Hitchhiker's Guide to HFSS Meshing

Automatisk adaptiv meshing i Ansys HFSS er en kritisk komponent i simuleringsprosessen for finite element method (FEM). Veiledet av Maxwell's Equations, foredler den effektivt et nett for å levere en pålitelig løsning, garantert. Ingeniører over hele verden stoler på denne teknologien når de designer banebrytende elektroniske produkter. Men den adaptive meshing-prosessen er avhengig av en innledende mesh som nøyaktig representerer modellens geometri. I dag etablerer HFSS det første nettet ved hjelp av en rekke meshing-teknologier, hver optimalt brukt på en spesifikk type geometri. Derfra fortsetter HFSS den adaptive foredlingsprosessen til løsningen konvergerer.

I løpet av de siste to tiårene har datamaskiner blitt større, kraftigere og stadig mer skybaserte i sin høyytelses databehandlingsarkitektur (HPC). FEM-algoritmene til HFSS har blitt betydelig forbedret sammen med innovasjoner i HPC-databehandlingsområdet. I dag lar de den strenge og pålitelige simuleringsteknologien til HFSS brukes på stadig mer komplekse elektromagnetiske systemer. Men med større, mer komplekse systemer, blir oppgaven med den første maskegenereringen mer og mer utfordrende.

Denne hvitboken introduserer historien til HFSS meshing-innovasjoner og utforsker nyere teknologiske gjennombrudd som har forbedret ytelse og pålitelighet i den første mesh-opprettingen.

Historien om HFSS Meshing

"Mesh" er grunnlaget for fysikksimulering; det er hvordan et komplekst modelleringsproblem diskretiseres til «løselige blokker». Forståelig nok, for dagens svært komplekse systemer, kan det brukes mye tid på å generere det første nettet fordi det er et så kritisk trinn. Nøyaktig fange av den fysiske geometrien som testes, som representert av det første nettet, har en avgjørende innflytelse på den resulterende simuleringen og hastigheten på resultatene. Det var ikke alltid tilfelle. For 25 år siden var simulering dominert av selve løsningen av de elektromagnetiske feltene, og meshing utgjorde en liten brøkdel av den totale tiden som ble brukt på å generere en simulert modell.

Den aller første HFSS-simuleringen i 1989 tok 16 timer å produsere ett frekvenspunkt på en datamaskin som den gang var toppmoderne. Det store flertallet av de 16 timene ble brukt på å løse de elektromagnetiske feltene. I dag kan vi løse samme modell og trekke ut fire tusen frekvenspunkter på omtrent 30 sekunder på en vanlig bærbar datamaskin. Fremskritt i hastighet førte naturligvis til at ingeniører forsøkte stadig mer komplekse design gjennom 3D-simulering. I løpet av de siste 20 årene har nye meshing-teknologier støttet innovasjonstakten, men selv med avanserte teknikker tok meshing en større relativ del av prosessen for komplekse design. Simuleringsteknologer så at meshing var en større stolpe i "simuleringsteltet", så de introduserte nye algoritmer og parallell prosessering for å oppmuntre til ytterligere innovasjon i simuleringsrommet.

I dag bruker Ansys HFSS en rekke forskjellige meshing-algoritmer, hver optimalisert for forskjellige geometrier:

Den originale "klassikeren"

I kjernen er meshgenerering en romdiskretiseringsprosess der geometri er delt inn i elementære former. Mens det er flere former å jobbe med, i HFSS, representerer et nett geometri som et sett med 3D-tetraedre, se figur 1. Det kan demonstreres at enhver 3D-form kan dekomponeres til et sett med tetraedre. Siden HFSS utnytter automatisk mesh-generering, bruker algoritmen tetraedre for å avgrense og matematisk garantere en nøyaktig mesh.

Figur 1: Geometrisk konforme tetraedre utnyttet i HFSS automatisk mesh-generering

Classic er en av Ansys' tidligste meshing-teknologier. Den bruker en Bowyer-algoritme for å lage et kompakt mesh fra ethvert sett med geometrier. Det er en ekstremt streng tilnærming. Først masker Classic overflatene til alle objekter for å lage en vanntett presentasjon av geometrien, og deretter fyller den ut volumene til alle objekter med 3D-tetraeder. For nøyaktighet må mesh-elementer være kontinuerlige over en overflate. Med andre ord, to gjenstander som er i kontakt må ha et konformt trekantet mesh ved sine tilstøtende ansikter. Etter hvert som den geometriske kompleksiteten vokste og modellene begynte å inkludere hundrevis eller tusenvis av deler, ble det vanskelig å justere det trekantede nettet for å oppnå konformt nett overalt. På et tidspunkt når denne meshing-tilnærmingen, som ikke er lett parallellisert, sin grense. Den kan ikke håndtere høye nivåer av designkompleksitet på rimelig tid.

TAU

I 2009 ga Ansys ut TAU ​​meshing-algoritmen. TAU nærmer seg oppgaven med meshing fra et omvendt perspektiv. Fra et fugleperspektiv representerer en modell et volum av objekter som potensielt kan kontakte andre på forskjellige punkter. TAU deler opp volumet i gradvis mindre tetraedre for å passe til hvert objekt i modellen. Deretter avgrenser og strammer den opp den lokale maskestørrelsen og -formen på en adaptiv måte for å justere det volumetriske nettet med overflatene til inngangsmodellen. Til slutt får TAU tetraedrene nær nok til hver overflate for et vanntett nett som nøyaktig representerer all geometrien. For 3D CAD, for eksempel en modell av en bakplanskontakt eller en flykropp, er TAU en svært robust og pålitelig algoritme; TAU sliter imidlertid med design som inkluderer geometrier med høye sideforhold, som PCB-er og wirebond-emballasje, der Classic kan yte bedre.

Både Classic og TAU meshers er designet for å håndtere alle vilkårlige geometrier nøyaktig. Avhengig av modellen, i "Auto-mesh"-modus, bestemmer HFSS det riktige mesher-valget som skal brukes.

Phi Mesher

2013 brakte neste generasjon meshing hos Ansys—Phi. Phi er en layoutbasert meshing-teknologi som er 10, 15 eller til og med 20 ganger raskere enn tidligere meshing-teknologi, avhengig av modellens geometri. En raskere initial mesh sikrer ofte raskere simuleringer; de kan akselereres og forbedres ytterligere med HPC.

Phi er HFSS sin første "geometri-bevisste" meshing-teknologi. Den er avhengig av den lagdelte designen som vanligvis finnes i PCB-er eller IC-pakker. Teknikken er basert på kunnskapen om at all geometri i denne typen modeller har en 2D-lagsbeskrivelse, med den tredje dimensjonen oppnådd ved å sveipe 2D-lagbeskrivelsen (i XY-planet) jevnt i Z. Phi ble designet for å akselerere den første maskegenereringen ved å erobre et 3D-problem med en 2D-tilnærming. Den ble opprinnelig implementert i HFSS 3D Layout-designflyten og ble til slutt utvidet til 3D-arbeidsflyten noen få utgivelser senere.

Phi-ytelsen er eksepsjonell, og oppnår hastigheter en størrelsesorden større enn andre meshing-teknologier. I komplekse IC-design, se figur 2, er det en game changer. Med tidligere teknikker tok for eksempel passive komponenter på brikken en betydelig mengde tid å fullføre. Med Phi meshing kan en timelange innledende mesh-prosess reduseres til minutter eller til og med sekunder. Imidlertid begrenser Phis uniform-in-Z-begrensning hvilke typer design den kan håndtere. For eksempel kan Phi ikke utnyttes hvis sporetsing eller bondwires var inkludert i IC-pakkedesign.

 Figur 2: En typisk kompleks PCB-design, Phi mesh

Når det er sagt, med riktig geometri er Phi ekstremt rask. Når den første mesh er fullført, fungerer den adaptive meshing-algoritmen på samme måte som den ville gjort med enhver annen HFSS mesh-teknologi for å produsere den endelige konvergensen. I tillegg kan Phi skape et mindre innledende meshing-antall, noe som bidrar til bedre nedstrømsytelse i de adaptive meshing- og frekvenssveipene. Det er raskere fra start til slutt, ikke bare i den første mesh-genereringsfasen.

Three Mesh-paradigmet

Med tre mesh-teknologier på plass, skannet en Ansys auto-mesh-algoritme modellgeometrier for å bestemme hvilken av mesh-teknologiene som skal brukes. I tillegg sørget tilbakefall fra en meshing-teknologi til en annen en pålitelig meshing-flyt. For eksempel, hvis algoritmen identifiserte en betydelig mengde CAD med høyt aspektforhold, ville den starte Classic mesh-algoritmen. Phi var helautomatisert i den forstand at den alltid ble brukt på jevnt sveipet i Z-geometri.

Tidlig hadde hver kundes designflyt en tendens til å samsvare med de samme meshing-teknikkene for hvert prosjekt, slik at de konsekvent gikk over til én meshing-tilnærming. Etter hvert som HFSS-løseralgoritmene ble raskere og mer skalerbare, og cluster- og Cloud-maskinvare ble lettere tilgjengelig, vokste størrelsen på HFSS-simuleringer og ble mer komplekse. Design var ikke lenger enkeltkomponenter; de var systemer som består av flere typer CAD. Det var ikke nok å løse bare PCB eller bare kontakten lenger. For å få det riktig, spesielt etter hvert som datahastighetene økte, ble det viktigere og viktigere å simulere sammen – kobling og PCB, antenne og flyskrog, og så videre.

Ettersom ingeniører designer for strammere marginer i det konkurrerende elektronikklandskapet, omfatter simuleringer PCB, IC-emballasje, kontakter, overflatemonterte komponenter og mer. Three Mesh-paradigmet bar store byrder for både kunder og Ansys; en one-mesh-fits-all-tilnærming var ikke optimalt effektiv. Å forstå de forskjellige alternativene og mesh-teknologiene og vite når du skal bruke dem kan være en reell utfordring.

Gå inn i HFSS Mesh Fusion.

Fremveksten av HFSS Mesh Fusion

HFSS Mesh Fusion ble introdusert tidlig i 2021 og oppnådde et grunnleggende mesh-gjennombrudd ved å bruke lokalt definerte parametere. Med andre ord, HFSS Mesh Fusion bruker meshing-teknologi avhengig av de lokale behovene til CAD. For eksempel, når man analyserer en simulering der et PCB inneholder både wirebond-emballasje og 3D-koblingsmodeller, for eksempel en bakplan-kontakt, kaller PCB-delen for Phi, wirebond-pakker kaller for Classic, og koblinger er best meshed ved å bruke TAU.

Denne multi-mesh-evnen ble mulig med HFSS Mesh Fusion. Det eneste kravet er å sette sammen designet som et sett med 3D-komponenter, som kan krypteres for å skjule åndsverk og muliggjøre enkelt samarbeid med komponentleverandører. 3D-komponenthierarkiet gir den lokaliserte CAD-definisjonen for å bruke mesh på riktig måte. I tillegg kan den samme auto-mesh-teknologien brukes til å stille inn masken lokalt, noe som krever lite eller ingen brukerinndata. Derfra brukes det samme adaptive meshing-skjemaet for å gi HFSS gullstandard nøyaktighet og pålitelighet.

Ansys jobbet nylig med et team som integrerte et 5G-brikkesett i en nettbrett. Før Mesh Fusion var det mange mesh-utfordringer å løse før man kom frem til en brukbar simulering. Med Mesh Fusion ble Phi brukt lokalt på brikkesettet og TAU ble brukt på resten av designet – et elegant hus med kompleks CAD for å omslutte resten av elektronikken i nettbrettet. Lokal mesh-applikasjon sørget for en ren mesh på brikkesettet, noe som var avgjørende for nøyaktigheten til den generelle simuleringen. Alle disse tilsynelatende forskjellige meshing-tilnærmingene kom sammen i Mesh Fusion for et raskt, nøyaktig og pålitelig simuleringsresultat.

The Future of Meshing hos Ansys

Tilstedeværelsen av HFSS Mesh Fusion tilbyr en natt- og dagforskjell for Ansys-kunder. I stedet for å bli fastlåst av å samle problemer å løse, står brukerne fritt til å utforske mer intensive designutfordringer som driver elektronikkindustrien fremover.

Senest brukte Ansys en grunntilnærming for å utvikle en ny meshing-teknologi. Denne nye mesheren, kalt Phi Plus, ble designet spesielt for wirebond-emballasje, se figur 3., som er spesielt vanskelig å kombinere med andre teknologier – til og med Mesh Fusion. I likhet med Phi er den geometribevisst og drar fordel av a priori kunnskap om systemdesign. I tillegg ble den utviklet med parallelliseringsmetoder i tankene, noe som muliggjør utmerket skalering med HPC-ressurser. Suksessen er ikke begrenset til wirebond-emballasje. Phi Plus kan håndtere enhver form for kombinert layout og 3D CAD-simulering, for eksempel kobling på PCB. Phi Plus meshing er den neste spillveksleren i en lang rekke innovative teknikker fra Ansys!

Figur 3: Phi Plus Mesh påført en trådbindingspakkedesign

For oppdateringer, hold øye med våre sosiale kanaler i det nye året.

Del dette innlegget via: Kilde: https://semiwiki.com/eda/306866-a-mesh-by-any-other-name-the-hfss-mesh-evolution/