Hướng dẫn của người quá giang về lưới HFSS

Được xuất bản lại bởi Plato

Người theo dõi: 0

Chia lưới thích ứng tự động trong Ansys HFSS là một thành phần quan trọng của quá trình mô phỏng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) của nó. Được hướng dẫn bởi các Phương trình của Maxwell, nó tinh chỉnh một cách hiệu quả lưới để cung cấp một giải pháp đáng tin cậy, được đảm bảo. Các kỹ sư trên khắp thế giới tin tưởng vào công nghệ này khi thiết kế các sản phẩm điện tử tiên tiến. Nhưng quá trình chia lưới thích ứng dựa trên một lưới ban đầu thể hiện chính xác hình học của mô hình. Ngày nay, HFSS thiết lập lưới ban đầu bằng cách sử dụng một bộ công nghệ chia lưới, mỗi công nghệ được áp dụng tối ưu cho một loại hình học cụ thể. Từ đó, HFSS tiếp tục quá trình tinh chỉnh thích ứng cho đến khi giải pháp hội tụ.

Trong hai thập kỷ qua, máy tính đã trở nên lớn hơn, mạnh hơn và ngày càng dựa trên nền tảng đám mây trong kiến trúc điện toán hiệu suất cao (HPC) của chúng. Các thuật toán FEM của HFSS đã được cải thiện đáng kể cùng với những đổi mới trong không gian máy tính HPC. Ngày nay, chúng cho phép áp dụng công nghệ mô phỏng nghiêm ngặt và đáng tin cậy của HFSS cho các hệ thống điện từ phức tạp hơn bao giờ hết. Tuy nhiên, với các hệ thống lớn hơn, phức tạp hơn, nhiệm vụ tạo lưới ban đầu ngày càng trở nên khó khăn hơn.

Sách trắng này giới thiệu lịch sử của các đổi mới tạo lưới HFSS và khám phá những đột phá công nghệ gần đây đã cải thiện đáng kể hiệu suất và độ tin cậy trong quá trình tạo lưới ban đầu.

Lịch sử của HFSS Meshing

“Lưới” là nền tảng của mô phỏng vật lý; đó là cách một vấn đề mô hình phức tạp được sắp xếp thành "các khối có thể giải quyết". Có thể hiểu, đối với các hệ thống rất phức tạp ngày nay, thời gian đáng kể có thể được chỉ định để tạo lưới ban đầu bởi vì đó là một bước quan trọng. Việc nắm bắt chính xác hình dạng vật lý được thử nghiệm, như được đại diện bởi lưới ban đầu, có ảnh hưởng xác định đến kết quả mô phỏng và tốc độ của kết quả. Đó không phải luôn luôn như vậy. 25 năm trước, mô phỏng bị chi phối bởi việc giải quyết thực tế các trường điện từ, và việc chia lưới chiếm một phần rất nhỏ của tổng thời gian dành cho việc tạo ra một mô hình mô phỏng.

Mô phỏng HFSS đầu tiên vào năm 1989 đã mất 16 giờ để tạo ra một điểm tần số trên một máy tính hiện đại nhất. Phần lớn 16 giờ đó được dành để giải quyết các trường điện từ. Ngày nay, chúng ta có thể giải quyết mô hình tương tự và trích xuất bốn nghìn điểm tần số trong khoảng 30 giây trên một máy tính xách tay thông thường. Những tiến bộ về tốc độ đương nhiên khiến các kỹ sư cố gắng thiết kế ngày càng phức tạp thông qua mô phỏng 3D. Trong 20 năm qua, các công nghệ chia lưới mới đã hỗ trợ tốc độ đổi mới, nhưng ngay cả với các kỹ thuật tiên tiến, chia lưới vẫn chiếm một phần tương đối lớn hơn của quy trình đối với các thiết kế phức tạp. Các nhà công nghệ mô phỏng thấy rằng chia lưới là một cực lớn hơn trong “lều mô phỏng”, vì vậy họ đã đưa ra các thuật toán mới và xử lý song song để khuyến khích sự đổi mới hơn nữa trong không gian mô phỏng.

Ngày nay, Ansys HFSS sử dụng nhiều thuật toán chia lưới khác nhau, mỗi thuật toán được tối ưu hóa cho các hình học khác nhau:

Bản gốc "Cổ điển"

Về cốt lõi, tạo lưới là một quá trình tùy biến không gian trong đó hình học được chia thành các hình dạng nguyên tố. Trong khi có một số hình dạng để làm việc, trong HFSS, một lưới biểu thị hình học như một tập hợp các tứ diện 3D, xem Hình 1. Có thể chứng minh rằng bất kỳ hình dạng 3D nào cũng có thể được phân rã thành một tập hợp các tứ diện. Vì HFSS thúc đẩy tạo lưới tự động, thuật toán sử dụng tứ diện để tinh chỉnh và đảm bảo về mặt toán học một lưới chính xác.

điện thoại di động

Hình 1: Tứ diện đồng dạng hình học được tận dụng trong tạo lưới tự động HFSS

Classic là một trong những công nghệ chia lưới sớm nhất của Ansys. Nó sử dụng thuật toán Bowyer để tạo một lưới nhỏ gọn từ bất kỳ tập hợp hình học nào. Đó là một cách tiếp cận cực kỳ nghiêm ngặt. Đầu tiên, Classic chia lưới các bề mặt của tất cả các đối tượng để tạo ra một bản trình bày hình học kín nước và sau đó nó sẽ lấp đầy thể tích của tất cả các đối tượng bằng tứ diện 3D. Để có độ chính xác, các phần tử lưới phải liên tục trên một bề mặt. Nói cách khác, hai vật thể tiếp xúc với nhau phải có một lưới tam giác đồng dạng ở các mặt tiếp giáp của chúng. Khi sự phức tạp về hình học ngày càng tăng và các mô hình bắt đầu bao gồm hàng trăm hoặc hàng nghìn bộ phận, rất khó để căn chỉnh lưới tam giác để đạt được lưới phù hợp ở mọi nơi. Tại một số điểm, cách tiếp cận chia lưới này, vốn không được song song hóa dễ dàng, đạt đến giới hạn của nó. Nó không thể xử lý mức độ phức tạp thiết kế cao trong một khoảng thời gian hợp lý.

SƯƠNG

Năm 2009, Ansys phát hành thuật toán chia lưới TAU. TAU tiếp cận nhiệm vụ chia lưới từ góc độ nghịch đảo. Từ cái nhìn toàn cảnh, một mô hình đại diện cho một số khối lượng của các đối tượng có khả năng tiếp xúc với những người khác ở các điểm khác nhau. TAU chia nhỏ thể tích thành các tứ diện nhỏ dần để phù hợp với từng đối tượng trong mô hình. Sau đó, nó tinh chỉnh một cách thích ứng và thắt chặt kích thước và hình dạng lưới cục bộ để căn chỉnh lưới thể tích với các mặt của mô hình đầu vào. Cuối cùng, TAU có được tứ diện đủ gần với mỗi bề mặt để có một lưới kín nước thể hiện chính xác tất cả các hình học. Đối với 3D CAD, chẳng hạn như mô hình của đầu nối bảng nối đa năng hoặc thân máy bay, TAU là một thuật toán rất mạnh mẽ và đáng tin cậy; tuy nhiên, TAU gặp khó khăn với các thiết kế bao gồm hình học tỷ lệ khung hình cao, như PCB và bao bì bằng dây kẽm, trong đó Classic có thể hoạt động tốt hơn.

Cả lưới Classic và TAU đều được thiết kế để xử lý tất cả các hình học tùy ý một cách chính xác. Tùy thuộc vào kiểu máy, trong chế độ “Tự động lưới”, HFSS xác định lựa chọn lưới chính xác để áp dụng.

Phi Mesher

Năm 2013 mang đến thế hệ chia lưới tiếp theo tại Ansys — Phi. Phi là công nghệ chia lưới dựa trên bố cục nhanh hơn 10, 15 hoặc thậm chí 20 lần so với công nghệ chia lưới trước đây, tùy thuộc vào hình dạng của mô hình. Lưới ban đầu nhanh hơn thường đảm bảo mô phỏng nhanh hơn; chúng có thể được tăng tốc và nâng cao hơn nữa với HPC.

Phi là công nghệ chia lưới “nhận biết hình học” đầu tiên của HFSS. Nó dựa trên bản chất phân lớp của thiết kế thường thấy trong các gói PCB hoặc IC. Kỹ thuật này dựa trên kiến thức rằng tất cả hình học trong các loại mô hình này đều có mô tả lớp 2D, với kích thước thứ ba đạt được bằng cách quét mô tả lớp 2D (trong mặt phẳng XY) một cách thống nhất trong Z. Phi được thiết kế để tăng tốc tạo lưới ban đầu bằng cách chinh phục một vấn đề 3D với cách tiếp cận 2D. Ban đầu nó được triển khai trong quy trình thiết kế Bố cục 3D HFSS và cuối cùng được mở rộng sang quy trình làm việc 3D một vài bản phát hành sau đó.

Hiệu suất của Phi là đặc biệt, đạt được tốc độ lớn hơn một bậc so với các công nghệ chia lưới khác. Trong các thiết kế vi mạch phức tạp, xem Hình 2, nó là một công cụ thay đổi cuộc chơi. Với các kỹ thuật trước đó, ví dụ, các thành phần thụ động trên chip mất một lượng thời gian đáng kể để hoàn thành. Với Phi Meshing, quy trình lưới ban đầu kéo dài hàng giờ có thể giảm xuống còn vài phút hoặc thậm chí vài giây. Tuy nhiên, ràng buộc thống nhất trong Z của Phi giới hạn các loại thiết kế mà nó có thể xử lý. Ví dụ, Phi không thể được tận dụng nếu khắc dấu vết hoặc các sợi dây trái phiếu được đưa vào thiết kế gói vi mạch.

PCB

Hình 2: Một thiết kế PCB phức tạp điển hình, lưới Phi

Thế mới nói, với hình học phù hợp, Phi nhanh vô cùng. Sau khi hoàn thành lưới ban đầu, thuật toán chia lưới thích ứng hoạt động giống như với bất kỳ công nghệ chia lưới HFSS nào khác để tạo ra sự hội tụ cuối cùng. Ngoài ra, Phi có thể tạo ra số lần chia lưới ban đầu nhỏ hơn, góp phần vào hiệu suất hạ nguồn tốt hơn trong quá trình chia lưới thích ứng và quét tần số. Nó nhanh hơn từ đầu đến cuối, không chỉ trong giai đoạn tạo lưới ban đầu.

Mô hình ba mắt lưới

Với ba công nghệ chia lưới tại chỗ, một thuật toán lưới tự động của Ansys đã quét các hình học của mô hình để xác định công nghệ lưới nào sẽ sử dụng. Ngoài ra, dự phòng từ công nghệ chia lưới này sang công nghệ chia lưới khác đảm bảo một luồng chia lưới đáng tin cậy. Ví dụ: nếu thuật toán xác định một lượng đáng kể CAD tỷ lệ khung hình cao, nó sẽ khởi chạy thuật toán lưới cổ điển. Phi hoàn toàn tự động theo nghĩa nó luôn được áp dụng để quét hình học Z một cách đồng nhất.

Ngay từ đầu, quy trình thiết kế của mỗi khách hàng có xu hướng phù hợp với các kỹ thuật chia lưới giống nhau cho mọi dự án, vì vậy họ luôn tập trung vào một phương pháp chia lưới. Tuy nhiên, khi các thuật toán của bộ giải HFSS trở nên nhanh hơn và có khả năng mở rộng cao hơn, đồng thời phần cứng cụm và Đám mây trở nên sẵn sàng hơn, kích thước của các mô phỏng HFSS ngày càng lớn và trở nên phức tạp hơn. Các thiết kế không còn là các thành phần đơn lẻ; chúng là những hệ thống được tạo thành từ nhiều loại CAD. Nó không đủ để giải quyết chỉ PCB hoặc chỉ là đầu nối nữa. Để làm đúng, đặc biệt là khi tốc độ dữ liệu tăng lên, việc mô phỏng cùng nhau ngày càng trở nên quan trọng hơn - đầu nối và PCB, ăng-ten và khung máy bay, v.v.

Khi các kỹ sư thiết kế để có biên lợi nhuận chặt chẽ hơn trong bối cảnh điện tử cạnh tranh, các mô phỏng bao gồm PCB, đóng gói vi mạch, đầu nối, các thành phần gắn kết bề mặt và hơn thế nữa. Mô hình Three Mesh mang lại gánh nặng cho khách hàng và cả Ansys; phương pháp tiếp cận một mắt lưới phù hợp với tất cả không hiệu quả tối ưu. Hiểu các tùy chọn và công nghệ lưới khác nhau và biết khi nào nên áp dụng chúng có thể là một thách thức thực sự.

Nhập HFSS Mesh Fusion.

Sự trỗi dậy của HFSS Mesh Fusion

Được giới thiệu vào đầu năm 2021, HFSS Mesh Fusion đã đạt được một bước đột phá cơ bản về chia lưới bằng cách sử dụng các thông số được xác định tại địa phương. Nói cách khác, HFSS Mesh Fusion áp dụng công nghệ chia lưới tùy thuộc vào nhu cầu địa phương của CAD. Ví dụ: khi phân tích một mô phỏng trong đó PCB chứa cả mô hình đóng gói wirebond và mô hình đầu nối 3D, chẳng hạn như đầu nối bảng nối đa năng, phần PCB gọi cho Phi, gói wirebond gọi cho Classic và các đầu nối được chia lưới tốt nhất bằng TAU.

Khả năng đa lưới này trở nên khả thi với HFSS Mesh Fusion. Yêu cầu duy nhất là lắp ráp thiết kế dưới dạng một tập hợp các Thành phần 3D, có thể được mã hóa để ẩn tài sản trí tuệ và cho phép hợp tác dễ dàng với các nhà cung cấp thành phần. Hệ thống phân cấp Thành phần 3D cung cấp định nghĩa CAD được bản địa hóa để áp dụng lưới một cách thích hợp. Ngoài ra, công nghệ lưới tự động tương tự có thể được sử dụng để đặt lưới cục bộ, yêu cầu ít hoặc không cần người dùng nhập. Từ đó, cùng một sơ đồ chia lưới thích ứng được áp dụng để cung cấp độ chính xác và độ tin cậy tiêu chuẩn vàng HFSS.

Ansys gần đây đã làm việc với một nhóm tích hợp chipset 5G vào máy tính bảng. Trước Mesh Fusion, có rất nhiều thách thức về lưới phải giải quyết trước khi đến với mô phỏng có thể sử dụng được. Với Mesh Fusion, Phi đã được áp dụng cục bộ cho chipset và TAU được áp dụng cho phần còn lại của thiết kế - một lớp vỏ kiểu dáng đẹp với CAD phức tạp để bao bọc phần còn lại của thiết bị điện tử trong máy tính bảng. Ứng dụng lưới cục bộ đảm bảo một lưới sạch trên chipset, điều này rất quan trọng đối với độ chính xác của mô phỏng tổng thể. Tất cả các phương pháp chia lưới dường như khác nhau này đều kết hợp với nhau trong Mesh Fusion để có kết quả mô phỏng nhanh chóng, chính xác và đáng tin cậy.

Tương lai của chia lưới tại Ansys

Sự hiện diện của HFSS Mesh Fusion mang đến sự khác biệt về đêm và ngày cho khách hàng của Ansys. Thay vì bị sa lầy bởi các vấn đề chia lưới cần giải quyết, người dùng có thể tự do khám phá những thách thức thiết kế chuyên sâu hơn thúc đẩy ngành công nghiệp điện tử phát triển.

Gần đây nhất, Ansys đã sử dụng phương pháp tiếp cận nền tảng để phát triển một công nghệ chia lưới mới. Màng lưới mới này, được gọi là Phi Plus, được thiết kế đặc biệt cho bao bì bằng dây thép, xem Hình 3., đặc biệt khó kết hợp với các công nghệ khác - ngay cả Mesh Fusion. Giống như Phi, nó biết về hình học và tận dụng kiến thức tiên nghiệm về thiết kế hệ thống. Ngoài ra, nó được phát triển với các phương pháp tiếp cận song song, cho phép mở rộng quy mô tuyệt vời với các tài nguyên HPC. Thành công của nó không chỉ giới hạn ở bao bì bằng dây thừng. Phi Plus có thể xử lý bất kỳ loại bố cục kết hợp nào và mô phỏng 3D CAD, chẳng hạn như đầu nối trên PCB. Phi Plus Meshing là công cụ thay đổi trò chơi tiếp theo trong một chuỗi dài các kỹ thuật cải tiến từ Ansys!

PackageOnly Da đenG