator下點擊Update,自動驅動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統計的熱耗相比,相對誤差極小。

Maxwell計算的電磁熱損耗.VS.Icepak統計的熱耗

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

以上數據充分證明在ANSYSWorkbench平臺下,各個CAE單元可以將電磁-熱流的數據互相傳遞,從而對電子設備進行精確的多物理場耦合計算。

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1、ANSYS ICEPAK專業電子熱設計

包含先進的求解器,其魯棒性強、穩定性高,自動化的網格技術,使得工程師可以對所有的電子產品進行快速的熱設計模擬,比如:計算機、電信設備、半導體產業、航空航天、汽車產業及其他消費性電子產品, 實現對電子產品進行可靠、高效的熱管理和熱設計分析。

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3、ANSYS HFSS 高頻電磁場仿真

作為任意三維結構全波電磁場仿真的標準和核簽工具,是現代電子設備中設計高頻/高速電子組件的首選工具。HFSS能夠在用戶最少干預的情況下,對直接關系到電子器件性能的電磁場狀態進行快速精確的仿真。針對一個部件或子系統、系統以及終端產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 高級結構力學分析及熱分析

提供全面的結構、熱、壓電、聲學、以及耦合場等分析功能外,還創造性地實現了與ANSYS新一代計算流體動力學分析程序Fluent、CFX的雙向流固耦合計算。全面集成于ANSYS新一代協同仿真環境ANSYSWorkbench,易學易用。

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