ANSYS Advantage. Русская редакция №18 – Электроника by CADFEM CIS

18'2012

ADVANTAGE

Содержание «ANSYS Advantage. Русская редакция» Инженерно/технический журнал Выходит 2 раза в год (весна, осень) 18'2012

Высокопроизводительные вычисления Ускорение инженерных расчетов в ANSYS Mechanical при использовании технологии NVIDIA® Maximus™ .................................... 2

Технологии

Учредитель: ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

ANSYS EMA Генеральный директор: Локтев Валерий Главный редактор: Хитрых Денис Технический редактор: Юрченко Денис Переводчик: Юрченко Анна Администратор сайта: Николаев Александр Отдел маркетинга и рекламы: Хитрых Екатерина

Адрес редакции 111672 Россия, Москва, ул. Суздальская, 46, Тел.: (495) 644-0608 Факс: (495) 644-0609 Тираж 1500 экз. Цена свободная

Современные инструменты проектирования микроэлектронных схем и систем на кристалле ................................................................... 8 Использование компьютерного моделирования при проектировании систем и узлов авиатехники .................................... 14 Алгоритм трансляции топологического рисунка из ALTIUM DESIGNER в SIWAVE .......................................................... 18 Исследование уровня выделения мощности индуктором на заготовку в зависимости от геометрии в ANSYS Maxwell ............ 20 Прогнозирование надежности плат на основе LTCC-технологии для бортовой радиоэлектронной аппаратуры космического назначения ............................................................................................. 24 Применение ANSYS при расчете антенн портативных устройств .... 31

ANSYS CFD Использование ANSYS CFD при проектировании навесов для защиты стадиона от осадков......................................................... 34 Оптимизация проточной части насоса с целью повышения его энергоэффективности .................................................................... 40

ANSYS Multiphysics Использование ANSYS в технологиях подводного бурения .............. 43

ANSYS в вузах Численное исследование влияния патологической извитости артерии на кровоток.............................................................................. 47

© 2012 ANSYS, Inc. © 2012 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» Перепечатка опубликованных материалов только с письменного разрешения редакции, за исключением кратких цитат в материалах информационного характера. Мнение редакции может не совпадать с мнением авторов

ANSYS, ANSYS Workbench, CFX, AUTODYN, ICEM CFD являются торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками компании ANSYS, Inc. «От идей к решениям» и «Непревзойденное преимущество в инженерных расчетах» являются торговыми марками компании ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс». Все другие названия программ или оборудования, упомянутые в данном журнале, являются торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками соответствующих фирм.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Технологии

Ускорение инженерных расчетов в ANSYS Mechanical при использовании технологии NVIDIA® Maximus™

Авторы: Cтароверов Н., к.т.н., Чернов А., ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Ускорение расчетов с помощью GPU Благодаря развитию систем инженерного анализа (CAE) сегодня инженеры во многих отраслях промышленности все чаще проводят виртуальные испытания разрабатываемых изделий. Специалисты стремятся максимально приблизить виртуальные эксперименты к реальности и получить наиболее адекватные результаты путем учета всех возможных технических деталей в расчетной модели. Растут расчетные возможности CAE-систем, в результате увеличиваются размерности задач, и возникает необходимость расширения вычислительной базы расчетных подразделений. В настоящее время в области высокопроизводительных вычислений (High Performance Computing — HPC) все более остро возникает проблема нехватки вычислительных ресурсов. Традиционный подход к решению задач, состоящий в использовании центральных процессоров (CPU) и увеличении их производительности, уже не может справиться с необходимостью постоянного наращивания вычислительных мощностей. Технологический предел производительности для CPU оставляет единственную возможность масштабирования таких вычислительных систем — добавление десятков, сотен и даже тысяч отдельных вычислительных серверов и формирование вычислительного кластера. Этот подход требует серьезных финансовых затрат, и энергопотребление такой системы весьма существенно. Иной подход, зародившийся совсем недавно, приводит сферу HPC в эру гибридной модели вычислений, где на помощь CPU приходит графический процессор (GPU).

www.ansyssolutions.ru

Предложение использовать графический процессор как компаньона при расчете сложных инженерных задач явилось своего рода «глотком свежего воздуха» в сложившейся обстановке технологического тупика в производительности CPU. Возможность использования GPU в вычислениях позволила разделять сложные вычислительные задачи на тысячи небольших и решать их параллельно на ядрах графического процессора. Данная технология позволила инженерам и исследователям получать результаты численного анализа в разы быстрее. Кроме того, системы, использующие GPU, оказались более экономными с точки зрения энергопотребления, чем традиционные кластерные системы только на базе CPU. Основное различие процессоров CPU и GPU состоит в их архитектуре. Являясь по природе параллельным процессором, GPU значительно превосходит CPU в обработке большого объема однотипных данных. А CPU, являясь последовательным процессором, изначально не разрабатывался для подобного класса задач и предназначался именно для последовательных операций, таких как работа с операционной системой и организация потоков данных. Проведение вычислений с использованием GPU стало возможным благодаря созданию специфической архитектуры графических процессоров CUDA от NVIDIA®, позволяющей задействовать сотни вычислительных ядер, работающих параллельно. Передовая на сегодняшний день гибридная модель вычислений состоит в совместном использовании CPU и GPU, при этом последовательная часть кода приложения выполняется на CPU, а вся ресурсоемкая часть обработки больших объемов данных выполняется на GPU.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Технология NVIDIA® Maximus™ Технология CUDA для организации параллельных вычислений с использованием GPU была представлена в феврале 2007 года компанией NVIDIA®. Но прогресс не стоит на месте, и сегодня NVIDIA® предлагает технологию NVIDIA® Maximus™, позволяющую задействовать весь потенциал процессоров CUDA на базе нескольких карт NVIDIA®, работающих параллельно. Рабочие станции на основе технологии NVIDIA® Maximus™ объединяют возможности визуализации и интерактивного проектирования графических процессоров NVIDIA® Quadro™ с высокопроизводительной вычислительной мощностью графических процессоров NVIDIA® Tesla™ на одной рабочей станции. Сопроцессоры Tesla™ при этом автоматически берут на себя выполнение ресурсоемких частей кода приложений, например, вычислений при численном моделировании или выполнение фотореалистичного рендеринга изображений. Это автоматически снимает нагрузку с CPU, позволяя ему работать в привычном режиме: ввод-вывод данных, запуск операционной системы и обеспечение многозадачности. При этом графические процессоры Quadro™ или Tesla™ производят операции, требующие высокой производительности. Конструкторы и инженеры получили возможность одновременно осуществлять проектирование в CAD-системах и проводить численный анализ в CAE-пакетах на той же рабочей станции. Барбара Хатчингс (Barbara Hutchings), директор по стратегическому партнерству компании ANSYS, Inc., являющейся лидером рынка CAE-систем отмечает: «GPU-вычисления способны значительно ускорить расчеты в программных продуктах ANSYS на рабочих станциях, а в некоторых случаях даже удвоить количество расчетов, что помогает нашим клиентам более широко использовать технологические возможности. С Òàáëèöà 1 — Õàðàêòåðèñòèêè òåñòîâîãî ñòåíäà Ìîäåëü ðàáî÷åé ñòàíöèè ARBYTE® CADStation WS 479 CPU Intel® Core™ i7 3960X, 3,30 ÃÃö RAM 64 Ãá DDR3 1600 ÌÃö (PC3-12800) GPU #1 NVIDIA® Quadro 6000 GPU #2 NVIDIA® Tesla C2075 GPU #3 NVIDIA® Tesla C2075 Òâåðäîòåëüíûé 60GB íàêîïèòåëü (SDD) Æåñòêèé äèñê (HDD) 300GB 10K îá/ìèí Îïåðàöèîííàÿ ñèñòåìà Microsoft Windows 7 Ïðîôåññèîíàëüíàÿ 64 bit, âåðñèÿ 6.1.7601 Service Pack 1 Ïðîãðàììíîå ANSYS 14.5 îáåñïå÷åíèå ANSYS, Inc.

www.ansyssolutions.ru

широкой доступностью платформы NVIDIA® Maximus™ предприятиям теперь легче использовать программные продукты ANSYS в офисе для интерактивных и вычислительных задач». Расчетные возможности продуктов ANSYS включили поддержку вычислений с участием GPU, начиная с 13-й версии программного обеспечения ANSYS в ноябре 2011 года. В бета-версии ANSYS 14.5, готовящейся к выходу на момент написания статьи, разработчики заявили о возможности проведения расчетов на базе нескольких GPU. Являясь официальным партнером ANSYS, Inc. в России, компания ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» протестировала работу технологии NVIDIA® Maximus™, выполнив серию расчетов в новой версии ANSYS® Mechanical™. Maximus™ — универсальная технология, предполагающая возможность балансирования нагрузки между графическими процессорами разных типов. Несмотря на то, что основное предназначение Maximus — разделение необходимых ресурсов для визуализации и CUDA-вычислений на различные процессоры (например, визуализацию на Quadro™, вычисления — на Tesla™), в ANSYS® Mechanical™ из-за большой размерности задач все подключенные GPU использовались только для вычислений. Оценка еще одного преимущества технологии Maximus — возможности одновременной работы с задачами разных типов (визуализации сложных с графической точки зрения моделей и реализации ресурсоемких вычислений) станет предметом наших дальнейших исследований. В рамках этого тестирования оценивалась работа решателей ANSYS® Mechanical™ с участием нескольких GPU.

Тестовый стенд Стенд для тестирования производительности расчетов с использованием технологии NVIDIA® Maximus™ предоставлен инженерам ЗАО Òàáëèöà 2 — Õàðàêòåðèñòèêè ãðàôè÷åñêèõ ïðîöåññîðîâ

×èñëî ÿäåð CUDA Îáúåì ïàìÿòè Èíòåðôåéñ ïàìÿòè Ïðîïóñêíàÿ ñïîñîáíîñòü ïàìÿòè ×àñòîòà ÿäåð Îäèíàðíàÿ òî÷íîñòü Äâîéíàÿ òî÷íîñòü Ýíåðãîïîòðåáëåíèå

NVIDIA® QUADRO 6000 448 6 Ãá GDDR5 384 áèò 144 Ãá/ñ

NVIDIA® TESLA C2075 448 6 Ãá GDDR5 384 áèò 144 Ãá/ñ

1,15 ÃÃö 1030,4 Ãôëîï 515,2 ÃÔëîï 204 Âò

1,15 ÃÃö 1030,4 Ãôëîï 515,2 ÃÔëîï 225 Âò

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Технологии

«КАДФЕМ Си-Ай-Эс» партнером NVIDIA® в России, разработчиком и поставщиком решений, продуктов и услуг в области информационных технологий, компанией ARBYTE. Характеристики тестового стенда приведены в таблице 1. В таблице 2 приведены характеристики использованных графических процессоров.

Ускорение расчетов в ANSYS® Mechanical™ 14.5 с помощью GPU Сама технология использования GPU при проведении расчетов уже дает ощутимый прирост производительности. Опираясь на результаты тестирования решателей предыдущего поколения, проведенного инженерами ANSYS, Inc. и ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», можно сделать вывод о приросте производительности в среднем на 10% — 30% и до 250% при решении некоторого класса задач. Недостатком поддержки GPU в решателях ANSYS® Mechanical™ всех предыдущих версий была необходимость того, чтобы задача целиком помещалась в память GPU. В связи с этим, в первую очередь тестирование ускорения проводилось на базе одиночного GPU для определения производительности системы в целом. Для тестирования производительности рабочей станции с одним GPU

NVIDIA® Quadro 6000 в ANSYS® Mechanical™ выбраны несколько задач различной размерности: стандартные тесты производительности из набора ANSYS SP1 BENCH110 Benchmark Suite, в которых присутствуют линейные/нелинейные, стационарные/нестационарные задачи теории упругости, теории колебаний, а также отдельные задачи теории упругости и колебаний. Задачи представлены на рисунке 1, а результаты тестирования приведены на рисунке 2. В целом, по результатам этих тестов получен ожидаемый результат — производитель-

Ðèñ. 2. Âðåìÿ ðàñ÷åòà çàäà÷ (ñåê) ïðè òåñòèðîâàíèè GPU-óñêîðåíèÿ ANSYS® Mechanical™ 14.5 Preview 2

Ðèñ. 1. Âàðèàíòû òåñòîâûõ îöåíî÷íûõ çàäà÷

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

ность системы с применением GPU-ускорения расчетов увеличивается на 10-30%. Однако цель тестирования состояла в оценке работы решателей ANSYS® Mechanical™ с технологией NVIDIA® Maximus™.

Подготовка оборудования На этапе подготовки в первую очередь была настроена работа NVIDIA® Maximus™. С целью обеспечения максимально быстрого обмена данными по шине PCIe графические процессоры были выставлены в следующей конфигурации: 1. GPU #1 (NVIDIA® Quadro 6000) — в слот PCIe x16; 2. GPU #2 (NVIDIA® Tesla C2075) — в слот PCIe x16; 3. GPU #3 (NVIDIA® Tesla C2075) — в слот PCIe x8. Посредством Maximus Configuration Utility всем 3 картам была определена возможность производить CUDA-вычисления, а NVIDIA® Quadro™ использовалась и для вычислений, и для вывода графики.

Основное тестирование работы решателей ANSYS® Mechanical™ 14.5 с NVIDIA® Maximus™ Тестирование возможности ускорения вычислений проводилось на трех наиболее часто используемых на практике решателях ANSYS® Mechanical™ 14.5: Sparse, PCG и Block Lanczos. Решатель Sparse (с разреженной матрицей) применяется для наиболее быстрого поиска решения в нелинейных расчетах, а также в линейных расчетах, в которых итерационные решатели медленно достигают сходимости (особенно при низком качестве конечноэлементной модели). Решатель PCG (методом сопряженных градиентов с предобусловленной матрицей) имеет меньший объем операций ввода/вывода данных относительно решателя Sparse и больше подходит для задач большой размерности с Solid элементами и густой сеткой. Это наиболее надежный итерационный решатель ANSYS® Mechanical™. Решатель Block Lanczos (по блочному методу Ланцоша) используется в динамических расчетах, проводимых в ANSYS® Mechanical™, для поиска собственных частот и форм колебаний конструкции. Все задачи решались в режиме INCORE, который определяет размещение всех необходимых решателю данных в оперативную память и использует жесткий диск исключительно для чтения исходных данных и записи окончательных и промежуточных результатов. Это режим использования памяти отличается наибольшей

www.ansyssolutions.ru

производительностью. Запуск тестовых задач осуществлялся из командной строки.

Поддержка нескольких GPU решателями ANSYS® Mechanical™ Для корректной работы решателей ANSYS® Mechanical™ с несколькими GPU требуется соблюдение следующих условий: 1. На компьютере должны быть установлены один или несколько графических процессоров NVIDIA® TESLA (рекомендованы карты 20 серии) или/и один NVIDIA® Quadro. Если установлены и Quadro, и TESLA, то решатель ANSYS® Mechanical™ выберет в качестве основного GPU — TESLA. 2. На операционных системах семейств Windows x64 и Linux x64 должны быть установлены драйверы актуальной версии. Для операционных систем Windows рекомендуется использование режима работы драйвера TCC (Tesla Compute Cluster). 3. Согласно лицензионной политике ANSYS, Inc. для использования GPU в расчетах необходимо наличие лицензий ANSYS® HPC Pack, используемых для организации доступа к параллельным вычислениям на CPU. 4. Поддержка нескольких GPU в расчетах возможна только в режиме распределенных вычислений (Distributed ANSYS) и только в том случае, когда число запущенных процессов ANSYS® Mechanical™ превышает число используемых GPU.

Дополнительные опции В операционной системе можно определить следующие переменные среды: ANSGPU_PRINTDEVICES = 1, в этом слу• чае решатель ANSYS® Mechanical™ при каждом запуске будет выводить в рабочую директорию файл AnsGPUdevices.lst, в котором будут перечислены все GPU с поддержкой CUDA, доступные в системе в том приоритетном порядке, в котором их будет использовать решатель. ANSGPU_DEVICE = N, где N — идентифи• катор (ID) того GPU из списка AnsGPUdevices.lst, который решатель должен использовать. Эта переменная позволяет избежать одновременного использования одного GPU двумя и более пользователями многопользовательской среды. Следует отметить, что определение этой переменной среды автоматически отключает возможность использования нескольких GPU в одном расчете. Реализована также возможность отключения коррекции ошибок памяти (ECC), которая позволяет использовать больший объем памяти

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Технологии GPU. Однако для обеспечения точности результатов расчетов этой возможностью пользоваться не рекомендуется.

Тестирование решателя Sparse Для проведения тестов решателя Sparse были подготовлены однотипные статические задачи теории упругости с 10 подшагами нагружения, занимающие от 4 до 50 Гб оперативной памяти (от 220 тысяч до 1,370 млн. степеней свободы). Результаты тестирования приведены на рисунке 3.

Загрузку GPU в процессе расчета можно наблюдать с помощью утилиты NVIDIA System Management Interface program (NVIDIA-smi.exe) из комплекта драйверов NVIDIA®. С ее помощью можно записать в log-файл таблицу загрузки графических процессоров (см. рисунок 5) с периодичностью примерно 5 секунд.

Ðèñ. 5. Òàáëèöà êîíòðîëÿ çàãðóçêè GPU â log-ôàéëå NVIDIA System Management Interface program

Ðèñ. 3. Âðåìÿ ðàñ÷åòà çàäà÷ ðåøàòåëåì SPARSE, ñåê Интересная особенность проявляется при дальнейшем росте размерности задачи. Поскольку режим распределения вычисления на несколько расчетных ядер сопряжен с дополнительными затратами вычислительной мощности на декомпозицию задачи и дальнейшее объединение данных с нескольких ядер в один результат, то для некоторого класса задач решение в режиме SMP (Shared Memory Parallel) оказывается значительно быстрее, чем решение в режиме распределенных вычислений DMP (Distributed Memory Parallel). В случае применения ускорения GPU проявляется аналогичная ситуация (см. рисунок 4). Задача с размерностью 50 Гб в режиме DMP заняла в памяти суммарно 67 Гб, поэтому решение в режиме INCORE стало невозможным.

Ðèñ. 4. Âðåìÿ ðàñ÷åòà çàäà÷ áîëüøîé ðàçìåðíîñòè ðåøàòåëåì SPARSE, ñåê

www.ansyssolutions.ru

Анализируя загрузку GPU по log-файлам, был замечен тот факт, что в основном для хранения информации использовалась GPU Tesla, а в вычислениях непосредственно участвовали столько GPU, сколько указано в параметрах запуска. При этом GPU участвовали исключительно в процессе решения задачи. На этапе подготовки задачи и формирования матриц работал только CPU, а части сформированных матриц сразу передавались в память GPU в начальный момент решения.

Тестирование решателя PCG Для тестирования решателя PCG был подготовлен ряд прочностных задач с контактным взаимодействием, занимающих объем оперативной памяти от 4 до 50 Гб (от 190 тысяч до 1,315 млн степеней свободы). Ощутимого прироста производительности за счет использования GPU, как для решателя SPARSE, в данном случае не наблюдается. Гистограмма времени проведения расчетов показана на рисунке 6.

Ðèñ. 6. Âðåìÿ ðàñ÷åòà çàäà÷ ðåøàòåëåì PCG, ñåê

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Тестирование решателя Block Lanczos Для тестирования производительности решателя Block Lanczos были подготовлены задачи поиска 20 собственных частот конструкции, занимающие от 4 до 44 Гб оперативной памяти. Для решателя Block Lanczos также ощутимого прироста производительности за счет использования GPU не наблюдалось. Гистограмма времени проведения расчетов показана на рисунке 7.

Ðèñ. 7. Âðåìÿ ðàñ÷åòà çàäà÷ ðåøàòåëåì Block Lanczos, ñåê

Выводы В ANSYS® Mechanical™ 14.5 по сравнению с предыдущими версиями реализованы и доработаны следующие функциональные возможности, связанные с использованием GPU при расчетах. 1. Реализована возможность использования нескольких GPU при расчетах в режиме распределенных вычислений на локальной расчетной станции. Загрузка GPU во время тестирования была проверена с помощью специализированной утилиты NVIDIA®. 2. Устранено ограничение размерности задач, решаемых с участием GPU, связанное с нехваткой графической памяти для размещения задачи. Во время тестирования решались задачи размерностью до 50 Гб, что существенно превышает суммарный объем видео памяти предоставленных графических карт. Подводя итог, можно с уверенностью сказать, что решатели ANSYS® Mechanical™ постоянно модифицируются — увеличивается эффективность производимых ими расчетов, снижается нагрузка на файловую подсистему. Появившаяся в версии ANSYS® Mechanical™ 14.5 поддержка ускорения расчетов с использованием нескольких GPU по технологии NVIDIA® Maximus™ позволит инженерам значительно сократить время расчетов существующих классов

www.ansyssolutions.ru

задач и повысить размерность вновь создаваемых конечноэлементных моделей. По результатам тестирования видно, что использование нескольких графических процессоров дает существенное ускорение расчета задач теории упругости методом Sparse в режиме распределенных вычислений. Сравнение полного времени расчета тестовых задач, включающего подготовку конечноэлементных моделей и формирование файлов результатов, показало эффективный прирост производительности решателя относительно расчетов без использования GPU в 2,5 раза. При этом, чем больше размерность задачи, тем ощутимее будет вклад от использования нескольких GPU. Для решателей PCG и Block Lanczos прирост относительной производительности наблюдается, но его величина несколько ниже, чем при решении задач методом Sparse. Для решателя PCG с ростом размерности задачи становится более очевидным сокращение времени расчета задач с использованием одной, двух и трех GPU. Однако затраты времени на декомпозицию задачи оказываются существенными, поэтому максимальная производительность этого решателя проявляется в режиме SMP с ускорением с помощью одного GPU. Максимальный прирост относительной производительности системы с несколькими GPU составил 9%, а в режиме SMP — 14,5%. Для решателя Block Lanczos затраты времени на декомпозицию задачи аналогичным образом возрастают с увеличением размерности задачи. Поэтому, начиная с задач определенной размерности, время расчетов задач с ростом числа используемых GPU возрастает. Чем больше используется GPU, тем больше времени затрачивается на декомпозицию и сборку задачи. Максимальный прирост относительной производительности решателя Block Lanczos с использованием нескольких GPU составил приблизительно 18,5%, а в режиме SMP — 16,5%. В целом, использование вычислительных средств с подобными конфигурациями оправдывает ожидания и экономические затраты на их приобретение. Рабочие станции данного класса позволят в короткие сроки получить точные результаты расчетов, сокращая процесс разработки новой продукции. Авторы выражают благодарность руководству и техническому персоналу компании ЗАО «АРБАЙТ КОМПЬЮТЕРЗ» за предоставленное оборудование и техническую поддержку в процессе тестирования. Мы выражаем искреннюю признательность нашей коллеге из компании SolidWorks Russia Староверовой Людмиле за помощь в подготовке и редактировании данной статьи.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Технологии

Современные инструменты проектирования микроэлектронных схем и систем на кристалле

Автор: Геттих А., ЗАО «КАДФЭМ Си-Ай-Эс»

Данная статья посвящена обзору линейки современных программных средств разработки радиоэлектронных схем и систем, в том числе систем в упаковках и систем, монтируемых на один кристалл. С интеграцией программных комплексов электромагнитного и схемного моделирования от компании ANSOFT с пакетами конечноэлементного анализа от корпорации ANSYS, Inc. стал возможным комплексный междисциплинарный анализ изделий радиоэлектроники. Это касается всех этапов жизненного цикла — от технологического до эксплуатационного. Предлагаемая идеология моделирования построена на декомпозиции объекта анализа на разные уровни ответственности: уровень систем, уровень схем и уровень компонентов, физически реализующие то или иное MMIC изделие. В зависимости от модели и уровня ответственности, для задачи макетирования выбираются разные вычислительные модули электромагнитного и схемотехнического анализа.

Введение При переходе гражданских систем телекоммуникации в миллиметровый частотный диапазон предлагается реализовать его огромный потенциал за счет большей емкости каналов, высоких скоростей передачи данных (вплоть до нескольких десятков гигабит в секунду). Кроме того, открываются новые возможности для медиа-приложений на мобильной платформе: высокоскоростному интернету, потоковому видео, персональным беспроводным сетям и т.п. В частности, выделение для освоения полос частот из миллиметрового диапазона (без обязательного лицензирования в различных странах) дало возможность проектировщикам

www.ansyssolutions.ru

гражданских коммуникационных систем интенсивнее осваивать диапазон в районе 60ГГц. Хотя традиционно миллиметровые частоты вначале осваивались для военных нужд (спутниковые средства связи, радары, навигация и т.п.), этот диапазон также представляет существенный интерес для гражданского применения. С другой стороны, за счет высокой плотности компоновки интегральных элементов на кристалле, современные полупроводниковые технологии позволяют скомпоновать в едином корпусе законченное функциональное изделие микроволнового применения. На сегодняшний день существуют технологии, реализующие монолитные интегральные схемы с техпроцессом 0.25 мкм и 0.15 мкм (см. [2]-[6]) и рабочими частотами вплоть до 100ГГц. Как правило, это подложки на AsGa или на тройных полупроводниках. Такие высокочастотные интегральные схемы содержат в едином корпусе как активные цепи (малошумящие усилители, смесители с гетеродинами, ГУН и др.), так и пассивные элементы (цепи коррекции и настройки, делители, фильтры, фазовращатели и др.). Компоновка активных и пассивных узлов в единый корпус позволяет создать единое, функционально законченное изделие, получившее название монолитная интегральная схема миллиметрового диапазона (англ. MMIC — monolithic microwave integrated circuit). Такие схемы обладают значительным преимуществом по сравнению с традиционными СВЧ цепями за счет малого энергопотребления и малых габаритов. Сложные схемные решения и субмикронные технологии, наряду с высокими темпами разработок, заставляют проектировщиков микроволновых систем интенсивно использовать

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

современные средства компьютерного моделирования с целью минимизации отладочных работ и возможного сокращения время макетирования. Согласно маршрутам проектирования, подробно рассмотренным в статье [1] и поддерживаемым крупными производителями средств автоматизированного проектирования, такими как Synopsys, Mentor Graphics, Cadence Design System, разработчикам необходимо по возможности проводить законченный анализ изделий РЭА, в том числе на уровне физических прототипов. Желателен также полный анализ всего изделия РЭА, начиная с уровня СБИС в упаковках, и далее с учетом объемных моделей печатных плат и разъемов до законченных функциональных модулей в стойках шасси. Для MMIC изделий это особенно актуально, поскольку требования к интегральным элементам по надежности и стойкости всегда были особенно высокие. Это касается как изделий гражданского применения, так и военной тематики. Для специалистов в области СВЧ микроэлектроники и техники на рынке существует несколько крупных коммерческих программных пакетов, позволяющих провести электромагнитный и схемотехнический анализ СВЧ цепей и схем. Среди них можно выделить пакеты AWR Microwave Office и CST Design System, Agilent ADS и EMPro. Данную линейку можно расширить и дополнить продуктами от американской компании ANSYS, такими, как Designer RF, Maxwell, HFSS, Q3D Extractor, SIWave, TPA. После вхождения компании ANSOFT в корпорацию ANSYS, программные комплексы электромагнитного моделирования HFSS, Q3D, Maxwell и пакеты анализа радиоэлектронных схем и систем Designer RF и Simplorer стали теснее интегрироваться в среду ANSYS Workbench. Это позволяет проектировщикам использовать конечноэлементные вычислительные технологии в области электромагнитного анализа от ANSOFT совместно с пакетами физического моделирования из смежных разделов физики от ANSYS. Программы от ANSOFT совместно с инструментами ANSYS Mechanical и Icepak могут предоставить проектировщикам возможность моделирования практически всех процессов, возникающих в разрабатываемых изделий РЭА: электромагнитных, механических деформаций и разрушений, тепловых и газодинамических и т.п. Данная интеграция поддерживается автоматически для всех пакетов физического моделирования. Примечательно, что пакеты от ANSOFT также встраиваются в маршруты проектирования Zuken, Synopsys, Cadence, Mentor и поддерживают работу с Apache. В данной статье рассматриваются программы моделирования от компании ANSYS, используемые для разработок микроволновых ИС и систем, построенных на их основе.

www.ansyssolutions.ru

Линейка программных комплексов для анализа СВЧ ИС Традиционная методика моделирования предусматривает разделение анализируемого радиоэлектронного изделия на три уровни абстракции: уровень физических компонентов, уровень цепей и схем и системный уровень. Этапы проектирования СВЧ ИС, как правило, состоят из схемотехнического анализа разрабатываемых цепей и электромагнитного анализа топологий и упаковок. К примеру, на уровне схемотехники при разработке СВЧ усилителя проектировщик определяет, в частности, число каскадов и задание смещения рабочей точки, проектирует настроечные цепи и цепи питания, вычисляет КПД устройства, максимально реализуемый КУ и т.п. На уровне топологии уже необходимо выполнить высокоточную компоновку элементов схемы по кристаллу, упаковать чип в корпус ИС и произвести законченный анализ СВЧ интегральной схемы уже с учетом наводок и перекрестных искажений. Последнее особенно актуально для высоких частот. Разработчикам для каждого из уровней абстракции компания ANSYS предлагает инструменты моделирования, удовлетворяющие, в том числе, следующим требованиям: — интеграция с основными EDA-пакетами разводки многослойных печатных плат; упаковок интегральных схем; — поддержка нейтральных графических форматов и форматов основных CAD-программ; — поддержка обширной библиотеки современных поставщиков радиоэлектронных компонентов и материалов; — поддержка моделей современных технологических норм; — проведение комплексного статистического анализа, анализа на чувствительность и робастность; — возможность проведения ресурсоемких высокопроизводительных расчетов с распараллеливанием и декомпозицией расчетных областей по вычислительным узлам. Поскольку различают частотные, временные и координатные области анализа пакеты от компании ANSOFT предусматривают проведение вычислений с разделением расчетных областей по вычислительным узлам и затем корректную сборку результатов; — создание отчетности и верификация разрабатываемых моделей. Уровень пассивных компонент представлен такими элементами в интегрированной радиоэлектронной системе, как упаковка ИС с трассировками по корпусу, выводы ИС, разъемы, коннекторы, межплатные и межкорпусные соединения, межслойные переходы и другие пассивные эле-

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Технологии

менты. Данные элементы изделий РЭА могут интенсивно использовать современные сложные материалы: композитные, дисперсионные, изотропные и анизотропные. Соответственно, широкая номенклатура материалов должна поддерживаться в пакетах электромагнитного моделирования на физическом уровне абстракции. В частности, программы HFSS, Q3D Extractor, построенные на методе конечных элементов, позволяют анализировать в частотной области электромагнитные процессы для пассивных элементов со сложными геометриями и материалами. Аналогичные библиотеки материалов поддерживают модуль планарного электромагнитного анализа PlanarEM, встроенный в пакет ANSYS Designer, и частично гибридные вычислительные модули метода конечных элементов и метода моментов в пакетах SIWave и TPA. Для уровня абстракции радиоэлектронных схем и систем ANSYS предлагает пакет Designer, который позволяет проводить моделирование радиоэлектронных изделий в частотной и временной областях. Для учета электромагнитных процессов, происходящих на уровне физической модели, поддерживается интеграция конечноэлементных моделей из пакетов HFSS, SIWave, Q3D Extractor по динамической ссылке в проекты Designer. Далее мы дадим краткий обзор основных программных продуктов компании ANSYS, предназначенных для проектирования интегральны СВЧ схем. ANSYS Designer Данный программный комплекс содержит несколько вычислительных модулей и является развитием некогда популярного пакета Serenade. Основным вычислительным ядром пакета Designer является система NEXXIM, построенная на SPICE технологиях. Она позволяет проводить нестационарный анализ, моделировать линейные цепи во временной и частотной области (от 0 до сотен гигагерц), проводить анализ нелинейных схем методом гармонического баланса, выполнять статистический анализ и оценивать переходные процессы методом быстрой свертки сигнала, строить звездные, фазовые и глазковые диаграммы и т.д. Схемы, моделируемые в системе NEXXIM, могут быть разбиты на подсхемы с разным уровнем вложения. Помимо системы NEXXIM, в состав пакета ANSYS Designer входят следующие модули: — модуль Symphony, необходимый для анализа систем коммуникации и связи (как радиочастотных, так и оптических); — модуль электромагнитного анализа планарных структур PlanarEM, построенный на вычислительном ядре Ensemble;

www.ansyssolutions.ru

—

система Harmonica, предназначенная для моделирования СВЧ схем. ANSYS Designer может анализировать цепи, представимые в виде схем и списка соединений (так называемые Netlist); поддерживать обширный набор библиотек: модели нелинейных элементов разных уровней, библиотеки пассивных, активных элементов и источников сигналов; работать с IBIS-моделями и схемами в виде SPICE, HSPICE и Spectra форматах. Также осуществляется интеграция с моделями, описанными на языках C и Nexsys Matlab. Поддержка библиотек от сторонних производителей радиоэлектронных компонентов позволяет разработчикам интегральных схем проектировать системы с учетом современных технологических норм. Например, динамические библиотеки от компании UMC предлагают проектировщикам MMIC на основе технологии pH15 с псевдоморфными транзисторами pHEMT спроектировать изделие в ANSYS Designer вплоть до частот 60 ГГц (рис. 1). Имеется опыт применения библиотек от UMC для проектирования систем на кристалле по КМОП технологии с технологическим процессом 0.13мкм для CDMA телефонии, гигабитных конвертеров и других высокоскоростных систем с частотами работы вплоть до 100ГГц [2]-[3]. Развитие средств компьютерного моделирования позволило произвести интеграцию пакетов разных вычислительных методов в системе ANSYS Designer. Так, можно выполнить моделирование послойной электродинамической модели СВЧ схемы средствами модуля PlanarEM, или же по технологии “Solver-on-Demand” с помощью ядра пакета HFSS произвести анализ в трехмерной постановке. Данный аспект весьма значим для моделирования СВЧ интегральных схем, поскольку выполнение анализа пассивных и активных цепей для субмиллиметрового диапазона необходимо проводить уже с учетом паразитных характеристик цепей и распределенных электромагнитных эффектов как в объеме кристалла, упаковках ИС, так и их в сборках на платах. Подобные эффекты моделируются средствами пакетов электромагнитного анализа в 2D и 3D постановке, описание которых приведено в табл. 1. Первоначально проект ANSYS Designer RF микроэлектронного СВЧ изделия может быть проанализирован в схемном и топологическом представлении, причем между моделями в редакторе топологии и в редакторе схем имеется однозначная связь. Проектировщик может производить коррекцию топологии как непосредственно в 2.5D редакторе, так и управляя параметрами модели на схеме. Доступ к библиотеке материалов в редакторе слоев точно

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Òàáëèöà 1 Âèäû àíàëèçà ïàêåòîâ ôèçè÷åñêîãî ìîäåëèðîâàíèÿ ïàññèâíûõ ýëåìåíòîâ ÑÂ× ÈÑ Ïðîãðàììû ÝÌ ìîäåëèðîâàíèÿ HFSS SIWave TPA Q3D/Q2D Extractor

Òèï àíàëèçà Ïîëíî-âîëíîâûé àíàëèç Êâàçè-ñòàòè÷åñêèé àíàëèç

Ãåîìåòðèÿ (ïðèìåíåíèå) 3D (ýëåìåíòû íåîäíîðîäíîñòåé ÏÏ è ÈÑ, êîííåêòîðû, ñîåäèíèòåëè, ÷àñòè óïàêîâêè ÈÑ, ...) 2.5D ïëàíàðíûå (Ñëîæíûå ìíîãîñëîéíûå óïàêîâêè ÈÑ, ÏÏ) 3D/2D (ýëåìåíòû íåîäíîðîäíîñòåé ÏÏ, êîííåêòîðû, ñîåäèíèòåëè, óïàêîâêè ÈÑ, ...)

такой же, как и в пакетах 3D физического моделирования. При необходимости модель из вычислительного модуля PlanarEM может быть экспортирована в HFSS и полностью рассчитана в 3D постановке. ANSYS HFSS Широко известный пакет электромагнитного анализа пассивных конструкций в частотной области в диапазоне от килогерц до терагерц методом конечных элементов. Анализируемое изделие полностью моделируется в 3D. Модель элементов СВЧ ИС (трассировки по корпусу, упаковка чипа, различные выводы, межслойные соединения и т.п.) может быть импортирована из CAD/EDA пакетов или передана из системы ANSYS Designer. Так же, как и Designer, пакет HFSS интегрируется с пакетами разводки ПП и ИС от ведущих производителей программного обеспечения данного класса: Cadence, Mentor Graphics, ODB++ и Zuken. Благодаря модулю AnsoftLinks, встраиваемому в такие продукты от Cadence, как например, APD, Alegro и SiP Digital/RF или его аналоги, можно непосредственно из EDA-системы передать проект со всеми слоями в программы электромагнитного анализа от ANSYS. При этом, управление стеком слоев, назначение портов и группировка трассировок возможно как автоматически, так и под управлением пользователя. Данный интерфейс свойственен

Ðèñ. 1. Ñõåìà è ñîîòâåòñòâóþùàÿ åé òîïîëîãèÿ â Ansoft Designer. Ïðåäñòàâëåíà ìîäåëü òðàíçèñòîðíîãî óñèëèòåëÿ íà pHEMT PH15 èç áèáëèîòåêè UMC

www.ansyssolutions.ru

не только пакету HFSS, но и модулю планарного электромагнитного анализа PlanarEM, пакетам SIWave, Q3D Extractor и TPA. Список сторонних EDA программ, с которыми напрямую осуществляется интеграция через утилиту AnsoftLinks, приведен в табл. 2. В современной версии HFSS позволяет также проводить нестационарный анализ во временной области методом Галеркина с прореживанием шага по времени (DGTD-метод), при этом используется конечно-элементная неструктурированная сетка, свойственная всем пакетам физического моделирования от ANSYS. Среди улучшений, появившихся в HFSS 14 версии и значимых для проектирования MMIC изделий, можно выделить следующие: — модели шероховатости типа Huray и Groisse в виде граничных условий (рис. 2); — осуществляется группировка трассировок по платам и упаковкам СБИС в Net-группы (рис. 3); — при анализе в нагрузочном режиме, традиционном для моделирования цифровых и аналоговых систем, может быть также произведена калибровка дискретных портов для учета их конечных размеров; — при моделировании в широкой полосе частот можно задать принудительное изменение итерационного базиса для обеспечения сходимости и выполнения условия пассивности. ANSYS Q3D Exractor Для задач, в которых необходимо получить эквивалентные параметры цепи на основе анализа электромагнитного поля в 2D/3D структурах, применяется инструмент Q3D Extractor™. Данный программный продукт предназначен как для извлечения RLCG-матриц и W-элементов, так и для построения SPICE-моделей, с целью последующей передачи их в систему ANSYS Designer RF. Q3D Extractor извлекает паразитные параметры цепи исходя из типа элемента эквивалентной схемы замещения и AC/DC режимов расчета. Соответственно, его ядро построено на нескольких вычислительное методах. Для DC-RL режима — FEM решатель (Finite Element Method, МКЭ), а для AC-RL режима — BEM решатель (Boundary Element Method, метод граничных элементов).

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Технологии Òàáëèöà 2 Ïðîãðàììû ïðîåêòèðîâàíèÿ ÑÁÈÑ, ñ êîòîðûìè îñóùåñòâëÿåòñÿ èíòåãðàöèÿ ANSOFT ïðîäóêòîâ ñ ïîìîùüþ ìîäóëÿ AnsoftLink — ECAD Translator

Cadence

Mentor Graphics

ODB++ Zuken*

Ïàêåò Allegro; APD; SiP Digital/RF; Virtuoso Expedition; BoardStation XE; BoardStation; PADS Altium Designer Mentor Expedition Zuken Cadstar Sigrity UPD CR5000

Âåðñèÿ äëÿ ÎÑ Windows 16.0 — 16.3 è 16.5 16.0 — 16.3 è 16.5 4.46, 5.0, 5.0.32 è 6.x v2005, v2007.x v8.x PADS PowerPCB v5.2a, v2005 è v2007 R10 EE7.9.1 è áîëåå v12.1 * v11.0 * 9.x è áîëåå

*) Примечание: данная опция имеет ограничение.

Ðèñ. 2. Ìîäåëü øåðîõîâàòîñòè Huray â âèäå ãðàíè÷íûõ óñëîâèé êîíå÷íîé ìíîãîñëîéíîé ïðîâîäèìîñòè â ñèñòåìå HFSS ANSYS TPA Для экстракции RLCG-параметров более сложных многослойных структур предназначен пакет TPA. Объектами анализа могут быть упаковки ИС. Помимо SPICE моделей он может формировать IBIS модели упаковок СБИС. ANSYS SIWave Для электромагнитного анализа сложных многослойных конструкций ПП и ИС традиционные пакеты, построенные только на методе конечных элементов в 3D, не подходят. Для таких задач, как анализ влияния электромагнитного поля на распространение сигнала по системам проводников в сложных многослойных упаковках ИС и

Ðèñ. 3. ×àñòü êîðïóñà ÈÑ, àíàëèçèðóåìàÿ ñðåäñòâàìè HFSS

www.ansyssolutions.ru

ПП, оценка паразитных резонансов, падения напряжение на системах питания, извлечения SYZпараметров и т.д., более подходит пакет SIWave. Электромагнитный анализ в частотной области осуществляется гибридом МоМ и FEM. Анализируемое изделие полностью моделируется в трехмерном виде с учетом источников сигналов и РЭ компонент, подключаемых к портам модели. Модели СВЧ ИС, как по отдельности, так и в сборе с ПП, могут быть импортированы из CAD пакетов или переданы из систем EDA (см. табл. 2) посредством ANSOFTLinks. Примечательно, что окончательный анализ всей системы на целостность сигнала в комплексе осуществляется с использованием среды ANSOFT Designer, в которой к SIWave модели подключаются как Nполюснику нагрузки, задаются формы и типы источников сигналов, описываются нелинейные и линейные схемы, а также осуществляется постпроцессорная обработка данных.

Методология моделирования РЭА изделий интегрального типа средствами ANSYS Процесс проектирования высокочастотных схем, как и современных высокоскоростных

Ðèñ. 4. Îáúåêòîì àíàëèçà ïàêåòà SIWave ÿâëÿþòñÿ ñëîæíûå ìíîãîñëîéíûå êîíñòðóêöèè, òàêèå êàê óïàêîâêè ÈÑ è ïå÷àòíûå ïëàòû

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

ные распределения джоулевых потерь из системы SIWave передаются напрямую в пакет ANSYS Icepak, в котором тепловое состояние корпуса ИС и ПП моделируется уже с учетом теплопереноса и конвекционных процессов. Это дает возможность учесть режимы работы РЭ аппаратуры с учетом внешних факторов эксплуатации.

Ðèñ. 5. Àíàëèç ïðîõîæäåíèÿ áèòîâîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ïî êàíàëó. Ïðèâåäåíà ò.í. EYE-äèàãðàììà, à òàêæå âðåìåííûå äèàãðàììû â íåêîòîðîé êîíòðîëüíîé òî÷êå систем плотной упаковки, тесно связан с задачами электромагнитной совместимости. На высоких частотах начинают сказываться паразитные эффекты из-за распределенных параметров цепей, их взаимного влияния друг на друга. Проявляется дребезг, паразитные наводки и помехи от соседних линий, как при коммутациях, так и целенаправленного происхождения. В таких системах особенно актуален вопрос целостности сигнала (SI — Signal Integrity) и целостности питания (PI — Power Integrity). Поэтому полный электромагнитный анализ проектируемого изделия должен осуществляться с учетом паразитных эффектов, существующих в радиочастотных интегральных цепях, с учетом их корпусирования, наличия межслойных переходов и разъемов. Примерный вид проекта в среде ANSOFT Designer, показывающий идеологию моделирования схем с физическими моделями компонентов, показан на рис. 5. В данном случае анализируется прохождение битовой последовательности. Законченный процесс проектирования изделий РЭА не будет полным без тепловоего и механичского анализа. Для этих целей компания ANSYS предлагает следующую группу инструментов: Icepak — специализированный пакет для расчета теплового состояния аппаратуры; ANSYS Mechanical — программа расчета деформаций по данным тепловых нагрузок. Все модули как электромагнитного, так и прочностного и газодинамического анализа, работают в единой среде ANSYS Workbench. Дан-

www.ansyssolutions.ru

Ëèòåðàòóðà [1] Íîâè÷êîâ Ñ.Â. Òåíäåíöèè ðàçâèòèÿ ñðåäñòâ àâòîìàòèçèðîâàííîãî ïðîåêòèðîâàíèÿ ñèñòåì íà êðèñòàëëå. // Ñá. òðóäîâ IV Âñåðîññèéñêîé íàó÷íîòåõíè÷åñêîé êîíôåðåíöèè «Ïðîáëåìû ðàçðàáîòêè ïåðñïåêòèâíûõ ìèêðî- è íàíîýëåêòðîííûõ ñèñòåì». 2010. Ñ. 412 — 417. [2] 60 GHz Transceiver IC Design Using High-Mobility 0.15-micron GaAs Process // Copyright© Taiyo Yuden, UMS and ANSOFT Corporation. TPS1040906. 2006. [3] IC design and verification in flow for RF analog & digital integration // Copyright© UMS and ANSOFT Corporation. TPSI01-0106. 2006. [4] Reference Flow for High-Speed Serial Inerconnect // Copyright© ANSOFT Corporation. 2005. [5] Millimeter-Wave MMICs and Applications. Thesis by Matthew Alexander Morgan. In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy // California Institute of Technology. 2003. [6] Microwave and Millimeter-Wave Integrated Circuit Systems in Packaging, Chenhui Jiang. 2010. [7] System In Package (SiP) and Stacked Package Solutions // Wayne Nunn, NXP Semiconductor & Denis Soldo, ANSOFT Corporation. [8] RFIC DESIGN AND VERIFICATION // Copyright © UMC Corporation and ANSOFT Corporation. TPSI010106. 2006. [9] Signal Integrity. Solution Guide // Being Heard. Above the Noise, XILINX. July 2005. Issue 1. [10] RFIC and MMIC design and technology / Edited by I.D.Robertson, S.Lucyszyn. The Institution of Electrical Engineers. 2009.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Технологии

Использование компьютерного моделирования при проектировании систем и узлов авиатехники

Авторы: Carsten Mehring,Parker Aerospace, Ирвин, США

По мере того, как работа самолетов становится эффективнее, надежнее и безопаснее, их конструкция усложняется. В связи с этим, применение компьютерного моделирования становится неотъемлемой частью процесса проектирования новых самолетов. Проектирование сложных систем требует понимания работы всех подсистем и компонентов. Хотя инженеры могут получить данные о работе компонентов с помощью эксперимента, такой подход может быть чрезвычайно дорогостоящим в связи с тем, что область рабочих режимов постоянно увеличивается (включая давление на входе, расход, высоту и др.). Для анализа и оценки работы компонентов в рамках одной системы, специалисты инженерного отдела компании Parker Aerospace используют ANSYS CFX для расчета гидрогазодинамики и ANSYS Icepak для анализа теплового состояния компонентов. Такой подход помогает компании сократить затраты, время разработки, а также повысить надежность компонентов. Компания Parker Aerospace является мировым лидером в производстве систем управления

летательными аппаратами, гидравлических систем, топливных систем, трубопроводных систем, инженерных систем и компонентов, которые используются практически во всех коммерческих и военных самолетах по всему миру, включая вертолеты, беспилотники, ракеты, а также другие высокотехнологические приложения.

Заправка самолетов Штуцер дозаправки, разработанный компанией Parker, напоминает часть реактивного ранца или костюма Железного Человека, однако, на самом деле, он контролирует процесс дозаправки одного из самых современных разрабатываемых самолетов. Это соединение состоит из двух отдельных заправляющих линий, соединяющихся в одном основном канале, расход в котором контролируется встроенным клапаном. Это является чрезвычайно важным для обеспечения безопасности и скорости заправки и слива топлива. При расчете множества стационарных конфигураций (различные положения клапана) использовалась расчетная сетка, содержащая

Ñ êàæäûì ãîäîì êîíñòðóêöèÿ èíæåíåðíûõ ñåòåé è ñèñòåì îáåñïå÷åíèÿ ñàìîëåòà óñëîæíÿåòñÿ.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

около 12 млн. расчетных элементов. В данных расчетах использовался программный комплекс ANSYS CFX для получения распределения давления на стенки с целью оптимизации положения контрольных точек давления. В данном изделии эти точки используются для контроля процесса закрытия и открытия клапана в главном канале. Экспериментально было определено общее падение давления в системе, что хорошо согласуется с результатами CFD-расчета. CFDспециалисты компании Parker также проводят связанные расчеты жидкость — твердое тело (FSI) для оценки динамических характеристик штуцера дозаправки при специфических условиях работы. Подобные FSI-расчеты требуют использования значительных вычислительных ресурсов. Для увеличения скорости расчета и проведения параметрического анализа команда специалистов обычно использует комбинацию стационарных CFD и одномерных расчетов. Инженеры используют свой опыт проектирования динамических систем, применяя модуль SimuLink, в котором гидродинамические эффекты комбинируются с одномерными расчетами посредством таблиц, генерируемых стационарными CFD-расчетами.

бак посредством конденсации. Другая важная функция эжекторных насосов заключается в распылении этой воды в мельчайшие капельки, так чтобы двигатель мог безопасно потреблять топливо, содержащее мелко распыленные капельки воды. Традиционные эжекторные насосы не содержат каких-либо подвижных частей, и они очень надежны при использовании в их рабочем диапазоне. Однако рабочий диапазон топливных эжекторных насосов ограничивается наступлением кавитации. В связи с этим, очень важно учитывать кавитацию при определении рабочего диапазона насосов на ранней стадии проектирования. Инженеры компании Parker Aerospace успешно используют вычислительную гидродинамику для получения характеристик эжекторных насосов, в особенности для определения границ рабочего диапазона. Для этого используется комплекс ANSYS CFX, который содержит модель кавитации Rayleigh–Plesset. Инженеры также работают над усовершенствованием существующей модели кавитации посредством создания пользовательских скриптов. Специалистов прежде всего интересует кавитация, вызванная касательными напряжениями, и кавитация в многожидкостных эжекторных системах.

Топливная система Авиационные топливные баки обычно располагаются в крыльях и состоят из нескольких емкостей. Баки содержат перегородки для предотвращения эффекта колебания жидкости. Заправка требует использования специализированных насосов, питающих основной топливный насос. Откачивающие насосы (как правило, эжекторного типа) обычно используются для откачивания топлива из удаленных участков, дна топливных баков и доставки этого топлива на вход основного топливного насоса. Топливо, откаченное со дна топливных баков, обычно содержит значительное количество воды, которое изначально растворено в топливе или попадает в топливный

CAD-ìîäåëü øòóöåðà äîçàïðàâêè

www.ansyssolutions.ru

Безопасность топливной системы Для предотвращения взрыва топливного бака используется система вытеснения воздуха инертным газом. Такие системы используются на коммерческих и военных самолетах. Один из типов таких систем заполняет азотом пространство бака, не заполненное топливом, что уменьшает вероятность возгорания и взрыва топливного бака. Для демонстрации правильной работы такой системы в рамках функционирования всего самолета, инженеры компании Parker комплексную модель сосредоточенных параметров, описывающую баки, вентиляционные каналы и движение воздуха в них с использованием мето-

Êîíòóðû ñòàòè÷åñêîãî äàâëåíèÿ â äâóõ ñå÷åíèÿõ

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Технологии

да Монте-Карло. Этот метод создает статическое время экспозиции возгорания (время, в течение которого искра формирует пламя) для диапазона неизвестных рабочих параметров, которые ограничены известными функциями распределения. При этом принимается во внимание большой набор теоретических полетов (учитывающих, например, условия набора высоты самолета и погодные условия).

Ëèíèè òîêà è ñòàòè÷åñêîãî äàâëåíèÿ íà îñíîâíîì êëàïàíå

Для валидации и уточнения созданной параметрической модели сосредоточенных параметров, специалисты компании Parker провели подробный CFD-анализ для различных режимов полета. Подробная информация, полученная из CDF-расчета далее использовалась для валидации параметрической модели сосредоточенных параметров. Несмотря на необходимость использования больших вычислительных ресурсов для проведения CFD-анализа, стоимость этих ресурсов все же несоизмеримо меньше затрат на полномасштабные полевые или летные испытания. Обычно данные летных испытаний можно получить на финальном этапе разработки, в то время как данные CFD-анализа на ранних стадиях проектирования дают возможность вносить улучшения в проект, которые не могут быть получены с помощью моделей сосредоточенных параметров. В частности, с помощью CFD-расчета можно определить расположение и направление сопел для впрыскивания воздуха, насыщенного азотом (NEA), а также положения вентиляционных отверстий. Более того, подробный CFD-расчет позволяет определить характер перемешивания в свободном от топлива пространстве, а также массообмен между различными отсеками топливных баков. Все эти данные позволяют уточнить модель сосредоточенных параметров и, следовательно, уточнить оценку времени экспозиции возгорания, что приводит к повышению безопасности проекта летательного аппарата.

Управляющая электроника Èíæåíåðû êîìïàíèè Parker Aerospace óñïåøíî èñïîëüçóþò âû÷èñëèòåëüíóþ ãèäðîäèíàìèêó äëÿ ïîëó÷åíèÿ õàðàêòåðèñòèê ýæåêòîðíûõ íàñîñîâ, â îñîáåííîñòè äëÿ îïðåäåëåíèÿ ãðàíèö ðàáî÷åãî äèàïàçîíà

Cïåöèàëèñòû êîìïàíèè Parker ïðîâîäÿò ñâÿçàííûå FSI-ðàñ÷åòû äëÿ îöåíêè äèíàìè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê øòóöåðà äîçàïðàâêè

www.ansyssolutions.ru

Все большая электрификация самолета приводит к тому, что количество модулей управляющей электроники увеличивается, в то время как выделенное пространство остается неизменным. Кроме того, увеличение использования композиционных материалов для самолетостроения сокращает возможность использования корпуса самолета в качестве теплоотвода. В то же время, энергия, затраченная на охлаждение электронных компонентов, должна быть минимальной, т.к. это влияет на общую эффективность системы. Вследствие этих факторов, электронные компоненты работают при более высоких температурах, следовательно, необходимы точные расчеты для гарантирования правильного функционирования этих электронных компонентов до проведения летных испытаний. В компании Parker инженеры активно используют комплекс ANSYS Icepak для решения данных задач. Используя этот модуль, инженеры могут получить необходимую информацию об уровнях температур на ранних стадиях проектирования. Это позволяет убедиться, что электронные компоненты нормально функционируют как в усло-

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Êîíòóðû êîíöåíòðàöèè êèñëîðîäà â îáëàñòè òîïëèâíîãî áàêà

Ñõåìàòè÷åñêîå ïðåäñòàâëåíèå îäíîìåðíîé ìîäåëè ñîñðåäîòî÷åííûõ ïàðàìåòðîâ

Ìíîãîñëîéíàÿ ïå÷àòíàÿ ïëàòà áëîêà óïðàâëåíèÿ

Ñðàâíåíèå äàííûõ ïðîèçâîäèòåëüíîñòè ýæåêòîðíîãî íàñîñà, ïîëó÷åííûõ ñ ïîìîùüþ ANSYS CFX è â ýêñïåðèìåíòå виях холодного старта, так и в течение продолжительного времени работы в условиях повышенной температуры окружающего пространства. Подобные расчеты проводятся для широкого спектра моделей различной точности (начиная от «грубых» моделей, в которых компоненты объединены в группы, до очень подробных), чтобы убедиться, что уровень температур даже для самых мелких компонентов не выходит за пределы допустимых значений. В расчетах также варьировался тип теплообмена, используемого для отвода основной тепловой энергии от электронных компонентов (вынужденная конвекция посредством вентиляторов или теплоотвод за счет теплопроводности печатных плат и корпусов, соединенных перемычками).

Èçîïîâåðõíîñòè ãàçîîáðàçíîé ôàçû ñ îáúåìíîé êîíöåíòðàöèåé 0.5

www.ansyssolutions.ru

Åñòåñòâåííàÿ êîíâåêöèÿ ìåæäó ïå÷àòíûìè ïëàòàìè

Êîíòóðû òåìïåðàòóð ïå÷àòíîé ïëàòû

Опыт использования ANSYS Большинство изделий компании Parker было оптимизировано с использованием ANSYS, включая топливные системы, жидкостные кольцевые насосы, пневматические клапаны, центробежные топливные и шестеренчатые насосы и системы охлаждения электронных компонентов. Подобно тому, какой путь проделали FEA-решения несколько десятков лет назад, CFD становится неотъемлемой частью процесса разработки изделий компании Parker Aerospace, сокращая время процесса разработки и затраты, при этом помогая создать изделие с оптимальными характеристиками.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Технологии

Алгоритм трансляции топологического рисунка из ALTIUM DESIGNER в SIWAVE

Аторы: Карабан В., Зырин И., Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Томск

На данный момент для решения проблемы целостности сигналов в печатных платах, полученных средствами Altium Designer необходимо проводить анализ в специализированном программном обеспечении. Одним из лидеров является продукт компании ANSYS, Inc., программа SIwave, позволяющая выполнить сквозной анализ по целостности сигнала и целостности цепей питания в широком диапазоне частот: от постоянного тока до, более чем 10 Гбит/с. В SIwave производится полный анализ каналов передачи данных, шин питания и земли. Зачастую в процессе трансляции топологии из среды разработки в среду анализа возникают различные препятствия и трудности, которые требуют затрат времени на их решение. Цель данной работы — продемонстрировать алгоритм трансляции топологии, полученной средствами Altium Designer в SIwave для проведения дальнейшего анализа и решения возможных проблем.

Ðèñ.1 Àëãîðèòì òðàíñëÿöèè òîïîëîãèè â SIwave

www.ansyssolutions.ru

Передача осуществляется в несколько этапов согласно алгоритму, приведенному на рис. 1. На первом этапе для передачи топологии будет использован интеллектуальный формат данных ODB++, который содержит всю необходимую для анализа информацию [1], а так же легко импортируется в среду AnsoftLinks. На основе исходной топологи (см. рис. 2) создается каталог с ODB++ файлами. Для создания каталога, находясь в режиме редактирования топологии, необходимо выполнить команду File –> Fabrication Outputs –> ODB++ Files. В открывшемся окне настроек отмечаем только необходимые слои для экспорта; устанавливаем галочку для «Include unconnected mid-layer pads» и нажимаем на кнопку «OK». После этого в каталоге с выходными файлами проекта «Project Outputs for…» будет сформирована папка «odb». На втором этапе необходимо перенести каталог «odb» в директорию, которая не содержит в пути к ней и названии недопустимых сим-

Ðèñ.2. Èñõîäíàÿ òîïîëîãèÿ

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Ðèñ.3. Îøèáêà èìïîðòà ïðè îòñóòñòâèè òðàíñëÿòîðà волов (кириллица, символ «-» и т. п.), например, «D:\odb». Затем в AnsoftLinks необходимо запустить окно импорта «Import ODB++ Design»; для типа архива выбрать «Directory»; указать путь к каталогу «odb» и нажать кнопку «Import». В некоторых случаях возможно возникновение ошибки, показанной на рис. 3. Данная ошибка возникает вследствие того, что для перекодирования формата ODB++ в нейтральный формат Ansoft Neutral File (ANF) [2] необходимо установить дополнительное ПО «Ansoft translators for ECAD geometry». После установки требуется повторить второй этап. В случае если в результате импортирования процесс транслирования завершился не полностью (см. рис. 4), необходимо проверить топологию и провести процесс создания каталога «odb» заново. Чаще всего неудачи при транслировании связаны с использованием русскоязычных букв в названиях компонентов, цепей, посадочных мест. Остальные ошибочные символы автоматически заменяются знаком «_». В конечном итоге трансляция завершится полностью, и в окне AnsoftLinks отобразится импортированная модель (рис. 5). На третьем этапе проверка импортированной топологии в AnsoftLinks осуществляется визуально, сравнением списка цепей и слоев путем переключения между вкладками «Layers/Nets». На четвертом этап экспорта в SIwave следует выполнить команду «File –> Export –> into SIwave», затем произойдет автоматический запуск SIwave с последующим переносом топологии (рис. 5).

Ðèñ.4. Ïðèìåð ÷àñòè÷íîãî èìïîðòèðîâàíèÿ òîïîëîãèè

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ.5. Òîïîëîãèÿ â SIwave

Ðèñ.6. Îêíî Launch Validation Check Пятый этап проверки топологии в SIwave осуществляется специальным модулем «Launch Validation Check». Для запуска необходимо нажать пиктограмму 3 «Validate» на панели инструментов. Затем в окне модуля проверки (см. рис. 6) выбираем необходимые типы ошибок и нажимаем кнопку «OK». После окончания проверки в окне «Validation Check Results» будут показаны ошибки, обнаруженные в топологии. Часть ошибок можно устранить автоматически, поставив галочку перед словом «Auto Fix» и нажав кнопку «OK». Ошибки, которые не устраняются автоматически, необходимо устранить в исходной топологии и провести процесс передачи топологии заново. С помощью описанного алгоритма с учетом анализа и исправления возникающих ошибок, можно точно транслировать топологический рисунок из AltiumDesigner в SIwave. Ëèòåðàòóðà 1. ODB++ Intelligent data exchange between design and manufacturing // Mentor Graphics. 2011. 2 c. 2. Ansoft Neutral File Format // Cadfamily. 2007. 36 ñ.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Технологии

Исследование уровня выделения мощности индуктором на заготовку в зависимости от геометрии в ANSYS Maxwell

Авторы: Карабан В., Зырин И., Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Томск

Индукторы применяются для нагрева различных заготовок переменным током. Не секрет, что для повышения эффективности нагрева, необходимо повышать частоту или величину тока, что зачастую экономически и/или технологически не целесообразно. На данный момент существует множество конструкций индукторов, позволяющих получать различное распределение магнитного потока. Для определения наибольшей величины энергии, переданной проводнику в зависимости от конструкции индуктора, в ходе данной работы проведено компьютерное моделирование различных вариантов индукторов и посчитана величина передаваемой энергии на проводник.

Исследования Для проведения моделирования построены модели индукторов, состоящих из медного витка

источника, заготовки и ферритового магнитопровода. Они отличаются друг от друга конструкцией и различным диаметром заготовки (рис. 1). В ходе моделирования была выбрана расчётная среда ANSYS Maxwell, которая является ведущим программным обеспечением для моделирования электромагнитных полей, и применяется для исследования и проектирования двумерных, трёхмерных моделей, таких как двигатели, трансформаторы, индукторы, датчики, а также других электрических и электромеханических устройств различного применения. Программный комплекс ANSYS Maxwell основан на методе конечных элементов (Finite Element Method — FEM) и позволяет точно рассчитывать статические, гармонические, электромагнитные и электрические поля. В качестве материалов заготовки были выбраны железный и медный проводники толщиной 0.5 мм, 1.0 мм и 1.5 мм.

Ðèñ. 1. Âàðèàíòû êîíñòðóêöèé íàãðåâàòåëüíûõ èíäóêòîðîâ (ñëåâà–íàïðàâî): ¹1–4

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Ðèñ. 2. Ðåçóëüòàòû ïîñòðîåíèÿ ðàñ÷¸òíîé ìîäåëè («Eddy Current»)

Ðèñ. 3. Ðåçóëüòàò ïîñòðîåíèÿ ðàñ÷¸òíîé ìîäåëè («Impedance Boundary») Для моделирования использовался тип решения вихревых токов («Eddy Current») на частоте 2.0 МГц, построена упрощенная модель и на медном витке установлен источник тока номиналом 2.0 А. Построение сетки в ANSYS Maxwell для расчета поверхностных токов осуществляется за счет добавочного разбиения сетки в глубину тела на величину скин-слоя. В процессе расчёта модели области, имеющие повышенную важность, будут дробиться более мелко с каждым пересчётом до тех пор, пока не будет достигнута заданная точность, либо максимальное значение пересчётов (рис. 2а). Для получения результата с точностью в 2% (рис. 2б) потребовалось построить 658547

Ðèñ. 4. Ïàðàìåòðû ãåîìåòðèè ¹1 тетраэдров и потратить 211 минут реального времени и 94 минуты процессорного времени. В ANSYS Maxwell имеется возможность получить тот же результат, но с меньшими затратами. Для этого необходимо вокруг заготовки установить граничное условие «Impedance Boundary» с параметрами проводимости и проницаемости такими же, как у материала заготовки и отключить необходимость решения самой заготовки. При получении результата с точностью в 0.5% (рис. 3) потребовалось построить 157529 тетраэдров, затратить 6 минут реального времени и 5.56 минут процессорного времени. Так как результат, полученный с использованием граничного условия «Impedance Boundary», более точный и требует меньших затрат, дальнейшие исследования будут проводиться на подробных моделях. Для исследования конструкции №1 индуктора (рис. 4), необходимо определить влияние изменения зазора H и расстояния L на нагрев заготовки с разным диаметром D, и выбрать наиболее оптимальный вариант. В ходе проведения моделирования было построено 15 расчётных моделей с переменными значениями H, L, D (см. табл. 1) и различным материалом заготовки.

Òàáëèöà 1. Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ ãåîìåòðèè ¹1. Ìîäåëü ¹ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

www.ansyssolutions.ru

Ìàòåðèàë çàãîòîâêè Æåëåçî Ìåäü Æåëåçî Ìåäü Æåëåçî Ìåäü Æåëåçî Ìåäü Æåëåçî Ìåäü Æåëåçî Ìåäü Æåëåçî Ìåäü Æåëåçî

H, ìì 0.20 0.20 0.10 0.10 0.02 0.02 0.10 0.02 0.10 0.02 0.10 0.02 0.10 0.02 0.10

D, ìì 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.5 0.5 1.5

L, ìì 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.0 2.0 1.5 1.5 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

Ìîùíîñòü, Âò 5.7430 0.5047 10.5359 0.5496 9.3700 0.5355 1.1844 0.4982 12.4841 0.4470 15.5237 0.4059 9.8408 0.6499 8.0032

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Технологии

22 Ðèñ. 5. Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà, ïîëó÷åííûå íà ìîäåëè ¹11

Ðèñ. 6. Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà, ïîëó÷åííûå íà ìîäåëè ¹4

Òàáëèöà 2. Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ ãåîìåòðèé ¹2 è 3. Ìîäåëü ¹ 16 17 18

Ìàòåðèàë ïðîâîäà Æåëåçî Ìåäü Æåëåçî

19 20 21 22 23 24

Æåëåçî Ìåäü Æåëåçî Ìåäü Æåëåçî Ìåäü

Ãåîìåòðèÿ ¹2 Òîê, A Ìîùíîñòü, Âò 2 9.8199 2 0.4098 2 2.3279 Ãåîìåòðèÿ ¹3 2 13.9400 2 0.4838 2 2.3900 2 0.2120 2 1.1200 2 0.0670

Для железного проводника самой оптимальной является геометрия со значениями H = 0.1 мм и L = 1.0 мм (рис. 5). Для медного проводника самой оптимальной является геометрия со значениями H = 0.1 мм и L = 2.5 мм (Рисунок 6). Для исследования конструкции второго и третьего индукторов (рис. 7 и 8, соответственно) было построено 9 расчётных моделей с различ-

×àñòîòà, ÌÃö 2 2 2

D, ìì 1.5 1.5 1.0

2 2 2 2 2 2

1.5 1.5 1.0 1.0 0.5 0.5

ным диаметром и материалом заготовки. Результаты моделирования геометрий №2 и 3 сведены в табл. 2. Для железного и медного проводника наилучшим образом показала себя геометрия №3 (рис. 9 и 10). Для исследования конструкции №4 индуктора (рис. 11) необходимо определить влияние

Ðèñ. 7. Ïàðàìåòðû ãåîìåòðèè ¹2 Ðèñ. 9. Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà, ïîëó÷åííûå íà ìîäåëè ¹19

Ðèñ. 8. Ïàðàìåòðû ãåîìåòðèè ¹3

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 10. Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà, ïîëó÷åííûå íà ìîäåëè ¹20

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

толщиной 1.0 мм минимальным диаметром будет 1.0 мм. Но так как максимальный диаметр заготовки 1.5 мм, следовательно, он является минимальным диаметром медного витка (модели 33 и 34).

Выводы В работе рассмотрены возможности расчёта электромагнитных полей распространённых конструкций индуктора средствами ANSYS Max-

Ðèñ. 11. Ïàðàìåòðû ãåîìåòðèè ¹4 Òàáëèöà 3. Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ ãåîìåòðèé ¹4. Ìîäåëü ¹ 25 29 33 34

Ìàòåðèàë ïðîâîäà Æåëåçî Æåëåçî Æåëåçî Ìåäü

Òîê, A 2 2 2 2

диаметра A на нагрев и выбрать наиболее оптимальный вариант. В ходе моделирования было простроено 4 расчётные модели с переменным значением A (табл. 3) и различным материалом заготовки. Для железного и медного проводников оптимальной является модель с минимальным диаметром A. Следовательно, для заготовки

Ìîùíîñòü, Âò 1.1300 2.8100 3.5000 0.2519

×àñòîòà, ÌÃö 2 2 2 2

A, ìì 7.5 3.0 1.5 1.5

well, показана высокая эффективность применяемых подходов. На основе результатов проведённого компьютерного моделирования подобраны оптимальные параметры конструкции индуктора для повышения, при прочих равных условиях, эффективности нагрева заготовок переменным током.

Новости и события Компании «Т-Платформы» и «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» объединяют усилия для внедрения технологий суперкомпьютерного моделирования в промышленности 22 августа 2012 г., Москва— Компания «ТПлатформы», международный разработчик суперкомпьютеров и поставщик полного спектра решений и услуг для высокопроизводительных вычислений, и компания «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», специализирующейся на оказании профессиональных консалтинговых услуг инженерного анализа с применением компьютерного моделирования в различных областях физики, а также внедрении и технической поддержке наукоемких программных комплексов компании ANSYS, Inc. объявляют о заключении соглашения о сотрудничестве. Первым совместным проектом, реализованным в рамках сотрудничества, станет поставка программных пакетов ANSYS в отраслевой центр высокопроизводительных вычислений ОАО «ЦНИИ «Буревестник», построенный компанией «Т-Платформы». Данное ПО будет применяться заказчиком для инженерных

www.ansyssolutions.ru

расчетов физико-технологических параметров новейших образцов артиллерийского вооружения, разрабатываемого по заказу Министерства обороны Российской Федерации. Соглашение с «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» позволит «Т-Платформы» предлагать заказчикам комплексные программно-аппаратные решения для инженерного анализа в промышленности и науке с предустановленными лицензионными пакетами ANSYS предназначенными для решения широкого спектра задач виртуального проектирования изделий с применением суперкомпьютерных технологий. В рамках сотрудничества будут разработаны оптимизированные суперкомпьютерные комплексы, позволяющие получить максимальную производительность различных классов расчетных задач. Партнеры объединят усилия для оказания многоуровневой технической поддержки и консалтинга пользователям программноаппаратных решений «Т-Платформы», продвижения передовых методов инженерного анализа в промышленности и развития российского рынка высокопроизводительных вычислений.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Технологии

Прогнозирование надежности плат на основе LTCC-технологии для бортовой радиоэлектронной аппаратуры космического назначения

Авторы: Карабан В., Сунцов С., Сухоруков М., Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Томск

Актуальность При решении задач увеличения ресурса бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов до 15 лет, улучшения ее габаритномассовых характеристик, повышения надёжности электронных систем и многого другого. становится очевидным, что традиционные конструкторско-технологические решения, основанные на печатных платах, подходят к физическому пределу возможности улучшения электрических параметров и габаритно-массовых характеристик. Причины такой ситуации состоят в следующем: – предельное разрешение «проводник/зазор» ограничено технологией изготовления печатных плат; – высокий коэффициент температурного расширения, вызывающий в ряде случаев растрескивание безвыводных элементов в керамических корпусах; – низкая теплопроводность печатных плат, что вызывает необходимость применения теплоотводов, увеличивающих габариты и массу радиоэлектронной аппаратуры (РЭА); – потенциальная возможность развития коррозионных процессов в течение длительной эксплуатации РЭА (вследствие «мокрых» процессов обработки), приводящих к ее отказам. Применение традиционных толстопленочных микросборок не дает требуемого эффекта

www.ansyssolutions.ru

по причине малого формата подложки (максимально 60 х 45 мм2), ограничений по количеству формируемых проводящих слоев и по их допустимой токовой нагрузке. Освоенная в настоящее время высокотемпературная многослойная керамика ограничивает возможности применения материалов с высокой проводимостью (вместо палладия, серебра и золота применяется вольфрам, молибден и другие тугоплавкие металлы). Высокая температура спекания не позволяет создавать пассивные элементы внутри слоистой структуры, а применяемая при спекании керамических плат водородная среда не только энергозатратна, но пожаро- и взрывоопасна. Для исключения недостатков традиционных печатных плат, плат толстопленочных микросборок и плат на основе высокотемпературной керамики предлагается применять в РЭА различного назначения модули на основе коммутационных плат из низкотемпературной совместно-обжигаемой керамики [1-3]. Низкотемпературная совместно обжигаемая керамика (Low Temperature Co-fired Ceramics, LTCC) используется в системе керамических подложек, которые применяются в электронных схемах, как недорогая и конкурентоспособная технология подложек с почти произвольным количеством слоев. В общем, используются печатные золотые и серебряные проводники или композиции с платиной или палладием. Также ис-

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

пользуются медные проводники. Металлизирующие пасты наносятся через трафарет в переходные отверстия и на поверхность каждого слоя необожженой или «сырой» керамической пленки, после чего следует сборка пакета и прессование под определенным давлением. Пакет многослойной керамики обжигается на заключительном этапе производства. Температура обжига — 870°С для керамики Green Tape™ фирмы DuPont. Эта относительно низкая температура делает возможным обжиг золотых и серебряных проводников. Точка плавления Au и Ag 960 и 1100°С, соответственно. Низкие потери в линиях, а также небольшие затраты на производство являются преимуществом коммутационных плат из низкотемпературной керамики для высокочастотных и сверхвысокочастотных узлов и приборов.

Постановка задачи Существующая статистическая теория надёжности позволяет прогнозировать основные параметры надёжности РЭА на основе результатов сбора сведений об отказах в различных системах в ходе эксплуатации [4]. При проектировании новых устройств прогнозирование надёжности при использовании новых конструктивных решений и новой элементной базы требует новых данных об интенсивности отказов, которые могут быть получены только по результатам эксплуатации новых систем. Вместе с тем, отказы являются результатом физико-технологических дефектов в конструкциях РЭА, прогнозировать которые можно только на основе анализа процессов при изготовлении и функционировании конкретных изделий в конкретных условиях производства и эксплуатации. При работе указанных устройств в широком температурном диапазоне с циклическими воздействиями (солнечная сторона и теневая сторона) вследствие разности температурных коэффициентов линейного и объёмного расширения различных конструктивных элементов из различных материалов возникают напряжённо-деформируемые состояния, приводящие к усталостным изменениям в таких элементах как проводники, паянные и клеёные соединения, полупроводниковые чипы, платы и подложки. Именно они приводят к механическим и электрическим разрушениям и отказам после определённого времени работы. Авторами статьи предлагается методика анализа напряжённо-деформируемых состояний в перспективных модулях космической РЭА, на основе многослойной низкотемпературной керамики марки Green Tape 951 фирмы DuPont с использованием пакета прикладных программ, интегрированных в ANSYS Workbench. В ходе моделирования составляется геометрическая

www.ansyssolutions.ru

модель конкретного устройства, на основе которой определяется количество рабочих циклов, необходимых для накопления усталостных напряжений и механического разрушения элементов конструкции. Полученные данные позволяют сделать вывод о долговечности анализируемой конструкции и синтезировать конструктивные решения, соответствующие требованиям технического задания. Основной проблемой в достижении изложенной выше цели являются достоверные данные о теплофизических и механикофизических характеристиках материалов, применяемых в исследуемых конструкциях.

Подготовка модели Исправление проблемных мест После того как геометрическая модель добавлена в проект, необходимо проверить ее на наличие проблемных мест, которые могут появиться в результате трансляции. Проблемные места в геометрии приводят к увеличению времени расчета, числа элементов расчетной сетки, а, зачастую, и вовсе к невозможности ее построения. Различают следующие проблемные места: отсутствие поверхности; «расслоение» поверхности; сложная грань; малая грань; острый угол и прочие. Поиск и исправление проблемных мест в геометрии осуществляется средствами среды DesignModeler с помощью соответствующих команд меню. Типичное исправление геометрии заключается в следующем: — поиск неисправностей на основе конкретных критериев: например, максимальный и минимальный угол, поверхность и т.д.; — анализ списка проблемных мест геометрии и выбор метода их исправления на основе имеющихся методов; В геометрической модели модуля коммутационной платы из низкотемпературной совмест-

Ðèñ.1. Âèçóàëèçàöèÿ îñòðîãî óãëà âñëåäñòâèå îáðûâà ïðîâîäíèêà â ìåñòå ïåðåõîäíîãî îòâåðñòèÿ

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Технологии блематичным (требуется построение более мелкой сетки). Проблемную поверхность требуется удалить (Face Delete). Работа с базой данных физических характеристик материалов электронных модулей КП НТК Перечень материалов применяемых в ЭРИ и конструкции электронного модуля КП НТК, представлен в таблицах 1 и 2.

Òàáëèöà 1. Ìàòåðèàëû ýëåìåíòîâ êîíñòðóêöèè ìîäóëÿ ÊÏ ÍÒÊ [5]

Ðèñ. 2. Óäàëåíèå ïîâåðõíîñòåé, îáðàçóþùèõ îñòðûé óãîë но-обжигаемой керамики (КП НТК) был проведен поиск острых углов (Tools > Repair > Repair Sharp Angles), примеры которого представлены на рис. 1, 2. Острый угол на рис. 1 образован вследствие некорректной трансляции геометрической модели электронного модуля КП НТК из электрической САПР Altium Designer в механическую САПР SolidWorks. При попытке исправления этой ошибки средствами Repair Sharp Angles DesignModeler появляется ошибка о невозможности исправить подобную геометрию. Предлагается воспользоваться средствами САПР SolidWorks либо инструментами по работе с трехмерной геометрией DesignModeler. Для исправления проблемных мест в геометрии, пример которых изображен на рис. 2, достаточно удалить поверхности, участвующие в образовании острых углов. По окончании необходимо провести повторный поиск на наличие острых углов, чтобы удостовериться в отсутствии таковых. Помимо вышеописанных проблем в геометрической модели электронного модуля КП НТК (наличие острых углов), керамический слой 4 платы содержит лишнюю поверхность (рис. 3), из-за которой построение сетки становится про-

Ýëåìåíò êîíñòðóêöèè ìîäóëÿ Ñëîé ïëàòû Âíóòðåííèå ïðîâîäÿùèå ñëîè Íàðóæíûå ïðîâîäÿùèå ñëîè Ïðåöèçèîííûå ïðîâîäíèêè Ïåðåõîäíûå îòâåðñòèÿ Âíóòðåííèå (ñðûòûå) ðåçèñòîðû Íàðóæíûå ðåçèñòîðû

Ìàòåðèàë êåðàìèêà DuPont Green Tape 951 ñåðåáðÿíûå ïàñòû 6142D, 6148 è ôîòî÷óâñòâèòåëüíàÿ ïàñòà 6453 ñåðåáðåíî-ïëàòèíîâàÿ ïàñòà QS 171 ôîòîïàñòû 6778 è Q170P ñåðåáðÿíàÿ ïàñòà 6141 ïàñòû ñåðèè CF ïàñòû ñåðèè QT-80

Òàáëèöà 2. Ìàòåðèàëû ýëåìåíòîâ êîíñòðóêöèè ÝÐÈ ìîäóëÿ ÊÏ ÍÒÊ ÝÐÈ Èíäóêòèâíîñòü Êîíäåíñàòîðû

Ìèêðîñõåìà

Ðåçèñòîð

Ýëåìåíò êîíñòðóêöèè ÝÐÈ îáìîòêà êîðïóñ ïîäëîæêà âíåøíèé êîíòàêò ñîñåäíèé êîíòàêò âíóòðåííèé êîíòàêò âûâîäû ïîäëîæêà ÷èï ðåçèñò âíåøíèé êîíòàêò ñðåäíèé êîíòàêò âíóòðåííèé êîíòàêò ïîäëîæêà çàùèòíîå ïîêðûòèå

Ìàòåðèàë ìåäü êåðàìèêà (Al2Î3) êåðàìèêà (Al2Î3) îëîâî íèêåëü ñåðåáðî ìåäü êåðàìèêà (Al2Î3) êðåìíèé ãðàôèò îëîâî íèêåëü ñåðåáðî êåðàìèêà (Al2Î3) îêñèä êðåìíèÿ

Для керамики Green Tape 951 впервые были получены/уточнены экспериментальные значения тепловых и механических характеристик, в том числе надёжности (долговечности) [6, 7]. Результаты построения расчетной сетки приведены на рис. 4.

Стационарный тепловой анализ Ðèñ. 3. Èëëþñòðàöèÿ ëèøíåé ïîâåðõíîñòè â ãåîìåòðèè ìîäóëÿ

www.ansyssolutions.ru

Постановка задачи Согласно условиям эксплуатации модуля КП НТК, изменение температуры внешней среды

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Ðèñ. 4. Ðàñ÷åòíàÿ ñåòêà: à — âèä ñïåðåäè; á — âèä ñçàäè. Îáùåå êîëè÷åñòâî óçëîâ: 2732226, ýëåìåíòîâ: 1194081

(вакуум) лежит в диапазоне от –40 до +30°С. Изменение температуры термостабильной плиты — от +30 до +40°С. Для реализации условий, описанных выше, необходимы следующие типы граничных условий: температура (Temperature) — для задания температуры от термостабильной плиты (граничное условие I-рода) (4.1) и радиация (Radiation) — для задания температуры вакуума (граничное условие III-рода) (4.2). TПОВ = TЗАД,

(4.1)

поверхности — для задания теплообмена излучением. При задании начальных условий считаем, что температура конструкции модуля КП НТК в начальный момент времени (Т0) распределена равномерно: .

(4.4)

Помимо температуры и радиации, требуется задать рассеиваемую мощность на ЭРИ. Для этого необходимо воспользоваться удельной

где TПОВ — температура соответствующей поверхности модуля КП НТК; TЗАД — температура заданная. ,

(4.2)

где εПР — приведённый коэффициент черноты поверхности тела и окружающей среды; σ — постоянная Стефана-Больцмана; TВН — температура внешней среды. Приведенный коэффициент черноты поверхности тела и окружающей среды вычисляется по формуле: (4.3) где εП – коэффициент черноты поверхности тела; εВН — коэффициент черноты внешней среды. Элементы геометрической конструкции, соответствующие задаваемым условиям: нижняя поверхность модуля КП НТК — для задания температуры от термостабильной плиты; верхняя (включающая ЭРИ, топологию проводников, контактных площадок, слой платы) и боковые

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 5. Óñòàíîâèâøååñÿ òåìïåðàòóðíîå ïîëå ìîäóëÿ ÊÏ ÍÒÊ

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Технологии

рассеиваемой мощностью (Internal Heat Generation). Удельная рассеиваемая мощность рассчитывается как отношение рассеиваемой мощности ЭРИ к объему тепловыделяющего элемента конструкции ЭРИ: ,

(4.5)

где Руд — удельная рассеиваемая мощность; Ррас — рассеиваемая мощность; V — объем тепловыделяющего элемента конструкции ЭРИ. Пример результата проведенного стационарного теплового моделирования приведен на рис. 5.

Статический конструкционный анализ Постановка задачи Для статического прочностного расчета (Static Structural). Для приложения инерционных нагрузок, необходимо задать Density (Плотность). Для приложения тепловых нагрузок требуется задание Thermal conductivity (теплопроводность) и Thermal expansion coefficient (температурный коэффициент линейного расширения). Если анализируется запас прочности, необходимо также указать предельные напряжения, а именно — текучести, прочности. Тепловыми нагрузками в конструкционном анализе являются температуры. Различные температуры могут быть заданы для разных частей и объектов геометрической модели. В случае тепловых нагрузок сначала решается тепловая задача, затем рассчитанные температурные поля автоматически передаются на

Ðèñ. 6. Äåôîðìàöèÿ (ïåðåìåùåíèÿ) êîíñòðóêöèè ìîäóëÿ ÊÏ ÍÒÊ

www.ansyssolutions.ru

расчет напряжённо-деформированного состояния (НДС) (связанная задача). Возникающая в данном случае тепловая деформация вычисляется с помощью уравнения: , где εth — тепловая деформация; α — температурный коэффициент линейного расширения; T — текущая температура; Тref — исходная температура, относительно которой измеряется тепловое расширение. Примеры результатов механического расчета приведены на рис. 6 и 7. Анализ надёжности (усталостной долговечности) После получения результатов механического моделирования, переходят к расчету усталостной долговечности (многоцикловой усталости) Fatigue (Solution > Insert > Fatigue > Fatigue Tools). Для расчета усталостной долговечности необходимы результаты НДС конструкции электронного модуля КП НТК при термоциклировании, т.е. при температурах термостабильной плиты: +30°С и +40°С. Реализовать подобное возможно либо двумя шагами по нагрузке (соответственно в тепловом и механическом анализе) либо двумя разными вариантами нагружения (отдельными анализами для +30°С и +40°С внешней среды). После этого необходимо создать комбинацию результатов (Solution Combination), в которой указать эти два режима.

Ðèñ. 7. Íàïðÿæåíèÿ êîíñòðóêöèè ìîäóëÿ ÊÏ ÍÒÊ

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Далее в созданную комбинацию результатов (Solution Combination) следует добавить усталостный решатель (Fatique Tool), в опциях нагружения которого следует установить тип Non-Proportional. Примеры результатов усталостного анализа электронного модуля: усталостный ресурс (Life, рис. 8), коэффициент запаса по долговечности (Safety Factor, рис. 9), усталостное повреждение (Damage, рис. 10), двухосность напряжений (Biaxiality Indication, рис. 11).

ражает число блоков нагрузки, выполняемых до отказа. Таким образом, если история приложения нагрузок составляет 2 часа эксплуатации, а ресурс равен 24 000, ожидаемая наработка детали (до отказа) составит 48 000 часов (2 000 дней).

Ðèñ. 10. Óñòàëîñòíîå ïîâðåæäåíèå

Ðèñ. 8. Óñòàëîñòíûé ðåñóðñ

Ðèñ. 11. Äâóõîñíîñòü íàïðÿæåíèé

Ðèñ. 9. Êîýôôèöèåíò çàïàñà ïî äîëãîâå÷íîñòè Усталостный ресурс (рис. 10) может отображаться для полной модели электронного модуля КП НТК или для ее части, то есть точно так же, как любой другой результат в среде ANSYS Workbench (для деталей, поверхностей, ребер и точек). Контурное изображение демонстрирует длительность возможного жизненного цикла для данного расчета выносливости. Если нагрузка имеет постоянную амплитуду, то изображение отображает число циклов, после которых может начаться усталостное разрушение. Если нагрузка не является постоянной, изображение отоб-

www.ansyssolutions.ru

При использовании напряжений с постоянной амплитудой в том случае, если амплитуда переменных напряжений ниже самого малого значения на кривой выносливости, применяется жизненный цикл, определенный для данной точки кривой. Коэффициент запаса по долговечности (рис. 9) соответствует значениям коэффициента запаса (прочности) по отказу для данного жизненного цикла. Максимальное значение коэффициента запаса, которое можно отобразить, равно 15. Подобно усталостному повреждению, результат может быть ограничен. Запас прочности меньше 1 указывает на отказ, происходящий ранее истечения планируемого жизненного цикла. Усталостное повреждение (рис. 10) соответствует повреждению конструкции для

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Технологии

данного жизненного цикла. Усталостное повреждение равно отношению проектного ресурса к располагаемому ресурсу. Результат может иметь ограничения. По умолчанию жизненный цикл может быть указан пользователем. Значение усталостного повреждения, превосходящее 1, указывает на отказ до достижения предполагаемого срока эксплуатации. Усталостные свойства материалов основаны на одноосных напряжениях, но в действительности напряжённое состояние обычно является многоосным. Такой вид результатов дает пользователю информацию о виде тензора напряжений и способах интерпретации результатов. Признак двухосных напряжений (рис. 11) определяется как меньшее по величине главное напряжение, деленное на самое большое значение главного напряжения, причем главное напряжение, близкое к нулю, игнорируется. Нулевое значение соответствует одноосному НДС, значение равное минус 1 — чистому сдвигу, а значение равное плюс 1 — чистому двухосному НДС. При использовании признака двухосного НДС вместе с изображением запаса прочности (описанного выше) можно увидеть, что точки с наибольшими усталостными повреждениями находятся главным образом в зоне одноосного напряжения. Если же наиболее повреждаемая зона находится в зоне чистого сдвига, для расчета могут потребоваться данные кривой Веллера для образцов, испытываемых в условиях кручения. Разумеется, сбор экспериментальных данных при различных условиях нагружения является весьма дорогим процессом и выполняется не очень часто. Следует отметить, что для непропорциональной усталостной нагрузки имеются несколько типов НДС, а потому в каждом узле не существует единого значения коэффициента. Поэтому в случае, если нагрузка непропорциональна, пользователь может выбрать среднее значение или стандартное отклонение коэффициента двухосности напряжений. Показатель двуосности помогает определить, является ли напряжённое состояние в области интереса сходным с условиями испытания.

Заключение Использование результатов выполненных исследований в практике проектирования бортовой радиоэлектронной аппаратуры космического назначения позволит повысить её надёжность, в том числе ресурс, за счет снижения проектных ошибок и технологических дефектов, оптимиза-

www.ansyssolutions.ru

ции режимов функционирования в процессе эксплуатации. В работе изложены научно обоснованные методы математического моделирования напряжённо-деформированных состояний радиотехнических устройств космического назначения, выполненных с применением новой технологии коммутационных плат из низкотемпературной керамики, имеющие существенное значение для дальнейшего развития космической отрасли России и повышения её конкурентоспособности на мировом рынке. Ëèòåðàòóðà 1. Ìîäåëèðîâàíèå è èñïûòàíèå ïëàò íà îñíîâå LTCC òåõíîëîãèè äëÿ áîðòîâîé àïïàðàòóðû êîñìè÷åñêèõ àïïàðàòîâ / À.À. Õâàëüêî, Ñ.Á. Ñóíöîâ, Â.Ì. Êàðàáàí, Â.Ï. Àëåêñååâ // XVII Íàó÷íî-òåõíè÷åñêàÿ êîíôåðåíöèÿ «Ýëåêòðîííûå è ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ñèñòåìû è óñòðîéñòâà». Òðóäû êîíôåðåíöèè. 22–23 àïðåëÿ 2010 ã. — Òîìñê: ÎÀÎ «ÍÏÖ «Ïîëþñ». 2. Drue, K.H. RF Models of passive LTCC components in the lower GHz range. / K.H. Drue, H. Thust, J. Muller . // «Applied Microwave & Wireless», April 1998. 3. DuPont Microcircuit Materials, Low Temperature Cofire Dielectric Tape 951 Green Tape / Product Selector Guide, Rev. — 2004, ¹1. 4. ×èñëåííîå ìîäåëèðîâàíèå íàïðÿæåííîäåôîðìèðîâàííûõ ñîñòîÿíèé ìîäóëÿ èç íèçêîòåìïåðàòóðíîé ñîâìåñòíî-îáæèãàåìîé êåðàìèêè âñëåäñòâèå òåïëîâûõ ðåæèìîâ ðàáîòû áîðòîâîé ðàäèîýëåêòðîííîé àïïàðàòóðû. ×àñòü 1 — Ïîñòàíîâêà çàäà÷è. Ïîäãîòîâêà ê ìîäåëèðîâàíèþ / Â.Ï. Àëåêñååâ, Â.Ì. Êàðàáàí, Ñ. Á. Ñóíöîâ, Ñ.Â. Ïîíîìàðåâ // Äîêëàäû ÒÓÑÓÐà. — Òîìñê, 2010. ¹2 (22). ×àñòü 1. — Ñ. 229-231. 5. ×èñëåííîå ìîäåëèðîâàíèå íàïðÿæåííîäåôîðìèðîâàííûõ ñîñòîÿíèé ìîäóëÿ èç íèçêîòåìïåðàòóðíîé ñîâìåñòíî-îáæèãàåìîé êåðàìèêè âñëåäñòâèå òåïëîâûõ ðåæèìîâ ðàáîòû áîðòîâîé ðàäèîýëåêòðîííîé àïïàðàòóðû. ×àñòü 2 — Ïðîâåäåíèå ÷èñëåííîãî ìîäåëèðîâàíèÿ / Â.Ï. Àëåêñååâ, Â.Ì. Êàðàáàí, Ñ.Á. Ñóíöîâ, Ñ.Â. Ïîíîìàðåâ // Äîêëàäû ÒÓÑÓÐà. — Òîìñê, 2010. ¹2 (22). ×àñòü 1. — Ñ. 232-235. 6. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû îïðåäåëåíèÿ ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê êåðàìèêè / Í.Í. Ìàðèöêèé, Ñ.Â. Ïîíîìàðåâ, Â.Ì. Êàðàáàí, À.Ê. Êàðàâàöêèé, Ñ.Á. Ñóíöîâ, À.À. Õâàëüêî // Èçâåñòèÿ âûñøèõ ó÷åáíûõ çàâåäåíèé. Ôèçèêà. — Òîìñê: ÒÃÓ, 2010. ¹ 12/2. Òîì 53. — Ñ. 148-154. 7. Èññëåäîâàíèå òåïëîâûõ ñâîéñòâ êåðàìèêè GreenTape 951 / Â.Ì. Êàðàáàí, Ò.À. Èñëåíòüåâà, Å. À. Ìàòþøêèíà, Ñ.Á. Ñóíöîâ, À.À. Õâàëüêî // Èçâåñòèÿ âóçîâ. Ôèçèêà, 2011. Ò. 54, ¹10/2. — Ñ.88-91.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Технологии

Применение ANSYS при расчете антенн портативных устройств Автор: Bert Buxton, Synapse Product Development, Сиэтл, США

В последние годы портативные беспроводные устройства получили большое распространение в медицине, спорте, правоохранительных органах, сфере развлечений и других областях. Например, министерство обороны США разрабатывает беспроводное устройство, которое позволит медикам отслеживать основные показатели жизнедеятельности бойцов. Также беспроводные устройства позволяют измерять и записывать показатели спортсменов, такие как скорость бега и количество шагов. Независимо от сферы применения, использование беспроводного устройства в непосредственной близости от человеческого тела создает множество трудностей при проектировании. Уровень энергии, излучаемой устройством, не должен превышать допустимых для организма человека норм. Для удобства ношения, размер устройства, вес и потребление энергии должны быть минимальными. Однако устройство должно быть достаточно мощным, чтобы обеспечивать устойчивую связь с устройством-приемником, несмотря на то, что значительная часть энергии поглощается человеческим телом.

пользуют комплекс ANSYS HFSS и модель человеческого тела, разработанную ANSYS, для оценки эффективности различных проектов антенн. При этом моделируется полная система, включающая беспроводное устройство, антенну и их взаимодействие с человеческим телом. Возможность оценки проекта без создания физического прототипа обычно помогает инженерам компании Synapse увеличить эффектив-

Моделирование системы Компания Synapse Product Development занимается решением данных инженерных проблем, от разработки проекта до наладки серийного производства, по заказу ведущий производителей бытовой электроники и медицинских устройств. Одним из направлений работы компании является разработка беспроводных портативных устройств для различных сфер применения. При проектировании таких устройств основной проблемой является создание антенны, поскольку человеческое тело поглощает большую излучаемой часть энергии. Специалисты Synapse ис-

www.ansyssolutions.ru

Ðåçóëüòàòû ìîäåëèðîâàíèÿ â ANSYS HFSS — ïîêàçàíà ýíåðãèÿ, ïîãëîùåííàÿ íîãîé è çåìëåé

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Технологии

Êðóãîâàÿ äèàãðàììà Ñìèòòà ïîìîãàåò èíæåíåðàì ñîãëàñîâàòü ñîïðîòèâëåíèå àíòåííû è ïåðåäàò÷èêà ность антенны в пять раз по сравнению с исходным проектом. Основной задачей антенны является передача энергии от передатчика приемнику. Для этих целей широко используется дипольная антенна. Для частоты 2.45 ГГц антенна, встроенная в печатную плату FR4, характеризующуюся длиной волны 60 мм, должна обладать длиной 30 мм. Это слишком много для большинства портативных устройств. Вместо этого, инженеры-электронщики создают антенны меньшего размера с характеристиками, максимально близкими к дипольной антенне. Например, они пытаются согласовать сопротивление излучения антенны с оптимальным сопротивлением нагрузки передатчика. Сложность геометрии антенны портативных устройств затрудняет создание изделия традиционным методом в необходимые сроки. Столкнувшись с этой и многими другими инженерными проблемами, специалисты компании Synapse испробовали различные программные комплексы для компьютерного моделирования. Комплекс ANSYS позволяет решать практически все задачи, возникающие перед инженерами, включая моделирование цепей, электромагнитных, прочностных и тепловых задач. Также ANSYS позволяет автоматически проводить многодисциплинарную оптимизацию изделий. Руководство компании Synapse приняло решение о приобретении всего набора средств моделирования у одного поставщика, что позволило облегчить процесс получения техподдержки и обучения.

ляется определение электрических свойств материалов, таких как диэлектрическая и магнитная проницаемость и тангенсы диэлектрических и магнитных потерь, электропроводность и магнитное насыщение. Оптимизация характеристик антенны требует учета того, как антенна взаимодействует с человеческим телом — в связи с этим, должен применяться системный подход. Модель человеческого тела ANSYS позволяет задавать диэлектрические константы для различных частей тела. Обычно инженеры Synapse варьируют толщину кожи от 0.4 мм до 2.6 мм и присваивают ей диэлектрическую константу 38. Толщина слоя жира выбирается с учетом всех эффектов сопротивления, обычно полдлины волны, с диэлектрической константой 5.3. Мышца является границей модели с толщиной около 20 мм и диэлектрической константой 53. HFSS автоматически создает конформную тетраэдральную сетку. Эта сетка является адаптивной и измельчается в областях, в которых необходим более точный расчет полевых величин. Программный комплекс рассчитывает все необходимые электромагнитные полевые величины в области решения. Следующим шагом является расчет S-матрицы на базе полученных данных. Полученная S-матрица позволяет быстро рассчитывать величину переданного и отраженного сигналов при заданном наборе входных параметров. Такой подход подразумевает замену полной трехмерной электромагнитной модели набором высокочастотных параметров. Моделирование в HFSS позволяет отобразить величину энергии, поглощенную телом и коэффициент усиления антенны в виде цветных контуров, отображающих человеческое тело и окружающее пространство. Обычно моделирование показывает, что области тела, которые находятся ближе к антенне, поглощают

Процесс проектирования Процесс проектирования обычно начинается с предоставления концепции проекта, включающей электронику и антенну. После этого инженеры-электронщики компании Synapse используют комплекс ANSYS HFSS для оптимизации проекта антенны. Процесс моделирования начинается с импорта геометрии исходного проекта антенны в формате SAT. Следующим этапом яв-

www.ansyssolutions.ru

Ïîãëîùåíèå ýíåðãèè ïîðòàòèâíîãî óñòðîéñòâà íà çàïÿñòüå

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Увеличение дальности и пропускной способности

Äèàãðàììà íàïðàâëåííîñòè êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ èçäåëèÿ íà çàïÿñòüå больше энергии. Если устройство находится, например, в обуви, результаты также покажут величину энергии, поглощенной землей, которая в некоторых случаях превышает энергию, поглощенную ногой. Благодаря этой информации, инженеры, проектировщики и другие специалисты могут получить лучшее понимание взаимодействия электромагнитного поля от антенны с телом и, соответственно, выбрать ее оптимальную геометрию и расположение.

Информация об эффективности работы антенны, полученная во время моделирования, играет важнейшую роль при проектировании портативных устройств. Значение коэффициента усиления антенны характеризует диапазон действия и пропускную способность устройства. Коэффициент усиления антенны также помогает в определении требуемого количества энергии для передачи, что, в свою очередь, влияет на время работы аккумулятора. В случае если одновременно используется несколько портативных устройств, их антенны оптимизируются для одновременной работы и минимизации потребления энергии. Более того, моделирование используется для уменьшения размеров антенн. При уменьшении размера антенны, снижается ее рабочий диапазон частот. Моделирование дает возможность рассчитывать не только ее характеристики в ее диапазоне частот, но и за его пределами, что позволяет избежать излучения на частотах, которые накладываются на частоты других устройств. На основе моделирования инженеры обычно могут увеличить диапазон действия изделия в пять раз (по сравнению с исходным проектом), при этом цикл разработки сокращается на три месяца по сравнению с традиционным 12месячным циклом.

Новости и события ANSYS подписывает генеральное соглашение с EADS по поставке программного обеспечения для инженерных расчетов для всех подразделений компании 7 августа 2012 г., Питтсбург, шт. Пенсильвания — Европейский аэрокосмический и оборонный концерн (EADS), крупнейшая европейская корпорация аэрокосмической промышленности, и ANSYS, Inc. сообщили о подписании генерального соглашения между компаниями. EADS использует программные комплексы ANSYS во всех своих подразделениях для проведения прочностных, гидродинамических и электромагнитных расчетов, анализа композиционных материалов, оптимизации аэродинамических характеристик, расчета теплового состояния, а также оценки целостности сигнала в различных устройствах – самолетах, вертолетах, ракетах-носителях, различных системах обороны. «Сотрудничество компаний EADS и ANSYS длится уже более 15 лет, и данное соглашение усиливает наши отношения, сообщил Robert

www.ansyssolutions.ru

Проект нового гиперзвукового пассажирского самолета Zehst, разрабатываемого концерном EADS

Harwood, руководитель департамента оборонной промышленности, ANSYS. — При постоянном и последовательном внедрении новых программных комплексов ANSYS в EADS, мы можем следить за тем, какие инженерные проблемы возникают в данной отрасли — и учесть их при разработке новых продуктов. В результате такого сотрудничества, использование программных комплексов ANSYS стало неотъемлемой частью стратегии развития компании».

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Технологии

Использование ANSYS CFD при проектировании навесов для защиты стадиона от осадков

Авторы: Bert Blocken, Twan van Hooff и Marjon van Harten, Технический университет г. Эйндховена, Нидерланды

Моделирование ветра и дождя вокруг стадиона позволяет спроектировать оптимальную конструкцию навесов или крыши для защиты зрителей и игровой зоны во время дождя и снега. Результаты моделирования можно использовать при проектировании будущих стадионов, а также для диагностики и устранения проблем на действующих стадионах.

При проектировании спортивной арены необходимо учитывать учитывать множество факторов. В первую очередь, (поставить запятую) конструкция стадиона должна учитывать интересы зрителей, т.е. обеспечивать комфортные условия для просмотра матчей. Кроме этого, во время проведения футбольных матчей необходимо обеспечивать безопасность жизни и здоровья зрителей и участников матчей, а также сохран-

Ñòàäèîí AFAS â Àëêìàðå

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

ность окружающей среды. Плохие погодные условия резко создают дискомфорт для зрителей на трибунах, ухудшают состояние игрового поля и даже могут повлиять на результаты матча. На полуоткрытых стадионах высокая скорость ветра оказывает негативное влияние как на игроков, находящихся на поле, так и на зрителей, поскольку из-за ветра дождь проникает также и на трибуны. Ранее при проектировании стадионов специалисты не уделяли этому аспекту особого внимания, и комфорт стадиона можно было оценить только после завершения его строительства. Моделирование меняет этот подход. Команда инженеров из Технического университета Эйндховена (Нидерланды) провела серию аэродинамических расчетов стадиона в трехмерной постановке на базе программного комплекса ANSYS Fluent, чтобы продемонстрировать влияние архитектурно-конструкторских решений на структуру воздушных потоков и на дождевую воду, поступающую под действием ветра. Было исследовано 12 вариантов конструкции стадиона. Результаты моделирования позволили выявить наиболее неблагоприятные зоны на трибунах, подверженные воздействию косого дождя, а также определить скорость и направление ветра на игровом поле. Результаты моделирования можно использовать при проектировании будущих стадионов, а также для диагностики и устранения проблем на действующих стадионах, например, с использованием специальных защитных влагоустойчивых красок в неблагоприятных зонах на зрительских трибунах. В будущем это должно позволить сократить расходы на техническое обслуживание стадионов.

Дизайн стадионов и проблемы моделирования В Европе и во многих других странах стадионы имеют открытую конструкцию, в которой навесы лишь частично закрывают трибуны и не выходят за пределы несущих конструкций стадиона. При этом в случае дождя с сильными порывами ветра большая часть зрителей на трибунах оказывается в некомфортных условиях. В 2008 году впервые была опубликована работа, посвященная численному моделированию ветра и дождя вокруг стадиона [1]. Авторы проводили расчеты в двумерной постановке, что отразилось на качестве и объеме полученных результатов. Подобные расчеты не позволяют учесть влияние геометрии стадиона и навесов на структуру воздушных потоков. Было исследовано 7 вариантов конструкции стадиона. Результаты исследования показали, что геометрия навесов оказывает сильное влияние на состояние зрительских трибун и арены в целом — останутся они сухими или будут влажными из-за дождя. Команда инженеров из Эйндховена пошла еще дальше и провела собственные расчеты в трехмерной постановке, что позволило получить более реалистичные результаты, отражающие пространственный характер обтекания стадиона воздушными потоками с учетом дождя [2]. Одной из самой сложных задач было моделирование комплексной геометрии стадиона, включающей разномасштабные объекты, в том числе очень мелкие. Кроме того, необходимо было учитывать широкий диапазон размеров капель дождя.

Ðàñ÷åòíàÿ ñåòêà ñ ëîêàëüíûì èçìåëü÷åíèåì

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Технологии

Ñòðóêòóðà òå÷åíèÿ âîêðóã ñòàäèîíà è íà èãðîâîì ïîëå äëÿ âàðèàíòîâ A-2 è Â-2

4 варианта геометрии несущих конструкций и 3 варианта геометрии навесов В качестве базовой геометрии был выбран стадион AFAS в Алкмаре (Голландия), который является домашней тренировочной ареной

футбольной команды AZ Alkmaar. Стадион вмещает в себя 17000 зрителей, его длина составляет 176,8 метров, ширина — 138 метров и высота — 22, 5 метров. По всей окружности стадиона установлен навес с наклоном 13 градусов.

Ñòðóêòóðà òå÷åíèÿ âîêðóã ñòàäèîíà íà âûñîòå 1 ì îò çåìëè äëÿ ÷åòûðåõ âàðèàíòîâ ãåîììåòðèè ñòàäèîíà

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Крыша стадиона в Алкмаре имеет необычный дизайн, который позволяет вносить изменения в процессе реконструкции с целью повышения комфорта зрителей при плохих погодных условиях. Инженеры рассмотрели 4 варианта геометрии стадиона: в варианте A несущие конструкции навесов располагались с двух сторон стадиона; в варианте B — с четырех сторон стадиона; в варианте C — с четырех сторон стадиона, при этом торцы трибун были закрыты; в варианте D геометрия стадиона соответствовала закрытому типу. Кроме того, инженеры исследовали 3 различных варианта конструкции крыши: крыша с уклоном вниз (1), плоская крыша (2) и крыша с уклоном вверх (3). Таким образом, всего было исследовано 12 вариантов геометрии стадиона, а конфигурация D-3 соответствовала текущему дизайну стадиона AFAS. При создании расчетной сетки у инженеров возникли проблемы, связанные с разно-

масшабностью элементов расчетной модели: наибольший масштаб составлял 1-100 м, наименьший — 0,1 м и менее. Команда инженеров использовала нестандартный подход для генерации сетки, чтобы обойти указанные ограничения. Для этого они сначала генерировали серию двумерных структурированных сеток в определенных сечениях модели, а затем преобразовывали ее в трехмерную сетку с помощью операций вращения и перемещения. Такой подход позволяет точно контролировать качество сетки, ее размерность и разрешение в локальных областях. Сетка имела высокое разрешение в пределах стадиона и более низкое на удалении от стадиона. Для лучшего отображения структуры воздушных потоков, обтекающих стадион, сетка также измельчалась в районе навесов. Базовая топология сетки каждый раз видоизменялась в соответствии с изменяемой геометрией стадиона.

Òðàåêòîðèè äâèæåíèÿ êàïåëü æèäêîñòè äèàìåòðîì 1 ìì ïðè ðàçëè÷íûõ âàðèàíòàõ èíæåêöèè êàïåëü

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Технологии

Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà îñàæäåíèÿ êàïåëü æèäêîñòè íà òðèáóíàõ äëÿ âàðèàíòîâ A è B.

Структура воздушных потоков Расчеты выполнялись в стационарной постановке с использованием Realizable k-ε модели турбулентности. При выборе модели турбулентности инженеры опирались на результаты более ранних исследований, посвященных моделированию объектов соизмеримого масштаба [3, 4, 5]. По результатам моделирования, инженеры получили данные о структуре воздушных потоков на игровом поле на высоте 1 м от земли для каждого из четырех вариантов геометрии несущих конструкций. При этом во всех вариантах крыша была плоской. Было установлено, что вариант A-2 является самым неблагоприятным с точки зрения обеспечения комфортных условий для футболистов, находящихся на игровом поле. В этом варианте между противоположными трибунами формируются два больших стационарных вихря, вращающихся в противоположные стороны. Формирование этих циркуляционных областей связано с отрывом потока на передних угловых кромках навесов. Аналогичные зоны возвратноциркуляционного течения формируются и в варианте B-2, сопровождающиеся небольшим увеличением скорости потока в окрестности углов стадиона. Сравнивая картины течения вокруг стадиона, полученные для вариантов A-2 и B-2, можно сделать вывод, что наличие трибун на короткой стороне стадиона не оказывает заметного влияния на структуру потока, т. к. основная масса

www.ansyssolutions.ru

воздуха свободно попадает на игровое поле через открытые торцы трибун. Совсем другую картину течения мы наблюдаем при закрытых торцах зрительских трибун (вариант C-2). В этом случае в зазорах между боковыми трибунами (справа и слева) формируются две мощных струи, направленных в центр игрового поля. В варианте D-2 получилась более сложная структура течения, чем в вариантах A-2 и B-2. Это связано с тем, что в этой конфигурации два центральных вихря обладают меньшей интенсивностью, что способствует зарождению других вихрей с меньшими масштабами. Отметим также, что в варианте D-2 потоки воздуха частично попадают и на трибуны.

Траектории движения частиц дождя Расчет траекторий движения частиц дождя был проведен с использованием результатов, полученных при аэродинамическом расчете стадиона. Для этого капли воды диаметром 0,5 мм, 1 мм, 2 и 5 мм инжектировались с верхней поверхности расчетного домена. Горизонтальная составляющая скорости капли была задана равной скорости ветра, вертикальная составляющая скорости — скорости падения (витания) капли. Капли воды диаметром 0,5 мм воспроизводили моросящие осадки, для которых интенсивность дождя не превышает 0,1 мм/час; капли воды диаметром 1 мм соответствовали осадкам средней интенсивности (1 мм/час); крупные капли воды

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà îñàæäåíèÿ êàïåëü æèäêîñòè íà òðèáóíàõ äëÿ âàðèàíòîâ C è D диаметром от 2 до 5 мм имитировали ливневой дождь с интенсивностью 10 мм/час и более. Расчеты осаждения капель жидкости на поверхности трибун, выполненные на основе рассчитанных ранее траекторий капель, показали, что крупные капли за счет своей инерции оседают быстрее на стенках препятствий, а более мелкие капли следуют линиям тока потока воздуха. Поэтому в вариантах A и B, в которых формируются крупные вихревые структуры между противоположными трибунами, мелкие капли заносятся ветром глубоко на трибуны вниз по потоку воздуха. В конфигурации C боковые трибуны наиболее подвержены влиянию дождя — особенно это заметно в варианте с крышей с уклоном вверх. В конфигурации D при любом варианте конструкции крыши, на трибуны попадает минимальное количество влаги, за исключением кресел и трибун, расположенных вблизи игрового поля. До недавнего времени архитекторы и дизайнеры не имели возможности точно оценить степень комфортности стадионов при неблагоприятных погодных условиях и предложить альтернативные варианты конструкций. Данная работа показывает, как технологии вычислительной гидродинамики (CFD) могут быть использованы в этом контексте. С помощью CFD можно исследовать структура потока воздуха на стадионе, рассчитывать линии тока и траектории движения капель жидкости при различных вариантах конструкции стадиона.

www.ansyssolutions.ru

Авторы планируют в будущем использовать методы оптимизации для определения оптимальных углов уклона крыши, обеспечивающих максимальные комфортные условия для зрителей во время дождя и снега.

Ëèòåðàòóðà [1] Persoon, J.; van Hooff, T.; Blocken, B.; Carmeliet, J.; de Wit, M.H. On the Impact of Roof Geometry on Rain Shelter in Football Stadia. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2008, Vol. 96, Issue 8–9, pp. 1274–93. [2] van Hooff, T.; Blocken, B.; van Harten, M. 3D CFD Simulations of Wind Flow and Wind-Driven Rain Shelter in Sports Stadia: Influence of Stadium Geometry. Building and Environment. 2011, Vol. 46, Issue 1, pp. 22–37. [3] Blocken, B.; Carmeliet, J. Validation of CFD Simulations of Wind-Driven Rain on a Low-Rise Building. Building and Environment. 2007, Vol. 42, Issue 7, pp. 2530–2548. [4] Blocken, B.; Poesen, J.; Carmeliet, J. Impact of Wind on the Spatial Distribution of Rain over MicroScale Topography — Numerical Modelling and Experimental Verification. Hydrological Processes. 2006, Vol. 20, Issue 2, pp. 345–368. [5] Blocken, B.; Carmeliet, J.; Poesen, J. Numerical Simulation of the Wind-Driven Rainfall Distribution over Small-Scale Topography in Space and Time. Journal of Hydrology. 2005, Vol. 315, Issues 1–4, pp. 252–273.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Технологии

Оптимизация проточной части насоса с целью повышения его энергоэффективности

Авторы: Thomas Folsche, технический директор, CP Pumpen AG, Цофинген, Швейцария

Любое современное технологическое производство, эксплуатирующее насосное оборудование, требует использования насосов с высоким КПД и низким энергопотреблением. Ведущий швейцарский производитель насосов центробежного типа — компания CP Pumen — использует технологии компьютерного моделирования для повышения эксплуатационных характеристик своих насосов. С 1948 года компания CP Pumen предлагает своим клиентам из различ-

ных отраслей эффективные продукты для безопасного перекачивания жидкостей. Оптимальное энергопотребление оказывает существенное влияние на жизненный цикл насоса. Возможная экономия от внедрения комплекса конструктивных и регламентных мероприятий может составлять до 85% от стоимости насоса. Поэтому при модернизации насосного оборудования одной из главных целей является снижение энергопотребления.

Быстрое и эффективное проектирование

ANSYS CFX ïîçâîëÿåò ïîëó÷èòü ðàñïðåäåëåíèå äàâëåíèÿ è ñêîðîñòè â ëþáîì ñå÷åíèè âíóòðåííåãî òðàêòà íàñîñà, âèçóàëèçèðîâàòü òðåõìåðíóþ ñòðóêòóðó òå÷åíèÿ è îöåíèòü íàïîð, ìîùíîñòü è ÊÏÄ íàñîñà

www.ansyssolutions.ru

Несколько лет назад у компании CP Pumps появилась необходимость в модернизации целого семейства насосов с магнитной муфтой, применяемых в химической промышленности. После первоначальных попыток использования стандартных средства проектирования, инженеры пришли к выводу, что применение современных технологий численного моделирования должно ускорить процесс модернизации устаревшего оборудования. При традиционных способах проектирования инженеры вынуждены проводить серию дорогостоящих натурных экспериментов на прототипе изделия с целью определения его эксплуатационных характеристик. Количество таких прототипов изначально неопределенно. В качестве альтернативы инженеры использовали программные комплексы ANSYS CFX и ANSYS BladeModeler. Программный модуль BladeModeler позволил инженерам быстро и просто смоделировать геометрию крыльчатки насоса — определить геометрию проточной час-

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Íåôòÿíîé íàñîñ êîìïàíèè CP Pumpen

здает геометрию расчетной области, которая затем используется для постановки гидродинамического расчета в ANSYS CFX. ANSYS CFX позволяет получить поля давления и скорости в любом сечении внутреннего тракта насоса, рассчитать и визуализировать трехмерную структуру течения. Эти данные могут быть использованы для оценки напора, мощности и КПД насоса. Инженеры CP Pumps выполнили серию многовариантных расчетов для выбора оптимальной конструкции крыльчатки. Для проведения гидравлических испытаний был разработан специальный стенд с рабочей конструкцией спиральной камеры. Каждый отдельный вариант конструкции крыльчатки прошел натурные испытания, результаты которых позволили доработать и верифицировать разработанную методику оптимизации конструкции насоса.

Выгодные инвестиции

Ðàñïðåäåëåíèå äàâëåíèÿ íà ðàáî÷åì êîëåñå öåíòðîáåæíîãî íàñîñà ти, геометрию лопаток крыльчатки (с учетом изменения ее толщины по высоте) и пр. Помимо этого, ANSYS BladeModeler автоматически со-

Многие предложенные и рассчитанные в ANSYS CFX варианты конструкции насоса получились с улучшенными гидравлическими характеристиками, что было подтверждено результатами испытаний. Другие варианты, которые изначально выглядели многообещающими, по результатам моделирования в ANSYS CFX не были переданы на испытания, что позволило существенно сократить затраты. Кроме того, в процессе моделирования инженеры быстро осознали необходимость в усложнении расчетной модели, которая изначально включала только геометрию ротора. Совместный расчет течения в спиральной камере и рабочем колесе должен повысить достоверность получаемых результатов. Однако наиболее достоверные данные по рабочим характеристикам насоса дают расчеты течения в

Ãèäðàâëè÷åñêèé ÊÏÄ íàñîñà MKP 65-40-160 (äèàìåòð ðîòîðà 180 ìì, 2930 îá/ìèí) äî ìîäåðíèçàöèè (ïóíêòèðíàÿ ëèíèÿ) è ïîñëå ìîäåðíèçàöèè ñ èñïîëüçîâàíèåì ANSYS CFX

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Технологии

нестационарной постановке. При этом увеличиваются вычислительные ресурсы. Учитывая положительный опыт от применения CFD-технологий, полученный инженерами при модернизации линейки центробежных насосов, руководство компании CP Pumps приняло решение в ближайшее время выделить дополнительное финансирование на приобретение мощного вычислительного кластера.

Оптимизация в короткие сроки и быстрый возврат инвестиций Еще одним неоспоримым преимуществом расчетов в нестационарной постановке, является возможность получения данных по динамическим и акустическим характеристикам насоса. Кроме того, полученное распределение давление на лопатках и внутренних поверхностях рабочего тракта, может быть использовано при выполнении прочностных расчетов для уменьшения механических нагрузок на ответственные узлы насоса. Инженеры CP Pumps провели по-

добные расчеты для всех 18 вариантов геометрии крыльчатки и разработали эффективные мероприятия для продления ресурса модернизированных насосов. Отметим, что без использования CFD процесс разработки нового насоса или его модернизация занял бы в несколько раз больше времени. После модернизации насосов их энергоэффективность повысилась на 50%. По словам президента компании CP Pumps Урса Вюрша (Urs Wursch), замена всего двух крупногабаритных насосов на станции по первичной переработке нефтепродуктов позволила полностью вернуть инвестиции, вложенные во внедрение CFD-технологий в процесс проектирования. Гидродинамическая оптимизация форм компонентов центробежных насосов, проведенная с использованием ANSYS CFX, позволила значительно увеличить гидравлический КПД насосов, что автоматически отразилось на их энергопотреблении.

Новости и события Пользователи ANSYS благодаря новому поколению процессоров Intel Xeon E5-2600 могут быстрее решать задачи в программных продуктах ANSYS, Inc Компании Intel и ANSYS, Inc. объединили свои усилия при разработке нового процессора Intel® Xeon® E5-2600. Благодаря увеличенной пропускной способности и технологий нового процессора Intel, пользователи ANSYS могут исследовать большее количество вариантов расчетных моделей и выбрать более оптимальное конструктивное решение за меньшее время. «Совместная работа ANSYS и Intel позволит нашим общим клиентам получить преимущество от использования нового поколения процессоров Xeon, — сказал Jim Cashman, президент и исполнительный директор ANSYS. — Эта новая платформа является основной для проведения расчетов на высокопроизводительных системах». ANSYS постоянно добавляет новые возможности в своем программном обеспечении, что совместно с улучшениями аппаратных средств, приводит к значительному сокращению времени расчетов. Например, используя демонстрационный проект «50:50:50», инженеры, работающие в автомобильной промышленности, использовали технологию morphing и CFD-решатель на базе высокопроизводительной платформы, провели расчет 50 вари-

www.ansyssolutions.ru

антов формы автомобиля, с высококачественной расчетной сеткой размерностью 50 миллионов ячеек, что заняло в общей сложности 50 часов расчетного времени. Это само по себе является впечатляющим результатом, но при использовании нового поколения процессоров Intel Xeon E5-2600, эта же серия расчетов потребовала всего 34 часа, т.е. было получено дополнительное сокращение времени счета на 48%. «Клиентам, использующим ANSYS, необходимо проводить расчеты большого количества вариантов, чтобы создавать лучшие изделия в максимально сжатые сроки, — сказал Dr Rajeeb Hazra, вице-президент и генеральный менеджер Intel Technical Computing Group. – Совместная работа Intel и ANSYS позволила новым процессорам Intel Xeon E5-2600 обеспечить высокую вычислительную производительность для пользователей ANSYS. Мы надеемся на продолжение сотрудничества с ANSYS, которое позволит получить преимущества также и от многоядерной архитектуры». ANSYS и Intel продолжают исследовать пределы масштабируемости, включая многоядерную архитектуру, которая заключается в использовании множества вычислительных ядер на одном чипе. Кроме того, планируется работа в области оптимизации интерконнекта, в частности, улучшения производительности и масштабируемости.

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Технологии

Использование ANSYS в технологиях подводного бурения Авторы: Lee Walden, главный инженер, Chemin Lim, специалист, T-Rex Engineering & Construction L.C., Хьюстон, США

В современной нефтедобывающей промышленности постоянно возникает необходимость в новых технологиях подводного бурения для обеспечения неуклонно растущего спроса на нефтепродукты. Разработка удаленных месторождений становится все более сложной, поскольку нефтяные залежи находятся на глубине более 1000 метров. Технология подводного бурения включает многие аспекты. Основной проблемой подводного бурения является работа трубопроводной системы, передающей нефтепродукты со дна моря в точку назначения. Длина таких систем иногда достигает сотен километров. Трубопровод содержит различные механические, электрические и гидравлические компоненты.

Блок ILS Основным компонентом системы подводного бурения является блок ILS, который представляет собой опорную конструкцию трубопровода. Блок находится на конце стингера (устройства для спуска трубопровода на дно). Трубы свариваются на стингере для облегчения процесса подводного монтажа. Блок ILS состоит из опорного башмака (основание модуля) и каркаса который поддерживает Y-соединения (из труб и патрубков), ответвлений трубопровода, переходных участков, клапанов и опоры конечной втулки, интегрированной в трубу. Основной поток движется справа (как показано на Рис. 1), далее сопутствующий поток нефти идет от втулки и объединяется с основным в Y-блоке. Клапаны контролируют расход

Ðèñ. 1. Êîíñòðóêöèÿ áëîêà ILS

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Технологии

Ðèñ. 2 Ìîíòàæ S-îáðàçíîãî òðóáîïðîâîäà нефти, а втулка является открытым соединением для будущих соединений трубопровода. Плавный волновой переход трубы устанавливается на каждом конце блока ILS для борьбы с изгибающими моментами, вызванными прохождением блока ILS через стингер.

Экстремальные условия эксплуатации При проектировании блока ILS необходимо учитывать, что он находится на глубине 2000 мет-

ров, подвергается жестким окружающим нагрузкам, испытывает коррозию. Проект должен минимизировать высокий риск повреждения оборудования и опасность для человеческой жизни при монтаже. Специалисты компании T-Rex Engineering and Construction проводят исследования условий, в которых проходит подводное бурение. Компания занимается изготовлением, транспортировкой, монтажом и технической поддержкой оборудования. Обладая большим опытом, команда инженеров использует все необходимые данные для анализа работы конструкции в реальных условиях. Компания работает более 15 лет в области разработки и проектирования подводных конструкций. Все конструкции, разработанные специалистами T-Rex, до сих пор находятся в эксплуатации. Компания T-Rex обладает мировым рекордом по установке конструкции на самой большой глубине моря. Подводная конструкция испытывает наибольшие нагрузки в процессе монтажа, поскольку на блок ILS действует вес подвешенного трубопровода, а также нагрузка от движения корабля на волнах. Когда судно укладывает трубопровод на стингер, блок ILS испытывает силь-

Ðèñ. 3 Ðàñ÷åò: à — Ãåîìåòðèÿ ãëîáàëüíîé ìîäåëè; b — Ëîêàëüíàÿ ìîäåëü (ANSYS Workbench); c — Ãëîáàëüíàÿ ìîäåëü (MAPDL); d — Ëîêàëüíàÿ ìîäåëü (MAPDL)

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Ðèñ. 4 Ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ ные нагрузки растяжения и изгиба в нижней и верхней части трубопровода (Рис. 3а) Инженеры компании T-Rex определяют величину нагрузок растяжения и изгиба, чтобы убедиться в надежности изделия, которое должно выдержать процесс монтажа. В результате расчета необходимо выяснить, возникают ли

чрезмерные напряжения и деформации в блоке ILS в процесс монтажа.

Моделирование В процессе расчетов определяются условия нагружения на трубопровод, которые используются для создания блока ILS, способного выдержи-

Ðèñ. 5 Óðîâåíü íàïðÿæåíèé â îáëàñòè ñîåäèíåíèÿ ìåæäó òðóáîïðîâîäîì è ILS áëîêîì äëÿ èñõîäíîé è êîíå÷íîé êîíñòðóêöèé.

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Технологии

вать такие нагрузки. Чтобы определить эти условия нагружения, инженеры T-Rex использовали ANSYS Mechanical APDL (MAPDL) для расчета двумерной глобальной модели. Эти условия нагружения использовались в ANSYS Workbench для расчета трехмерной твердотельной модели блока ILS. Такой подход к моделированию с использованием ANSYS позволил специалистам T-Rex убедиться в надежности проекта. В расчете двумерной глобальной модели использовались балочные элементы для описания трубопровода и блока ILS, как показано на Рис. 3с. Для определения жесткости балочного элемента соответствующего блоку ILS, в среде ANSYS Workbench проводился отдельный расчет трехмерной модели (Рис. 3б). Для двумерной глобальной модели, контактные элементы описывали условия контакта между точками контакта трубопровода с стингером (опоры качения, Рис. 3д). Плоские элементы использовались для моделирования роликов, находящихся на стингере. Такая глобальная модель отражает деформацию трубопровода на стингере. Отклоняющая нагрузка задавалась на конце прямого трубопровода, до тех пор, пока он находился в полном контакте с роликовыми опорами стингера. Для определения граничных условий локальной модели (растягивающая нагрузка и момент) использовались силы противодействия и моменты, полученные на конце блока ILS из глобальной модели. Специалисты использовали Autodesk® Inventor® 2010 для создания подробной (локальной) трехмерной модели и импортировали ее в ANSYS Workbench. Использование прямого интерфейса позволило импортировать модель без ошибок. Локальная трехмерная модель состояла из 177991 элементов, включая контактные элементы. При создании расчетной сетки инженеры использовали метод sweep, а для важных областей дополнительно делалось измельчение расчетной сетки. В ANSYS Workbench автомати-

чески определялись области контакта и создавались контактные элементы (поверхность-поверхность). Для большинства контактных областей задавался тип контакта «bonded». Благодаря высокому качеству сетки обеспечивалась хорошая сходимость, сократилось время счета, и повысилась точность результатов. Для моделирования контактных условий нагружения роликовых опор, условия без трения (нагрузка растяжения-сжатия) задавались на обоих концах направляющих труб. Граничные условия закрепления задавались на противоположном конце конструкции. Нагрузка, которая была получена из глобальной MAPDL модели, задавалась на противоположном конце конструкции (Рис. 4). При разработке изделия, геометрии некоторых компонентов изменялись, основываясь на результатах моделирования. Например, соединение между трубопроводом и блоком ILS имело большую разницу в жесткости, что вызывало высокую концентрацию напряжений в этой области (Рис. 5а). В результате серии расчетов, появилась возможность уменьшить максимальное напряжение более чем на 80% (Рис. 5б).

Обеспечение безопасности Комбинированное использование ANSYS Workbench и ANSYS MAPDL дало возможность моделировать условия нагружения при монтаже трубопровода. Расчет позволил получить точные граничные условия для такой сложной геометрии. Без использования ANSYS было бы невозможно достичь уровня точности, необходимого для завершения проекта. Рассмотренный подход позволяет провести расчет всех возможных ситуаций при монтаже трубопровода. Кроме того, подводные трубопроводные системы должны отвечать требованиям безопасности при монтаже и нефтедобычи. Применение моделирования дало возможность привести данную конструкцию в соответствие с многочисленными требованиями безопасности.

Ðèñ. 6 Êîíòóðû íàïðÿæåíèé ïî Ìèçåñó

www.ansyssolutions.ru

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

ANSYS в вузах

Численное исследование влияния патологической извитости артерии на кровоток Авторы: Павлова О., Иванов Д., Кириллова И., Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского

Нарушение мозгового кровообращения представляет одну из самых серьезных проблем, поскольку приводит к полной или частичной утрате трудоспособности и характеризуется высокой степенью летальности. Сегодня в России среди причин смертности инсульт головного мозга занимает второе место после инфаркта миокарда. Причинами нарушения мозгового кровообращения ишемического характера являются атеросклероз сонных артерий и их патологическая извитость. Разные авторы отмечают, что у 14-43% больных, перенесших острое нарушение мозгового кровообращения, имелись аномалии развития внутренних сонных артерии в виде патологических извитостей. Выделяют следующие виды извитостей: изгиб (C и S — образные), перегиб (кинкинг) и петля (койлинг). Считается, что наиболее опасными являются перегиб и петля (рис.1).

Ðèñ.1. Ñîííàÿ àðòåðèÿ â íîðìå (à) è ïðè ïàòîëîãèÿõ: (á) — Ñ-îáðàçíûé èçãèá; (â) — S-îáðàçíûé èçãèá; (ã) — ïåðåãèá; (ä) — ïåòëÿ

www.ansyssolutions.ru

В данной работе было проведено исследование с целью оценить влияние перечисленных выше форм патологических извитостей на динамику потока крови, и показать, что перегиб и петля действительно являются самыми опасными. Для этого, во-первых, в специализированном программном пакете SolidWorks на основе серии послойных изображений, полученных при КТ-ангиографии, были восстановлены трехмерные модели геометрии сонной артерии в норме и со всеми видами патологических извитостей. Затем, построенные модели сосудов были импортированы в конечно-элементный пакет ANSYS. В нем была решена трехмерная задача о течении крови в артерии с податливыми стенками. Программный комплекс ANSYS позволяет решать связанные задачи, к которым относится и задача о течении крови в сосудах, с помощью алгоритма FSI (Fluid-Solid Interaction). Этот алгоритм учитывает силы, действующие со стороны жидкости на твердое тело, и деформации твердого тела, действующие, в свою очередь, на жидкость. Ввиду сложности геометрии моделей, использовалась неструктурированная сетка (рис. 2). Для разбиения стенки сосуда использовались 3D 10-узловой элемент solid187, который хорошо подходит для создания таких сеток и позволяет решать задачи с использованием несжимаемого гиперупругого материала. Область с кровью разбивалась с помощью элемента fluid142. Окончательная сетка для петли состояла примерно из 240000 узлов. Каждая из представленных выше пяти моделей сонной артерии была промоделирована в ANSYS в предположении, что материал стенки сосуда является нелинейным. Использовалась

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

ANSYS в вузах

местах наиболее вероятно образование атеросклероза. Для более подробного анализа результатов были написаны макросы на APDL — языке параметрического проектирования ANSYS. В качестве примера опишем работу двух макросов. Один из макросов позволяет строить график зависимости осредненного по сечению давления от длины сосуда для шагов по времени, выбираемых пользователем. Другой макрос определяет объемный кровоток на выходе из внутренней сонной артерии и строит график его изменения от времени. На рис. 5. представлены графики из-

Ðèñ. 2. Âíåøíèé âèä ðàñ÷åòíîé ñåòêè äëÿ ïåðåãèáà трёхпараметрическая модель Муни-Ривлина для гиперупругого материала. Для нахождения параметров модели по экспериментальным данным применялся инструмент Curve fitting, который позволяет вычислять требуемые параметры и визуально сравнивать полученную кривую с экспериментальной. Построенные трехмерные конечно-элементные модели позволили получить подробные поля давлений, скоростей, напряжений (рис. 3– 4). На представленном рисунке (рис. 4) хорошо видны области низких значений касательных напряжений на стенке сосуда. Согласно гемодинамической теории атерогенеза, именно в этих

Ðèñ. 3. Ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòè äëÿ Ñ-îáðàçíîãî èçãèáà

Ðèñ. 4. Ðàñïðåäåëåíèå êàñàòåëüíîãî íàïðÿæåíèÿ íà ñòåíêå äëÿ ïåòëè

www.ansyssolutions.ru

Ðèñ. 5. Èçìåíåíèå îáúåìíîãî êðîâîòîêà íà âûõîäå èç âíóòðåííåé ñîííîé àðòåðèè çà ñåðäå÷íûé öèêë менения объемного кровотока на выходе из внутренней сонной артерии за сердечный цикл. Во всех случаях патологической извитости сосуда происходит изменение величины объемного кровотока. Для С- и S-образных изгибов изменения незначительны. Наличие петли или перегиба уменьшает объемный кровоток по внутренней сонной артерии больше чем на 20% по сравнению с сонной артерией в норме. Полученный результат доказывает, что петля и перегиб действительно являются самыми опасными видами патологических извитостей сонных артерий. Ñïèñîê ëèòåðàòóðû 1. Ïàòîëîãè÷åñêèå äåôîðìàöèè âíóòðåííèõ ñîííûõ è ïîçâîíî÷íûõ àðòåðèé / Ï.Î. Êàçàí÷ÿí, Å.À. Âàëèêîâ. — Ì.: Èçäàòåëüñòâî ÌÝÈ, 2005. — 136 ñ. 2. Ïàâëîâà, Î.Å. Ãåìîäèíàìèêà è ìåõàíè÷åñêîå ïîâåäåíèå áèôóðêàöèè ñîííîé àðòåðèè ñ ïàòîëîãè÷åñêîé èçâèòîñòüþ/Ä.Â. Èâàíîâ, À.À. Ãðàìàêîâà, Ê.Ì. Ìîðîçîâ, È.È. Ñóñëîâ// Èçâåñòèÿ Ñàðàòîâñêîãî óí-òà — Ñàðàòîâ, 2010 — Ò.10, ¹2. — Ñ. 66-73. Ñåð. Ìàòåìàòèêà. Ìåõàíèêà. Èíôîðìàòèêà

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Инженерный консалтинг Специалисты компании КАДФЕМ Си-Ай-Эс обладают высоким уровнем компетенции и многолетним опытом оказания услуг инженерного консалтинга Широкая экспертиза: • Анализ прочности • Анализ температурного состояния • Гидрогазодинамика • Электромагнетизм • Акустика, шум и вибрации • Высоконелинейные динамические расчеты, включая удар и разрушение • Оптимизация • Адаптация и разработки

КАДФЕМ Си-Ай-Эс является членом международной организации TechNetAlliance, объединяющей инженеров и экспертов в области наукоемких систем инженерного анализа

* — Наш аккаунт в Twitter — cadfem_cis