AEDT电热耦合仿真应用案例

1.1 摘要

随着现代电子产品集成度的迅速提升,产品热密度也越来越大,电子产品热分析诉求强烈。传统的电磁仿真不能考虑温度的影响,而传统的热仿真无法考虑电磁损耗所带来的分布式焦耳热的影响,这使得单独的电磁仿真和单独的热仿真的误差比较大。

 

Ansys仿真的一大优势在于多物理场协同仿真,Ansys已在电子桌面中集成HFSS、Maxwell、Q3D等电磁场工具和Icepak热仿真工具,用户可以非常方便的将电磁场工具中的模型、材料参数以及电磁损耗仿真结果传递到Icepak中进行热建模和仿真,并能返回给电磁场工具实现温升对电磁场性能的影响评估,实现电热双向耦合分析。

 

本文采用Ansys 2021R1版本HFSS和Icepak,以一个Hybrid Ring仿真的例子,来说明利用Ansys HFSS和Icepak实现电热双向耦合仿真的方法和流程。

 

1.2 在HFSS中实现环形器电磁损耗仿真

1、打开ANSYS Electronics Desktop,建立HFSS project,根据Hybrid Ring几何参数进行建模;

 

 

2、由于要进行电热耦合多物理场分析,在HFSS中设置材料属性时,一定要勾选热相关的材料属性设置项,必要时可自行手动设置材料随温度变化的电热参数属性值;

 

 

3、在HFSS菜单页点击Set Object Temperature,在弹出的菜单中勾选Include Temperature Dependence和Enable Feedback选项,初始温度为常温22摄氏度,可手动更改;

 

 

4、设置好激励、边界条件等电磁场仿真设置项后,即可开始并完成电磁场仿真分析;

 

1.3 在Icepak中实现电热双向耦合仿真

1、HFSS电磁场分析完成后,在同一个工程下建立一个Icepak项目;

 

 

2、回到HFSS项目,选中Hybrid Ring模型,复制粘贴到Icepak项目中,相应的几何模型及材料属性都被传递到Icepak中,我们可手动检查材料属性是否勾选了热参数选项;

 

3、仿真求解域Region的大小我们可根据实际需要调整;

 

 

4、选中air region的6个面,设置边界条件为Opening,Opening属性都设置缺省,空气温度无压力穿越边界;

 

 

5、选中HybridRing所有几何模型,右键选择EM loss,在弹出的菜单中勾选Use This Project,将HFSS电磁损耗链接到Icepak中作为热源;

 

 

6、在左侧Project Manager栏中右键点击Mesh,选择Edit Global Region,根据仿真精度与仿真速度的需求,选择合适的mesh设置,也可在Advanced页进行手动mesh设置;

 

 

7、热仿真中Mesh过程是单独进行的,可右键点击Mesh,选择Generate Mesh生成网格;

 

 

8、网格生成完成后会自动跳出Mesh Viewer,选择相应的平面或几何体,可以看到网格剖分的情况;

 

 

9、在Solution Type中选择Steady State和Temperature and Flow;

 

 

10、在Design Settings中,可设置仿真初始状态,此处默认常温;

 

 

11、此时可以Add Solution Setup了,在弹出的菜单中,可设置最大计算迭代次数,热分析求解类型等,在Convergence页设置收敛条件;

 

 

12、设置监控点辅助收敛判断,选择air region上表面中心点和ring的上表面作为监控点;

 

 

13、右键Setup设置双向耦合,可以设置耦合次数和每次耦合最大迭代次数;

 

 

14、设置完成后即可开始仿真,Icepak和HFSS自动完成双向耦合分析过程,无需人工干预,仿真完成后,可右键Setup,点击Thermal Monitor或Flow Monitor,查看收敛情况;

 

 

15、选中Ring,右键选择Plot Fields,选择Temperature,在弹出的菜单中勾选Plot on surface only,即可输出双向耦合仿真温度场结果彩虹图;

 

 

1.4 结论

使用仿真手段进行数字化设计评估已成为现代产品研发的常态,Ansys电磁热仿真平台具备强大的多物理场分析能力,能够协助我们快速进行电磁场及相应焦耳热的仿真设计优化,帮助企业更高效完成更具挑战性的产品设计。