HFSS應(yīng)用案例: 電子桌面環(huán)境下HFSS與Icepak雙向電熱耦合仿真

AEDT電熱耦合仿真應(yīng)用案例

1.1 摘要

隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)品集成度的迅速提升，產(chǎn)品熱密度也越來(lái)越大，電子產(chǎn)品熱分析訴求強(qiáng)烈。傳統(tǒng)的電磁仿真不能考慮溫度的影響，而傳統(tǒng)的熱仿真無(wú)法考慮電磁損耗所帶來(lái)的分布式焦耳熱的影響，這使得單獨(dú)的電磁仿真和單獨(dú)的熱仿真的誤差比較大。

Ansys仿真的一大優(yōu)勢(shì)在于多物理場(chǎng)協(xié)同仿真，Ansys已在電子桌面中集成HFSS、Maxwell、Q3D等電磁場(chǎng)工具和Icepak熱仿真工具，用戶可以非常方便的將電磁場(chǎng)工具中的模型、材料參數(shù)以及電磁損耗仿真結(jié)果傳遞到Icepak中進(jìn)行熱建模和仿真，并能返回給電磁場(chǎng)工具實(shí)現(xiàn)溫升對(duì)電磁場(chǎng)性能的影響評(píng)估，實(shí)現(xiàn)電熱雙向耦合分析。

本文采用Ansys 2021R1版本HFSS和Icepak，以一個(gè)Hybrid Ring仿真的例子，來(lái)說(shuō)明利用Ansys HFSS和Icepak實(shí)現(xiàn)電熱雙向耦合仿真的方法和流程。

1.2 在HFSS中實(shí)現(xiàn)環(huán)形器電磁損耗仿真

1、打開(kāi)ANSYS Electronics Desktop，建立HFSS project，根據(jù)Hybrid Ring幾何參數(shù)進(jìn)行建模；

2、由于要進(jìn)行電熱耦合多物理場(chǎng)分析，在HFSS中設(shè)置材料屬性時(shí)，一定要勾選熱相關(guān)的材料屬性設(shè)置項(xiàng)，必要時(shí)可自行手動(dòng)設(shè)置材料隨溫度變化的電熱參數(shù)屬性值；

3、在HFSS菜單頁(yè)點(diǎn)擊Set Object Temperature，在彈出的菜單中勾選Include Temperature Dependence和Enable Feedback選項(xiàng)，初始溫度為常溫22攝氏度，可手動(dòng)更改；

4、設(shè)置好激勵(lì)、邊界條件等電磁場(chǎng)仿真設(shè)置項(xiàng)后，即可開(kāi)始并完成電磁場(chǎng)仿真分析；

1.3 在Icepak中實(shí)現(xiàn)電熱雙向耦合仿真

1、HFSS電磁場(chǎng)分析完成后，在同一個(gè)工程下建立一個(gè)Icepak項(xiàng)目；

2、回到HFSS項(xiàng)目，選中Hybrid Ring模型，復(fù)制粘貼到Icepak項(xiàng)目中，相應(yīng)的幾何模型及材料屬性都被傳遞到Icepak中，我們可手動(dòng)檢查材料屬性是否勾選了熱參數(shù)選項(xiàng)；

3、仿真求解域Region的大小我們可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整；

4、選中air region的6個(gè)面，設(shè)置邊界條件為Opening，Opening屬性都設(shè)置缺省，空氣溫度無(wú)壓力穿越邊界；

5、選中HybridRing所有幾何模型，右鍵選擇EM loss，在彈出的菜單中勾選Use This Project，將HFSS電磁損耗鏈接到Icepak中作為熱源；

6、在左側(cè)Project Manager欄中右鍵點(diǎn)擊Mesh，選擇Edit Global Region，根據(jù)仿真精度與仿真速度的需求，選擇合適的mesh設(shè)置，也可在Advanced頁(yè)進(jìn)行手動(dòng)mesh設(shè)置；

7、熱仿真中Mesh過(guò)程是單獨(dú)進(jìn)行的，可右鍵點(diǎn)擊Mesh，選擇Generate Mesh生成網(wǎng)格；

8、網(wǎng)格生成完成后會(huì)自動(dòng)跳出Mesh Viewer，選擇相應(yīng)的平面或幾何體，可以看到網(wǎng)格剖分的情況；

9、在Solution Type中選擇Steady State和Temperature and Flow；

10、在Design Settings中，可設(shè)置仿真初始狀態(tài)，此處默認(rèn)常溫；

11、此時(shí)可以Add Solution Setup了，在彈出的菜單中，可設(shè)置最大計(jì)算迭代次數(shù)，熱分析求解類型等，在Convergence頁(yè)設(shè)置收斂條件；

12、設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)輔助收斂判斷，選擇air region上表面中心點(diǎn)和ring的上表面作為監(jiān)控點(diǎn)；

13、右鍵Setup設(shè)置雙向耦合，可以設(shè)置耦合次數(shù)和每次耦合最大迭代次數(shù)；

14、設(shè)置完成后即可開(kāi)始仿真，Icepak和HFSS自動(dòng)完成雙向耦合分析過(guò)程，無(wú)需人工干預(yù)，仿真完成后，可右鍵Setup，點(diǎn)擊Thermal Monitor或Flow Monitor，查看收斂情況；

15、選中Ring，右鍵選擇Plot Fields，選擇Temperature，在彈出的菜單中勾選Plot on surface only，即可輸出雙向耦合仿真溫度場(chǎng)結(jié)果彩虹圖；

1.4 結(jié)論

使用仿真手段進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)評(píng)估已成為現(xiàn)代產(chǎn)品研發(fā)的常態(tài)，Ansys電磁熱仿真平臺(tái)具備強(qiáng)大的多物理場(chǎng)分析能力，能夠協(xié)助我們快速進(jìn)行電磁場(chǎng)及相應(yīng)焦耳熱的仿真設(shè)計(jì)優(yōu)化，幫助企業(yè)更高效完成更具挑戰(zhàn)性的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。