SimLab 是一种以流程为导向的多学科仿真环境,能够精确分析复杂装配体的性能表现。包括结构、热和流体动力学在内的多物理场可以通过高度自动化的建模任务轻松设置,有助于大幅缩减创建有限元模型和解释结果所耗费的时间。Altair 稳健、精确且可扩展的求解器可在本地、远程服务器或云端上运行。
直观易懂、无需说明的图形化用户界面涵盖建模过程的各个方面。无需进行枯燥的几何清理,可直接在几何上进行工作,为各个区域定义网格规格后,即可通过双向 CAD 耦合进行导入和更新
主要功能
通过可共享、稳健且可重复的仿真工作流程以提升整个仿真周期的效率。无需手动划分实体网格、模型设置、求解器执行和后处理,以便在跨组织部门间实现高准确性和一致性
只需几分钟,即可直接在 SimLab 的直观用户环境中求解静态分析、动力学、热传递、流体流动和电磁问题。
快速探索和评估实时设计更新,现场同步主流参数化 CAD 系统,包括 CATIA、Pro/E、Siemens NX 和 SolidWorks
利用自动化功能,用户可轻松设置结果和收敛性、实验设计 (DOE) 和优化。
通用的前后处理环境,并集成多个通用有限元求解器,即便项目需要多种工具,用户仍可在SimLab中实现其多功能性。
SimLab 可针对多学科和多物理场问题执行高效的模型设置,包括多个学科的协同仿真,如结构、CFD、电磁学和热分析。
下面由Altair代理商—上海菁富信息技术有限公司给大家带来关于Altair SimLab 多物理场解决方案。
一、 概述
计算机设备运输及工作过程中涉及结构、散热、电磁等多物理场问题,通过有限元仿真分析可以有效模拟计算机设备的结构、散热和电磁等多方面的性 能。 SimLab 平台不仅可以完成负责建模的建模任务,而且集成了多物理场求解 功能,包括结构分析、跌落分析、热-固耦合、流-固耦合、电-热耦合、离散元 -流体耦合、生产工艺仿真等。在同一环境、同一界面下通过一个流程求解多物理场问题,对于复杂模型具有很强的稳健性。
SimLab 的多物理场分析类型
建模-求解-后处理在统一的用户界面
二、 通用前后处理平台
SimLab 能自动识别 CAD 中的各种特征,包括倒角、圆柱、圆锥、圆弧以 及螺栓孔等。针对这些特征,可以设置各种网格控制划分参数,并在网格划分之后将这些特征再映射到网格中,使得网格也具有相应的特征,便于后续的各种操作。
笔记本复杂装配体的快速建模
电动工具四面体网格划分
SimLab 还可以自动搜索装配体的重叠网格面,通过 Join 功能实现相邻部件重合面的共节点;以及在具有相互穿插的几何体间采用布尔运算进行共节点操作。不论对于面网格还是体网格,都提供了多种多样的网格控制方式。对于面网格,通过自由边和穿透面的检查功能自动定位面网格存在问题的位置,方便用户寻找并修复。在整个模型前处理完成后,网格质量检查工具能够从长宽 比、短边长度、扭曲率等多种参数对模型进行检查并光顺。
典型机箱等电子设备网格模型
对于 CFD 建模,可以快速通过选择湿表面或出入口特征边线的方式生成流体域,填充鲁棒性良好的四面体网格,也能对流体的边界层网格进行第一层边界层厚度、层数、生长率、边界层单元类型等众多参数的设置。对于极复杂的装配体,wrap 包面功能可快速生成包裹模型的封闭面网格。
CAD 装配模型
CFD 包面网格
SimLab 可以将各种结果包括温度、压力、流量、传热系数以及强制位移从一个网格模型映射到另一个网格模型中。具有丰富而准确的映射方法,包括最近点法、加权距离法、四边形插值法和形函数插值法,映射完成可以自动创建相关载荷并云图显示,也可以将结果输出到文件中。为热-固耦合、磁-固耦合 等多物理场耦合分析提供方便的数据接口。
SimLab 的数据映射功能
仿真模型计算完成后,自动加载结果,支持查看结构、热仿真结果。分析结果可显示:应力、应变、能量、温度、速度、压力云图,速度矢量图、切面图、流线图、积分值、最大/最小值、播放保存动画等功能。
PCB 板强度分析结果
后处理-电路板热分析
三、 电子产品通用结构分析模块
电子设备机械性能仿真分析主要包括结构强度、振动分析,跌落冲击分析,以及结构运动分析,Altair SimLab 作为多学科仿真平台,集成结构隐式求解器 OptiStuct 和结构显式求解器 RADIOSS,可有效解决电子设备的结构类问 题仿真分析。
3.1 OptiStruct 强度、振动仿真
OptiStruct 是业界公认的功能最强的结构分析及优化求解器,可用来分析静态和动态载荷条件下的线性和非线性结构问题。作为结构设计和优化的市场领导者,OptiStruct 帮助设计者和工程师分析和优化结构的应力、耐久性和 NVH(噪声、振动和舒适度)的特性并快速研发创新、轻量化的高效的结构设计。
其主要的功能特点如下所示:
⚫ 线性静力分析
⚫ 非线性静力分析
⚫ 模态分析
⚫ 屈曲分析
⚫ 频响分析
⚫ 瞬态响应分析
⚫ 随机振动分析
⚫ 热传导及热应力分析
⚫ 流固耦合分析
⚫ 非线性动力分析
⚫ 刚体及柔体动力学分析
⚫ 声结构耦合
⚫ 疲劳分析
OptiStruct 的特点:
⚫ 内置的快速大规模特征值求解器
OptiStruct 的标准特性,即拥有自动化多级子结构特征值求解器(AMSES)可以在不到一小时计算出百万自由度模型的成千上万阶模态。
⚫ 最先进的和最快的 NVH 分析求解器
OptiStruct 具有最先进的求解器技术,这对于高效的整车噪声和振动分析是必不可少的。它是市场上最快的 NVH 分析求解器,提供了独一无二的先进功能,包括一步TPA(传递路径分析)分析、自动多级子结构特征值求解器 AMSES、CMS 和 CDS 模型减缩技术、设计灵敏度和 ERP(等效辐射功率)响应, 这使它能够很容易的优化结构的 NVH 性能。
⚫ 强劲的动力系统耐久性分析求解器
通过螺栓的预紧、gasket 单元和有效的接触算法,OptiStruct 能够进行动力系统耐久性分析。gasket 单元非常强健,不需要使用其他软件做一些附加的工作。
OptiStruct 高度差异化的特点在于它的求解速度、准确性和稳定性。求解器的诊断功能提供了无与伦比的模型调试能力,进一步准确模拟设计模型。
电子产品插拔分析
3.2 Radioss 跌落冲击仿真
RADIOSS 是著名的通用 CAE 仿真软件,其具备显式、隐式求解器,拥有拉格朗日、欧拉、ALE、SPH 等算法,及有限元、有限体积、边界元等数值处理技术;可用于解决结构的几何非线性(大位移、大转动和大应变)、材料非线性和接触非线性等非线性问题;也可以用于计算动载荷、静载荷下的结构、流体、流固耦合等复杂问题。它特别适合于求解结构的跌落、冲击等瞬态非线性动力问题。
SimLab 集成跌落快速建模工具,输入跌落高度即可自动设置跌落初速度、 设置重力加速度、创建地面及相应接触。
快速创建跌落工况工具
快速创建三点弯曲工具
RADIOSS 的结构力学求解功能包含显式和隐式求解模块,主要功能包括:
⚫ 动态激励下的结构仿真:如碰撞、跌落、地震、冲击和波传播等
⚫ 线性和非线性的振动仿真(模态分析和频率响应分析)
⚫ 线性和非线性的静态仿真
⚫ 机械系统运动仿真
⚫ 安全性仿真:包括气囊、安全带的设计
⚫ 生物力学仿真:提供伤害机制的研究(例如体育损伤医学和防护),假肢的设计和安装(如髋关节、膝关节和假牙)。
⚫ 制造工艺仿真(如冲压成型和液压成型等)
RADIOSS 的特点:
⚫ 静态和动态仿真的完全耦合
⚫ 隐式和显式非线性求解器并存
⚫ 灵活而快速的接触定义和算法
⚫ 单元间采用特殊数据传播机制提升对非连续介质的仿真功能
⚫ 采用 Cossera 格式可以考虑剪切行为造成的断裂,提升仿真的精确度
⚫ 支持从多体动力学或制造工艺仿真结果向结构分析模型的映射,定义准确的初始条件
手机跌落仿真
PCB 的跌落的虚拟测试仿真
四、 电子产品散热分析模块
4.1 AcuSolve 通用电子散热仿真
Altair AcuSolve 是一款快速、稳健、精确的基于有限元的通用 CFD 求解器,具有丰富完善的热分析功能,涵盖热传导,对流换热,辐射等所有热传递方面的分析能,还具有接触热阻,各向异性导热系数等等众多技术处理复杂的传导、对流、辐射等热分析问题。可以为电子设备热设计提供一套完整的热流体仿真分析方案。
AcuSolve 支持以下物理模型:
流动和换热模型
⚫ 可压缩、不可压缩流动
⚫ 亚音速、超音速流动(<1.5 马赫)
⚫ 流固共轭换热
⚫ 自然对流
⚫ 热辐射模型:S2S/P1/DO
⚫ 太阳辐射
⚫ 接触热阻,各向异性导热材料
⚫ 简化的换热器模型
⚫ 电-热耦合模型
⚫ 多孔介质模型
⚫ 简化风扇模型(P-Q 曲线)
⚫ 非牛顿流体模型 Binghan/Carreau/Powerlaw/自定义
⚫ 湍流模型
⚫ Spalart-Allmaras
⚫ Standard/RNG/Realizable k-ε
⚫ SST/ K-Ω和 BSL K-Ω
⚫ LES/DES 和 DDES
⚫ 转捩模型γ单方程和γ-Reθ
多相流
⚫ 自由液面,表面张力,液滴接触角
⚫ 湿空气模型,表面蒸发和冷却
⚫ 核态沸腾模型,液体相变
⚫ 欧拉两相流,气泡流动
⚫ 单向、双向耦合 EDEM 模拟颗粒流
用户自定义函数
⚫ Multiplier function 自定义数学函数,无须编译,也可以导入外部数表。用于定义复杂的边界条件或物性参数
⚫ UDF 用户自定义子函数基于 C 或 Fortran 语言,需要编译,实现更加底层的用户接口
运动网格
⚫ 采用任意拉格朗日欧拉(ALE)运动网格算法处理类似阀门关闭、柔体变形等应用场景。也可采用 Interpolated Motion 算法自动调整计算域的网格保证网格质量
⚫ 六自由度刚体运动模型
⚫ 滑移网格模型(风扇、滑阀等)
⚫ 自定义网格运动规律,灵活控制每个网格节点的运动
优化功能
⚫ 内嵌流体优化求解器,无须脚本或外部优化工具。可以实现参数寻优,自由形状优化(基于 HyperMorph 网格变形技术)
⚫ 内嵌 CFD 拓扑优化功能,实现内流管路问题的减阻优化
⚫ 结合 HyperStudy 多学科优化工具和 HyperWorks 建模环境可以实现 CAD 参数驱动优化,DOE,响应面,拟合,单目标、多目标寻优
多物理场
⚫ 单向流固耦合,如排气管路的热变形或高层建筑风载荷
⚫ 基于固体结构模态的单向耦合,如卡门涡引起的桥梁自激振动
⚫ 双向流固耦合,如柔性阀门的动态开闭
⚫ 低频电磁场耦合,如永磁电机的损耗及热分析
⚫ 多体动力学和流体双向耦合,如洗衣机平衡环的减振分析
⚫ EDEM 的离散元和流体单向耦合,如吸尘器的颗粒运动
AcuSolve 热分析案例
4.2 ElectroFlo 电子设备板级热分析模块
ElectroFlo 是内嵌于 SimLab 中的一个特色模块,专门解决板级、芯片级的散热分析问题。基于有限体积法,它可以处理自然对流、强迫对流、辐射、共轭传热等多种情况,快捷地为芯片、PCB 板设置界面热阻、双热阻、最大结温与壳温等条件,并可以分析电子器件的温度是否超过安全温度范围。提供了用户快捷地进行几何离散化和边界条件的设置工具,对于非 CFD 专业分析人员也具有良好的易用性。
此外,ElectroFlo 可做热-电耦合分析。对于像总线等器件的散热问题,用户可以输入接地点电压和另一端的电压,或输入回路电流,就可以计算模型的温度分布情况。
ElectroFlo 作为专业的电子器件热分析工具,为电器设计者提供了设计早期阶段快速验证产品热性能的方法,并在不同层级的热分析中得到应用。
分析类型
⚫ 导热
⚫ 自然对流
⚫ 风扇、通风格栅强迫对流
⚫ 环境辐射
⚫ 热网络辐射法
⚫ 双热阻
⚫ 界面热阻
⚫ 焦耳热、热电耦合
⚫ 稳态/瞬态
⚫ 层流/湍流
用户界面
⚫ 直接由 CAD 开始分析流程
⚫ 快速几何离散和关键面的网格加密
⚫ 多样的导向性的功能按钮
⚫ Smart Object 特殊热模型设置,如界面热阻、双热阻
⚫ 材料库支持电子元件领域常见材料,比如铜、FR4 印刷电路板(含铜或 不含铜)、半导体等,并可设置各向同性或各相异性;也支持自行创建材料,还可以将材料导出
可分析的系统层级
⚫ 芯片级
⚫ 板级
⚫ 系统级
⚫ 其他
⚫ 可设置不同部件的安全温度区间,并通过计算验证当前工况下器件的安全性
⚫ 后处理结果可映射到其他模型上,作为其他物理场的输入
五、 电磁分析模块
系统级的电磁兼容问题目前仍然是学术界和工程上的挑战。随着几何结构的复杂度增大、包含了越来越多的 PCB、复杂线缆束、工作频率的不断上升,单一的电磁求解技术已经无法满足工程应用的需要,无法满足包含了 PCB 板、 复杂线缆束、复杂系统结构等,同时要考虑 PCB、线缆等的电气性能以及 PCB、线缆在真实机箱环境下的电磁辐射等。
Altair 的 PollEx + Feko 软件总体方案可以解决这列复杂的系统 EMC 问题, 提供丰富的计算电磁学求解技术并应用各种混合技术能够为各类复杂问题。提供全面的电磁求解技术。 PollEx+Feko 的联合方案在计算系统 EMC 方面具有明显的优势,可以归结为:
1. 支持丰富的 ECAD 接口,读入任意 ECAD 软件建立的电路模型,可以无缝读取 PCB 信息,支持读入 Cadence、Mentor 等软件的元器件库;
2. 提供了丰富的基于 SI、PI、ESD 等电气性能(DFE)的验证规则模板, 建立针对不同产品要求的电气验证规则,提前发现违背设计规则的问 题;
3. 提供了丰富的基于 PCB 板加工工艺(DFM)的规则验证模板,在设计阶段提前发现 PCB 加工工艺上存在的问题;
4. 提供了丰富的基于 PCB 板装配(DFA)的规则验证模板,在设计阶段就可以基于规则验证提前发现装配中问题;
5. 同时具备 PCB 的信号完整性、电源完整性、电磁辐射干扰以及热的求解分析功能,混合了 3D 有限元、2D 传输线法、HyperSpice 等针对 PCB 板的电磁混合求解技术;
6. 新增 DDR4(一种新的 DDR 内存技术)自动分析功能,内置LPDDR4 时序规范表;
7. 新增信号串扰耦合系数云图(Crosstalk Coupling Map),容易找到串扰易受攻击的区域、阻抗云图(Impedance Map),方便快速发现阻抗失配的区域等;
8. 提供 PCB 上芯片、无源分离元件的建模向导,快速建立元器件库;
9. 丰富的线缆类型以及线缆屏蔽层模型等;
10. 全面的 MOM,只对表面划分网格,无需对空间进行网格剖分,大大减小计算量。
11. 强大的电大尺寸问题精确计算能。采用 MLFMM 及 HOBF 方法(改进的矩量法 MoM),保持 MOM 精度的前提下,大大扩展了可求解规模,适用于电大尺寸系统的 EMC 分析;
12. 在包含有复杂介质材料的电大尺寸目标体,采用 MLFMM 方法或 FEM+MLFMM 混合方法等来精确求解;
13. Feko 提供丰富的等效源处理技术,尤其支持 PollEx、第三方 PCB 仿真数据或者是测试设备测试得到的口面场频谱。
基于 PollEx +Feko 的完备系统 EMC 解决方案流程框图:涵盖各种类型的干扰源(比如 PCB 的辐射和传导、线缆束、天线等)
该方案主要的仿真步骤包括:
⚫ 步骤一:导入完成 PCB 布局布线的电路板板图文件,建立元器件模型库
⚫ 步骤二:定义该类产品的 DFE、DFM、DFA 规则,验证该 PCB 板是否存在明显的违背电气设计规则、加工工艺以及装配等规则,如果有进行修正;
⚫ 步骤三:(可以和步骤二同步进行)建立 PCB 板的信号完整性、电源完整性仿真模型,进行电气特性的分析,借助于阻抗、拓扑、去耦等分析特性,提前发现 SI、PI 的问题,修正设计;
⚫ 步骤四:进行 PCB 的 SI、PI 分析,得到 PCB 的辐射等效源,重要端口的噪声电流频谱输出;
⚫ 步骤五:Feko 建立机箱的模型,进行机箱的屏蔽特性分析与优化;
⚫ 步骤六:Feko 中线缆模型的建立,读入步骤四得到的 PCB 端口输出到线缆上的噪声电流频谱,分析线缆束的 EMC 性能;
⚫ 步骤七:Feko 中读入步骤四中 PCB 的辐射等效源,进行 PCB 的辐射危害分析、在机箱内部的布局分析;
⚫ 步骤八:根据步骤六、七等分析的结果,综合评价系统的 EMC 性能。
5.1 PollEx PCB 板级电磁分析
Altair PollEx 是一个基于 PCB 级的 EDA 软件工具包,其涵盖了设计、分析和制造、装配等;可显著缩短开发周期,同时为原理图工程师、PCB 设计师、 CAE 分析师和制造工程师提供了一个通用的应用程序。SimLab 完成集成 PollEx,为其提供全套的前后处理功能。
PollEx 工具包是基于 PCB 设计、布局布线及加工背景的 PCB 设计验证工具集。涵盖了从 PCB 的原理图设计、PCB 的布局走线、电性能分析验证以及加工装配制造的全流程的 PCB 性能验证全面解决方案。 PollEx 是业界最全面和集成的一组设计验证工具,提高 PCB 和 IC 封装产品 的质量并降低制造成本。Altair 提供的 PollEx 工具套件允许进行物理设计查看 (PollEx PCB),逻辑设计查看(PollEx Logic),Gerber 查看和编辑(PollEx CAM),BOM 数据检查(PollEx BOM),交叉探测 layout-logic-BOM 和设计变化(PollEx Cross Probe),制造规则检查(PollEx DFM),组装规则检查(PollEx DFA),电气设计规则检查(PollEx DFE),信号完整性仿真(PollEx SI)和热性 能仿真(PollEx Thermal)。PollEx 提供最全面的 EDA 设计数据接口程序。
5.2 FEKO 整机级电磁兼容仿真
FEKO 软件是成熟的商用高频全波电磁场分析软件,从严格的电磁场积分 (EFIE,MFIE)方程出发,以经典的矩量法(MoM)为基础,采用了当今最先进的多层快速多级子(MLFMM)算法在保持精度的前提下大大提高了计算效率,非常适合于分析电磁兼容领域的各类开域电磁问题;提供了有限元法 (FEM)及其与矩量法(MoM)的混合;辅以高频近似方法(PO、几何光学 GO、UTD 等)并能与矩量法(MoM)混合来解决更大规模的电大尺寸问题。 为全球范围内的各个行业的工程师提供高频电磁场问题的解决方案。FEKO 软件 的主要客户涉及航空、航天、船舶、汽车、电子等多个领域。
关于上海菁富
上海菁富信息技术有限公司注册资金1000万,总部位于上海,并在北京,成都,西安, 惠州设立分公司;上海菁富是一家专注于为汽车、机车、通用机械、消费电子、航空航天、船舶等机械制造业领域内的广大用户提供面向工业4.0的全产品生命周期的CAE/CAD/CAM数字化产品工程解决方案及全方位资深咨询服务的公司。
作为集产品设计与仿真技术服务解决方案为一体的专业机构,拥有一支力学、机械制造、电子工程等专业的硕士、博士团队。依托深厚的技术背景和十余年工程仿真应用经验,菁富已为航天、汽车、机械、电子、新能源、医疗等领域的1200多家企业提供了专业的工程服务(包括技术咨询、有限元分析、培训、CAD/CAE软件二次开发、信息化平台开发等),并获得客户高度认可。
我们有五块核心业务:
一:Altair全系列CAE仿真软件解决方案:包括:Hypermesh、Hyperworks、OptiStruct、SimLab、FEKO、Compose、HyperView、HyperLife、AcuSolve、EDEM离散元仿真等全套解决方案。
二:MSC软件,多体动力学仿真,Adams可求解静态、准静态、运动学及动力学的多体系统问题,在求解过程中也能查看已有的分析结果。还可以定义变量、约束和设计目标,进行优化迭代,从而提供最佳的系统性能,Nastran快速,多学科结构有限元求解器,动力学分析软件,更为现实的产品性能和加工的仿真提供超强并行设计仿真能力,
三:三维设计软件全套解决方案(UG、CREO、新迪、中望等平台)
四:海克斯康全系列软件代理:ESPRIT车铣复合软件,Ncsimul软件,EDGECAM软件;Mastercam软件,Vericut仿真软件
五:工程服务:为我们的客户提供CAE仿真、CAD设计,CAM制造等培训服务, 包括软件二次开发、网格划分、热仿真、电磁兼容EMC仿真、结构仿真、流体仿真和燃烧仿真等服务。我们的工程师平均工作经验10年以上,来自多个领域和厂商的的专家,帮您的企业快速提升技术能力。