Ansys icepak что это
ANSYS Sherlock, Icepak и Mechanical для оценки надежности электронных систем в автономных транспортных средствах
В статье рассматривается рабочий процесс на примере тестового проекта, включающего сборку печатной платы (PCBA), установленную в верхней части транспортного средства на алюминиевом основании в крупном корпусе. В этом примере используется плата Intel Galileo, PCBA с открытым исходным кодом.
Рисунок 1. 2D вид слоя PCBA в ANSYS Sherlock
Рисунок 2. Интерфейс экспорта модели в ANSYS Sherlock
Рисунок 3. Подготовленный проект ANSYS Workbench из ANSYS Sherlock
Рисунок 4: Геометрия печатной платы в ANSYS Sherlock (вверху слева) и печатная плата после добавления корпуса в ANSYS Spaceclaim.
Рассеиваемая мощность применяется к нескольким критически важным компонентам, предполагается, что температура окружающего воздуха 20 C внутри большого корпуса.
Рисунок 5: Определенные потери от растекания тока по полигонам питания в ANSYS HFSS
Рисунок 6: Результаты расчета температурного градиента в ANSYS Icepak с вынужденной конвекцией.
Рисунок 7: Результаты расчета температурного градиента в ANSYS Icepak с естественной конвекцией.
Рисунок 8: Цикл включения питания
Все компоненты проходят критерии при работе на естественной конвекции без учета тепловыделения в полигонах питания
Некоторые компоненты не проходят критерии при работе на естественной конвекции с учетом тепловыделения в полигонах питания
Рисунок 9: Определение усталости припоя в ANSYS Sherlock при естественной конвекции.
Анализируя результаты, можно отметить, что без использования вентиляторов, анализ ANSYS Icepak, сборка PCBA будет соответствовать поставленным целям надежности при заданных нагрузках и рабочем цикле, хоть и с небольшим запасом.
Однако, когда учитываются потери DCIR полигонов, дополнительный нагрев приводит к тому, что печатная плата не достигает своей цели надежности. Риску отказа в большей степени подвержен большой BGA в центре платы. Этот потенциальный риск отказа, не был бы правильно идентифицирован без включения модуля ANSYS HFSS в этот рабочий процесс.
Все компоненты проходят критерии при работе с вынужденной конвекцией без учета тепловыделения в полигонах питания
Все компоненты проходят критерии при работе с вынужденной конвекцией с учетом тепловыделения в полигонах питания
Рисунок 10. Передача теплового поля из ANSYS Icepak в ANSYS Mechanical.
Рисунок 11. Температурный градиент платы в ANSYS Mechanical.
Рисунок 12. Результаты расчета механических напряжений от удара в ANSYS Mechanical.
Предложенная методология процесса анализа PCBA показывает, как совместный анализ теплового состояния, растекания тока, конструкционного моделирования и оценка надежности на этапе проектирования может предоставить важную информацию об ожидаемом поведении и времени жизни электронного продукта.
Этот междисциплинарный рабочий процесс может включать дополнительные инструменты моделирования для дальнейшего уточнения прогнозов надежности, такие как решения цифровых двойников для анализа прогнозируемой надежности в режиме реального времени отдельно-взятых компонентов.
Следует отметить, что для тестовой модели были сделаны некоторые потенциально значимые консервативные предположения в отношении исходных данных компонентов, такие как свойства материалов компонентов и PCBA. В результате эти прогнозы могут не отражать точное поведение надежности платы Galileo в этих условиях. Следующим шагом для этой задачи после принятия некоторых проектных решений может быть уточнение расчетов и получение результирующих прогнозов надежности с испытаниями материалов.
ANSYS Icepak
ANSYS Icepak – инструмент для разработки и анализа решений для охлаждения электронных компонентов, в котором используется ведущий в отрасли решатель вычислительной гидродинамики (CFD) ANSYS Fluent. Подходит для решения задач смешанного теплообмена в микросхемах (IC), корпусах, печатных платах (PCB) и электронных блоках. Решатель ANSYS Icepak CFD может использовать графический пользовательский интерфейс (GUI) от ANSYS Electronics Desktop (AEDT).
ANSYS Icepak AEDT в среде Electronics Desktop обеспечивает CAD-ориентированное решение с простым в использовании ленточным интерфейсом для моделирования сложного теплообмена в той же унифицированной среде, что и ANSYS HFSS, ANSYS Maxwell и ANSYS Q3D Extractor. Инженеры-электрики и механики, работающие в этой среде, получат полностью автоматизированный процесс проектирования с бесшовной связью ANSYS HFSS, Maxwell и Q3D Extractor с ANSYS Icepak для теплового анализа.
Масштабы моделей, которые могут рассматриваться в ANSYS Icepak, начиная от отдельных микросхем, сборок и печатных плат, вплоть до корпусов компьютеров и целых центров обработки данных. Решатель выполняет анализ смешанного теплообмена и учитывает теплопроводность, конвекцию и излучение. Реализована возможность выбора между передовыми моделями для моделирования турбулентных течений и лучистого теплообмена. ANSYS Icepak содержит обширную библиотеку вентиляторов, радиаторов и материалов для решения типовых задач, связанных с электронным охлаждением.
Объекты Icepak
Объекты ANSYS Icepak для быстрого создания моделей
Построение модели с использованием примитивов ANSYS Icepak
ECAD/MCAD интерфейсы
Чтобы ускорить разработку модели, ANSYS Icepak может импортировать модели как из электронных CAD (ECAD), так и механических CAD (MCAD) различных источников. ANSYS Icepak поддерживает файлы IDF, MCM, BRD и TCB, созданные с помощью программного обеспечения EDA, например, Cadence Allegro, и файлы Gerber, созданные с использованием Cadence, Synopsys, Zuken и Mentor. Механические CAD модели могут быть импортированы из различных нейтральных форматов файлов, включая STEP, IGES и DXF. Геометрия, импортированная из ECAD и MCAD, также может быть объединена с объектами Icepak для быстрого создания моделей электронных сборок.
Распределение потенциала на полигоне геометрической модели ECAD печатной платы PCB Layout
Расширенные библиотеки
Библиотека Icepak содержит обширную коллекцию часто используемых компонентов и материалов
Материалы – свойства материалов для жидкостей, твердых тел и поверхностей
Вентиляторы – геометрия с кривыми рабочих характеристик
Радиаторы – радиаторы Aavid по номеру детали
Термоэлектрическое охлаждение – Melcor и Marlow по номеру детали
Фильтры – воздушные фильтры вентиляторов по номеру детали
Корпуса IC – BGA, FPBGA, и TBGA
Сеточный генератор
ANSYS Icepak автоматически генерирует высокоточные, конформные сетки, которые представляют истинную форму электронных компонентов. Алгоритмы сеточного генератора позволяют создавать как многоблочные и неструктурированные, так и гекс-доминантные сетки, которые надлежащим образом разрешают пограничный слой текучей среды. Хотя процесс создания сетки полностью автоматизирован, пользователи могут уточнять параметры сетки для оптимизации компромисса между вычислительными затратами и точностью решения. Гибкость настроек сеточного генератора ANSYS Icepak позволяет сократить время решения без ущерба для точности.
Пример сеточной модели для CAD модели вентилятора
Визуализация результатов
Линии тока текучей среды и распределение температуры на радиаторе
Междисциплинарные расчёты
Платформа ANSYS Electronics Desktop позволяет инженерам устанавливать динамическую связь Icepak с HFSS, Q3D Extractor и Maxwell для получения термоэлектрического решения. В рамках одного интерфейса тепловые нагрузки без труда передаются из инструментов EM в расчётную среду Icepak.
При использования классического интерфейса ANSYS Icepak, для решения междисциплинарных задач используется рабочая среда ANSYS Workbench.
Интерфейс SIwave
ANSYS Icepak содержит интерфейс для совместной работы с SIwave. ANSYS SIwave извлекает частотно-зависимые модели электронных схем сигнальных и силовых распределительных цепей из баз данных компоновки устройств для моделирования корпусов интегральных схем и печатных плат. Полученный в SIwave профиль распределения мощности постоянного тока в слоях печатных плат, можно импортировать в ANSYS Icepak для теплового анализа платы. Связь между SIwave и ANSYS Icepak позволяет пользователям прогнозировать как внутренние температуры, так и температуры соединения компонентов печатных плат, соединения с корпусами.
Распределение температуры в многослойной печатной плате
Интерфейс с Mechanical
Данные о распределении температуры, полученные в результате анализа теплообмена в ANSYS Icepak, могут быть переданы в ANSYS Mechanical с использованием платформы ANSYS Workbench. ANSYS Mechanical предоставляет полный набор возможностей для решения задач как линейной, так и нелинейной механики как для статических, так и для динамических систем. Взаимодействие между ANSYS Icepak и программным обеспечением ANSYS Mechanical позволяет пользователям оценивать, как температуры, так и возникающие тепловые напряжения в топологии электронных компонентов.
Конструкционный анализ печатной платы с учетом теплового состояния
Макросы
В состав ANSYS Icepak входит множество макросов, предназначенных для автоматизации операций построения моделей. Макросы доступны для создания различных типов пакетов, радиаторов, термоэлектрических охладителей и тестовых конфигураций JEDEC.
Ansys Icepak
Ansys Icepak используется для оценки теплового режима электрических и электромеханических устройств, микросхем, печатных плат и электронных блоков, определения необходимости принудительного охлаждения электроники и оценки различных вариантов расположения радиаторов и вентиляторов до проведения физических испытаний устройства.
Высокопроизводительный решатель и автоматическое построение адаптивной сетки позволяет быстро моделировать теплообмен и движение жидкостей и газов при решении широкого спектра задач охлаждения электронной техники, включая компьютеры, телекоммуникационное оборудование и полупроводниковые приборы, компоненты авиакосмических и автомобильных систем.
Your browser does not support HTML5 video.
Импорт 3D-геометрии микросхемы (топология подложки, геометрия кристалла и выводов) для создания подробной модели полупроводникового прибора, тепловой анализ и определение всех тепловых характеристик, а также создание эквивалентной тепловой модели прибора.
Встроенный решатель Ansys Fluent для расчета движения жидкостей и газов с учетом теплопроводности, конвекции и излучения, стационарных и нестационарных расчетов охлаждения, полная адаптация расчетной сетки для задач с сопряженным теплообменом.
Эффективный алгоритм автоматического построения и управления высококачественными сетками, в том числе с преобладанием гексаэдров, неструктурированных гексаэдральных и декартовых сеток, с минимальным участием пользователя.
Библиотеки готовых компонентов и встроенные smart-объекты, такие как корпуса микросхем, радиаторы охлаждения, вентиляторы, печатные платы, перфорация или жалюзи, в том числе компоненты различных производителей, для быстрого построения модели.
Модели смешивания и переноса многокомпонентных сред, уравнения сохранения, описывающие конвекцию и диффузию для каждого компонента среды, поддержка 12 компонентов среды для проектирования систем охлаждения электронных устройств.
Параметризированный расчет и подбор оптимальных параметров конструкции с помощью Ansys DesignXplorer, визуализация результатов расчета в виде графиков и анимации, автоматическая генерация отчета, экспорт результатов для постпроцессинга в Ansys CFDPost.
Вопрос по моделям теплоизлучения и ГУ кабинета в Icepak.
И снова здравствуйте. Очередные извинения что опять надоедаю глупыми вопросами, но столкнулся с некоторыми проблемами, ответа на которые не нашел ни в сети, ни в хелпе.
(mechanical, radiation model: to ambient, convection film coef.: simplified case)
(icepak, laminar flow, s2s radiation model)
(icepak, laminar flow, ray tracing radiation model)
(icepak, RNG turbulent, ray tracing radiation model)
В связи с этим, не знаю как мне поступить. Изучить Fluent или CFX и попытаться перевести весь расчет туда, если там можно задавать непосредственно тепловые потери в ваттах на элементах (правда времени это займет. ). Или в Mechanical, лишившись течения жидкости, турбулентности, гравитации и вентиляторов, но получить куда более удобный интерфейс и возможность создания более грамотной сетки встроенным мешером. Либо же остаться в Icepak, что было бы для меня идеальным вариантом, но подобрать такую модель теплоизлучения, которая бы учитывала теплоперенос со всех объектов, включая CAD объекты, некоторые из которых я никак не могу упростить.
—
Следующим насущным вопросом для меня стали ГУ кабинета. В какой-то момент я задался вопросом а как, собственно, можно смоделировать в Icepak вакуум, и на что влияет наличие Opening’ов на стенках кабинета. Отсюда вопрос плавно перетек в: а нужно ли вообще задавать что-то на границах кабинета и что именно, если тело в его пределах просто находится в области с определенной температурой и давлением, без индивидуальных ГУ на сторонах (обдувния или чего другого в этом духе).
Как именно будет корректно задать ГУ на стенках кабинета?
1. Полностью отсутствующими (не заданными в настройках кабинета)?
2. Отсутствующими везде, кроме открытых поверхностей?
3. На стенках wall, на открытых поверхностях opening?
4. Со всех сторон opening’и?
5. Со всех сторон Wall?
Заранее спасибо, буду очень рад любым ответам.
Обновления ANSYS Electromagnetic Suite v19.1 EM
Уважаемые читатели блога, недавно появились дистрибутивы ANSYS 19.1 и ANSYS Electromagnetic Suite 19.1. Как вы знаете, в этом году будет еще одна промежуточная версия программного обеспечения, но мы не будем её дожидаться и посмотрим на нововведения ANSYS EM 19.1. В этом обновлении не так много нового функционала, но некоторые долгожданные возможности уже появились.
Изменения в лицензировании
Появляется новый продукт ANSYS Twin Builder, судя по функционалу новой программы, можно сделать вывод, что это ребрендинг знакомого всем ANSYS Simplorer. C этого релиза уже не будет возможности приобрести ANSYS Simplorer Advanced. Тем не менее ANSYS Simplorer Advanced будет по умолчанию присутствовать в продуктах:
ANSYS Mechanical CFD Maxwell
ANSYS Mechanical Maxwell
ANSYS Q3D Extractor
Добавлена новая лицензия ANSYS Electronics Desktop 2D solver, она приходит взамен ANSYS Maxwell 2D, но имеет расширенный функционал: включает Simplorer Advanced solver, Maxwell 2D solver и 2D Extractor solver. Новая лицензия включает возможности ANSYS Optimetrics для двумерных моделей. Simplorer Advanced solver в рамках этой лицензии имеет несколько урезанный функционал:
Modelica – влияет на возможность подключения библиотек междисциплинарных компонентов
FMI import – влияет на возможность использования Scade Suite и Scade Display, DXROM, сторонних подключений
Рабочее место ANSYS Electronics Desktop
Отчёты всех программ установочного пакета ANSYS Electromagnetic Suite 19.1 можно экспортировать в графический формат очень высокого разрешения. Для изменения настроек по-умолчанию необходимо добавить переменные окружения ANSYS_EM_EXPORTED_IMAGE_WIDTH и ANSYS_EM_EXPORTED_IMAGE_HEIGHT с указанием значения разрешения по вертикали и горизонтали.
C нового релиза можно отслеживать процесс решения крупномасштабных параметрических задач LS-DSO. Доступен графический прогресс выполнения и таблица с информацией по организации распределенного решения с перечислением вычислительных узлов, мастер узла и количество параллельных решений.
Информация о выполнении задачи LS-DSO
Поддерживается планировщик Windows HPC 2016 с использованием интерфейса передачи сообщений Intel MPI.
ANSYS IcePak AEDT 19.1
Рабочее место ANSYS Electronics Desktop дополнилось модулем для решения задач сопряженного теплообмена ANSYS IcePak AEDT. В этой версии IcePak представлен уже не в бете, а в релизе. Единая лицензия ANSYS IcePak позволяет использовать его из-под различных оболочек: классическая, AEDT и ANSYS SIwave.
Существующие варианты ANSYS IcePak.
ANSYS IcePak интегрирован в среду электромагнитного анализа для обеспечения большего удобства использования инженерами электротехниками, у которых основными пакетами являются: HFSS, Maxwell или Q3D Extractor. Дело в том, что весь процесс работы с новым модулем максимально приближен и мало чем отличается от электромагнитных задач. Пользователи, которые начали осваивать ANSYS IcePak AEDT с первой беты, положительно отзывались о процессе построения геометрической модели, которая создаётся с помощью общего для всех приложений графического редактора, о работе в привычном функциональном постпроцессоре, а также важным моментом является то, что работа с параметрами модели осуществляется через привычный Optimetrics. Как и для электромагнитных задач, поддерживается распределенное решение параметрических задач, планировщики: LSF, PBS Pro, UGE и Windows HPC
В новой версии ANSYS IcePak поддерживает работу из-под Windows и Linux операционных систем. Введена единая библиотека материалов электромагнитных, механических и теплофизических свойств.
Единая библиотека материалов для всех типов задач.
Материалы для задач теплообмена
Работает пока только односторонняя динамическая связь ANSYS IcePak AEDT с HFSS 3D, HFSS 3D Layout, Q3D Extractor и Maxwell для передачи тепловых нагрузок из электромагнитных решателей на сеточную модель IcePak. Следует отметить, что, устанавливая глобальные переменные или посредством связывания переменных теплового и электромагнитных модулей, становится возможным проводить автоматический параметрический или оптимизационный расчёт термоэлектрической задачи через модуль Optimetrics.
Интерфейс по созданию динамической связи с источником тепловой нагрузки
Термоэлектрический параметрический расчёт
ANSYS IcePak AEDT поддерживает связь с геометрическим редактором ANSYS SpaceClaim для подготовки геометрической модели в специализированном приложении с большим функционалом. Встроенный геометрический редактор также обладает возможностью упрощения и триангуляции модели.
Для упрощения работы с такими сложными геометрическими моделями, как многослойные печатные платы PCB, введена возможность добавления планарного компонента платы. Эта возможность существует в классическом ANSYS IcePak. Идея в том, чтобы использовать ANSYS HFSS 3D Layout для прочтения модели формата ECAD, оценить степень металлизации слоёв и использовать эквивалентный объект со свойствами материала ортотропной теплопроводности.
Металлизация печатной платы ANSYS IcePak AEDT в различных разрешениях.
ANSYS IcePak AEDT использует сеточный генератор CutCell. Для упрощения ввода глобальных настроек сеточного генератора есть возможность использовать уже привычный слайдер, перемещая ползунок которого, контролируется плотность сеточной модели. Создавая вспомогательные регионы, возможно задавать локальные настройки сеточного генератора, что позволяет локально уплотнять сеточную модель. Для детального рассмотрения сеточной модели и оценки качества элементов предусмотрен отдельный интерфейс Mesh Viewer.
Локальное уплотнение сеточной модели через вспомогательный регион
В IcePak AEDT постепенно переносятся библиотеки 3D компонентов:
Стандартные компоненты вентиляторов и радиаторов возможно редактировать и настраивать. Пользователи могут создавать свои компоненты PCB, вентиляторов и радиаторов.
ANSYS Maxwell R 19.1
Возможности решателей
Движение нескольких объектов в модели
В промежуточной версии не так много нововведений, но есть и долгожданные опции, о которых говорилось ранее. В двумерном нестационарном решателе уже несколько релизов возможно использовать в одной модели несколько объектов Band. Теперь данная возможность появилась и в трехмерном решателе. Более того, возможно комбинировать в одной модели движущиеся части различных типов движения (цилиндрическое вращательное, нецилиндрическое вращательное, периодическое поступательное и непериодическое поступательное)
Аксиальная магнитная передача
Анализ размагничивания постоянных магнитов на основе модели векторного гистерезиса
Усовершенствована методика определения размагничивания постоянных магнитов с помощью модели векторного гистерезиса с указанием начального направления намагничивания. Преимущества модели заключаются в том, что возможно одновременное моделирование процессов намагничивания и размагничивания, а также учёт намагничивания и размагничивания во всех направлениях, а не только в одном, указанном пользователем. Заявлено о малых требованиях к вычислительным ресурсам и времени счёта, применимо ко всем нелинейным постоянным магнитам для моделирования реальной физики.
Обработка данных о кривых намагничивания
Как известно, в ANSYS Maxwell для всех решателей по умолчанию используется сглаженная кривая BH. В новой версии для изотропных нелинейных материалов возможно указать использовать исходные пользовательские входные данные без сглаживания. Во вкладке Solver появилась соответствующая опция Smooth BH Curve.
Возможно выбрать какую кривую использовать в расчёте
Трехмерный сеточный генератор теперь позволяет создавать более чёткие слоистые сеточные структуры, больше нет необходимости создавать вспомогательные слои на уровне модели. Обновление коснулось работы сеточной операции “skin depth based refinement”. Структура слоя создаётся вдоль внутренней нормали к выбранным поверхностям трехмерных объектов. При адаптивном перестроении сетки слои сохраняются, элементы растягиваются параллельно поверхностям и сжимаются в направлении нормали.
Обновленная опция “skin depth based refinement” позволяет создавать слоистые сеточные структуры