wersja mobilna
Online: 489 Niedziela, 2016.12.04

Technika

CST STUDIO SUITE 2014 - pakiet do projektowania integrujący symulacje elektromagnetyczne EM 3D

środa, 29 stycznia 2014 10:02

Różne komponenty wymagają różnych metod symulacyjnych - ta prawda była znana już od pierwszych prób komputerowych symulacji własności elektromagnetycznych (EM) elementów i układów elektronicznych. Ostatnia dekada była dla firmy CST okresem intensywnej pracy nad rozwiązaniem tego problemu przez połączenie wielu narzędzi symulacyjnych w jeden produkt o nazwie CST STUDIO SUITE, oferujący wspólny interfejs użytkownika dla wszystkich algorytmów symulacyjnych (solvers). Co więcej, systemy projektowane w praktyce mogą składać się z wielu elementów, z których do każdego najlepiej nadaje się inny solver. W odpowiedzi na te wyzwania CST wprowadza System Assembly and Modeling (SAM) - środowisko do symulacji systemów wieloelementowych, które prezentuje poniższy artykuł.

Dzięki tym rozwiązaniom CST STUDIO SUITE 2014 oferuje bardziej skuteczne podejście do symulacji zarówno poszczególnych komponentów jak też złożonych systemów. Celem jest udostępnienie użytkownikowi środowiska projektowania zintegrowanego, dzięki czemu zamiast projektowania każdego elementu po kolei i łączenia ich w fazie końcowej, można badać zachowanie się pełnego systemu już na wczesnym etapie procesu projektowania.

Wykorzystując System Assembly and Modeling (SAM), inżynierowie mogą identyfikować i rozwiązywać ewentualne problemy związane ze stabilnością częstotliwościową układów, integralnością sygnałów (Signal Integrity, SI), integralnością zasilania (Power Integrity, PI) i zaburzeniami elektromagnetycznymi (EMI) już na wczesnym etapie projektowania uzyskując w ten sposób projekt końcowy o wyższej jakości.

System SAM

W swojej zasadzie działania SAM bazuje na dwóch założeniach: podziału złożonego systemu na pojedyncze elementy i podziału procesu symulacji na szereg podstawowych zadań wykonywanych automatycznie. Elastyczna konfiguracja sekwencji procesu projektowania pozwala użytkownikowi łatwo definiować zarówno serie prostych symulacji, jak i bardziej skomplikowane procesy projektowe zagnieżdżone, zawierające pewne sprzężenia zwrotne.

Są to cykle projektowe, które pozwalają uwzględniać zwrotne oddziaływania takich efektów jak nagrzewanie, rozszerzalność cieplna i siły Lorenza w obliczeniach prowadzonych przy użyciu solverów EM. Pozwala to na łatwiejszą i bardziej dokładną analizę takich struktur jak filtry i rezonatory, które są zazwyczaj wrażliwe na deformację geometrii spowodowaną np. oddziaływaniem wysokiej temperatury.

Aby ułatwić edycję złożonych układów, biblioteka modułów RF i mikrofalowych w CST Design Studio została rozszerzona przez dołączenie takich elementów jak wzmacniacze, sprzęgacze i elementy falowodowe. Mogą one być łączone razem z modelami z innych modułów CST lub modelami w formatach IBIS i SPICE w celu złożenia modelu do symulacji obwodowej lub też konwertowane jednym naciśnięciem klawisza w złożone modele 3D do symulacji pełnofalowej.

Gdy bloki funkcjonalne zostaną już zdefiniowane, następnym krokiem jest określenie zadań. CST STUDIO SUITE w wersji 2014 wprowadza po raz pierwszy kreatora (wizard) w celu ułatwienia tworzenia projektów typu SAM, w szczególności dla źródeł pól i projektów typu "multiphysics" z jednoczesną analizą problemów elektromagnetycznych, termicznych i mechanicznych, a także ulepszoną integrację projektów SAM z modułem CST PCB Studio.

Źródła pola bliskiego

Rys. 1. Rozkład prądów powierzchniowych na antenie ostrzowej (po lewej) i równoważne źródło pola bliskiego (niebieski prostopadłościan) reprezentujący antenę na pojeździe (po prawej)

Źródła pola bliskiego oferują kompaktowe, dokładne przedstawienie pola wokół elementu promieniującego - na przykład anteny lub płytki PCB. Elementy te są często znacznie mniejsze i bardziej szczegółowe niż otaczające je, na przykład na pojazdach lub statkach, maszty i inne urządzenia przemysłowe.

Dokładna symulacja małego elementu w izolacji od reszty modelu, a następnie użycie równoważnego źródła pola bliskiego w celu odwzorowania pola w jego otoczeniu pozwala zastosować osobno najbardziej odpowiedni typ solvera i optymalny typ siatki do różnych części analizowanego systemu. Takie podejście umożliwia dokładniejszą symulację większych i bardziej złożonych problemów w akceptowalnym czasie.

Poprzednie wersje oprogramowania udostępniały szerokopasmowe źródła pola bliskiego źródeł dla solvera liczącego w dziedzinie czasu (time domain). CST STUDIO SUITE 2014 umożliwia ich stosowanie we współpracy z solverem liczącym w dziedzinie częstotliwości (frequency domain) i bazującym na równaniach całkowych (integral equation).

Rysunek 1 ilustruje jedno z zastosowań tego nowego hybrydowego podejścia. Antena jest symulowana solverem typu "time domain", który jest wszechstronnym narzędziem ogólnego zastosowania, podczas gdy cały samochód jest liczony solverem typu "integral equation", który jest bardziej wydajny dla struktur o dużych rozmiarach elektrycznych w odniesieniu do długości fali. Źródła pola bliskiego są oczywiście kompatybilne z funkcjonalnością SAM co pozwala na automatyczne przenoszenie rozkładów pól pomiędzy solverami.

Modelowanie niezawodne i efektywne

Rys. 2. Siatka dla wieży z kratownicy generowana starym algorytmem (po lewej) i nowym algorytmem (po prawej) przy zachowanej podobnej dokładności

Dokładne symulacje wymagają gęstych siatek, które modelują strukturę odpowiednio precyzyjnie, natomiast szybkie symulacje wymagają rzadkich siatek o małej liczbie oczek. Aby zwiększyć szybkość obliczeń bez obniżania ich dokładności wersja 2014 CST MICROWAVE STUDIO (CST MWS) wprowadza nowy algorytm generacji dla siatek wszystkich typów: hexahedral, tetrahedral i powierzchniowych.

Algorytmy Perfect Boundary Approximation (PBA) oraz Thin Sheet Technique (TST) od dawna już były częścią ogólnego algorytmu generacji siatek typu hexahedral. Nowa siatka hexahedral uzupełnia dwa poprzednie dając jeszcze bardziej inteligentne podejście do dyskretyzacji struktury, które bez pogorszenia dokładności może znacznie zredukować liczbę komórek skomplikowanych struktur, takich jak wieża kratowa pokazana na rysunku 2.

Algorytm generujący siatkę tetrahedral został również ulepszony. Nowy generator nie tylko reprezentuje struktury zakrzywione bardziej dokładnie i redukuje liczbę komórek, ale wspiera teraz też siatki typu drzewa ósemkowego "octree". To oznacza, że skomplikowane modele, które kiedyś mogły być trudne do siatkowania, jak np. importowane dane CAD skomplikowanych struktur, mogą teraz być obrabiane przy mniejszym wysiłku użytkownika.

Integracja procesu projektowego

Kluczowy aspekt efektywnego używania symulacji jako narzędzia do projektowania, to możliwość kontynuacji własnych wcześniejszych procesów projektowych realizowanych innymi narzędziami. CST STUDIO SUITE 2014 zawiera wiele nowych funkcji do importu, edycji i eksportu danych opisujących model do i z innych środowisk. Nowe formaty CAD obsługiwane w imporcie danych obejmują: Siemens NX, SolidWorks, Solid Edge, Parasolid 3D CAD, ODB++ 8.0 oraz Zuken CR-8000.

Importowane geometrie mogą być edytowane łatwiej nowymi funkcjami "picking tools", a użytkownik może teraz dopasowywać dokładności i tolerancje eksportując poddany edycji lub optymalizacji model z powrotem do środowiska CAD.

Kontrola wersji elementu

Szczególne wyzwanie dla inżynierów pracujących w dużych zespołach to śledzenie zmian wielu plików opisujących modele elementów tworzących projekt. Gdy różne osoby pracują nad różnymi elementami systemu często zdarza się, że w czasie gdy dany element był projektowany, jego otoczenie zmienia się.

Z nową funkcją kontroli wersji elementu w CST STUDIO SUITE 2014 aplikacja modelująca automatycznie ostrzega użytkownika, gdy zewnętrzny model CAD został zmieniony. Użytkownik ma wówczas możliwość wyboru, czy zmienić model, czy używać poprzedniej wersji. Nowe importowane elementy są dodatkowo podświetlane w drzewie nawigacyjnym.

High Performance Computing (HPC)

Dla użytkowników wykonujących bardziej wymagające symulacje CST STUDIO SUITE 2014 oferuje poprawione możliwości HPC dla solvera liczącego w dziedzinie czasu. Obliczenia wspomagane kartami graficznymi (GPU computing) i wykorzystujące strukturę wielordzeniową procesorów (multicore CPU computing) mogą być teraz prowadzone razem dając wydajność symulacji przewyższającą każdą z tych metod stosowaną osobno. Symulacje prowadzone równolegle na wielu komputerach (MPI computing) są teraz też bardziej wydajne, z możliwością zrównoleglenia większej liczby obliczeń.

Nowe typy materiałów

Szeroki zakres różnych modeli materiałów jest niezbędny do symulacji ogromnej różnorodności materiałów z jakimi mamy do czynienia w urządzeniach elektronicznych. CST STUDIO SUITE 2014 udostępnia np. nowe materiały z przewodnością zależną od czasu i materiały z własnościami zależnymi od temperatury. Poprawiona została również obsługa cienkich warstw, materiałów CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics) oraz materiałów stratnych z dyspersją.

Zobrazowanie wyników symulacji

Rys. 3. Pole elektryczne wewnątrz kuchenki mikrofalowej w płaszczyznach XY i YZ

Aby efektywnie korzystać z symulacji, inżynier musi mieć możliwość wygodnej analizy wyników. CST STUDIO SUITE 2014 zawiera kilka ulepszeń narzędzi wizualizacji danych, które ułatwiają interpretację danych na poziomie jakościowym i ilościowym. Pomaga to projektantowi zrozumieć cechy fizyczne urządzenia a przez to umożliwia poprawę jego projektu. Te ulepszenia obejmują szybsze tworzenie bardziej wszechstronnych wykresów o wielu parametrach, możliwość wizualizacji pól w kilku przekrojach na raz (rys. 3) oraz nowy algorytm wizualizacji dla modeli voxelowych, takich jak model ciała ludzkiego.

Podsumowanie

CST STUDIO SUITE 2014 zawiera szereg nowych funkcji, opracowanych w celu wspierania projektowania zintegrowanego i poprawienia wydajności oprogramowania. Z ulepszonymi funkcjami importu plików CAD, z lepszą wydajnością symulacji i z nowymi kreatorami konfiguracji (SAM wizards) symulacje elektromagnetyczne można integrować teraz z większą liczbą innych procesów projektowych skuteczniej niż kiedykolwiek wcześniej.

Opracował Jarosław Kwiatkowski
CST AG