【ANSYS】基于ANSYS Workbench多物理场仿真平台的系统级分析

关键字:ANSYS Workbench 多物理场 仿真

在快速发展的消费类电子市场中,企业面临着巨大的压力,他们必须领先竞争对手一步推出产品。为应对越来越高的产品复杂性,同时缩短设计周期时间,在研发过程中采用仿真软件是一种业经验证的工作方法。采用分析工具,设计工程师就能够生成模型,虚拟地展现物理几何结构,并用物理计算来调整和优化产品。相对于过去的试错法原型设计方法而言,这种方法能够大幅提升速度。因此,业界领先的组织机构在许多工程领域都采用了仿真流程。

传统上,工程师在开展具体某方面的产品设计工作时,会对流体、 热、结构、电子等不同领域分别采用分析工具。但是这种孤立起来分别考虑不同物理作用的方法会导致工程师无法解释有关物理效果叠加对其它领域或整体系统级设计的其它功能的影响。ANSYS为工程师提供了相关功能,帮助他们深入了解特定的跨物理现象,知道这些物理因素如何相互影响。如果工程师关心电力输送问题,那么他可通过导体焦耳加热造成的材料电阻变化来仿真电路中的电力损失。

利用ANSYS Workbench,我们可整合业界领先的结构、热、流体和电磁场求解器支持真正的多物理场仿真。不同求解器之间可自动共享几何结构,因为一个求解器中的设计变化可能也会对设计相同或者相邻部分建模的其它求解器产生预测影响。

利用共享几何结构,Workbench项目的设置可确保不同物理领域的专家都能分别针对各自特定领域配置适当的单物理场仿真,从而能在统一用户界面中实现多物理场的系统级分析。这种协作化设计方法意味着所有领域都能在仿真初始阶段得到应对解决——而不是在会造成巨大成本的原型设计或最后生产阶段才解决。

电力传输设备必须满足具体标准的要求才能够上市,这就是多物理场仿真设计要应对的实际挑战之一。美国联邦通信委员会(FCC) 制定了办公室环境中的电气放射、噪声等相关标准,除了符合这些标准,产品还必须满足散热等可靠性要求。

电气放射测试可以在ANSYS HFSS中进行仿真。ANSYS HFSS是一款3D有限元电磁场求解器,能明确设计是否符合FCC电磁干扰 (EMI)的规范。在本例中,HFSS可帮助设计人员了解将通风设置从较大通风槽和通风孔转为较小圆孔的情况下是否会阻挡不必要的放射。

针对初始HFSS预测的两处设计改动:(顶部)取代了大风扇的通风孔;(底部)用更多小圆孔取代侧边通风槽,如下图。

调整通风设置后对电磁辐射的影响(红线是初始设计3米处的电磁辐射,蓝线为设计修改后的预测情况)如下图。

虽然小孔有利于控制电气放射,但如果这样限制了制冷所必需的气流进而导致设备过热,就会为散热管理工程师带来难题。

采用ANSYS Icepak进行散热分析就无需构建并测试多个设计方案了。Icepak是一款电子散热管理仿真工具,可对集成电路(IC) 封装和印刷电路板(PCB)等系统进行建模。该软件能涵盖所有的热传递效应,可提供稳健可靠的计算流体动力学(CFC)技术,帮助工程师预测器件通电且制冷风扇工作时的内部温度。

Icepak在初始设计中(初始通风设置工作时功耗为6瓦特,这时风扇速度为每分钟3500转,能让内部温度保持在110摄氏度的要求以内)预测的内部温度和气流路径,见下图。

Icepak仿真在采用较小通风孔的更新版设计中给出的结果(要满足温度不超过110摄氏度的要求,风扇速度必须提升到每分钟4600转),见下图。

改变通风设置可会能需要提高风扇速度,避免过热情况出现。举例来说,原来的通风设置功耗为6瓦特,这时风扇运行速度为3500RPM,内部温度可保持在110摄氏度的目标要求以下。如果采用较小的通风孔,那么风扇速度必须达到4600RPM,这样才能满足设定的温度要求。结合采用HFSS和Icepak,散热和EMI工程师可以共同协作找到一个同时满足双方设计目标要求的解决方案。

如果无法提高风扇速度,那么EMI工程师可选择不同的通风孔形状,也可采用优化方法来满足散热和EMI两方面的要求。

在处理电磁效应和热传递问题后,还需要考虑气动声学问题。修改通风设计、提高风扇速度虽然能解决EMI和散热问题,但这些修改会影响设备工作时的噪声水平。消费者必然不会接受家里或工作单位的设备工作时风扇噪声太大的情况。因此使用风扇作为散热管理组成部分的设备必须确保以低噪声水平工作。

ANSYS Fluent能够通过气动声学CFD分析来解决噪声水平的问题。在人类能听到的音频上,声压水平(SPL)强度通过外壳外边风扇进气区接收点上的压力波动得出。原始设计预计会在人类能听到的音频上生成不到50分贝的噪声,这对于一般家庭环境而言已经足够低,能融于背景噪声之中。

修改通风设置并提高风扇速度之后,峰值声压水平在311 Hz频率上达到56 dB(见下图),这相当于在距离一米以外说话所产生的音量。

设备工作期间,压力波动巨大,再加上风扇、外壳以及电子组件固体表面的相互作用,这都会构成噪声源。我们可用特殊的Fluent工具来生成设备内部给定频率上噪声源的3D等值线图。识别出高SPL值的区域有助于我们开展设计工作。举例来说,风扇生成的核心震动区与风扇扇叶和风扇附近安装的较大电子元件会产生相互作用。这种相互作用在风扇和这两个元件之间的区域造成更大的噪声。要解决这个问题,需要做进一步的设计调整。

Fluent结果(见下图)显示局部气压近墙剧烈波动造成的噪声源空间分布(包括涡流粘度(左)和500 Hz的声压水平(右)所形成的彩色涡心区域)。

通过这一个电源实例,我们看到了ANSYS Workbench的多物理场功能仿真技术可帮助工程师评估不同虚拟设计方案的众多物理因素,无需再费时费力去构建和检测物理原型。采用仿真化的设计流程,工程团队能够加强协作,并加速新技术的开发。由于产品上市进度至关重要,如果在设计后期才发现设计失败,那将是公司不可承受之重。

当结合利用一系列业界领先的求解器,ANSYS Workbench能够分析系统整体的多物理情况,从而在设计早期就发现重要问题,并改善产品开发流程。