關鍵字:ANSYS Workbench 多物理場 仿真

在快速發展的消費類電子市場中,企業面臨著巨大的壓力,他們必須領先競爭對手一步推出產品。為應對越來越高的產品復雜性,同時縮短設計周期時間,在研發過程中采用仿真軟件是一種業經驗證的工作方法。采用分析工具,設計工程師就能夠生成模型,虛擬地展現物理幾何結構,并用物理計算來調整和優化產品。相對于過去的試錯法原型設計方法而言,這種方法能夠大幅提升速度。因此,業界領先的組織機構在許多工程領域都采用了仿真流程。

傳統上,工程師在開展具體某方面的產品設計工作時,會對流體、 熱、結構、電子等不同領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致工程師無法解釋有關物理效果疊加對其它領域或整體系統級設計的其它功能的影響。ANSYS為工程師提供了相關功能,幫助他們深入了解特定的跨物理現象,知道這些物理因素如何相互影響。如果工程師關心電力輸送問題,那么他可通過導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,我們可整合業界領先的結構、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構,因為一個求解器中的設計變化可能也會對設計相同或者相鄰部分建模的其它求解器產生預測影響。

利用共享幾何結構,Workbench項目的設置可確保不同物理領域的專家都能分別針對各自特定領域配置適當的單物理場仿真,從而能在統一用戶界面中實現多物理場的系統級分析。這種協作化設計方法意味著所有領域都能在仿真初始階段得到應對解決——而不是在會造成巨大成本的原型設計或最后生產階段才解決。

電力傳輸設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計要應對的實際挑戰之一。美國聯邦通信委員會(FCC) 制定了辦公室環境中的電氣放射、噪聲等相關標準,除了符合這些標準,產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,能明確設計是否符合FCC電磁干擾 (EMI)的規范。在本例中,HFSS可幫助設計人員了解將通風設置從較大通風槽和通風孔轉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預測的兩處設計改動:(頂部)取代了大風扇的通風孔;(底部)用更多小圓孔取代側邊通風槽,如下圖。

調整通風設置后對電磁輻射的影響(紅線是初始設計3米處的電磁輻射,藍線為設計修改后的預測情況)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致設備過熱,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建并測試多個設計方案了。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)等系統進行建模。該軟件能涵蓋所有的熱傳遞效應,可提供穩健可靠的計算流體動力學(CFC)技術,幫助工程師預測器件通電且制冷風扇工作時的內部溫度。

Icepak在初始設計中(初始通風設置工作時功耗為6瓦特,這時風扇速度為每分鐘3500轉,能讓內部溫度保持在110攝氏度的要求以內)預測的內部溫度和氣流路徑,見下圖。

Icepak仿真在采用較小通風孔的更新版設計中給出的結果(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),見下圖。

改變通風設置可會能需要提高風扇速度,避免過熱情況出現。舉例來說,原來的通風設置功耗為6瓦特,這時風扇運行速度為3500RPM,內部溫度可保持在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,這樣才能滿足設定的溫度要求。結合采用HFSS和Icepak,散熱和EMI工程師可以共同協作找到一個同時滿足雙方設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,也可采用優化方法來滿足散熱和EMI兩方面的要求。

在處理電磁效應和熱傳遞問題后,還需要考慮氣動聲學問題。修改通風設計、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備必須確保以低噪聲水平工作。

ANSYS Fluent能夠通過氣動聲學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接收點上的壓力波動得出。原始設計預計會在人類能聽到的音頻上生成不到50分貝的噪聲,這對于一般家庭環境而言已經足夠低,能融于背景噪聲之中。

修改通風設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生的音量。

設備工作期間,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,這都會構成噪聲源。我們可用特殊的Fluent工具來生成設備內部給定頻率上噪聲源的3D等值線圖。識別出高SPL值的區域有助于我們開展設計工作。舉例來說,風扇生成的核心震動區與風扇扇葉和風扇附近安裝的較大電子元件會產生相互作用。這種相互作用在風扇和這兩個元件之間的區域造成更大的噪聲。要解決這個問題,需要做進一步的設計調整。

Fluent結果(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可幫助工程師評估不同虛擬設計方案的眾多物理因素,無需再費時費力去構建和檢測物理原型。采用仿真化的設計流程,工程團隊能夠加強協作,并加速新技術的開發。由于產品上市進度至關重要,如果在設計后期才發現設計失敗,那將是公司不可承受之重。

當結合利用一系列業界領先的求解器,ANSYS Workbench能夠分析系統整體的多物理情況,從而在設計早期就發現重要問題,并改善產品開發流程。