HFSS應用案例: 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)品熱密度也越來越大，電子產(chǎn)品熱分析訴求強烈。傳統(tǒng)的電磁仿真不能考慮溫度的影響，而傳統(tǒng)的熱仿真無法考慮電磁損耗所帶來的分布式焦耳熱的影響，這使得單獨的電磁仿真和單獨的熱仿真的誤差比較大。

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

本文采用Ansys 2021R1版本HFSS和Icepak，以一個Hybrid Ring仿真的例子，來說明利用Ansys HFSS和Icepak實現(xiàn)電熱雙向耦合仿真的方法和流程。

1.2 在HFSS中實現(xiàn)環(huán)形器電磁損耗仿真

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

2、由于要進行電熱耦合多物理場分析，在HFSS中設置材料屬性時，一定要勾選熱相關的材料屬性設置項，必要時可自行手動設置材料隨溫度變化的電熱參數(shù)屬性值；

3、在HFSS菜單頁點擊Set Object Temperature，在彈出的菜單中勾選Include Temperature Dependence和Enable Feedback選項，初始溫度為常溫22攝氏度，可手動更改；

4、設置好激勵、邊界條件等電磁場仿真設置項后，即可開始并完成電磁場仿真分析；

1.3 在Icepak中實現(xiàn)電熱雙向耦合仿真

1、HFSS電磁場分析完成后，在同一個工程下建立一個Icepak項目；

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

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

4、選中air region的6個面，設置邊界條件為Opening，Opening屬性都設置缺省，空氣溫度無壓力穿越邊界；

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Project Manager欄中右鍵點擊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設置，也可在Advanced頁進行手動mesh設置；

7、熱仿真中Mesh過程是單獨進行的，可右鍵點擊Mesh，選擇Generate Mesh生成網(wǎng)格；

8、網(wǎng)格生成完成后會自動跳出Mesh Viewer，選擇相應的平面或幾何體，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，可設置仿真初始狀態(tài)，此處默認常溫；

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

12、設置監(jiān)控點輔助收斂判斷，選擇air region上表面中心點和ring的上表面作為監(jiān)控點；

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

14、設置完成后即可開始仿真，Icepak和HFSS自動完成雙向耦合分析過程，無需人工干預，仿真完成后，可右鍵Setup，點擊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結果彩虹圖；

1.4 結論

使用仿真手段進行數(shù)字化設計評估已成為現(xiàn)代產(chǎn)品研發(fā)的常態(tài)，Ansys電磁熱仿真平臺具備強大的多物理場分析能力，能夠協(xié)助我們快速進行電磁場及相應焦耳熱的仿真設計優(yōu)化，幫助企業(yè)更高效完成更具挑戰(zhàn)性的產(chǎn)品設計。