В этой статье речь пойдёт о довольно интересном программном продукте – Ansys Electronics Desktop Icepak. Далее мы будем писать просто «Icepak», при этом стоит отметить, что у Icepak есть и собственный интерфейс (Classic Icepak), но мы будем говорить именно о том Icepak, который встроен в расчётную платформу Electronics Desktop.

С одной стороны, это невероятно мощный CFD решатель (CFD – computational fluid dynamics, вычислительная гидрогазодинамика) на основе кода Ansys Fluent. С другой стороны, это специализированный пре- и постпроцессор, разработанный для всевозможных расчётов систем охлаждения электроники, включая расчёты в явной постановке и расчёты с учётом конвекции. Icepak также можно рассматривать как инструмент для проведения междисциплинарных расчётов на системном уровне.

Одним из преимуществ Icepak является согласованность его интерфейса с другими программными продуктами платформы Ansys Electronic Desktop (AEDT). Icepak не просто предоставляет современный лаконичный интерфейс – он является частью рабочей среды, уже знакомой многим инженерам, занимающимся расчётами и проектированием электрических и электронных устройств в рамках других продуктов платформы AEDT. Эти инженеры, скорее всего, не достаточно хорошо разбираются в физике и настройках расчётов теплопередачи и гидрогазодинамики, так что очень знакомый рабочий процесс, безусловно, должен снизить порог вхождения при освоении Icepak. Даже если у таких пользователей нет планов по полному освоению новой для себя области расчётов и переходу к самостоятельной работе в Icepak, единство интерфейса может послужить благоприятной средой для эффективного сотрудничества со специалистами в области гидрогазодинамики и теплопередачи.

Рисунок 1 – Интерфейс программного продукта AEDT Icepak, схожий с другими инструментами платформы: ленточное меню, менеджер проектов, дерево проекта и графическая область

Итак, помимо схожести с другими продуктами AEDT, что же предлагает Icepak, чем он лучше конкурентов, и для решения каких задач он больше всего подходит?

Типовая задача, которая первым делом приходит на ум при ответе на эти вопросы – это тепловой расчёт печатной платы с прикрепленными компонентами и корпусом. Любой, кто хоть раз заглядывал внутрь системного блока компьютера, наверняка знаком с материнскими платами, покрытыми всевозможными микросхемами и конденсаторами разного размера. Основным тепловыделяющим компонентом на плате является процессор, на нём устанавливается радиатор с вентилятором. Материнская плата заключена в корпус (системный блок) с несколькими вентиляционными отверстиями, фильтрами и вентиляторами на разных сторонах корпуса, призванными обеспечить контролируемый воздушный поток. Это идеальная задача для Icepak. Тепловое состояние платы определяется физикой сопряженного теплообмена между воздухом и компонентами. Плата и её компоненты обычно хорошо моделируются при помощи параллелепипедов и цилиндров. Геометрическую модель корпуса с платой, зачастую, удобнее импортировать из специализированного программного продукта для геометрического моделирования, такого как SpaceClaim, а затем использовать встроенные в Icepak инструменты для быстрой доработки важных для расчёта деталей.

Рисунок 2 – Геометрическая модель корпуса и материнской платы, импортированная из программного продукта SpaceClaim: видны вентиляционные решётки и вентиляторы на передней и задней панелях, а также решётка на боковой панели

После импорта геометрической модели необходимо добавить некоторые стандартные компоненты, такие как радиаторы, вентиляторы и ключевые компоненты печатных плат. Icepak располагает рядом очень удобных параметризованных инструментов геометрического моделирования, которые позволяют быстро и удобно справиться с этой задачей, а также отредактировать, при необходимости, исходную геометрию. Также присутствуют инструменты для автоматического определения и упрощения вентиляционных отверстий в геометрической модели – в данном примере они были использованы для прямоугольных вентиляционных решёток на передней и задней панелях, а также круглых вентиляционных отверстий на боковой панели, которые были представлены одним объектом решётки. Таким образом, вы можете не только импортировать подробные геометрические модели из внешних источников, но и редактировать и упрощать их при помощи инструментов Icepak, а также добавлять созданные уже в Icepak детали. Всё это значительно упрощает процесс настройки расчётной модели. Опытный пользователь сможет подготовить приведённую выше модель к расчёту всего за несколько минут. Окончательная модель после добавления радиатора и модулей оперативной памяти, а также задания граничных условий, будет выглядеть следующим образом:

Рисунок 3 – Модель из рисунка 2 после её доработки в Icepak. Заданы граничные условия для вентиляторов и вентиляционных отверстий. Также добавлен ряд компонентов в Icepak (радиатор и модули памяти)

В качестве параметров, которые контролируются в процессе расчёта (monitors), можно задать температуру и прочие параметры потока в любых местах модели (как на поверхностях, так и для тела в целом). Для модели в нашем примере самой важной, скорее всего, будет температура на процессоре. Также можем задать контрольные параметры для температуры каждого модуля памяти или для расхода воздуха по вентиляторам и вентиляционным решёткам. Эти параметры будут отслеживаться в процессе расчёта, по ним можно судить о сходимости решения.

Рисунок 4 – Отслеживание сходимости по выбранным контрольным параметрам (Monitors)

Тепловой расчёт системы в нашем примере при мощности процессора 20 Вт и 8 модулях памяти мощностью по 2 Вт может выявить проблемы во многих её элементах.

Рисунок 5 – Обработка результатов в Icepak. На распределение температуры наложены вектора скоростей потока, что позволяет лучше понять работу системы

Имея в распоряжении мощный функционал расчётной среды Icepak, мы теперь можем поэкспериментировать с параметрами конструкции, чтобы улучшить её тепловое состояние. Хотите посмотреть, что произойдет, если заблокировать выпускные отверстия? Легко – просто выберите и удалите их! Хотите установить более мощный вентилятор или поменять материал материнской платы или радиатора? Просто отредактируйте их свойства в дереве проекта. Хотите развернуть плату или попробовать изменить количество рёбер на радиаторе? И это тоже очень просто, разве что потребуется чуть больше времени для автоматической перестройки расчётной сетки. И хотя такого рода задачи можно выполнить и при помощи других программных продуктов, универсальный интерфейс Icepak позволяет это сделать поразительно легко и быстро.

Физические процессы, моделируемые в этом примере, довольно стандартны: учитывается теплопроводность твёрдых тел и теплообмен с турбулентным потоком воздуха (модель турбулентности K-Omega). Но главным достоинством Icepak является его интеграция с другими инструментами расчётной платформы AEDT. Хотя в нашем примере мы представили материнскую плату просто в виде сплошного тела из стеклотекстолита FR-4, эта плата могла быть также импортирована с полной детализацией из проекта, созданного с помощью другого программного продукта, такого как Ansys HFSS. При импорте также учитывается точное пространственное распределение тепловыделения, рассчитанное в Ansys HFSS, и точные тепловые свойства платы, рассчитанные с учётом расположения дорожек на каждом слое.

Это вовсе не означает, что Icepak предназначен только для подобного рода расчётов печатных плат. Просто такие модели удобно использовать в качестве примера, и для них мы получаем наглядные трёхмерные распределения. В целом же, использование Fluent в качестве решателя обеспечивает большую гибкость, благодаря чему Icepak позволяет решать и множество других классов задач.

Что касается расчёта низкочастотных электромагнитных явлений, хорошим примером задачи, в которой сочетаются расчёт электронной системы и тепловой расчёт, является расчёт электродвигателя. При подаче напряжения на обмотки возникают токи и выделяется тепло. В больших двигателях генерируются большие токи, и тепловые потери становятся очень важным аспектом. В качестве примера я выполнил расчёт сборки из ротора и статора с обмоткой. Для расчёта электромагнитных полей используется программный продукт Maxwell, результаты расчёта затем легко импортируются в Icepak для дальнейшего теплового расчёта. Результатом расчёта в Icepak является стационарное распределение температур при охлаждении корпуса естественной конвекцией воздуха.

Рисунок 6 – Результаты теплового расчёта в Icepak для модели половины двигателя (магнитостатическая задача рассчитана в программном продукте Maxwell)

Если результаты расчётов показывают, что необходимо улучшить систему охлаждения, то в Icepak можно добавить дополнительные элементы, такие как радиатор или внешний вентилятор. Без изменений должны оставаться только компоненты с нагрузками, импортированными из Maxwell.

Что касается высокочастотных электромагнитных приборов, в качестве примера можно привести расчёт работы антенны. В этом случае расчёт электромагнитной задачи можно выполнить в программном продукте Ansys HFSS, а тепловой расчёт, опять-таки, выполнить в Icepak. Некоторые компоненты мощной антенны могут легко нагреться до такой степени, что свойства материала заметно изменятся, а излучение станет основным способом теплообмена. Такой расчёт легко выполнить при помощи двустороннего сопряжения Icepak с Ansys HFSS. Icepak поддерживает расчёт теплового излучения, а для свойств материалов в Ansys HFSS можно указать температурные зависимости. При двустороннем сопряжении расчёты в Ansys HFSS и Icepak выполняются поочередно с автоматической передачей новых нагрузок и граничных условий, этот процесс будет повторяться до достижения сходимости.

Все рассмотренные примеры затрагивают следующий общий вопрос: насколько легко создать и настроить модель для получения необходимой информации? Я считаю, что для такого рода расчётов электронных систем Icepak позволяет делать всё необычайно легко. Поэтому, несмотря на то, что Icepak полезен сам по себе, он особенно удобен, когда речь идёт об объединении тепловых расчётов с другими продуктами Ansys для расчёта электромагнитных явлений.

Компания Софт Инжиниринг Групп напоминает Вам о возможности быть в курсе проводимых компанией серии вебинаров по ссылке https://www.webinar.soften.com.ua и рекомендует подписываться на страницу компании https://www.facebook.com/softenukraine

Нам важно получить от вас обратную связь – это поможет нам лучше подготавливать материалы. Оставляйте свои комментарии, вопросы и предложения под статьей или напишите Ваш запрос на E-mail: info@soften.com.ua

Источник: www.padtinc.com
Автор: Josh Stout