什么是多物理場(chǎng)仿真

電磁學(xué)與其他物理場(chǎng)有著緊密的聯(lián)系，包括力學(xué)和熱力學(xué)。因此，從電機(jī)和發(fā)電機(jī)到電磁爐和微波爐，多物理場(chǎng)分析成為眾多不同組件設(shè)計(jì)的必需。在許多情況下，電效應(yīng)和磁效應(yīng)難以與熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)分開，例如，大功率濾波器在使用時(shí)會(huì)發(fā)熱，這樣會(huì)導(dǎo)致濾波器產(chǎn)生熱形變從而影響濾波性能。 

 

為計(jì)算這些錯(cuò)綜復(fù)雜的熱效應(yīng)和力效應(yīng)， CST工作室套裝提供穩(wěn)態(tài)熱求解器、瞬態(tài)熱求解器、共軛熱傳遞(CHT)求解器和結(jié)構(gòu)應(yīng)力求解器。這些多物理場(chǎng)求解器與電磁求解器緊密配合，并且使用系統(tǒng)裝配和建模(SAM)架構(gòu)即能自動(dòng)設(shè)置仿真。通過SAM，計(jì)算出的溫度分布和形變能傳遞回電磁仿真，供開展敏感度分析，也能進(jìn)行收斂性分析，用于計(jì)算包含電磁-熱反饋回路的器件的穩(wěn)態(tài)解。

為支持多物理場(chǎng)仿真，CST工作室套裝支持一系列非線性和溫變材料。對(duì)MRI和RF透熱療法等生物學(xué)應(yīng)用，身體組織的獨(dú)特?zé)釋傩?，如隨身體溫度變化的血流的冷卻效應(yīng)，可能會(huì)給體內(nèi)溫度造成嚴(yán)重影響。包括生物熱傳導(dǎo)方程在內(nèi)的熱求解器能對(duì)安裝到人體內(nèi)的裝置開展真實(shí)仿真。此外，共軛熱傳遞(CHT)求解器還具備計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的功能，能仿真流經(jīng)器件的空氣流，以便為電子器件的散熱進(jìn)行建模。與SIMULIA?的鏈接，進(jìn)一步增強(qiáng)和拓寬了CST的多物理場(chǎng)應(yīng)用。

 

濾波器多物理場(chǎng)仿真實(shí)例

這里我們先創(chuàng)建一個(gè)微帶線發(fā)夾濾波器模型，如下圖所示：

 

必須注意的是，因?yàn)槭嵌辔锢韴?chǎng)仿真，所有的材料除了設(shè)置常規(guī)的電參數(shù)以為都要選擇合適的熱和結(jié)構(gòu)參數(shù)，如下圖所示：

 

 

包括背景材料的空氣也要由真空改成空氣，如下圖所示：

 

 

設(shè)置完材料后，點(diǎn)擊Schmatic頁(yè)面如下圖所示：

 

在CST的設(shè)計(jì)工作室中開始進(jìn)行多物理場(chǎng)流程的創(chuàng)建。

 

STEP1 創(chuàng)建電磁仿真任務(wù)：

 

 

如上圖選擇設(shè)置第一個(gè)電磁場(chǎng)仿真的任務(wù)，點(diǎn)擊確定，設(shè)置完成后會(huì)在左側(cè)導(dǎo)航欄多task下多了一個(gè)仿真任務(wù)EM_simulation，如下圖所示：

 

我們雙擊上圖的EM_simulation圖標(biāo)，進(jìn)行電磁仿真的設(shè)置，由于我們后面要進(jìn)行多物理場(chǎng)的計(jì)算，所以我們需要設(shè)置一個(gè)powerloss監(jiān)視器，如下圖所示：

 

然后我們直接完成濾波器的電磁仿真得到濾波器的S參數(shù)和loss場(chǎng)分布，這里我們用F（有限元）求解器進(jìn)行仿真，如下圖所示：

 

得到的電磁仿真結(jié)果如下：

 

損耗場(chǎng)分布如下：

 

為了進(jìn)行下一步的熱損耗計(jì)算，需要進(jìn)行熱損耗設(shè)置，如下圖所示：

 

 

 

這樣就完成了第一步的電磁仿真工作。

 

STEP2 創(chuàng)建熱仿真任務(wù)：

 

 

 

設(shè)置熱源，為上一步電磁計(jì)算得到的損耗，如下圖所示：

 

 

上圖中，我們選擇熱源來自電磁仿真的熱損耗，并將功耗放大了10倍。直接開始仿真如下圖所示：

 

仿真完成后，得到熱分布如下圖所示：

 

 

STEP3 創(chuàng)建結(jié)構(gòu)仿真任務(wù)：

如同前兩部我們?cè)賱?chuàng)建第三個(gè)子仿真任務(wù)，如下圖所示：

 

 

 

 

 

仿真完后點(diǎn)擊下圖Displacement，顯示形變，并把顯示放大20倍，如下圖所示：

 

夸大之后的形變?nèi)缦聢D所示：

 

 

STEP4 創(chuàng)建電磁敏感性分析仿真任務(wù)：

 

 

 

 

 

 

然后再一次運(yùn)行軟件，比較熱變形之后的濾波器結(jié)果，與初始結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如下圖所示：

 

就這樣，一個(gè)完整的多物理場(chǎng)流程就介紹完了。我們來看一下SAM流程的所有的task的情況，如下圖所示：

 

除此之外還可以導(dǎo)出結(jié)構(gòu)形變后的網(wǎng)格，再導(dǎo)入到三維模型中進(jìn)行仿真。首先我們將形變的結(jié)構(gòu)選中，再導(dǎo)出Mesh(STL)文件，如下圖所示：

 

重新打開一個(gè)電磁仿真任務(wù)，如下圖方式導(dǎo)入STL網(wǎng)格。

 

 

 

上圖的模型已經(jīng)是形變之后的結(jié)構(gòu)了，用新導(dǎo)入的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)替換原來的結(jié)構(gòu)模型部分，重新進(jìn)行一次仿真，就完成了更精確的形變前后的對(duì)比。兩種分析的區(qū)別就在于前者適合微小的敏感性分析，后者更適合比較大的形變。

 

（內(nèi)容、圖片來源：CST仿真專家之路公眾號(hào)，侵刪）

 

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