ANSYS Advantage. Русская редакция №18 – Электроника

Содержание

ANSYS, ANSYS Workbench, CFX, AUTODYN, ICEM CFD являются торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками компании

ANSYS, Inc. «От идей к решениям» и «Непревзойденное преимущество в инженерных расчетах» являются торговыми марками компании

ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс». Все другие названия программ или оборудования, упомянутые в данном журнале, являются торговыми марками

или зарегистрированными торговыми марками соответствующих фирм.

«ANSYS Advantage.

Русская редакция»

Инженерно/технический

журнал

Выходит 2 раза в год

(весна, осень)

18'2012

Учредитель:

ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Генеральный директор:

Локтев Валерий

Главный редактор:

Хитрых Денис

Технический редактор:

Юрченко Денис

Переводчик:

Юрченко Анна

Администратор сайта:

Николаев Александр

Отдел маркетинга

и рекламы:

Хитрых Екатерина

Адрес редакции

111672 Россия, Москва,

ул. Суздальская, 46,

Тел.: (495) 644-0608

Факс: (495) 644-0609

Тираж 1500 экз.

Цена свободная

Высокопроизводительные вычисления

Ускорение инженерных расчетов в ANSYS Mechanical при

использовании технологии NVIDIA® Maximus™ .................................... 2

Технологии

ANSYS EMA

Современные инструменты проектирования микроэлектронных

схем и систем на кристалле ................................................................... 8

Использование компьютерного моделирования при

проектировании систем и узлов авиатехники .................................... 14

Алгоритм трансляции топологического рисунка

из ALTIUM DESIGNER в SIWAVE .......................................................... 18

Исследование уровня выделения мощности индуктором

на заготовку в зависимости от геометрии в ANSYS Maxwell ............ 20

Прогнозирование надежности плат на основе LTCC-технологии

для бортовой радиоэлектронной аппаратуры космического

назначения ............................................................................................. 24

Применение ANSYS при расчете антенн портативных устройств .... 31

ANSYS CFD

Использование ANSYS CFD при проектировании навесов

для защиты стадиона от осадков ......................................................... 34

Оптимизация проточной части насоса с целью повышения

его энергоэффективности .................................................................... 40

ANSYS Multiphysics

Использование ANSYS в технологиях подводного бурения .............. 43

ANSYS в вузах

Численное исследование влияния патологической извитости

артерии на кровоток .............................................................................. 47

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012www.ansyssolutions.ru

18'2012

© 2012 ANSYS, Inc.

© 2012 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

A D V A N T A G E

Перепечатка опубликованных

материалов только с письмен-

ного разрешения редакции, за

исключением кратких цитат в

материалах информационного

характера. Мнение редакции

может не совпадать с мнением

авторов



2

Ускорение расчетов с помощью GPUБлагодаря развитию систем инженерного ана-

лиза (CAE) сегодня инженеры во многих отрас-

лях промышленности все чаще проводят вирту-

альные испытания разрабатываемых изделий.

Специалисты стремятся максимально прибли-

зить виртуальные эксперименты к реальности и

получить наиболее адекватные результаты пу-

тем учета всех возможных технических деталей

в расчетной модели. Растут расчетные возмож-

ности CAE-систем, в результате увеличиваются

размерности задач, и возникает необходимость

расширения вычислительной базы расчетных

подразделений. В настоящее время в области

высокопроизводительных вычислений (High

Performance Computing — HPC) все более остро

возникает проблема нехватки вычислительных

ресурсов.

Традиционный подход к решению задач,

состоящий в использовании центральных про-

цессоров (CPU) и увеличении их производи-

тельности, уже не может справиться с необхо-

димостью постоянного наращивания вычисли-

тельных мощностей. Технологический предел

производительности для CPU оставляет единс-

твенную возможность масштабирования таких

вычислительных систем — добавление десят-

ков, сотен и даже тысяч отдельных вычисли-

тельных серверов и формирование вычисли-

тельного кластера. Этот подход требует серь-

езных финансовых затрат, и энергопотребле-

ние такой системы весьма существенно. Иной

подход, зародившийся совсем недавно, приво-

дит сферу HPC в эру гибридной модели вычис-

лений, где на помощь CPU приходит графичес-

кий процессор (GPU).

Предложение использовать графический

процессор как компаньона при расчете сложных

инженерных задач явилось своего рода «глотком

свежего воздуха» в сложившейся обстановке тех-

нологического тупика в производительности CPU.

Возможность использования GPU в вычислениях

позволила разделять сложные вычислительные

задачи на тысячи небольших и решать их парал-

лельно на ядрах графического процессора. Дан-

ная технология позволила инженерам и исследо-

вателям получать результаты численного анализа

в разы быстрее. Кроме того, системы, использую-

щие GPU, оказались более экономными с точки

зрения энергопотребления, чем традиционные

кластерные системы только на базе CPU.

Основное различие процессоров CPU и

GPU состоит в их архитектуре. Являясь по при-

роде параллельным процессором, GPU значи-

тельно превосходит CPU в обработке большого

объема однотипных данных. А CPU, являясь пос-

ледовательным процессором, изначально не

разрабатывался для подобного класса задач и

предназначался именно для последовательных

операций, таких как работа с операционной сис-

темой и организация потоков данных. Проведе-

ние вычислений с использованием GPU стало

возможным благодаря созданию специфичес-

кой архитектуры графических процессоров

CUDA от NVIDIA®, позволяющей задействовать

сотни вычислительных ядер, работающих па-

раллельно.

Передовая на сегодняшний день гибрид-

ная модель вычислений состоит в совместном

использовании CPU и GPU, при этом последова-

тельная часть кода приложения выполняется на

CPU, а вся ресурсоемкая часть обработки боль-

ших объемов данных выполняется на GPU.

Ускорение инженерных

расчетов в

ANSYS Mechanical при

использовании технологии

NVIDIA® Maximus™

Авторы: Cтароверов Н., к.т.н., Чернов А., ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

3

www.ansyssolutions.ru ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

Технология NVIDIA® Maximus™Технология CUDA для орга-

низации параллельных вы-

числений с использованием

GPU была представлена в

феврале 2007 года компа-

нией NVIDIA®. Но прогресс

не стоит на месте, и сегодня NVIDIA® предлагает

технологию NVIDIA® Maximus™, позволяющую

задействовать весь потенциал процессоров CUDA

на базе нескольких карт NVIDIA®, работающих

параллельно. Рабочие станции на основе техно-

логии NVIDIA® Maximus™ объединяют возмож-

ности визуализации и интерактивного проектиро-

вания графических процессоров NVIDIA®

Quadro™ с высокопроизводительной вычисли-

тельной мощностью графических процессоров

NVIDIA® Tesla™ на одной рабочей станции. Со-

процессоры Tesla™ при этом автоматически бе-

рут на себя выполнение ресурсоемких частей

кода приложений, например, вычислений при чис-

ленном моделировании или выполнение фоторе-

алистичного рендеринга изображений. Это авто-

матически снимает нагрузку с CPU, позволяя ему

работать в привычном режиме: ввод-вывод дан-

ных, запуск операционной системы и обеспече-

ние многозадачности. При этом графические про-

цессоры Quadro™ или Tesla™ производят опера-

ции, требующие высокой производительности.

Конструкторы и инженеры получили возможность

одновременно осуществлять проектирование в

CAD-системах и проводить численный анализ в

CAE-пакетах на той же рабочей станции.

Барбара Хатчингс (Barbara Hutchings), ди-

ректор по стратегическому партнерству компа-

нии ANSYS, Inc., являющейся лидером рынка

CAE-систем отмечает: «GPU-вычисления способ-

ны значительно ускорить расчеты в программных

продуктах ANSYS на рабочих станциях, а в неко-

торых случаях даже удвоить количество расче-

тов, что помогает нашим клиентам более широко

использовать технологические возможности. С

широкой доступностью платформы NVIDIA®

Maximus™ предприятиям теперь легче использо-

вать программные продукты ANSYS в офисе для

интерактивных и вычислительных задач».

Расчетные возможности продуктов ANSYS

включили поддержку вычислений с участием

GPU, начиная с 13-й версии программного обес-

печения ANSYS в ноябре 2011 года. В бета-вер-

сии ANSYS 14.5, готовящейся к выходу на мо-

мент написания статьи, разработчики заявили о

возможности проведения расчетов на базе не-

скольких GPU. Являясь официальным партнером

ANSYS, Inc. в России, компания ЗАО «КАДФЕМ

Си-Ай-Эс» протестировала работу технологии

NVIDIA® Maximus™, выполнив серию расчетов в

новой версии ANSYS® Mechanical™.

Maximus™ — универсальная технология,

предполагающая возможность балансирования

нагрузки между графическими процессорами

разных типов. Несмотря на то, что основное пред-

назначение Maximus — разделение необходимых

ресурсов для визуализации и CUDA-вычислений

на различные процессоры (например, визуализа-

цию на Quadro™, вычисления — на Tesla™), в

ANSYS® Mechanical™ из-за большой размернос-

ти задач все подключенные GPU использовались

только для вычислений. Оценка еще одного пре-

имущества технологии Maximus — возможности

одновременной работы с задачами разных типов

(визуализации сложных с графической точки зре-

ния моделей и реализации ресурсоемких вычис-

лений) станет предметом наших дальнейших ис-

следований. В рамках этого тестирования оцени-

валась работа решателей ANSYS® Mechanical™

с участием нескольких GPU.

Тестовый стендСтенд для тестирования про-

изводительности расчетов с

использованием технологии

NVIDIA® Maximus™ предо-

ставлен инженерам ЗАО

Òàáëèöà 1 — Õàðàêòåðèñòèêè òåñòîâîãî ñòåíäà

Ìîäåëü ðàáî÷åé ñòàíöèè ARBYTE® CADStation WS 479

CPU Intel® Core™ i7 3960X, 3,30 ÃÃö

RAM 64 Ãá DDR3 1600 ÌÃö (PC3-12800)

GPU #1 NVIDIA® Quadro 6000

GPU #2 NVIDIA® Tesla C2075

GPU #3 NVIDIA® Tesla C2075

Òâåðäîòåëüíûé íàêîïèòåëü (SDD)

60GB

Æåñòêèé äèñê (HDD) 300GB 10K îá/ìèí

Îïåðàöèîííàÿ ñèñòåìà Microsoft Windows 7 Ïðîôåññèîíàëüíàÿ 64 bit,

âåðñèÿ 6.1.7601 Service Pack 1

Ïðîãðàììíîå îáåñïå÷åíèå ANSYS, Inc.

ANSYS 14.5

Òàáëèöà 2 — Õàðàêòåðèñòèêè ãðàôè÷åñêèõ ïðîöåññîðîâ

NVIDIA® QUADRO 6000

NVIDIA® TESLA C2075

×èñëî ÿäåð CUDA 448 448

Îáúåì ïàìÿòè 6 Ãá GDDR5 6 Ãá GDDR5

Èíòåðôåéñ ïàìÿòè 384 áèò 384 áèò

Ïðîïóñêíàÿ ñïîñîáíîñòü ïàìÿòè

144 Ãá/ñ 144 Ãá/ñ

×àñòîòà ÿäåð 1,15 ÃÃö 1,15 ÃÃö

Îäèíàðíàÿ òî÷íîñòü 1030,4 Ãôëîï 1030,4 Ãôëîï

Äâîéíàÿ òî÷íîñòü 515,2 ÃÔëîï 515,2 ÃÔëîï

Ýíåðãîïîòðåáëåíèå 204 Âò 225 Âò

www.ansyssolutions.ru


4

ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012

«КАДФЕМ Си-Ай-Эс» партнером NVIDIA® в Рос-

сии, разработчиком и поставщиком решений,

продуктов и услуг в области информационных

технологий, компанией ARBYTE. Характеристи-

ки тестового стенда приведены в таблице 1.

В таблице 2 приведены характеристики ис-

пользованных графических процессоров.

Ускорение расчетов в ANSYS® Mechanical™ 14.5 с помощью GPUСама технология использования GPU при прове-

дении расчетов уже дает ощутимый прирост

производительности. Опираясь на результаты

тестирования решателей предыдущего поколе-

ния, проведенного инженерами ANSYS, Inc. и

ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», можно сделать вы-

вод о приросте производительности в среднем

на 10% — 30% и до 250% при решении некото-

рого класса задач. Недостатком поддержки GPU

в решателях ANSYS® Mechanical™ всех преды-

дущих версий была необходимость того, чтобы

задача целиком помещалась в память GPU.

В связи с этим, в первую очередь тестиро-

вание ускорения проводилось на базе одиночно-

го GPU для определения производительности

системы в целом. Для тестирования производи-

тельности рабочей станции с одним GPU

NVIDIA® Quadro 6000 в ANSYS® Mechanical™

выбраны несколько задач различной размер-

ности: стандартные тесты производительности

из набора ANSYS SP1 BENCH110 Benchmark

Suite, в которых присутствуют линейные/нели-

нейные, стационарные/нестационарные задачи

теории упругости, теории колебаний, а также от-

дельные задачи теории упругости и колебаний.

Задачи представлены на рисунке 1, а результа-

ты тестирования приведены на рисунке 2.

В целом, по результатам этих тестов полу-

чен ожидаемый результат — производитель-

Ðèñ. 1. Âàðèàíòû òåñòîâûõ îöåíî÷íûõ çàäà÷

Ðèñ. 2. Âðåìÿ ðàñ÷åòà çàäà÷ (ñåê) ïðè òåñòèðîâàíèè GPU-óñêîðåíèÿ ANSYS® Mechanical™ 14.5 Preview 2

5


ность системы с применением GPU-ускорения

расчетов увеличивается на 10-30%. Однако цель

тестирования состояла в оценке работы решате-

лей ANSYS® Mechanical™ с технологией

NVIDIA® Maximus™.

Подготовка оборудованияНа этапе подготовки в первую очередь была на-

строена работа NVIDIA® Maximus™.

С целью обеспечения максимально быст-

рого обмена данными по шине PCIe графичес-

кие процессоры были выставлены в следующей

конфигурации:

1. GPU #1 (NVIDIA® Quadro 6000) — в слот

PCIe x16;

2. GPU #2 (NVIDIA® Tesla C2075) — в слот

PCIe x16;

3. GPU #3 (NVIDIA® Tesla C2075) — в слот

PCIe x8.

Посредством Maximus Configuration Utility

всем 3 картам была определена возможность

производить CUDA-вычисления, а NVIDIA®

Quadro™ использовалась и для вычислений, и

для вывода графики.

Основное тестирование работы решателей ANSYS® Mechanical™ 14.5 с NVIDIA® Maximus™Тестирование возможности ускорения вычисле-

ний проводилось на трех наиболее часто исполь-

зуемых на практике решателях ANSYS®

Mechanical™ 14.5: Sparse, PCG и Block Lanczos.

Решатель Sparse (с разреженной матри-

цей) применяется для наиболее быстрого по-

иска решения в нелинейных расчетах, а также

в линейных расчетах, в которых итерационные

решатели медленно достигают сходимости

(особенно при низком качестве конечноэле-

ментной модели). Решатель PCG (методом

сопряженных градиентов с предобусловлен-

ной матрицей) имеет меньший объем опера-

ций ввода/вывода данных относительно реша-

теля Sparse и больше подходит для задач

большой размерности с Solid элементами и

густой сеткой. Это наиболее надежный итера-

ционный решатель ANSYS® Mechanical™. Ре-

шатель Block Lanczos (по блочному методу

Ланцоша) используется в динамических рас-

четах, проводимых в ANSYS® Mechanical™,

для поиска собственных частот и форм коле-

баний конструкции.

Все задачи решались в режиме INCORE,

который определяет размещение всех необхо-

димых решателю данных в оперативную память

и использует жесткий диск исключительно для

чтения исходных данных и записи окончатель-

ных и промежуточных результатов. Это режим

использования памяти отличается наибольшей

производительностью. Запуск тестовых задач

осуществлялся из командной строки.

Поддержка нескольких GPU решателями ANSYS® Mechanical™Для корректной работы решателей ANSYS®

Mechanical™ с несколькими GPU требуется соб-

людение следующих условий:

1. На компьютере должны быть установлены

один или несколько графических процессо-

ров NVIDIA® TESLA (рекомендованы карты

20 серии) или/и один NVIDIA® Quadro. Если

установлены и Quadro, и TESLA, то реша-

тель ANSYS® Mechanical™ выберет в ка-

честве основного GPU — TESLA.

2. На операционных системах семейств

Windows x64 и Linux x64 должны быть уста-

новлены драйверы актуальной версии. Для

операционных систем Windows рекоменду-

ется использование режима работы драй-

вера TCC (Tesla Compute Cluster).

3. Согласно лицензионной политике ANSYS,

Inc. для использования GPU в расчетах не-

обходимо наличие лицензий ANSYS® HPC

Pack, используемых для организации досту-

па к параллельным вычислениям на CPU.

4. Поддержка нескольких GPU в расчетах

возможна только в режиме распределен-

ных вычислений (Distributed ANSYS) и толь-

ко в том случае, когда число запущенных

процессов ANSYS® Mechanical™ превы-

шает число используемых GPU.

Дополнительные опцииВ операционной системе можно определить сле-

дующие переменные среды:

ANSGPU_PRINTDEVICES = 1, в этом слу-

чае решатель ANSYS® Mechanical™ при

каждом запуске будет выводить в рабочую

директорию файл AnsGPUdevices.lst, в ко-

тором будут перечислены все GPU с подде-

ржкой CUDA, доступные в системе в том

приоритетном порядке, в котором их будет

использовать решатель.

ANSGPU_DEVICE = N, где N — идентифи-

катор (ID) того GPU из списка

AnsGPUdevices.lst, который решатель дол-

жен использовать. Эта переменная позво-

ляет избежать одновременного использо-

вания одного GPU двумя и более пользова-

телями многопользовательской среды.

Следует отметить, что определение этой

переменной среды автоматически отклю-

чает возможность использования несколь-

ких GPU в одном расчете.

Реализована также возможность отключе-

ния коррекции ошибок памяти (ECC), которая

позволяет использовать больший объем памяти

•

•



6


GPU. Однако для обеспечения точности резуль-

татов расчетов этой возможностью пользовать-

ся не рекомендуется.

Тестирование решателя SparseДля проведения тестов решателя Sparse были

подготовлены однотипные статические задачи те-

ории упругости с 10 подшагами нагружения, зани-

мающие от 4 до 50 Гб оперативной памяти (от 220

тысяч до 1,370 млн. степеней свободы). Результа-

ты тестирования приведены на рисунке 3.

Интересная особенность проявляется при

дальнейшем росте размерности задачи. Пос-

кольку режим распределения вычисления на не-

сколько расчетных ядер сопряжен с дополни-

тельными затратами вычислительной мощности

на декомпозицию задачи и дальнейшее объеди-

нение данных с нескольких ядер в один резуль-

тат, то для некоторого класса задач решение в

режиме SMP (Shared Memory Parallel) оказыва-

ется значительно быстрее, чем решение в режи-

ме распределенных вычислений DMP (Distributed

Memory Parallel). В случае применения ускоре-

ния GPU проявляется аналогичная ситуация (см.

рисунок 4). Задача с размерностью 50 Гб в ре-

жиме DMP заняла в памяти суммарно 67 Гб, по-

этому решение в режиме INCORE стало невоз-

можным.

Загрузку GPU в процессе расчета можно

наблюдать с помощью утилиты NVIDIA System

Management Interface program (NVIDIA-smi.exe)

из комплекта драйверов NVIDIA®. С ее помо-

щью можно записать в log-файл таблицу загруз-

ки графических процессоров (см. рисунок 5) с

периодичностью примерно 5 секунд.

Анализируя загрузку GPU по log-файлам,

был замечен тот факт, что в основном для хра-

нения информации использовалась GPU Tesla, а

в вычислениях непосредственно участвовали

столько GPU, сколько указано в параметрах за-

пуска. При этом GPU участвовали исключитель-

но в процессе решения задачи. На этапе подго-

товки задачи и формирования матриц работал

только CPU, а части сформированных матриц

сразу передавались в память GPU в начальный

момент решения.

Тестирование решателя PCGДля тестирования решателя PCG был подготов-

лен ряд прочностных задач с контактным взаи-

модействием, занимающих объем оперативной

памяти от 4 до 50 Гб (от 190 тысяч до 1,315 млн

степеней свободы). Ощутимого прироста произ-

водительности за счет использования GPU, как

для решателя SPARSE, в данном случае не на-

блюдается. Гистограмма времени проведения

расчетов показана на рисунке 6.

Ðèñ. 3. Âðåìÿ ðàñ÷åòà çàäà÷ ðåøàòåëåì SPARSE, ñåê

Ðèñ. 4. Âðåìÿ ðàñ÷åòà çàäà÷ áîëüøîé ðàçìåðíîñòè ðåøàòåëåì SPARSE, ñåê

Ðèñ. 5. Òàáëèöà êîíòðîëÿ çàãðóçêè GPU â log-ôàéëå NVIDIA System Management Interface program

Ðèñ. 6. Âðåìÿ ðàñ÷åòà çàäà÷ ðåøàòåëåì PCG, ñåê

7


Тестирование решателя Block LanczosДля тестирования производительности решате-

ля Block Lanczos были подготовлены задачи по-

иска 20 собственных частот конструкции, зани-

мающие от 4 до 44 Гб оперативной памяти. Для

решателя Block Lanczos также ощутимого при-

роста производительности за счет использова-

ния GPU не наблюдалось. Гистограмма времени

проведения расчетов показана на рисунке 7.

ВыводыВ ANSYS® Mechanical™ 14.5 по сравнению с

предыдущими версиями реализованы и дора-

ботаны следующие функциональные возмож-

ности, связанные с использованием GPU при

расчетах.

1. Реализована возможность использования

нескольких GPU при расчетах в режиме

распределенных вычислений на локальной

расчетной станции. Загрузка GPU во время

тестирования была проверена с помощью

специализированной утилиты NVIDIA®.

2. Устранено ограничение размерности за-

дач, решаемых с участием GPU, связанное

с нехваткой графической памяти для раз-

мещения задачи. Во время тестирования

решались задачи размерностью до 50 Гб,

что существенно превышает суммарный

объем видео памяти предоставленных гра-

фических карт.

Подводя итог, можно с уверенностью ска-

зать, что решатели ANSYS® Mechanical™ посто-

янно модифицируются — увеличивается эффек-

тивность производимых ими расчетов, снижает-

ся нагрузка на файловую подсистему. Появив-

шаяся в версии ANSYS® Mechanical™ 14.5 под-

держка ускорения расчетов с использованием

нескольких GPU по технологии NVIDIA®

Maximus™ позволит инженерам значительно со-

кратить время расчетов существующих классов

задач и повысить размерность вновь создавае-

мых конечноэлементных моделей.

По результатам тестирования видно, что

использование нескольких графических процес-

соров дает существенное ускорение расчета за-

дач теории упругости методом Sparse в режиме

распределенных вычислений. Сравнение полно-

го времени расчета тестовых задач, включаю-

щего подготовку конечноэлементных моделей и

формирование файлов результатов, показало

эффективный прирост производительности ре-

шателя относительно расчетов без использова-

ния GPU в 2,5 раза. При этом, чем больше раз-

мерность задачи, тем ощутимее будет вклад от

использования нескольких GPU.

Для решателей PCG и Block Lanczos при-

рост относительной производительности наблю-

дается, но его величина несколько ниже, чем при

решении задач методом Sparse. Для решателя

PCG с ростом размерности задачи становится

более очевидным сокращение времени расчета

задач с использованием одной, двух и трех GPU.

Однако затраты времени на декомпозицию зада-

чи оказываются существенными, поэтому макси-

мальная производительность этого решателя

проявляется в режиме SMP с ускорением с помо-

щью одного GPU. Максимальный прирост отно-

сительной производительности системы с не-

сколькими GPU составил 9%, а в режиме SMP

— 14,5%. Для решателя Block Lanczos затраты

времени на декомпозицию задачи аналогичным

образом возрастают с увеличением размернос-

ти задачи. Поэтому, начиная с задач определен-

ной размерности, время расчетов задач с ростом

числа используемых GPU возрастает. Чем боль-

ше используется GPU, тем больше времени за-

трачивается на декомпозицию и сборку задачи.

Максимальный прирост относительной произво-

дительности решателя Block Lanczos с использо-

ванием нескольких GPU составил приблизитель-

но 18,5%, а в режиме SMP — 16,5%.

В целом, использование вычислительных

средств с подобными конфигурациями оправды-

вает ожидания и экономические затраты на их

приобретение. Рабочие станции данного класса

позволят в короткие сроки получить точные ре-

зультаты расчетов, сокращая процесс разработ-

ки новой продукции.

Авторы выражают благодарность руко-

водству и техническому персоналу компании

ЗАО «АРБАЙТ КОМПЬЮТЕРЗ» за предостав-

ленное оборудование и техническую подде-

ржку в процессе тестирования.

Мы выражаем искреннюю признатель-

ность нашей коллеге из компании SolidWorks

Russia Староверовой Людмиле за помощь в

подготовке и редактировании данной статьи.

Ðèñ. 7. Âðåìÿ ðàñ÷åòà çàäà÷ ðåøàòåëåì Block Lanczos, ñåê



8


Данная статья посвящена обзору линейки сов-

ременных программных средств разработки ра-

диоэлектронных схем и систем, в том числе сис-

тем в упаковках и систем, монтируемых на один

кристалл. С интеграцией программных комплек-

сов электромагнитного и схемного моделирова-

ния от компании ANSOFT с пакетами конечно-

элементного анализа от корпорации ANSYS, Inc.

стал возможным комплексный междисципли-

нарный анализ изделий радиоэлектроники. Это

касается всех этапов жизненного цикла — от

технологического до эксплуатационного. Пред-

лагаемая идеология моделирования построена

на декомпозиции объекта анализа на разные

уровни ответственности: уровень систем,

уровень схем и уровень компонентов, физи-

чески реализующие то или иное MMIC изделие.

В зависимости от модели и уровня ответствен-

ности, для задачи макетирования выбираются

разные вычислительные модули электромагнит-

ного и схемотехнического анализа.

Введение При переходе гражданских систем телекомму-

никации в миллиметровый частотный диапазон

предлагается реализовать его огромный по-

тенциал за счет большей емкости каналов, вы-

соких скоростей передачи данных (вплоть до

нескольких десятков гигабит в секунду). Кроме

того, открываются новые возможности для ме-

диа-приложений на мобильной платформе: вы-

сокоскоростному интернету, потоковому видео,

персональным беспроводным сетям и т.п. В

частности, выделение для освоения полос час-

тот из миллиметрового диапазона (без обяза-

тельного лицензирования в различных стра-

нах) дало возможность проектировщикам

гражданских коммуникационных систем интен-

сивнее осваивать диапазон в районе 60ГГц.

Хотя традиционно миллиметровые частоты

вначале осваивались для военных нужд (спут-

никовые средства связи, радары, навигация и

т.п.), этот диапазон также представляет сущес-

твенный интерес для гражданского примене-

ния. С другой стороны, за счет высокой плот-

ности компоновки интегральных элементов на

кристалле, современные полупроводниковые

технологии позволяют скомпоновать в едином

корпусе законченное функциональное изделие

микроволнового применения. На сегодняшний

день существуют технологии, реализующие

монолитные интегральные схемы с техпроцес-

сом 0.25 мкм и 0.15 мкм (см. [2]-[6]) и рабочими

частотами вплоть до 100ГГц. Как правило, это

подложки на AsGa или на тройных полупровод-

никах. Такие высокочастотные интегральные

схемы содержат в едином корпусе как актив-

ные цепи (малошумящие усилители, смесители

с гетеродинами, ГУН и др.), так и пассивные

элементы (цепи коррекции и настройки, дели-

тели, фильтры, фазовращатели и др.). Компо-

новка активных и пассивных узлов в единый

корпус позволяет создать единое, функцио-

нально законченное изделие, получившее на-

звание монолитная интегральная схема милли-

метрового диапазона (англ. MMIC — monolithic

microwave integrated circuit). Такие схемы обла-

дают значительным преимуществом по сравне-

нию с традиционными СВЧ цепями за счет ма-

лого энергопотребления и малых габаритов.

Сложные схемные решения и субмикрон-

ные технологии, наряду с высокими темпами

разработок, заставляют проектировщиков мик-

роволновых систем интенсивно использовать

Современные

инструменты

проектирования

микроэлектронных схем

и систем на кристалле

Автор: Геттих А., ЗАО «КАДФЭМ Си-Ай-Эс»

9


современные средства компьютерного модели-

рования с целью минимизации отладочных ра-

бот и возможного сокращения время макетиро-

вания. Согласно маршрутам проектирования,

подробно рассмотренным в статье [1] и подде-

рживаемым крупными производителями средств

автоматизированного проектирования, такими

как Synopsys, Mentor Graphics, Cadence Design

System, разработчикам необходимо по возмож-

ности проводить законченный анализ изделий

РЭА, в том числе на уровне физических прото-

типов. Желателен также полный анализ всего

изделия РЭА, начиная с уровня СБИС в упаков-

ках, и далее с учетом объемных моделей печат-

ных плат и разъемов до законченных функцио-

нальных модулей в стойках шасси. Для MMIC

изделий это особенно актуально, поскольку тре-

бования к интегральным элементам по надеж-

ности и стойкости всегда были особенно высо-

кие. Это касается как изделий гражданского

применения, так и военной тематики.

Для специалистов в области СВЧ микро-

электроники и техники на рынке существует не-

сколько крупных коммерческих программных па-

кетов, позволяющих провести электромагнитный

и схемотехнический анализ СВЧ цепей и схем.

Среди них можно выделить пакеты AWR Microwave

Office и CST Design System, Agilent ADS и EMPro.

Данную линейку можно расширить и дополнить

продуктами от американской компании ANSYS,

такими, как Designer RF, Maxwell, HFSS, Q3D

Extractor, SIWave, TPA. После вхождения компа-

нии ANSOFT в корпорацию ANSYS, программные

комплексы электромагнитного моделирования

HFSS, Q3D, Maxwell и пакеты анализа радиоэлек-

тронных схем и систем Designer RF и Simplorer

стали теснее интегрироваться в среду ANSYS

Workbench. Это позволяет проектировщикам ис-

пользовать конечноэлементные вычислительные

технологии в области электромагнитного анализа

от ANSOFT совместно с пакетами физического

моделирования из смежных разделов физики от

ANSYS. Программы от ANSOFT совместно с инс-

трументами ANSYS Mechanical и Icepak могут

предоставить проектировщикам возможность мо-

делирования практически всех процессов, возни-

кающих в разрабатываемых изделий РЭА: элект-

ромагнитных, механических деформаций и разру-

шений, тепловых и газодинамических и т.п. Дан-

ная интеграция поддерживается автоматически

для всех пакетов физического моделирования.

Примечательно, что пакеты от ANSOFT также

встраиваются в маршруты проектирования Zuken,

Synopsys, Cadence, Mentor и поддерживают рабо-

ту с Apache. В данной статье рассматриваются

программы моделирования от компании ANSYS,

используемые для разработок микроволновых

ИС и систем, построенных на их основе.

Линейка программных комплексов для анализа СВЧ ИС Традиционная методика моделирования предус-

матривает разделение анализируемого радио-

электронного изделия на три уровни абстракции:

уровень физических компонентов, уровень цепей

и схем и системный уровень. Этапы проектирова-

ния СВЧ ИС, как правило, состоят из схемотехни-

ческого анализа разрабатываемых цепей и элек-

тромагнитного анализа топологий и упаковок. К

примеру, на уровне схемотехники при разработке

СВЧ усилителя проектировщик определяет, в

частности, число каскадов и задание смещения

рабочей точки, проектирует настроечные цепи и

цепи питания, вычисляет КПД устройства, макси-

мально реализуемый КУ и т.п. На уровне тополо-

гии уже необходимо выполнить высокоточную

компоновку элементов схемы по кристаллу, упа-

ковать чип в корпус ИС и произвести закончен-

ный анализ СВЧ интегральной схемы уже с уче-

том наводок и перекрестных искажений. Послед-

нее особенно актуально для высоких частот.

Разработчикам для каждого из уровней

абстракции компания ANSYS предлагает инс-

трументы моделирования, удовлетворяющие, в

том числе, следующим требованиям:

— интеграция с основными EDA-пакетами

разводки многослойных печатных плат;

упаковок интегральных схем;

— поддержка нейтральных графических фор-

матов и форматов основных CAD-про-

грамм;

— поддержка обширной библиотеки совре-

менных поставщиков радиоэлектронных

компонентов и материалов;

— поддержка моделей современных техноло-

гических норм;

— проведение комплексного статистического

анализа, анализа на чувствительность и

робастность;

— возможность проведения ресурсоемких вы-

сокопроизводительных расчетов с распа-

раллеливанием и декомпозицией расчетных

областей по вычислительным узлам. Пос-

кольку различают частотные, временные и

координатные области анализа пакеты от

компании ANSOFT предусматривают прове-

дение вычислений с разделением расчет-

ных областей по вычислительным узлам и

затем корректную сборку результатов;

— создание отчетности и верификация раз-

рабатываемых моделей.

Уровень пассивных компонент представлен

такими элементами в интегрированной радио-

электронной системе, как упаковка ИС с трасси-

ровками по корпусу, выводы ИС, разъемы, конне-

кторы, межплатные и межкорпусные соединения,

межслойные переходы и другие пассивные эле-



10


менты. Данные элементы изделий РЭА могут ин-

тенсивно использовать современные сложные

материалы: композитные, дисперсионные, изот-

ропные и анизотропные. Соответственно, широ-

кая номенклатура материалов должна поддержи-

ваться в пакетах электромагнитного моделирова-

ния на физическом уровне абстракции. В част-

ности, программы HFSS, Q3D Extractor, построен-

ные на методе конечных элементов, позволяют

анализировать в частотной области электромаг-

нитные процессы для пассивных элементов со

сложными геометриями и материалами. Анало-

гичные библиотеки материалов поддерживают

модуль планарного электромагнитного анализа

PlanarEM, встроенный в пакет ANSYS Designer, и

частично гибридные вычислительные модули ме-

тода конечных элементов и метода моментов в

пакетах SIWave и TPA.

Для уровня абстракции радиоэлектронных

схем и систем ANSYS предлагает пакет Designer,

который позволяет проводить моделирование

радиоэлектронных изделий в частотной и вре-

менной областях. Для учета электромагнитных

процессов, происходящих на уровне физической

модели, поддерживается интеграция конечно-

элементных моделей из пакетов HFSS, SIWave,

Q3D Extractor по динамической ссылке в проек-

ты Designer.

Далее мы дадим краткий обзор основных

программных продуктов компании ANSYS, пред-

назначенных для проектирования интегральны

СВЧ схем.

ANSYS Designer

Данный программный комплекс содержит не-

сколько вычислительных модулей и является раз-

витием некогда популярного пакета Serenade.

Основным вычислительным ядром пакета

Designer является система NEXXIM, построен-

ная на SPICE технологиях. Она позволяет прово-

дить нестационарный анализ, моделировать ли-

нейные цепи во временной и частотной области

(от 0 до сотен гигагерц), проводить анализ нели-

нейных схем методом гармонического баланса,

выполнять статистический анализ и оценивать

переходные процессы методом быстрой свертки

сигнала, строить звездные, фазовые и глазко-

вые диаграммы и т.д. Схемы, моделируемые в

системе NEXXIM, могут быть разбиты на подсхе-

мы с разным уровнем вложения. Помимо систе-

мы NEXXIM, в состав пакета ANSYS Designer

входят следующие модули:

— модуль Symphony, необходимый для ана-

лиза систем коммуникации и связи (как ра-

диочастотных, так и оптических);

— модуль электромагнитного анализа пла-

нарных структур PlanarEM, построенный на

вычислительном ядре Ensemble;

— система Harmonica, предназначенная для

моделирования СВЧ схем.

ANSYS Designer может анализировать

цепи, представимые в виде схем и списка соеди-

нений (так называемые Netlist); поддерживать

обширный набор библиотек: модели нелиней-

ных элементов разных уровней, библиотеки пас-

сивных, активных элементов и источников сиг-

налов; работать с IBIS-моделями и схемами в

виде SPICE, HSPICE и Spectra форматах. Также

осуществляется интеграция с моделями, опи-

санными на языках C и Nexsys Matlab.

Поддержка библиотек от сторонних произ-

водителей радиоэлектронных компонентов поз-

воляет разработчикам интегральных схем про-

ектировать системы с учетом современных тех-

нологических норм. Например, динамические

библиотеки от компании UMC предлагают про-

ектировщикам MMIC на основе технологии pH15

с псевдоморфными транзисторами pHEMT спро-

ектировать изделие в ANSYS Designer вплоть до

частот 60 ГГц (рис. 1). Имеется опыт применения

библиотек от UMC для проектирования систем

на кристалле по КМОП технологии с технологи-

ческим процессом 0.13мкм для CDMA телефо-

нии, гигабитных конвертеров и других высокос-

коростных систем с частотами работы вплоть до

100ГГц [2]-[3].

Развитие средств компьютерного модели-

рования позволило произвести интеграцию па-

кетов разных вычислительных методов в систе-

ме ANSYS Designer. Так, можно выполнить мо-

делирование послойной электродинамической

модели СВЧ схемы средствами модуля PlanarEM,

или же по технологии “Solver-on-Demand” с по-

мощью ядра пакета HFSS произвести анализ в

трехмерной постановке. Данный аспект весьма

значим для моделирования СВЧ интегральных

схем, поскольку выполнение анализа пассивных

и активных цепей для субмиллиметрового диа-

пазона необходимо проводить уже с учетом па-

разитных характеристик цепей и распределен-

ных электромагнитных эффектов как в объеме

кристалла, упаковках ИС, так и их в сборках на

платах. Подобные эффекты моделируются

средствами пакетов электромагнитного анализа

в 2D и 3D постановке, описание которых приве-

дено в табл. 1.

Первоначально проект ANSYS Designer RF

микроэлектронного СВЧ изделия может быть

проанализирован в схемном и топологическом

представлении, причем между моделями в ре-

дакторе топологии и в редакторе схем имеется

однозначная связь. Проектировщик может

производить коррекцию топологии как непос-

редственно в 2.5D редакторе, так и управляя

параметрами модели на схеме. Доступ к биб-

лиотеке материалов в редакторе слоев точно

11


такой же, как и в пакетах 3D физического мо-

делирования.

При необходимости модель из вычисли-

тельного модуля PlanarEM может быть экспорти-

рована в HFSS и полностью рассчитана в 3D

постановке.

ANSYS HFSS

Широко известный пакет электромагнитного

анализа пассивных конструкций в частотной

области в диапазоне от килогерц до терагерц

методом конечных элементов. Анализируемое

изделие полностью моделируется в 3D. Модель

элементов СВЧ ИС (трассировки по корпусу,

упаковка чипа, различные выводы, межслой-

ные соединения и т.п.) может быть импортиро-

вана из CAD/EDA пакетов или передана из сис-

темы ANSYS Designer. Так же, как и Designer,

пакет HFSS интегрируется с пакетами развод-

ки ПП и ИС от ведущих производителей про-

граммного обеспечения данного класса:

Cadence, Mentor Graphics, ODB++ и Zuken. Бла-

годаря модулю AnsoftLinks, встраиваемому в

такие продукты от Cadence, как например,

APD, Alegro и SiP Digital/RF или его аналоги,

можно непосредственно из EDA-системы пере-

дать проект со всеми слоями в программы

электромагнитного анализа от ANSYS. При

этом, управление стеком слоев, назначение

портов и группировка трассировок возможно

как автоматически, так и под управлением

пользователя. Данный интерфейс свойственен

не только пакету HFSS, но и модулю планарно-

го электромагнитного анализа PlanarEM, паке-

там SIWave, Q3D Extractor и TPA. Список сто-

ронних EDA программ, с которыми напрямую

осуществляется интеграция через утилиту

AnsoftLinks, приведен в табл. 2.

В современной версии HFSS позволяет

также проводить нестационарный анализ во

временной области методом Галеркина с проре-

живанием шага по времени (DGTD-метод), при

этом используется конечно-элементная неструк-

турированная сетка, свойственная всем пакетам

физического моделирования от ANSYS. Среди

улучшений, появившихся в HFSS 14 версии и

значимых для проектирования MMIC изделий,

можно выделить следующие:

— модели шероховатости типа Huray и Groisse

в виде граничных условий (рис. 2);

— осуществляется группировка трассировок

по платам и упаковкам СБИС в Net-группы

(рис. 3);

— при анализе в нагрузочном режиме, тради-

ционном для моделирования цифровых и

аналоговых систем, может быть также про-

изведена калибровка дискретных портов

для учета их конечных размеров;

— при моделировании в широкой полосе час-

тот можно задать принудительное измене-

ние итерационного базиса для обеспече-

ния сходимости и выполнения условия пас-

сивности.

ANSYS Q3D Exractor

Для задач, в которых необходимо получить экви-

валентные параметры цепи на основе анализа

электромагнитного поля в 2D/3D структурах, при-

меняется инструмент Q3D Extractor™. Данный

программный продукт предназначен как для из-

влечения RLCG-матриц и W-элементов, так и для

построения SPICE-моделей, с целью последую-

щей передачи их в систему ANSYS Designer RF.

Q3D Extractor извлекает паразитные параметры

цепи исходя из типа элемента эквивалентной схе-

мы замещения и AC/DC режимов расчета. Соот-

ветственно, его ядро построено на нескольких

вычислительное методах. Для DC-RL режима —

FEM решатель (Finite Element Method, МКЭ), а для

AC-RL режима — BEM решатель (Boundary

Element Method, метод граничных элементов).

Òàáëèöà 1Âèäû àíàëèçà ïàêåòîâ ôèçè÷åñêîãî ìîäåëèðîâàíèÿ ïàññèâíûõ ýëåìåíòîâ ÑÂ× ÈÑ

Ïðîãðàììû ÝÌ ìîäåëèðîâàíèÿ

Òèï àíàëèçà Ãåîìåòðèÿ(ïðèìåíåíèå)

HFSS Ïîëíî-âîëíîâûé àíàëèç

3D (ýëåìåíòû íåîäíîðîäíîñòåé ÏÏ è ÈÑ, êîííåêòîðû, ñîåäèíèòåëè, ÷àñòè óïàêîâêè ÈÑ, ...)

SIWave 2.5D ïëàíàðíûå (Ñëîæíûå ìíîãîñëîéíûå óïàêîâêè ÈÑ, ÏÏ)

TPA Êâàçè-ñòàòè÷åñêèé àíàëèçQ3D/Q2D Extractor 3D/2D (ýëåìåíòû íåîäíîðîäíîñòåé ÏÏ, êîííåêòîðû, ñîåäèíèòåëè, óïàêîâêè ÈÑ, ...)

Ðèñ. 1. Ñõåìà è ñîîòâåòñòâóþùàÿ åé òîïîëîãèÿ â Ansoft Designer. Ïðåäñòàâëåíà ìîäåëü òðàíçèñòîðíîãî óñèëèòåëÿ íà pHEMT PH15 èç áèáëèîòåêè UMC



12


ANSYS TPA

Для экстракции RLCG-параметров более слож-

ных многослойных структур предназначен пакет

TPA. Объектами анализа могут быть упаковки

ИС. Помимо SPICE моделей он может формиро-

вать IBIS модели упаковок СБИС.

ANSYS SIWave

Для электромагнитного анализа сложных много-

слойных конструкций ПП и ИС традиционные

пакеты, построенные только на методе конечных

элементов в 3D, не подходят. Для таких задач,

как анализ влияния электромагнитного поля на

распространение сигнала по системам провод-

ников в сложных многослойных упаковках ИС и

ПП, оценка паразитных резонансов, падения на-

пряжение на системах питания, извлечения SYZ-

параметров и т.д., более подходит пакет SIWave.

Электромагнитный анализ в частотной области

осуществляется гибридом МоМ и FEM.

Анализируемое изделие полностью моде-

лируется в трехмерном виде с учетом источников

сигналов и РЭ компонент, подключаемых к пор-

там модели. Модели СВЧ ИС, как по отдельнос-

ти, так и в сборе с ПП, могут быть импортированы

из CAD пакетов или переданы из систем EDA (см.

табл. 2) посредством ANSOFTLinks. Примеча-

тельно, что окончательный анализ всей системы

на целостность сигнала в комплексе осуществля-

ется с использованием среды ANSOFT Designer,

в которой к SIWave модели подключаются как N-

полюснику нагрузки, задаются формы и типы ис-

точников сигналов, описываются нелинейные и

линейные схемы, а также осуществляется пост-

процессорная обработка данных.

Методология моделирования РЭА изделий интегрального типа средствами ANSYSПроцесс проектирования высокочастотных

схем, как и современных высокоскоростных

Òàáëèöà 2Ïðîãðàììû ïðîåêòèðîâàíèÿ ÑÁÈÑ, ñ êîòîðûìè îñóùåñòâëÿåòñÿ èíòåãðàöèÿ ANSOFT ïðîäóêòîâ ñ ïîìîùüþ ìîäóëÿ AnsoftLink —

ECAD Translator

Ïàêåò Âåðñèÿ äëÿ ÎÑ Windows

CadenceAllegro; APD;SiP Digital/RF;

Virtuoso

16.0 — 16.3 è 16.516.0 — 16.3 è 16.5

4.46, 5.0, 5.0.32 è 6.x

Mentor GraphicsExpedition; BoardStation XE; BoardStation;

PADS

v2005, v2007.xv8.x

PADS PowerPCB v5.2a, v2005 è v2007

ODB++

Altium Designer Mentor Expedition

Zuken Cadstar Sigrity UPD

R10EE7.9.1 è áîëåå

v12.1 *v11.0 *

Zuken* CR5000 9.x è áîëåå

*) Примечание: данная опция имеет ограничение.

Ðèñ. 2. Ìîäåëü øåðîõîâàòîñòè Huray â âèäå ãðàíè÷íûõ óñëîâèé êîíå÷íîé ìíîãîñëîéíîé ïðîâîäèìîñòè â ñèñòåìå HFSS

Ðèñ. 3. ×àñòü êîðïóñà ÈÑ, àíàëèçèðóåìàÿ ñðåäñòâàìè HFSS

Ðèñ. 4. Îáúåêòîì àíàëèçà ïàêåòà SIWave ÿâëÿþòñÿ ñëîæíûå ìíîãîñëîéíûå êîíñòðóêöèè, òàêèå êàê óïàêîâêè ÈÑ è ïå÷àòíûå ïëàòû

13


систем плотной упаковки, тесно связан с зада-

чами электромагнитной совместимости. На вы-

соких частотах начинают сказываться паразит-

ные эффекты из-за распределенных парамет-

ров цепей, их взаимного влияния друг на друга.

Проявляется дребезг, паразитные наводки и

помехи от соседних линий, как при коммутаци-

ях, так и целенаправленного происхождения. В

таких системах особенно актуален вопрос це-

лостности сигнала (SI — Signal Integrity) и це-

лостности питания (PI — Power Integrity). Поэто-

му полный электромагнитный анализ проекти-

руемого изделия должен осуществляться с уче-

том паразитных эффектов, существующих в

радиочастотных интегральных цепях, с учетом

их корпусирования, наличия межслойных пере-

ходов и разъемов.

Примерный вид проекта в среде ANSOFT

Designer, показывающий идеологию моделирова-

ния схем с физическими моделями компонентов,

показан на рис. 5. В данном случае анализируется

прохождение битовой последовательности.

Законченный процесс проектирования из-

делий РЭА не будет полным без тепловоего и

механичского анализа. Для этих целей компа-

ния ANSYS предлагает следующую группу инс-

трументов: Icepak — специализированный па-

кет для расчета теплового состояния аппарату-

ры; ANSYS Mechanical — программа расчета

деформаций по данным тепловых нагрузок.

Все модули как электромагнитного, так и про-

чностного и газодинамического анализа, рабо-

тают в единой среде ANSYS Workbench. Дан-

Ðèñ. 5. Àíàëèç ïðîõîæäåíèÿ áèòîâîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ïî êàíàëó. Ïðèâåäåíà ò.í. EYE-äèàãðàììà, à òàêæå âðåìåííûå äèàãðàììû â íåêîòîðîé êîíòðîëüíîé òî÷êå

ные распределения джоулевых потерь из сис-

темы SIWave передаются напрямую в пакет

ANSYS Icepak, в котором тепловое состояние

корпуса ИС и ПП моделируется уже с учетом

теплопереноса и конвекционных процессов.

Это дает возможность учесть режимы работы

РЭ аппаратуры с учетом внешних факторов

эксплуатации.

Ëèòåðàòóðà [1] Íîâè÷êîâ Ñ.Â. Òåíäåíöèè ðàçâèòèÿ ñðåäñòâ

àâòîìàòèçèðîâàííîãî ïðîåêòèðîâàíèÿ ñèñòåì íà êðèñòàëëå. // Ñá. òðóäîâ IV Âñåðîññèéñêîé íàó÷íî-òåõíè÷åñêîé êîíôåðåíöèè «Ïðîáëåìû ðàçðàáîòêè ïåðñïåêòèâíûõ ìèêðî- è íàíîýëåêòðîííûõ ñèñòåì». 2010. Ñ. 412 — 417.

[2] 60 GHz Transceiver IC Design Using High-Mobility 0.15-micron GaAs Process // Copyright© Taiyo Yuden, UMS and ANSOFT Corporation. TPS104-0906. 2006.

[3] IC design and verification in flow for RF analog & digital integration // Copyright© UMS and ANSOFT Corporation. TPSI01-0106. 2006.

[4] Reference Flow for High-Speed Serial Inerconnect // Copyright© ANSOFT Corporation. 2005.

[5] Millimeter-Wave MMICs and Applications. Thesis by Matthew Alexander Morgan. In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy // California Institute of Technology. 2003.

[6] Microwave and Millimeter-Wave Integrated Circuit Systems in Packaging, Chenhui Jiang. 2010.

[7] System In Package (SiP) and Stacked Package Solutions // Wayne Nunn, NXP Semiconductor & Denis Soldo, ANSOFT Corporation.

[8] RFIC DESIGN AND VERIFICATION // Copyright © UMC Corporation and ANSOFT Corporation. TPSI01-0106. 2006.

[9] Signal Integrity. Solution Guide // Being Heard. Above the Noise, XILINX. July 2005. Issue 1.

[10] RFIC and MMIC design and technology / Edited by I.D.Robertson, S.Lucyszyn. The Institution of Electrical Engineers. 2009.



14


По мере того, как работа самолетов становится

эффективнее, надежнее и безопаснее, их конс-

трукция усложняется. В связи с этим, примене-

ние компьютерного моделирования становится

неотъемлемой частью процесса проектирования

новых самолетов. Проектирование сложных сис-

тем требует понимания работы всех подсистем и

компонентов. Хотя инженеры могут получить

данные о работе компонентов с помощью экспе-

римента, такой подход может быть чрезвычайно

дорогостоящим в связи с тем, что область рабо-

чих режимов постоянно увеличивается (включая

давление на входе, расход, высоту и др.).

Для анализа и оценки работы компонентов

в рамках одной системы, специалисты инженер-

ного отдела компании Parker Aerospace исполь-

зуют ANSYS CFX для расчета гидрогазодинами-

ки и ANSYS Icepak для анализа теплового состо-

яния компонентов. Такой подход помогает ком-

пании сократить затраты, время разработки, а

также повысить надежность компонентов.

Компания Parker Aerospace является миро-

вым лидером в производстве систем управления

летательными аппаратами, гидравлических сис-

тем, топливных систем, трубопроводных систем,

инженерных систем и компонентов, которые ис-

пользуются практически во всех коммерческих и

военных самолетах по всему миру, включая вер-

толеты, беспилотники, ракеты, а также другие

высокотехнологические приложения.

Заправка самолетовШтуцер дозаправки, разработанный компанией

Parker, напоминает часть реактивного ранца или

костюма Железного Человека, однако, на самом

деле, он контролирует процесс дозаправки од-

ного из самых современных разрабатываемых

самолетов. Это соединение состоит из двух от-

дельных заправляющих линий, соединяющихся

в одном основном канале, расход в котором кон-

тролируется встроенным клапаном. Это являет-

ся чрезвычайно важным для обеспечения безо-

пасности и скорости заправки и слива топлива.

При расчете множества стационарных кон-

фигураций (различные положения клапана) ис-

пользовалась расчетная сетка, содержащая

Использование

компьютерного

моделирования при

проектировании систем

и узлов авиатехники

Авторы: Carsten Mehring,Parker Aerospace, Ирвин, США

Ñ êàæäûì ãîäîì êîíñòðóêöèÿ èíæåíåðíûõ ñåòåé è ñèñòåì îáåñïå÷åíèÿ ñàìîëåòà óñëîæíÿåòñÿ.

15


около 12 млн. расчетных элементов. В данных

расчетах использовался программный комплекс

ANSYS CFX для получения распределения дав-

ления на стенки с целью оптимизации положе-

ния контрольных точек давления. В данном из-

делии эти точки используются для контроля про-

цесса закрытия и открытия клапана в главном

канале. Экспериментально было определено об-

щее падение давления в системе, что хорошо

согласуется с результатами CFD-расчета. CFD-

специалисты компании Parker также проводят

связанные расчеты жидкость — твердое тело

(FSI) для оценки динамических характеристик

штуцера дозаправки при специфических усло-

виях работы.

Подобные FSI-расчеты требуют использо-

вания значительных вычислительных ресурсов.

Для увеличения скорости расчета и проведения

параметрического анализа команда специалис-

тов обычно использует комбинацию стационар-

ных CFD и одномерных расчетов. Инженеры ис-

пользуют свой опыт проектирования динамичес-

ких систем, применяя модуль SimuLink, в котором

гидродинамические эффекты комбинируются с

одномерными расчетами посредством таблиц,

генерируемых стационарными CFD-расчетами.

Топливная системаАвиационные топливные баки обычно распола-

гаются в крыльях и состоят из нескольких емкос-

тей. Баки содержат перегородки для предотвра-

щения эффекта колебания жидкости. Заправка

требует использования специализированных на-

сосов, питающих основной топливный насос.

Откачивающие насосы (как правило, эжектор-

ного типа) обычно используются для откачива-

ния топлива из удаленных участков, дна топлив-

ных баков и доставки этого топлива на вход ос-

новного топливного насоса. Топливо, откаченное

со дна топливных баков, обычно содержит зна-

чительное количество воды, которое изначально

растворено в топливе или попадает в топливный

бак посредством конденсации. Другая важная

функция эжекторных насосов заключается в

распылении этой воды в мельчайшие капельки,

так чтобы двигатель мог безопасно потреблять

топливо, содержащее мелко распыленные ка-

пельки воды.

Традиционные эжекторные насосы не со-

держат каких-либо подвижных частей, и они

очень надежны при использовании в их рабочем

диапазоне. Однако рабочий диапазон топливных

эжекторных насосов ограничивается наступле-

нием кавитации. В связи с этим, очень важно

учитывать кавитацию при определении рабочего

диапазона насосов на ранней стадии проектиро-

вания. Инженеры компании Parker Aerospace ус-

пешно используют вычислительную гидродина-

мику для получения характеристик эжекторных

насосов, в особенности для определения границ

рабочего диапазона. Для этого используется

комплекс ANSYS CFX, который содержит модель

кавитации Rayleigh–Plesset. Инженеры также ра-

ботают над усовершенствованием существую-

щей модели кавитации посредством создания

пользовательских скриптов. Специалистов пре-

жде всего интересует кавитация, вызванная ка-

сательными напряжениями, и кавитация в много-

жидкостных эжекторных системах.

Безопасность топливной системыДля предотвращения взрыва топливного бака

используется система вытеснения воздуха инер-

тным газом. Такие системы используются на

коммерческих и военных самолетах. Один из ти-

пов таких систем заполняет азотом пространс-

тво бака, не заполненное топливом, что умень-

шает вероятность возгорания и взрыва топлив-

ного бака. Для демонстрации правильной рабо-

ты такой системы в рамках функционирования

всего самолета, инженеры компании Parker ком-

плексную модель сосредоточенных параметров,

описывающую баки, вентиляционные каналы и

движение воздуха в них с использованием мето-

CAD-ìîäåëü øòóöåðà äîçàïðàâêè Êîíòóðû ñòàòè÷åñêîãî äàâëåíèÿ â äâóõ ñå÷åíèÿõ



16


да Монте-Карло. Этот метод создает статичес-

кое время экспозиции возгорания (время, в те-

чение которого искра формирует пламя) для

диапазона неизвестных рабочих параметров,

которые ограничены известными функциями

распределения. При этом принимается во вни-

мание большой набор теоретических полетов

(учитывающих, например, условия набора высо-

ты самолета и погодные условия).

Для валидации и уточнения созданной па-

раметрической модели сосредоточенных пара-

метров, специалисты компании Parker провели

подробный CFD-анализ для различных режимов

полета. Подробная информация, полученная из

CDF-расчета далее использовалась для валида-

ции параметрической модели сосредоточенных

параметров. Несмотря на необходимость ис-

пользования больших вычислительных ресурсов

для проведения CFD-анализа, стоимость этих

ресурсов все же несоизмеримо меньше затрат

на полномасштабные полевые или летные испы-

тания. Обычно данные летных испытаний можно

получить на финальном этапе разработки, в то

время как данные CFD-анализа на ранних ста-

диях проектирования дают возможность вносить

улучшения в проект, которые не могут быть по-

лучены с помощью моделей сосредоточенных

параметров. В частности, с помощью CFD-рас-

чета можно определить расположение и направ-

ление сопел для впрыскивания воздуха, насы-

щенного азотом (NEA), а также положения вен-

тиляционных отверстий. Более того, подробный

CFD-расчет позволяет определить характер пе-

ремешивания в свободном от топлива про-

странстве, а также массообмен между различ-

ными отсеками топливных баков. Все эти дан-

ные позволяют уточнить модель сосредоточен-

ных параметров и, следовательно, уточнить

оценку времени экспозиции возгорания, что

приводит к повышению безопасности проекта

летательного аппарата.

Управляющая электроникаВсе большая электрификация самолета приво-

дит к тому, что количество модулей управляю-

щей электроники увеличивается, в то время как

выделенное пространство остается неизмен-

ным. Кроме того, увеличение использования

композиционных материалов для самолетостро-

ения сокращает возможность использования

корпуса самолета в качестве теплоотвода. В то

же время, энергия, затраченная на охлаждение

электронных компонентов, должна быть мини-

мальной, т.к. это влияет на общую эффектив-

ность системы. Вследствие этих факторов, элек-

тронные компоненты работают при более высо-

ких температурах, следовательно, необходимы

точные расчеты для гарантирования правильно-

го функционирования этих электронных компо-

нентов до проведения летных испытаний. В ком-

пании Parker инженеры активно используют

комплекс ANSYS Icepak для решения данных за-

дач. Используя этот модуль, инженеры могут по-

лучить необходимую информацию об уровнях

температур на ранних стадиях проектирования.

Это позволяет убедиться, что электронные ком-

поненты нормально функционируют как в усло-

Ëèíèè òîêà è ñòàòè÷åñêîãî äàâëåíèÿ íà îñíîâíîì êëàïàíå

Èíæåíåðû êîìïàíèè Parker Aerospace óñïåøíî èñïîëüçóþò âû÷èñëèòåëüíóþ ãèäðîäèíàìèêó äëÿ ïîëó÷åíèÿ õàðàêòåðèñòèê ýæåêòîðíûõ íàñîñîâ, â îñîáåííîñòè äëÿ îïðåäåëåíèÿ ãðàíèö ðàáî÷åãî äèàïàçîíà

Cïåöèàëèñòû êîìïàíèè Parker ïðîâîäÿò ñâÿçàííûå FSI-ðàñ÷åòû äëÿ îöåíêè äèíàìè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê øòóöåðà äîçàïðàâêè

17


виях холодного старта, так и в течение продол-

жительного времени работы в условиях повы-

шенной температуры окружающего пространс-

тва. Подобные расчеты проводятся для широко-

го спектра моделей различной точности (начи-

ная от «грубых» моделей, в которых компоненты

объединены в группы, до очень подробных), что-

бы убедиться, что уровень температур даже для

самых мелких компонентов не выходит за пре-

делы допустимых значений. В расчетах также

варьировался тип теплообмена, используемого

для отвода основной тепловой энергии от элект-

ронных компонентов (вынужденная конвекция

посредством вентиляторов или теплоотвод за

счет теплопроводности печатных плат и корпу-

сов, соединенных перемычками). Опыт использования ANSYSБольшинство изделий компании Parker было оп-

тимизировано с использованием ANSYS, вклю-

чая топливные системы, жидкостные кольцевые

насосы, пневматические клапаны, центробеж-

ные топливные и шестеренчатые насосы и сис-

темы охлаждения электронных компонентов.

Подобно тому, какой путь проделали FEA-реше-

ния несколько десятков лет назад, CFD стано-

вится неотъемлемой частью процесса разработ-

ки изделий компании Parker Aerospace, сокра-

щая время процесса разработки и затраты, при

этом помогая создать изделие с оптимальными

характеристиками.

Ñõåìàòè÷åñêîå ïðåäñòàâëåíèå îäíîìåðíîé ìîäåëè ñîñðåäîòî÷åííûõ ïàðàìåòðîâ

Èçîïîâåðõíîñòè ãàçîîáðàçíîé ôàçû ñ îáúåìíîé êîíöåíòðàöèåé 0.5

Ñðàâíåíèå äàííûõ ïðîèçâîäèòåëüíîñòè ýæåêòîðíîãî íàñîñà, ïîëó÷åííûõ ñ ïîìîùüþ ANSYS CFX è â ýêñïåðèìåíòå

Êîíòóðû êîíöåíòðàöèè êèñëîðîäà â îáëàñòè òîïëèâíîãî áàêà

Ìíîãîñëîéíàÿ ïå÷àòíàÿ ïëàòà áëîêà óïðàâëåíèÿ

Åñòåñòâåííàÿ êîíâåêöèÿ ìåæäó ïå÷àòíûìè ïëàòàìè

Êîíòóðû òåìïåðàòóð ïå÷àòíîé ïëàòû



18


На данный момент для решения проблемы це-

лостности сигналов в печатных платах, получен-

ных средствами Altium Designer необходимо

проводить анализ в специализированном про-

граммном обеспечении. Одним из лидеров яв-

ляется продукт компании ANSYS, Inc., програм-

ма SIwave, позволяющая выполнить сквозной

анализ по целостности сигнала и целостности

цепей питания в широком диапазоне частот: от

постоянного тока до, более чем 10 Гбит/с. В

SIwave производится полный анализ каналов

передачи данных, шин питания и земли.

Зачастую в процессе трансляции тополо-

гии из среды разработки в среду анализа возни-

кают различные препятствия и трудности, кото-

рые требуют затрат времени на их решение.

Цель данной работы — продемонстриро-

вать алгоритм трансляции топологии, получен-

ной средствами Altium Designer в SIwave для

проведения дальнейшего анализа и решения

возможных проблем.

Передача осуществляется в несколько эта-

пов согласно алгоритму, приведенному на рис. 1.

На первом этапе для передачи топологии

будет использован интеллектуальный формат

данных ODB++, который содержит всю необхо-

димую для анализа информацию [1], а так же

легко импортируется в среду AnsoftLinks.

На основе исходной топологи (см. рис. 2)

создается каталог с ODB++ файлами.

Для создания каталога, находясь в режиме

редактирования топологии, необходимо выпол-

нить команду File –> Fabrication Outputs –>

ODB++ Files. В открывшемся окне настроек от-

мечаем только необходимые слои для экспорта;

устанавливаем галочку для «Include unconnected

mid-layer pads» и нажимаем на кнопку «OK».

После этого в каталоге с выходными файлами

проекта «Project Outputs for…» будет сформиро-

вана папка «odb».

На втором этапе необходимо перенести

каталог «odb» в директорию, которая не содер-

жит в пути к ней и названии недопустимых сим-

Алгоритм трансляции

топологического рисунка

из ALTIUM DESIGNER

в SIWAVE

Аторы: Карабан В., Зырин И.,

Томский государственный университет систем управления

и радиоэлектроники, Томск

Ðèñ.1 Àëãîðèòì òðàíñëÿöèè òîïîëîãèè â SIwave Ðèñ.2. Èñõîäíàÿ òîïîëîãèÿ

19


волов (кириллица, символ «-» и т. п.), например,

«D:\odb». Затем в AnsoftLinks необходимо запус-

тить окно импорта «Import ODB++ Design»; для

типа архива выбрать «Directory»; указать путь к

каталогу «odb» и нажать кнопку «Import».

В некоторых случаях возможно возникно-

вение ошибки, показанной на рис. 3.

Данная ошибка возникает вследствие того,

что для перекодирования формата ODB++ в

нейтральный формат Ansoft Neutral File (ANF)

[2] необходимо установить дополнительное ПО

«Ansoft translators for ECAD geometry». После ус-

тановки требуется повторить второй этап.

В случае если в результате импортирова-

ния процесс транслирования завершился не

полностью (см. рис. 4), необходимо проверить

топологию и провести процесс создания катало-

га «odb» заново.

Чаще всего неудачи при транслировании

связаны с использованием русскоязычных букв

в названиях компонентов, цепей, посадочных

мест. Остальные ошибочные символы автома-

тически заменяются знаком «_».

В конечном итоге трансляция завершится

полностью, и в окне AnsoftLinks отобразится им-

портированная модель (рис. 5).

На третьем этапе проверка импортирован-

ной топологии в AnsoftLinks осуществляется ви-

зуально, сравнением списка цепей и слоев путем

переключения между вкладками «Layers/Nets».

На четвертом этап экспорта в SIwave сле-

дует выполнить команду «File –> Export –> into

SIwave», затем произойдет автоматический за-

пуск SIwave с последующим переносом тополо-

гии (рис. 5).

Пятый этап проверки топологии в SIwave

осуществляется специальным модулем «Launch

Validation Check». Для запуска необходимо на-

жать пиктограмму «Validate» на панели инс-

трументов.

Затем в окне модуля проверки (см. рис. 6)

выбираем необходимые типы ошибок и нажима-

ем кнопку «OK».

После окончания проверки в окне «Validation

Check Results» будут показаны ошибки, обнару-

женные в топологии. Часть ошибок можно уст-

ранить автоматически, поставив галочку перед

словом «Auto Fix» и нажав кнопку «OK». Ошиб-

ки, которые не устраняются автоматически, не-

обходимо устранить в исходной топологии и про-

вести процесс передачи топологии заново.

С помощью описанного алгоритма с уче-

том анализа и исправления возникающих оши-

бок, можно точно транслировать топологический

рисунок из AltiumDesigner в SIwave.

Ëèòåðàòóðà1. ODB++ Intelligent data exchange between design and

manufacturing // Mentor Graphics. 2011. 2 c.2. Ansoft Neutral File Format // Cadfamily. 2007. 36 ñ.

Ðèñ.3. Îøèáêà èìïîðòà ïðè îòñóòñòâèè òðàíñëÿòîðà

Ðèñ.4. Ïðèìåð ÷àñòè÷íîãî èìïîðòèðîâàíèÿ òîïîëîãèè

Ðèñ.5. Òîïîëîãèÿ â SIwave

Ðèñ.6. Îêíî Launch Validation Check



20


Индукторы применяются для нагрева

различных заготовок переменным током.

Не секрет, что для повышения эффек-

тивности нагрева, необходимо повышать

частоту или величину тока, что зачастую

экономически и/или технологически не

целесообразно. На данный момент су-

ществует множество конструкций индук-

торов, позволяющих получать различ-

ное распределение магнитного потока.

Для определения наибольшей величины

энергии, переданной проводнику в за-

висимости от конструкции индуктора, в

ходе данной работы проведено компью-

терное моделирование различных вари-

антов индукторов и посчитана величина

передаваемой энергии на проводник.

ИсследованияДля проведения моделирования построены мо-

дели индукторов, состоящих из медного витка

источника, заготовки и ферритового магнито-

провода. Они отличаются друг от друга конс-

трукцией и различным диаметром заготовки

(рис. 1).

В ходе моделирования была выбрана

расчётная среда ANSYS Maxwell, которая явля-

ется ведущим программным обеспечением для

моделирования электромагнитных полей, и при-

меняется для исследования и проектирования

двумерных, трёхмерных моделей, таких как дви-

гатели, трансформаторы, индукторы, датчики, а

также других электрических и электромехани-

ческих устройств различного применения.

Программный комплекс ANSYS Maxwell ос-

нован на методе конечных элементов (Finite

Element Method — FEM) и позволяет точно рас-

считывать статические, гармонические, элект-

ромагнитные и электрические поля.

В качестве материалов заготовки были вы-

браны железный и медный проводники толщи-

ной 0.5 мм, 1.0 мм и 1.5 мм.

Исследование уровня

выделения мощности

индуктором на заготовку

в зависимости от геометрии

в ANSYS Maxwell

Авторы: Карабан В., Зырин И.,



Ðèñ. 1. Âàðèàíòû êîíñòðóêöèé íàãðåâàòåëüíûõ èíäóêòîðîâ (ñëåâà–íàïðàâî): ¹1–4

21


Для моделирования использовался тип ре-

шения вихревых токов («Eddy Current») на час-

тоте 2.0 МГц, построена упрощенная модель и

на медном витке установлен источник тока но-

миналом 2.0 А.

Построение сетки в ANSYS Maxwell для

расчета поверхностных токов осуществляется

за счет добавочного разбиения сетки в глубину

тела на величину скин-слоя. В процессе расчёта

модели области, имеющие повышенную важ-

ность, будут дробиться более мелко с каждым

пересчётом до тех пор, пока не будет достигнута

заданная точность, либо максимальное значе-

ние пересчётов (рис. 2а).

Для получения результата с точностью в

2% (рис. 2б) потребовалось построить 658547

тетраэдров и потратить 211 минут реального

времени и 94 минуты процессорного времени.

В ANSYS Maxwell имеется возможность по-

лучить тот же результат, но с меньшими затрата-

ми. Для этого необходимо вокруг заготовки ус-

тановить граничное условие «Impedance

Boundary» с параметрами проводимости и про-

ницаемости такими же, как у материала заго-

товки и отключить необходимость решения са-

мой заготовки.

При получении результата с точностью в

0.5% (рис. 3) потребовалось построить 157529

тетраэдров, затратить 6 минут реального време-

ни и 5.56 минут процессорного времени.

Так как результат, полученный с использо-

ванием граничного условия «Impedance

Boundary», более точный и требует меньших за-

трат, дальнейшие исследования будут прово-

диться на подробных моделях.

Для исследования конструкции №1 индук-

тора (рис. 4), необходимо определить влияние

изменения зазора H и расстояния L на нагрев

заготовки с разным диаметром D, и выбрать на-

иболее оптимальный вариант.

В ходе проведения моделирования было

построено 15 расчётных моделей с переменны-

ми значениями H, L, D (см. табл. 1) и различным

материалом заготовки.

Ðèñ. 2. Ðåçóëüòàòû ïîñòðîåíèÿ ðàñ÷¸òíîé ìîäåëè («Eddy Current»)

Ðèñ. 3. Ðåçóëüòàò ïîñòðîåíèÿ ðàñ÷¸òíîé ìîäåëè («Impedance Boundary»)

Ðèñ. 4. Ïàðàìåòðû ãåîìåòðèè ¹1

Òàáëèöà 1. Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ ãåîìåòðèè ¹1.

Ìîäåëü ¹ Ìàòåðèàë çàãîòîâêè H, ìì D, ìì L, ìì Ìîùíîñòü, Âò

1 Æåëåçî 0.20 1.0 2.5 5.7430

2 Ìåäü 0.20 1.0 2.5 0.5047

3 Æåëåçî 0.10 1.0 2.5 10.5359

4 Ìåäü 0.10 1.0 2.5 0.5496

5 Æåëåçî 0.02 1.0 2.5 9.3700

6 Ìåäü 0.02 1.0 2.5 0.5355

7 Æåëåçî 0.10 1.0 2.0 1.1844

8 Ìåäü 0.02 1.0 2.0 0.4982

9 Æåëåçî 0.10 1.0 1.5 12.4841

10 Ìåäü 0.02 1.0 1.5 0.4470

11 Æåëåçî 0.10 1.0 1.0 15.5237

12 Ìåäü 0.02 1.0 1.0 0.4059

13 Æåëåçî 0.10 0.5 1.0 9.8408

14 Ìåäü 0.02 0.5 1.0 0.6499

15 Æåëåçî 0.10 1.5 1.0 8.0032



22


Для железного проводника самой опти-

мальной является геометрия со значениями H =

0.1 мм и L = 1.0 мм (рис. 5). Для медного провод-

ника самой оптимальной является геометрия со

значениями H = 0.1 мм и L = 2.5 мм (Рисунок 6).

Для исследования конструкции второго и

третьего индукторов (рис. 7 и 8, соответственно)

было построено 9 расчётных моделей с различ-

ным диаметром и материалом заготовки. Ре-

зультаты моделирования геометрий №2 и 3 све-

дены в табл. 2.

Для железного и медного проводника на-

илучшим образом показала себя геометрия №3

(рис. 9 и 10).

Для исследования конструкции №4 индук-

тора (рис. 11) необходимо определить влияние

Ðèñ. 5. Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà, ïîëó÷åííûå íà ìîäåëè ¹11


Òàáëèöà 2. Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ ãåîìåòðèé ¹2 è 3.

Ãåîìåòðèÿ ¹2

Ìîäåëü ¹ Ìàòåðèàë ïðîâîäà Òîê, A Ìîùíîñòü, Âò ×àñòîòà, ÌÃö D, ìì

16 Æåëåçî 2 9.8199 2 1.5

17 Ìåäü 2 0.4098 2 1.5

18 Æåëåçî 2 2.3279 2 1.0

Ãåîìåòðèÿ ¹3

19 Æåëåçî 2 13.9400 2 1.5

20 Ìåäü 2 0.4838 2 1.5

21 Æåëåçî 2 2.3900 2 1.0

22 Ìåäü 2 0.2120 2 1.0

23 Æåëåçî 2 1.1200 2 0.5

24 Ìåäü 2 0.0670 2 0.5





23


диаметра A на нагрев и выбрать наиболее опти-

мальный вариант.

В ходе моделирования было простроено 4

расчётные модели с переменным значением A

(табл. 3) и различным материалом заготовки.

Для железного и медного проводников оп-

тимальной является модель с минимальным

диаметром A. Следовательно, для заготовки

толщиной 1.0 мм минимальным диаметром бу-

дет 1.0 мм. Но так как максимальный диаметр

заготовки 1.5 мм, следовательно, он является

минимальным диаметром медного витка (моде-

ли 33 и 34).

ВыводыВ работе рассмотрены возможности расчёта

электромагнитных полей распространённых

конструкций индуктора средствами ANSYS Max-

well, показана высокая эффективность приме-

няемых подходов.

На основе результатов проведённого ком-

пьютерного моделирования подобраны опти-

мальные параметры конструкции индуктора для

повышения, при прочих равных условиях, эф-

фективности нагрева заготовок переменным

током.


Òàáëèöà 3. Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ ãåîìåòðèé ¹4.

Ìîäåëü ¹ Ìàòåðèàë ïðîâîäà Òîê, A Ìîùíîñòü, Âò ×àñòîòà, ÌÃö A, ìì

25 Æåëåçî 2 1.1300 2 7.5

29 Æåëåçî 2 2.8100 2 3.0

33 Æåëåçî 2 3.5000 2 1.5

34 Ìåäü 2 0.2519 2 1.5

Новости и события

Компании «Т-Платформы» и «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» объединяют усилия для внедрения технологий суперкомпьютерного моделирования в промышленности22 августа 2012 г., Москва— Компания «Т-

Платформы», международный разработчик

суперкомпьютеров и поставщик полного спек-

тра решений и услуг для высокопроизводи-

тельных вычислений, и компания «КАДФЕМ

Си-Ай-Эс», специализирующейся на оказа-

нии профессиональных консалтинговых услуг

инженерного анализа с применением ком-

пьютерного моделирования в различных об-

ластях физики, а также внедрении и техни-

ческой поддержке наукоемких программных

комплексов компании ANSYS, Inc. объявляют

о заключении соглашения о сотрудничестве.

Первым совместным проектом, реализован-

ным в рамках сотрудничества, станет постав-

ка программных пакетов ANSYS в отраслевой

центр высокопроизводительных вычислений

ОАО «ЦНИИ «Буревестник», построенный

компанией «Т-Платформы». Данное ПО будет

применяться заказчиком для инженерных

расчетов физико-технологических парамет-

ров новейших образцов артиллерийского во-

оружения, разрабатываемого по заказу Ми-

нистерства обороны Российской Федерации.

Соглашение с «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» позволит

«Т-Платформы» предлагать заказчикам ком-

плексные программно-аппаратные решения

для инженерного анализа в промышленности

и науке с предустановленными лицензионны-

ми пакетами ANSYS предназначенными для

решения широкого спектра задач виртуаль-

ного проектирования изделий с применением

суперкомпьютерных технологий. В рамках со-

трудничества будут разработаны оптимизи-

рованные суперкомпьютерные комплексы,

позволяющие получить максимальную произ-

водительность различных классов расчетных

задач. Партнеры объединят усилия для оказа-

ния многоуровневой технической поддержки

и консалтинга пользователям программно-

аппаратных решений «Т-Платформы», про-

движения передовых методов инженерного

анализа в промышленности и развития рос-

сийского рынка высокопроизводительных вы-

числений.



24


АктуальностьПри решении задач увеличения ресурса борто-

вой радиоэлектронной аппаратуры космических

аппаратов до 15 лет, улучшения ее габаритно-

массовых характеристик, повышения надёжнос-

ти электронных систем и многого другого. ста-

новится очевидным, что традиционные конс-

трукторско-технологические решения, основан-

ные на печатных платах, подходят к физическо-

му пределу возможности улучшения электри-

ческих параметров и габаритно-массовых ха-

рактеристик. Причины такой ситуации состоят в

следующем:

– предельное разрешение «проводник/за-

зор» ограничено технологией изготовле-

ния печатных плат;

– высокий коэффициент температурного

расширения, вызывающий в ряде случаев

растрескивание безвыводных элементов в

керамических корпусах;

– низкая теплопроводность печатных плат, что

вызывает необходимость применения тепло-

отводов, увеличивающих габариты и массу

радиоэлектронной аппаратуры (РЭА);

– потенциальная возможность развития кор-

розионных процессов в течение длитель-

ной эксплуатации РЭА (вследствие «мок-

рых» процессов обработки), приводящих к

ее отказам.

Применение традиционных толстопленоч-

ных микросборок не дает требуемого эффекта

по причине малого формата подложки (макси-

мально 60 х 45 мм2), ограничений по количеству

формируемых проводящих слоев и по их допус-

тимой токовой нагрузке.

Освоенная в настоящее время высокотем-

пературная многослойная керамика ограничи-

вает возможности применения материалов с

высокой проводимостью (вместо палладия, се-

ребра и золота применяется вольфрам, молиб-

ден и другие тугоплавкие металлы). Высокая

температура спекания не позволяет создавать

пассивные элементы внутри слоистой структу-

ры, а применяемая при спекании керамических

плат водородная среда не только энергозатрат-

на, но пожаро- и взрывоопасна.

Для исключения недостатков традицион-

ных печатных плат, плат толстопленочных мик-

росборок и плат на основе высокотемператур-

ной керамики предлагается применять в РЭА

различного назначения модули на основе ком-

мутационных плат из низкотемпературной сов-

местно-обжигаемой керамики [1-3].

Низкотемпературная совместно обжигае-

мая керамика (Low Temperature Co-fired Ceramics,

LTCC) используется в системе керамических

подложек, которые применяются в электронных

схемах, как недорогая и конкурентоспособная

технология подложек с почти произвольным ко-

личеством слоев. В общем, используются печат-

ные золотые и серебряные проводники или ком-

позиции с платиной или палладием. Также ис-

Прогнозирование

надежности плат на основе

LTCC-технологии для

бортовой радиоэлектронной

аппаратуры космического

назначения

Авторы: Карабан В., Сунцов С., Сухоруков М.,



25


пользуются медные проводники. Металлизиру-

ющие пасты наносятся через трафарет в пере-

ходные отверстия и на поверхность каждого

слоя необожженой или «сырой» керамической

пленки, после чего следует сборка пакета и

прессование под определенным давлением. Па-

кет многослойной керамики обжигается на за-

ключительном этапе производства. Температу-

ра обжига — 870°С для керамики Green Tape™

фирмы DuPont. Эта относительно низкая темпе-

ратура делает возможным обжиг золотых и се-

ребряных проводников. Точка плавления Au и

Ag 960 и 1100°С, соответственно.

Низкие потери в линиях, а также неболь-

шие затраты на производство являются преиму-

ществом коммутационных плат из низкотемпе-

ратурной керамики для высокочастотных и

сверхвысокочастотных узлов и приборов.

Постановка задачиСуществующая статистическая теория надёж-

ности позволяет прогнозировать основные па-

раметры надёжности РЭА на основе результатов

сбора сведений об отказах в различных систе-

мах в ходе эксплуатации [4]. При проектирова-

нии новых устройств прогнозирование надёж-

ности при использовании новых конструктивных

решений и новой элементной базы требует но-

вых данных об интенсивности отказов, которые

могут быть получены только по результатам экс-

плуатации новых систем. Вместе с тем, отказы

являются результатом физико-технологических

дефектов в конструкциях РЭА, прогнозировать

которые можно только на основе анализа про-

цессов при изготовлении и функционировании

конкретных изделий в конкретных условиях про-

изводства и эксплуатации. При работе указан-

ных устройств в широком температурном диапа-

зоне с циклическими воздействиями (солнечная

сторона и теневая сторона) вследствие разно-

сти температурных коэффициентов линейного и

объёмного расширения различных конструктив-

ных элементов из различных материалов возни-

кают напряжённо-деформируемые состояния,

приводящие к усталостным изменениям в таких

элементах как проводники, паянные и клеёные

соединения, полупроводниковые чипы, платы и

подложки. Именно они приводят к механическим

и электрическим разрушениям и отказам после

определённого времени работы.

Авторами статьи предлагается методика

анализа напряжённо-деформируемых состоя-

ний в перспективных модулях космической РЭА,

на основе многослойной низкотемпературной

керамики марки Green Tape 951 фирмы DuPont с

использованием пакета прикладных программ,

интегрированных в ANSYS Workbench. В ходе

моделирования составляется геометрическая

модель конкретного устройства, на основе кото-

рой определяется количество рабочих циклов,

необходимых для накопления усталостных на-

пряжений и механического разрушения элемен-

тов конструкции. Полученные данные позволяют

сделать вывод о долговечности анализируемой

конструкции и синтезировать конструктивные

решения, соответствующие требованиям техни-

ческого задания. Основной проблемой в дости-

жении изложенной выше цели являются досто-

верные данные о теплофизических и механико-

физических характеристиках материалов, при-

меняемых в исследуемых конструкциях.

Подготовка моделиИсправление проблемных мест

После того как геометрическая модель добавле-

на в проект, необходимо проверить ее на нали-

чие проблемных мест, которые могут появиться

в результате трансляции.

Проблемные места в геометрии приводят к

увеличению времени расчета, числа элементов

расчетной сетки, а, зачастую, и вовсе к невоз-

можности ее построения. Различают следующие

проблемные места: отсутствие поверхности;

«расслоение» поверхности; сложная грань; ма-

лая грань; острый угол и прочие.

Поиск и исправление проблемных мест в

геометрии осуществляется средствами среды

DesignModeler с помощью соответствующих ко-

манд меню.

Типичное исправление геометрии заклю-

чается в следующем:

— поиск неисправностей на основе конкрет-

ных критериев: например, максимальный и

минимальный угол, поверхность и т.д.;

— анализ списка проблемных мест геометрии

и выбор метода их исправления на основе

имеющихся методов;

В геометрической модели модуля коммута-

ционной платы из низкотемпературной совмест-

Ðèñ.1. Âèçóàëèçàöèÿ îñòðîãî óãëà âñëåäñòâèå îáðûâà ïðîâîäíèêà â ìåñòå ïåðåõîäíîãî îòâåðñòèÿ



26


но-обжигаемой керамики (КП НТК) был прове-

ден поиск острых углов (Tools > Repair > Repair

Sharp Angles), примеры которого представлены

на рис. 1, 2.

Острый угол на рис. 1 образован вследс-

твие некорректной трансляции геометрической

модели электронного модуля КП НТК из элект-

рической САПР Altium Designer в механическую

САПР SolidWorks. При попытке исправления

этой ошибки средствами Repair Sharp Angles

DesignModeler появляется ошибка о невозмож-

ности исправить подобную геометрию. Предла-

гается воспользоваться средствами САПР

SolidWorks либо инструментами по работе с

трехмерной геометрией DesignModeler.

Для исправления проблемных мест в гео-

метрии, пример которых изображен на рис. 2,

достаточно удалить поверхности, участвующие

в образовании острых углов.

По окончании необходимо провести пов-

торный поиск на наличие острых углов, чтобы

удостовериться в отсутствии таковых.

Помимо вышеописанных проблем в гео-

метрической модели электронного модуля КП

НТК (наличие острых углов), керамический слой

4 платы содержит лишнюю поверхность (рис. 3),

из-за которой построение сетки становится про-

блематичным (требуется построение более мел-

кой сетки). Проблемную поверхность требуется

удалить (Face Delete).

Работа с базой данных физических

характеристик материалов электронных

модулей КП НТК

Перечень материалов применяемых в ЭРИ и

конструкции электронного модуля КП НТК, пред-

ставлен в таблицах 1 и 2.

Òàáëèöà 1. Ìàòåðèàëû ýëåìåíòîâ êîíñòðóêöèè ìîäóëÿ ÊÏ ÍÒÊ [5]

Ýëåìåíò êîíñòðóêöèè ìîäóëÿ

Ìàòåðèàë

Ñëîé ïëàòû êåðàìèêà DuPont Green Tape 951

Âíóòðåííèå ïðîâîäÿùèå ñëîè

ñåðåáðÿíûå ïàñòû 6142D, 6148 è ôîòî÷óâñòâèòåëüíàÿ ïàñòà

6453

Íàðóæíûå ïðîâîäÿùèå ñëîè ñåðåáðåíî-ïëàòèíîâàÿ ïàñòà QS 171

Ïðåöèçèîííûå ïðîâîäíèêè ôîòîïàñòû 6778 è Q170P

Ïåðåõîäíûå îòâåðñòèÿ ñåðåáðÿíàÿ ïàñòà 6141

Âíóòðåííèå (ñðûòûå) ðåçèñòîðû

ïàñòû ñåðèè CF

Íàðóæíûå ðåçèñòîðû ïàñòû ñåðèè QT-80

Òàáëèöà 2. Ìàòåðèàëû ýëåìåíòîâ êîíñòðóêöèè ÝÐÈ ìîäóëÿ ÊÏ ÍÒÊ

ÝÐÈ Ýëåìåíò êîíñòðóêöèè ÝÐÈ

Ìàòåðèàë

Èíäóêòèâíîñòü îáìîòêà ìåäü

êîðïóñ êåðàìèêà (Al2Î3)

Êîíäåíñàòîðû ïîäëîæêà êåðàìèêà (Al2Î3)

âíåøíèé êîíòàêò îëîâî

ñîñåäíèé êîíòàêò íèêåëü

âíóòðåííèé êîíòàêò ñåðåáðî

Ìèêðîñõåìà âûâîäû ìåäü

ïîäëîæêà êåðàìèêà (Al2Î3)

÷èï êðåìíèé

Ðåçèñòîð ðåçèñò ãðàôèò

âíåøíèé êîíòàêò îëîâî

ñðåäíèé êîíòàêò íèêåëü

âíóòðåííèé êîíòàêò ñåðåáðî

ïîäëîæêà êåðàìèêà (Al2Î3)

çàùèòíîå ïîêðûòèå îêñèä êðåìíèÿ

Для керамики Green Tape 951 впервые были

получены/уточнены экспериментальные значе-

ния тепловых и механических характеристик, в

том числе надёжности (долговечности) [6, 7].

Результаты построения расчетной сетки

приведены на рис. 4.

Стационарный тепловой анализПостановка задачи

Согласно условиям эксплуатации модуля КП

НТК, изменение температуры внешней среды

Ðèñ. 2. Óäàëåíèå ïîâåðõíîñòåé, îáðàçóþùèõ îñòðûé óãîë

Ðèñ. 3. Èëëþñòðàöèÿ ëèøíåé ïîâåðõíîñòè â ãåîìåòðèè ìîäóëÿ

27


(вакуум) лежит в диапазоне от –40 до +30°С.

Изменение температуры термостабильной

плиты — от +30 до +40°С.

Для реализации условий, описанных выше,

необходимы следующие типы граничных усло-

вий: температура (Temperature) — для задания

температуры от термостабильной плиты (гра-

ничное условие I-рода) (4.1) и радиация

(Radiation) — для задания температуры вакуу-

ма (граничное условие III-рода) (4.2).

TПОВ = TЗАД, (4.1)

где TПОВ — температура соответствующей по-

верхности модуля КП НТК; TЗАД — температура

заданная.

, (4.2)

где εПР — приведённый коэффициент черноты

поверхности тела и окружающей среды; σ —

постоянная Стефана-Больцмана; TВН — темпе-

ратура внешней среды.

Приведенный коэффициент черноты по-

верхности тела и окружающей среды вычисля-

ется по формуле:

(4.3)

где εП – коэффициент черноты поверхности тела;

εВН — коэффициент черноты внешней среды.

Элементы геометрической конструкции,

соответствующие задаваемым условиям: ниж-

няя поверхность модуля КП НТК — для задания

температуры от термостабильной плиты; верх-

няя (включающая ЭРИ, топологию проводников,

контактных площадок, слой платы) и боковые

поверхности — для задания теплообмена излу-

чением.

При задании начальных условий считаем,

что температура конструкции модуля КП НТК в

начальный момент времени (Т0) распределена

равномерно:

. (4.4)

Помимо температуры и радиации, требует-

ся задать рассеиваемую мощность на ЭРИ. Для

этого необходимо воспользоваться удельной

Ðèñ. 4. Ðàñ÷åòíàÿ ñåòêà: à — âèä ñïåðåäè; á — âèä ñçàäè. Îáùåå êîëè÷åñòâî óçëîâ: 2732226, ýëåìåíòîâ: 1194081

À Á

Ðèñ. 5. Óñòàíîâèâøååñÿ òåìïåðàòóðíîå ïîëå ìîäóëÿ ÊÏ ÍÒÊ



28


рассеиваемой мощностью (Internal Heat

Generation). Удельная рассеиваемая мощность

рассчитывается как отношение рассеиваемой

мощности ЭРИ к объему тепловыделяющего

элемента конструкции ЭРИ:

, (4.5)

где Руд — удельная рассеиваемая мощность;

Ррас — рассеиваемая мощность; V — объем теп-

ловыделяющего элемента конструкции ЭРИ.

Пример результата проведенного стацио-

нарного теплового моделирования приведен на

рис. 5.

Статический конструкционный анализПостановка задачи

Для статического прочностного расчета (Static

Structural). Для приложения инерционных на-

грузок, необходимо задать Density (Плотность).

Для приложения тепловых нагрузок требуется

задание Thermal conductivity (теплопровод-

ность) и Thermal expansion coefficient (темпе-

ратурный коэффициент линейного расширения).

Если анализируется запас прочности, необходи-

мо также указать предельные напряжения, а

именно — текучести, прочности.

Тепловыми нагрузками в конструкционном

анализе являются температуры. Различные тем-

пературы могут быть заданы для разных частей

и объектов геометрической модели.

В случае тепловых нагрузок сначала реша-

ется тепловая задача, затем рассчитанные тем-

пературные поля автоматически передаются на

расчет напряжённо-деформированного состоя-

ния (НДС) (связанная задача).

Возникающая в данном случае тепловая де-

формация вычисляется с помощью уравнения:

,

где εth — тепловая деформация; α — темпера-

турный коэффициент линейного расширения;

T — текущая температура; Тref — исходная тем-

пература, относительно которой измеряется

тепловое расширение.

Примеры результатов механического рас-

чета приведены на рис. 6 и 7.

Анализ надёжности (усталостной

долговечности)

После получения результатов механического

моделирования, переходят к расчету усталост-

ной долговечности (многоцикловой усталости)

Fatigue (Solution > Insert > Fatigue > Fatigue

Tools).

Для расчета усталостной долговечности

необходимы результаты НДС конструкции элек-

тронного модуля КП НТК при термоциклирова-

нии, т.е. при температурах термостабильной

плиты: +30°С и +40°С.

Реализовать подобное возможно либо дву-

мя шагами по нагрузке (соответственно в тепло-

вом и механическом анализе) либо двумя разны-

ми вариантами нагружения (отдельными анали-

зами для +30°С и +40°С внешней среды).

После этого необходимо создать комбина-

цию результатов (Solution Combination), в кото-

рой указать эти два режима.

Ðèñ. 6. Äåôîðìàöèÿ (ïåðåìåùåíèÿ) êîíñòðóêöèè ìîäóëÿ ÊÏ ÍÒÊ

Ðèñ. 7. Íàïðÿæåíèÿ êîíñòðóêöèè ìîäóëÿ ÊÏ ÍÒÊ

29


Далее в созданную комбинацию результа-

тов (Solution Combination) следует добавить ус-

талостный решатель (Fatique Tool), в опциях

нагружения которого следует установить тип

Non-Proportional.

Примеры результатов усталостного анали-

за электронного модуля: усталостный ресурс

(Life, рис. 8), коэффициент запаса по долговеч-

ности (Safety Factor, рис. 9), усталостное пов-

реждение (Damage, рис. 10), двухосность напря-

жений (Biaxiality Indication, рис. 11).

Усталостный ресурс (рис. 10) может отоб-

ражаться для полной модели электронного мо-

дуля КП НТК или для ее части, то есть точно так

же, как любой другой результат в среде ANSYS

Workbench (для деталей, поверхностей, ребер и

точек).

Контурное изображение демонстрирует

длительность возможного жизненного цикла для

данного расчета выносливости. Если нагрузка

имеет постоянную амплитуду, то изображение

отображает число циклов, после которых может

начаться усталостное разрушение. Если нагруз-

ка не является постоянной, изображение отоб-

ражает число блоков нагрузки, выполняемых до

отказа. Таким образом, если история приложе-

ния нагрузок составляет 2 часа эксплуатации, а

ресурс равен 24 000, ожидаемая наработка де-

тали (до отказа) составит 48 000 часов (2 000

дней).

При использовании напряжений с постоян-

ной амплитудой в том случае, если амплитуда

переменных напряжений ниже самого малого

значения на кривой выносливости, применяется

жизненный цикл, определенный для данной точ-

ки кривой.

Коэффициент запаса по долговечности

(рис. 9) соответствует значениям коэффициента

запаса (прочности) по отказу для данного жиз-

ненного цикла. Максимальное значение коэф-

фициента запаса, которое можно отобразить,

равно 15.

Подобно усталостному повреждению, ре-

зультат может быть ограничен. Запас прочности

меньше 1 указывает на отказ, происходящий ра-

нее истечения планируемого жизненного цикла.

Усталостное повреждение (рис. 10) со-

ответствует повреждению конструкции для

Ðèñ. 9. Êîýôôèöèåíò çàïàñà ïî äîëãîâå÷íîñòè

Ðèñ. 10. Óñòàëîñòíîå ïîâðåæäåíèå

Ðèñ. 11. Äâóõîñíîñòü íàïðÿæåíèé

Ðèñ. 8. Óñòàëîñòíûé ðåñóðñ



30


данного жизненного цикла. Усталостное пов-

реждение равно отношению проектного ресур-

са к располагаемому ресурсу. Результат может

иметь ограничения. По умолчанию жизненный

цикл может быть указан пользователем. Значе-

ние усталостного повреждения, превосходящее

1, указывает на отказ до достижения предпола-

гаемого срока эксплуатации.

Усталостные свойства материалов осно-

ваны на одноосных напряжениях, но в действи-

тельности напряжённое состояние обычно яв-

ляется многоосным. Такой вид результатов

дает пользователю информацию о виде тензо-

ра напряжений и способах интерпретации ре-

зультатов.

Признак двухосных напряжений (рис. 11)

определяется как меньшее по величине главное

напряжение, деленное на самое большое значе-

ние главного напряжения, причем главное на-

пряжение, близкое к нулю, игнорируется.

Нулевое значение соответствует одноос-

ному НДС, значение равное минус 1 — чистому

сдвигу, а значение равное плюс 1 — чистому

двухосному НДС.

При использовании признака двухосного

НДС вместе с изображением запаса прочности

(описанного выше) можно увидеть, что точки с

наибольшими усталостными повреждениями

находятся главным образом в зоне одноосного

напряжения. Если же наиболее повреждаемая

зона находится в зоне чистого сдвига, для рас-

чета могут потребоваться данные кривой Вел-

лера для образцов, испытываемых в условиях

кручения. Разумеется, сбор эксперименталь-

ных данных при различных условиях нагруже-

ния является весьма дорогим процессом и вы-

полняется не очень часто.

Следует отметить, что для непропорцио-

нальной усталостной нагрузки имеются не-

сколько типов НДС, а потому в каждом узле не

существует единого значения коэффициента.

Поэтому в случае, если нагрузка непропорцио-

нальна, пользователь может выбрать среднее

значение или стандартное отклонение коэф-

фициента двухосности напряжений.

Показатель двуосности помогает опреде-

лить, является ли напряжённое состояние в

области интереса сходным с условиями испы-

тания.

ЗаключениеИспользование результатов выполненных ис-

следований в практике проектирования борто-

вой радиоэлектронной аппаратуры космическо-

го назначения позволит повысить её надёжность,

в том числе ресурс, за счет снижения проектных

ошибок и технологических дефектов, оптимиза-

ции режимов функционирования в процессе экс-

плуатации. В работе изложены научно обосно-

ванные методы математического моделирова-

ния напряжённо-деформированных состояний

радиотехнических устройств космического на-

значения, выполненных с применением новой

технологии коммутационных плат из низкотем-

пературной керамики, имеющие существенное

значение для дальнейшего развития космичес-

кой отрасли России и повышения её конкурен-

тоспособности на мировом рынке.

Ëèòåðàòóðà1. Ìîäåëèðîâàíèå è èñïûòàíèå ïëàò íà îñíîâå LTCC

òåõíîëîãèè äëÿ áîðòîâîé àïïàðàòóðû êîñìè÷åñêèõ àïïàðàòîâ / À.À. Õâàëüêî, Ñ.Á. Ñóíöîâ, Â.Ì. Êàðàáàí, Â.Ï. Àëåêñååâ // XVII Íàó÷íî-òåõíè÷åñêàÿ êîíôåðåíöèÿ «Ýëåêòðîííûå è ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ñèñòåìû è óñòðîéñòâà». Òðóäû êîíôåðåíöèè. 22–23 àïðåëÿ 2010 ã. — Òîìñê: ÎÀÎ «ÍÏÖ «Ïîëþñ».

2. Drue, K.H. RF Models of passive LTCC components in the lower GHz range. / K.H. Drue, H. Thust, J. Muller . // «Applied Microwave & Wireless», April 1998.

3. DuPont Microcircuit Materials, Low Temperature Cofire Dielectric Tape 951 Green Tape / Product Selector Guide, Rev. — 2004, ¹1.

4. ×èñëåííîå ìîäåëèðîâàíèå íàïðÿæåííî-äåôîðìèðîâàííûõ ñîñòîÿíèé ìîäóëÿ èç íèçêîòåìïåðàòóðíîé ñîâìåñòíî-îáæèãàåìîé êåðàìèêè âñëåäñòâèå òåïëîâûõ ðåæèìîâ ðàáîòû áîðòîâîé ðàäèîýëåêòðîííîé àïïàðàòóðû. ×àñòü 1 — Ïîñòàíîâêà çàäà÷è. Ïîäãîòîâêà ê ìîäåëèðîâàíèþ / Â.Ï. Àëåêñååâ, Â.Ì. Êàðàáàí, Ñ.Á. Ñóíöîâ, Ñ.Â. Ïîíîìàðåâ // Äîêëàäû ÒÓÑÓÐà. — Òîìñê, 2010. ¹2 (22). ×àñòü 1. — Ñ. 229-231.

5. ×èñëåííîå ìîäåëèðîâàíèå íàïðÿæåííî-äåôîðìèðîâàííûõ ñîñòîÿíèé ìîäóëÿ èç íèçêîòåìïåðàòóðíîé ñîâìåñòíî-îáæèãàåìîé êåðàìèêè âñëåäñòâèå òåïëîâûõ ðåæèìîâ ðàáîòû áîðòîâîé ðàäèîýëåêòðîííîé àïïàðàòóðû. ×àñòü 2 — Ïðîâåäåíèå ÷èñëåííîãî ìîäåëèðîâàíèÿ / Â.Ï. Àëåêñååâ, Â.Ì. Êàðàáàí, Ñ.Á. Ñóíöîâ, Ñ.Â. Ïîíîìàðåâ // Äîêëàäû ÒÓÑÓÐà. — Òîìñê, 2010. ¹2 (22). ×àñòü 1. — Ñ. 232-235.

6. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû îïðåäåëåíèÿ ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê êåðàìèêè / Í.Í. Ìàðèöêèé, Ñ.Â. Ïîíîìàðåâ, Â.Ì. Êàðàáàí, À.Ê. Êàðàâàöêèé, Ñ.Á. Ñóíöîâ, À.À. Õâàëüêî // Èçâåñòèÿ âûñøèõ ó÷åáíûõ çàâåäåíèé. Ôèçèêà. — Òîìñê: ÒÃÓ, 2010. ¹ 12/2. Òîì 53. — Ñ. 148-154.

7. Èññëåäîâàíèå òåïëîâûõ ñâîéñòâ êåðàìèêè GreenTape 951 / Â.Ì. Êàðàáàí, Ò.À. Èñëåíòüåâà, Å.À. Ìàòþøêèíà, Ñ.Á. Ñóíöîâ, À.À. Õâàëüêî // Èçâåñòèÿ âóçîâ. Ôèçèêà, 2011. Ò. 54, ¹10/2. — Ñ.88-91.

31



В последние годы портативные беспроводные

устройства получили большое распространение

в медицине, спорте, правоохранительных орга-

нах, сфере развлечений и других областях. На-

пример, министерство обороны США разраба-

тывает беспроводное устройство, которое поз-

волит медикам отслеживать основные показате-

ли жизнедеятельности бойцов. Также беспро-

водные устройства позволяют измерять и запи-

сывать показатели спортсменов, такие как ско-

рость бега и количество шагов. Независимо от

сферы применения, использование беспровод-

ного устройства в непосредственной близости

от человеческого тела создает множество труд-

ностей при проектировании. Уровень энергии,

излучаемой устройством, не должен превышать

допустимых для организма человека норм. Для

удобства ношения, размер устройства, вес и

потребление энергии должны быть минималь-

ными. Однако устройство должно быть доста-

точно мощным, чтобы обеспечивать устойчивую

связь с устройством-приемником, несмотря на

то, что значительная часть энергии поглощается

человеческим телом.

Моделирование системыКомпания Synapse Product Development занима-

ется решением данных инженерных проблем, от

разработки проекта до наладки серийного про-

изводства, по заказу ведущий производителей

бытовой электроники и медицинских устройств.

Одним из направлений работы компании явля-

ется разработка беспроводных портативных ус-

тройств для различных сфер применения. При

проектировании таких устройств основной про-

блемой является создание антенны, поскольку

человеческое тело поглощает большую излуча-

емой часть энергии. Специалисты Synapse ис-

пользуют комплекс ANSYS HFSS и модель чело-

веческого тела, разработанную ANSYS, для

оценки эффективности различных проектов ан-

тенн. При этом моделируется полная система,

включающая беспроводное устройство, антенну

и их взаимодействие с человеческим телом.

Возможность оценки проекта без создания фи-

зического прототипа обычно помогает инжене-

рам компании Synapse увеличить эффектив-

Применение ANSYS

при расчете антенн

портативных устройств

Автор: Bert Buxton, Synapse Product Development, Сиэтл, США

Ðåçóëüòàòû ìîäåëèðîâàíèÿ â ANSYS HFSS — ïîêàçàíà ýíåðãèÿ, ïîãëîùåííàÿ íîãîé è çåìëåé



32


ность антенны в пять раз по сравнению с исход-

ным проектом.

Основной задачей антенны является пере-

дача энергии от передатчика приемнику. Для

этих целей широко используется дипольная ан-

тенна. Для частоты 2.45 ГГц антенна, встроен-

ная в печатную плату FR4, характеризующуюся

длиной волны 60 мм, должна обладать длиной

30 мм. Это слишком много для большинства

портативных устройств. Вместо этого, инжене-

ры-электронщики создают антенны меньшего

размера с характеристиками, максимально

близкими к дипольной антенне. Например, они

пытаются согласовать сопротивление излучения

антенны с оптимальным сопротивлением на-

грузки передатчика. Сложность геометрии ан-

тенны портативных устройств затрудняет созда-

ние изделия традиционным методом в необхо-

димые сроки. Столкнувшись с этой и многими

другими инженерными проблемами, специалис-

ты компании Synapse испробовали различные

программные комплексы для компьютерного

моделирования. Комплекс ANSYS позволяет ре-

шать практически все задачи, возникающие пе-

ред инженерами, включая моделирование це-

пей, электромагнитных, прочностных и тепловых

задач. Также ANSYS позволяет автоматически

проводить многодисциплинарную оптимизацию

изделий. Руководство компании Synapse приня-

ло решение о приобретении всего набора

средств моделирования у одного поставщика,

что позволило облегчить процесс получения тех-

поддержки и обучения.

Процесс проектированияПроцесс проектирования обычно начинается с

предоставления концепции проекта, включаю-

щей электронику и антенну. После этого инже-

неры-электронщики компании Synapse исполь-

зуют комплекс ANSYS HFSS для оптимизации

проекта антенны. Процесс моделирования начи-

нается с импорта геометрии исходного проекта

антенны в формате SAT. Следующим этапом яв-

ляется определение электрических свойств ма-

териалов, таких как диэлектрическая и магнит-

ная проницаемость и тангенсы диэлектрических

и магнитных потерь, электропроводность и маг-

нитное насыщение.

Оптимизация характеристик антенны тре-

бует учета того, как антенна взаимодействует с

человеческим телом — в связи с этим, должен

применяться системный подход. Модель челове-

ческого тела ANSYS позволяет задавать диэ-

лектрические константы для различных частей

тела. Обычно инженеры Synapse варьируют тол-

щину кожи от 0.4 мм до 2.6 мм и присваивают ей

диэлектрическую константу 38. Толщина слоя

жира выбирается с учетом всех эффектов со-

противления, обычно полдлины волны, с диэлек-

трической константой 5.3. Мышца является гра-

ницей модели с толщиной около 20 мм и диэлек-

трической константой 53.

HFSS автоматически создает конформную

тетраэдральную сетку. Эта сетка является адап-

тивной и измельчается в областях, в которых не-

обходим более точный расчет полевых величин.

Программный комплекс рассчитывает все необ-

ходимые электромагнитные полевые величины в

области решения. Следующим шагом является

расчет S-матрицы на базе полученных данных.

Полученная S-матрица позволяет быстро рассчи-

тывать величину переданного и отраженного сиг-

налов при заданном наборе входных параметров.

Такой подход подразумевает замену полной трех-

мерной электромагнитной модели набором высо-

кочастотных параметров. Моделирование в HFSS

позволяет отобразить величину энергии, погло-

щенную телом и коэффициент усиления антенны

в виде цветных контуров, отображающих челове-

ческое тело и окружающее пространство. Обыч-

но моделирование показывает, что области тела,

которые находятся ближе к антенне, поглощают

Êðóãîâàÿ äèàãðàììà Ñìèòòà ïîìîãàåò èíæåíåðàì ñîãëàñîâàòü ñîïðîòèâëåíèå àíòåííû è ïåðåäàò÷èêà

Ïîãëîùåíèå ýíåðãèè ïîðòàòèâíîãî óñòðîéñòâà íà çàïÿñòüå

33


больше энергии. Если устройство находится, на-

пример, в обуви, результаты также покажут вели-

чину энергии, поглощенной землей, которая в

некоторых случаях превышает энергию, погло-

щенную ногой. Благодаря этой информации, ин-

женеры, проектировщики и другие специалисты

могут получить лучшее понимание взаимодейс-

твия электромагнитного поля от антенны с телом

и, соответственно, выбрать ее оптимальную гео-

метрию и расположение.

Увеличение дальности и пропускной способности Информация об эффективности работы антен-

ны, полученная во время моделирования, играет

важнейшую роль при проектировании портатив-

ных устройств. Значение коэффициента усиле-

ния антенны характеризует диапазон действия и

пропускную способность устройства. Коэффи-

циент усиления антенны также помогает в опре-

делении требуемого количества энергии для пе-

редачи, что, в свою очередь, влияет на время

работы аккумулятора. В случае если одновре-

менно используется несколько портативных уст-

ройств, их антенны оптимизируются для одно-

временной работы и минимизации потребления

энергии.

Более того, моделирование используется

для уменьшения размеров антенн. При умень-

шении размера антенны, снижается ее рабочий

диапазон частот. Моделирование дает возмож-

ность рассчитывать не только ее характеристи-

ки в ее диапазоне частот, но и за его пределами,

что позволяет избежать излучения на частотах,

которые накладываются на частоты других уст-

ройств. На основе моделирования инженеры

обычно могут увеличить диапазон действия из-

делия в пять раз (по сравнению с исходным про-

ектом), при этом цикл разработки сокращается

на три месяца по сравнению с традиционным 12-

месячным циклом.

Äèàãðàììà íàïðàâëåííîñòè êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ èçäåëèÿ íà çàïÿñòüå


ANSYS подписывает генеральное соглашение с EADS по поставке программного обеспечения для инженерных расчетов для всех подразделений компании7 августа 2012 г., Питтсбург, шт. Пенсильва-

ния — Европейский аэрокосмический и оборон-

ный концерн (EADS), крупнейшая европейская

корпорация аэрокосмической промышленнос-

ти, и ANSYS, Inc. сообщили о подписании гене-

рального соглашения между компаниями.

EADS использует программные комплексы

ANSYS во всех своих подразделениях для прове-

дения прочностных, гидродинамических и элект-

ромагнитных расчетов, анализа композиционных

материалов, оптимизации аэродинамических ха-

рактеристик, расчета теплового состояния, а так-

же оценки целостности сигнала в различных уст-

ройствах – самолетах, вертолетах, ракетах-носи-

телях, различных системах обороны.

«Сотрудничество компаний EADS и ANSYS

длится уже более 15 лет, и данное соглашение

усиливает наши отношения, сообщил Robert

Harwood, руководитель департамента оборон-

ной промышленности, ANSYS. — При постоян-

ном и последовательном внедрении новых про-

граммных комплексов ANSYS в EADS, мы мо-

жем следить за тем, какие инженерные пробле-

мы возникают в данной отрасли — и учесть их

при разработке новых продуктов. В результате

такого сотрудничества, использование програм-

мных комплексов ANSYS стало неотъемлемой

частью стратегии развития компании».

Проект нового гиперзвукового пассажирского само-

лета Zehst, разрабатываемого концерном EADS



34


Моделирование ветра и дождя вокруг

стадиона позволяет спроектировать оп-

тимальную конструкцию навесов или

крыши для защиты зрителей и игровой

зоны во время дождя и снега. Результаты

моделирования можно использовать при

проектировании будущих стадионов, а

также для диагностики и устранения про-

блем на действующих стадионах.

При проектировании спортивной арены не-

обходимо учитывать учитывать множество фак-

торов. В первую очередь, (поставить запятую)

конструкция стадиона должна учитывать интере-

сы зрителей, т.е. обеспечивать комфортные ус-

ловия для просмотра матчей. Кроме этого, во

время проведения футбольных матчей необходи-

мо обеспечивать безопасность жизни и здоровья

зрителей и участников матчей, а также сохран-

Использование ANSYS CFD

при проектировании

навесов для защиты

стадиона от осадков

Авторы: Bert Blocken, Twan van Hooff и Marjon van Harten,

Технический университет г. Эйндховена, Нидерланды

Ñòàäèîí AFAS â Àëêìàðå

35


ность окружающей среды. Плохие погодные ус-

ловия резко создают дискомфорт для зрителей

на трибунах, ухудшают состояние игрового поля

и даже могут повлиять на результаты матча.

На полуоткрытых стадионах высокая ско-

рость ветра оказывает негативное влияние как

на игроков, находящихся на поле, так и на зрите-

лей, поскольку из-за ветра дождь проникает так-

же и на трибуны. Ранее при проектировании ста-

дионов специалисты не уделяли этому аспекту

особого внимания, и комфорт стадиона можно

было оценить только после завершения его стро-

ительства. Моделирование меняет этот подход.

Команда инженеров из Технического уни-

верситета Эйндховена (Нидерланды) провела се-

рию аэродинамических расчетов стадиона в

трехмерной постановке на базе программного

комплекса ANSYS Fluent, чтобы продемонстриро-

вать влияние архитектурно-конструкторских ре-

шений на структуру воздушных потоков и на дож-

девую воду, поступающую под действием ветра.

Было исследовано 12 вариантов конструк-

ции стадиона. Результаты моделирования поз-

волили выявить наиболее неблагоприятные

зоны на трибунах, подверженные воздействию

косого дождя, а также определить скорость и на-

правление ветра на игровом поле.

Результаты моделирования можно исполь-

зовать при проектировании будущих стадионов,

а также для диагностики и устранения проблем

на действующих стадионах, например, с исполь-

зованием специальных защитных влагоустойчи-

вых красок в неблагоприятных зонах на зритель-

ских трибунах. В будущем это должно позволить

сократить расходы на техническое обслужива-

ние стадионов.

Дизайн стадионов и проблемы моделированияВ Европе и во многих других странах стадионы

имеют открытую конструкцию, в которой наве-

сы лишь частично закрывают трибуны и не вы-

ходят за пределы несущих конструкций стади-

она. При этом в случае дождя с сильными по-

рывами ветра большая часть зрителей на три-

бунах оказывается в некомфортных условиях.

В 2008 году впервые была опубликована

работа, посвященная численному моделирова-

нию ветра и дождя вокруг стадиона [1]. Авторы

проводили расчеты в двумерной постановке,

что отразилось на качестве и объеме получен-

ных результатов. Подобные расчеты не позво-

ляют учесть влияние геометрии стадиона и на-

весов на структуру воздушных потоков. Было

исследовано 7 вариантов конструкции стадио-

на. Результаты исследования показали, что

геометрия навесов оказывает сильное влияние

на состояние зрительских трибун и арены в це-

лом — останутся они сухими или будут влаж-

ными из-за дождя.

Команда инженеров из Эйндховена пош-

ла еще дальше и провела собственные расче-

ты в трехмерной постановке, что позволило

получить более реалистичные результаты, от-

ражающие пространственный характер обте-

кания стадиона воздушными потоками с уче-

том дождя [2].

Одной из самой сложных задач было мо-

делирование комплексной геометрии стадио-

на, включающей разномасштабные объекты, в

том числе очень мелкие. Кроме того, необхо-

димо было учитывать широкий диапазон раз-

меров капель дождя.

Ðàñ÷åòíàÿ ñåòêà ñ ëîêàëüíûì èçìåëü÷åíèåì



36


Ñòðóêòóðà òå÷åíèÿ âîêðóã ñòàäèîíà íà âûñîòå 1 ì îò çåìëè äëÿ ÷åòûðåõ âàðèàíòîâ ãåîììåòðèè ñòàäèîíà

Ñòðóêòóðà òå÷åíèÿ âîêðóã ñòàäèîíà è íà èãðîâîì ïîëå äëÿ âàðèàíòîâ A-2 è Â-2

4 варианта геометрии несущих конструкций и 3 варианта геометрии навесовВ качестве базовой геометрии был выбран

стадион AFAS в Алкмаре (Голландия), который

является домашней тренировочной ареной

футбольной команды AZ Alkmaar. Стадион

вмещает в себя 17000 зрителей, его длина со-

ставляет 176,8 метров, ширина — 138 метров

и высота — 22, 5 метров. По всей окружности

стадиона установлен навес с наклоном 13 гра-

дусов.

37


Крыша стадиона в Алкмаре имеет необыч-

ный дизайн, который позволяет вносить измене-

ния в процессе реконструкции с целью повыше-

ния комфорта зрителей при плохих погодных

условиях.

Инженеры рассмотрели 4 варианта геомет-

рии стадиона: в варианте A несущие конструк-

ции навесов располагались с двух сторон стади-

она; в варианте B — с четырех сторон стадиона;

в варианте C — с четырех сторон стадиона, при

этом торцы трибун были закрыты; в варианте D

геометрия стадиона соответствовала закрытому

типу. Кроме того, инженеры исследовали 3 раз-

личных варианта конструкции крыши: крыша с

уклоном вниз (1), плоская крыша (2) и крыша с

уклоном вверх (3). Таким образом, всего было

исследовано 12 вариантов геометрии стадиона,

а конфигурация D-3 соответствовала текущему

дизайну стадиона AFAS.

При создании расчетной сетки у инжене-

ров возникли проблемы, связанные с разно-

масшабностью элементов расчетной модели:

наибольший масштаб составлял 1-100 м, на-

именьший — 0,1 м и менее. Команда инжене-

ров использовала нестандартный подход для

генерации сетки, чтобы обойти указанные огра-

ничения. Для этого они сначала генерировали

серию двумерных структурированных сеток в

определенных сечениях модели, а затем преоб-

разовывали ее в трехмерную сетку с помощью

операций вращения и перемещения. Такой под-

ход позволяет точно контролировать качество

сетки, ее размерность и разрешение в локаль-

ных областях. Сетка имела высокое разреше-

ние в пределах стадиона и более низкое на уда-

лении от стадиона. Для лучшего отображения

структуры воздушных потоков, обтекающих

стадион, сетка также измельчалась в районе

навесов. Базовая топология сетки каждый раз

видоизменялась в соответствии с изменяемой

геометрией стадиона.

Òðàåêòîðèè äâèæåíèÿ êàïåëü æèäêîñòè äèàìåòðîì 1 ìì ïðè ðàçëè÷íûõ âàðèàíòàõ èíæåêöèè êàïåëü



38


Структура воздушных потоковРасчеты выполнялись в стационарной постанов-

ке с использованием Realizable k-ε модели турбу-

лентности. При выборе модели турбулентности

инженеры опирались на результаты более ран-

них исследований, посвященных моделирова-

нию объектов соизмеримого масштаба [3, 4, 5].

По результатам моделирования, инжене-

ры получили данные о структуре воздушных

потоков на игровом поле на высоте 1 м от зем-

ли для каждого из четырех вариантов геомет-

рии несущих конструкций. При этом во всех

вариантах крыша была плоской. Было установ-

лено, что вариант A-2 является самым небла-

гоприятным с точки зрения обеспечения ком-

фортных условий для футболистов, находя-

щихся на игровом поле. В этом варианте между

противоположными трибунами формируются

два больших стационарных вихря, вращаю-

щихся в противоположные стороны. Формиро-

вание этих циркуляционных областей связано

с отрывом потока на передних угловых кром-

ках навесов. Аналогичные зоны возвратно-

циркуляционного течения формируются и в ва-

рианте B-2, сопровождающиеся небольшим

увеличением скорости потока в окрестности

углов стадиона.

Сравнивая картины течения вокруг стадио-

на, полученные для вариантов A-2 и B-2, можно

сделать вывод, что наличие трибун на короткой

стороне стадиона не оказывает заметного влия-

ния на структуру потока, т. к. основная масса

воздуха свободно попадает на игровое поле че-

рез открытые торцы трибун.

Совсем другую картину течения мы наблю-

даем при закрытых торцах зрительских трибун

(вариант C-2). В этом случае в зазорах между

боковыми трибунами (справа и слева) формиру-

ются две мощных струи, направленных в центр

игрового поля.

В варианте D-2 получилась более сложная

структура течения, чем в вариантах A-2 и B-2.

Это связано с тем, что в этой конфигурации два

центральных вихря обладают меньшей интен-

сивностью, что способствует зарождению дру-

гих вихрей с меньшими масштабами.

Отметим также, что в варианте D-2 потоки

воздуха частично попадают и на трибуны.

Траектории движения частиц дождяРасчет траекторий движения частиц дождя был

проведен с использованием результатов, полу-

ченных при аэродинамическом расчете стадио-

на. Для этого капли воды диаметром 0,5 мм, 1

мм, 2 и 5 мм инжектировались с верхней поверх-

ности расчетного домена. Горизонтальная со-

ставляющая скорости капли была задана равной

скорости ветра, вертикальная составляющая

скорости — скорости падения (витания) капли.

Капли воды диаметром 0,5 мм воспроизводили

моросящие осадки, для которых интенсивность

дождя не превышает 0,1 мм/час; капли воды диа-

метром 1 мм соответствовали осадкам средней

интенсивности (1 мм/час); крупные капли воды

Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà îñàæäåíèÿ êàïåëü æèäêîñòè íà òðèáóíàõ äëÿ âàðèàíòîâ A è B.

39


диаметром от 2 до 5 мм имитировали ливневой

дождь с интенсивностью 10 мм/час и более.

Расчеты осаждения капель жидкости на

поверхности трибун, выполненные на основе

рассчитанных ранее траекторий капель, показа-

ли, что крупные капли за счет своей инерции

оседают быстрее на стенках препятствий, а бо-

лее мелкие капли следуют линиям тока потока

воздуха. Поэтому в вариантах A и B, в которых

формируются крупные вихревые структуры

между противоположными трибунами, мелкие

капли заносятся ветром глубоко на трибуны вниз

по потоку воздуха.

В конфигурации C боковые трибуны наибо-

лее подвержены влиянию дождя — особенно это

заметно в варианте с крышей с уклоном вверх.

В конфигурации D при любом варианте конс-

трукции крыши, на трибуны попадает минималь-

ное количество влаги, за исключением кресел и

трибун, расположенных вблизи игрового поля.

До недавнего времени архитекторы и ди-

зайнеры не имели возможности точно оценить

степень комфортности стадионов при неблаго-

приятных погодных условиях и предложить аль-

тернативные варианты конструкций. Данная ра-

бота показывает, как технологии вычислитель-

ной гидродинамики (CFD) могут быть использо-

ваны в этом контексте. С помощью CFD можно

исследовать структура потока воздуха на стади-

оне, рассчитывать линии тока и траектории дви-

жения капель жидкости при различных вариан-

тах конструкции стадиона.

Авторы планируют в будущем использо-

вать методы оптимизации для определения оп-

тимальных углов уклона крыши, обеспечиваю-

щих максимальные комфортные условия для

зрителей во время дождя и снега.

Ëèòåðàòóðà[1] Persoon, J.; van Hooff, T.; Blocken, B.; Carmeliet,

J.; de Wit, M.H. On the Impact of Roof Geometry on Rain Shelter in Football Stadia. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2008, Vol. 96, Issue 8–9, pp. 1274–93.

[2] van Hooff, T.; Blocken, B.; van Harten, M. 3D CFD Simulations of Wind Flow and Wind-Driven Rain Shelter in Sports Stadia: Influence of Stadium Geometry. Building and Environment. 2011, Vol. 46, Issue 1, pp. 22–37.

[3] Blocken, B.; Carmeliet, J. Validation of CFD Simulations of Wind-Driven Rain on a Low-Rise Building. Building and Environment. 2007, Vol. 42, Issue 7, pp. 2530–2548.

[4] Blocken, B.; Poesen, J.; Carmeliet, J. Impact of Wind on the Spatial Distribution of Rain over Micro-Scale Topography — Numerical Modelling and Experimental Verification. Hydrological Processes. 2006, Vol. 20, Issue 2, pp. 345–368.

[5] Blocken, B.; Carmeliet, J.; Poesen, J. Numerical Simulation of the Wind-Driven Rainfall Distribution over Small-Scale Topography in Space and Time. Journal of Hydrology. 2005, Vol. 315, Issues 1–4, pp. 252–273.

Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà îñàæäåíèÿ êàïåëü æèäêîñòè íà òðèáóíàõ äëÿ âàðèàíòîâ C è D



40


Любое современное технологическое произ-

водство, эксплуатирующее насосное оборудова-

ние, требует использования насосов с высоким

КПД и низким энергопотреблением. Ведущий

швейцарский производитель насосов центро-

бежного типа — компания CP Pumen — исполь-

зует технологии компьютерного моделирования

для повышения эксплуатационных характерис-

тик своих насосов. С 1948 года компания CP

Pumen предлагает своим клиентам из различ-

ных отраслей эффективные продукты для безо-

пасного перекачивания жидкостей.

Оптимальное энергопотребление оказыва-

ет существенное влияние на жизненный цикл

насоса. Возможная экономия от внедрения ком-

плекса конструктивных и регламентных мероп-

риятий может составлять до 85% от стоимости

насоса. Поэтому при модернизации насосного

оборудования одной из главных целей является

снижение энергопотребления.

Быстрое и эффективное проектированиеНесколько лет назад у компании CP Pumps поя-

вилась необходимость в модернизации целого

семейства насосов с магнитной муфтой, приме-

няемых в химической промышленности. После

первоначальных попыток использования стан-

дартных средства проектирования, инженеры

пришли к выводу, что применение современ-

ных технологий численного моделирования

должно ускорить процесс модернизации уста-

ревшего оборудования. При традиционных спо-

собах проектирования инженеры вынуждены

проводить серию дорогостоящих натурных экс-

периментов на прототипе изделия с целью оп-

ределения его эксплуатационных характерис-

тик. Количество таких прототипов изначально

неопределенно.

В качестве альтернативы инженеры ис-

пользовали программные комплексы ANSYS

CFX и ANSYS BladeModeler. Программный мо-

дуль BladeModeler позволил инженерам быстро

и просто смоделировать геометрию крыльчатки

насоса — определить геометрию проточной час-

Оптимизация проточной

части насоса с целью

повышения его

энергоэффективности

Авторы: Thomas Folsche, технический директор, CP Pumpen AG, Цофинген, Швейцария

ANSYS CFX ïîçâîëÿåò ïîëó÷èòü ðàñïðåäåëåíèå äàâëåíèÿ è ñêîðîñòè â ëþáîì ñå÷åíèè âíóòðåííåãî òðàêòà íàñîñà, âèçóàëèçèðîâàòü òðåõìåðíóþ ñòðóêòóðó òå÷åíèÿ è îöåíèòü íàïîð, ìîùíîñòü è ÊÏÄ íàñîñà

41


ти, геометрию лопаток крыльчатки (с учетом из-

менения ее толщины по высоте) и пр. Помимо

этого, ANSYS BladeModeler автоматически со-

здает геометрию расчетной области, которая

затем используется для постановки гидродина-

мического расчета в ANSYS CFX.

ANSYS CFX позволяет получить поля дав-

ления и скорости в любом сечении внутреннего

тракта насоса, рассчитать и визуализировать

трехмерную структуру течения. Эти данные мо-

гут быть использованы для оценки напора, мощ-

ности и КПД насоса.

Инженеры CP Pumps выполнили серию

многовариантных расчетов для выбора опти-

мальной конструкции крыльчатки. Для проведе-

ния гидравлических испытаний был разработан

специальный стенд с рабочей конструкцией спи-

ральной камеры. Каждый отдельный вариант

конструкции крыльчатки прошел натурные ис-

пытания, результаты которых позволили дора-

ботать и верифицировать разработанную мето-

дику оптимизации конструкции насоса.

Выгодные инвестицииМногие предложенные и рассчитанные в ANSYS

CFX варианты конструкции насоса получились с

улучшенными гидравлическими характеристи-

ками, что было подтверждено результатами ис-

пытаний. Другие варианты, которые изначально

выглядели многообещающими, по результатам

моделирования в ANSYS CFX не были переданы

на испытания, что позволило существенно со-

кратить затраты. Кроме того, в процессе моде-

лирования инженеры быстро осознали необхо-

димость в усложнении расчетной модели, кото-

рая изначально включала только геометрию ро-

тора. Совместный расчет течения в спиральной

камере и рабочем колесе должен повысить до-

стоверность получаемых результатов. Однако

наиболее достоверные данные по рабочим ха-

рактеристикам насоса дают расчеты течения в

Íåôòÿíîé íàñîñ êîìïàíèè CP Pumpen

Ðàñïðåäåëåíèå äàâëåíèÿ íà ðàáî÷åì êîëåñå öåíòðîáåæíîãî íàñîñà

Ãèäðàâëè÷åñêèé ÊÏÄ íàñîñà MKP 65-40-160 (äèàìåòð ðîòîðà 180 ìì, 2930 îá/ìèí) äî ìîäåðíèçàöèè (ïóíêòèðíàÿ ëèíèÿ) è ïîñëå ìîäåðíèçàöèè ñ èñïîëüçîâàíèåì ANSYS CFX



42


нестационарной постановке. При этом увеличи-

ваются вычислительные ресурсы.

Учитывая положительный опыт от приме-

нения CFD-технологий, полученный инженерами

при модернизации линейки центробежных насо-

сов, руководство компании CP Pumps приняло

решение в ближайшее время выделить допол-

нительное финансирование на приобретение

мощного вычислительного кластера.

Оптимизация в короткие сроки и быстрый возврат инвестицийЕще одним неоспоримым преимуществом рас-

четов в нестационарной постановке, является

возможность получения данных по динамичес-

ким и акустическим характеристикам насоса.

Кроме того, полученное распределение давле-

ние на лопатках и внутренних поверхностях ра-

бочего тракта, может быть использовано при

выполнении прочностных расчетов для умень-

шения механических нагрузок на ответственные

узлы насоса. Инженеры CP Pumps провели по-

добные расчеты для всех 18 вариантов геомет-

рии крыльчатки и разработали эффективные

мероприятия для продления ресурса модерни-

зированных насосов.

Отметим, что без использования CFD

процесс разработки нового насоса или его мо-

дернизация занял бы в несколько раз больше

времени.

После модернизации насосов их энергоэф-

фективность повысилась на 50%. По словам

президента компании CP Pumps Урса Вюрша

(Urs Wursch), замена всего двух крупногабарит-

ных насосов на станции по первичной перера-

ботке нефтепродуктов позволила полностью

вернуть инвестиции, вложенные во внедрение

CFD-технологий в процесс проектирования. Гид-

родинамическая оптимизация форм компонен-

тов центробежных насосов, проведенная с ис-

пользованием ANSYS CFX, позволила значи-

тельно увеличить гидравлический КПД насосов,

что автоматически отразилось на их энергопот-

реблении.


Пользователи ANSYS благодаря новому поколению процессоров Intel Xeon E5-2600 могут быстрее решать задачи в программных продуктах ANSYS, IncКомпании Intel и ANSYS, Inc. объединили свои

усилия при разработке нового процессора Intel®

Xeon® E5-2600. Благодаря увеличенной про-

пускной способности и технологий нового про-

цессора Intel, пользователи ANSYS могут ис-

следовать большее количество вариантов рас-

четных моделей и выбрать более оптимальное

конструктивное решение за меньшее время.

«Совместная работа ANSYS и Intel позво-

лит нашим общим клиентам получить преиму-

щество от использования нового поколения

процессоров Xeon, — сказал Jim Cashman,

президент и исполнительный директор

ANSYS. — Эта новая платформа является ос-

новной для проведения расчетов на высокоп-

роизводительных системах».

ANSYS постоянно добавляет новые воз-

можности в своем программном обеспечении,

что совместно с улучшениями аппаратных

средств, приводит к значительному сокраще-

нию времени расчетов. Например, используя

демонстрационный проект «50:50:50», инже-

неры, работающие в автомобильной промыш-

ленности, использовали технологию morphing

и CFD-решатель на базе высокопроизводи-

тельной платформы, провели расчет 50 вари-

антов формы автомобиля, с высококачествен-

ной расчетной сеткой размерностью 50 мил-

лионов ячеек, что заняло в общей сложности

50 часов расчетного времени. Это само по

себе является впечатляющим результатом, но

при использовании нового поколения процес-

соров Intel Xeon E5-2600, эта же серия расче-

тов потребовала всего 34 часа, т.е. было полу-

чено дополнительное сокращение времени

счета на 48%.

«Клиентам, использующим ANSYS, необ-

ходимо проводить расчеты большого количест-

ва вариантов, чтобы создавать лучшие изде-

лия в максимально сжатые сроки, — сказал Dr

Rajeeb Hazra, вице-президент и генеральный

менеджер Intel Technical Computing Group. –

Совместная работа Intel и ANSYS позволила

новым процессорам Intel Xeon E5-2600 обеспе-

чить высокую вычислительную производитель-

ность для пользователей ANSYS. Мы надеемся

на продолжение сотрудничества с ANSYS, ко-

торое позволит получить преимущества также

и от многоядерной архитектуры».

ANSYS и Intel продолжают исследовать

пределы масштабируемости, включая много-

ядерную архитектуру, которая заключается в

использовании множества вычислительных

ядер на одном чипе. Кроме того, планируется

работа в области оптимизации интерконнекта,

в частности, улучшения производительности и

масштабируемости.

43




В современной нефтедобывающей про-

мышленности постоянно возникает необ-

ходимость в новых технологиях подвод-

ного бурения для обеспечения неуклонно

растущего спроса на нефтепродукты.

Разработка удаленных месторождений

становится все более сложной, посколь-

ку нефтяные залежи находятся на глуби-

не более 1000 метров.

Технология подводного бурения включа-

ет многие аспекты. Основной проблемой

подводного бурения является работа тру-

бопроводной системы, передающей не-

фтепродукты со дна моря в точку назначе-

ния. Длина таких систем иногда достигает

сотен километров. Трубопровод содержит

различные механические, электрические

и гидравлические компоненты.

Блок ILSОсновным компонентом системы подводного

бурения является блок ILS, который представля-

ет собой опорную конструкцию трубопровода.

Блок находится на конце стингера (устройства

для спуска трубопровода на дно). Трубы свари-

ваются на стингере для облегчения процесса

подводного монтажа.

Блок ILS состоит из опорного башмака (ос-

нование модуля) и каркаса который поддержи-

вает Y-соединения (из труб и патрубков), ответ-

влений трубопровода, переходных участков,

клапанов и опоры конечной втулки, интегриро-

ванной в трубу.

Основной поток движется справа (как по-

казано на Рис. 1), далее сопутствующий поток

нефти идет от втулки и объединяется с основ-

ным в Y-блоке. Клапаны контролируют расход

Использование ANSYS

в технологиях

подводного бурения

Авторы: Lee Walden, главный инженер,

Chemin Lim, специалист, T-Rex Engineering & Construction L.C., Хьюстон, США

Ðèñ. 1. Êîíñòðóêöèÿ áëîêà ILS



44


нефти, а втулка является открытым соединени-

ем для будущих соединений трубопровода.

Плавный волновой переход трубы устанавлива-

ется на каждом конце блока ILS для борьбы с

изгибающими моментами, вызванными прохож-

дением блока ILS через стингер.

Экстремальные условия эксплуатацииПри проектировании блока ILS необходимо учи-

тывать, что он находится на глубине 2000 мет-

ров, подвергается жестким окружающим на-

грузкам, испытывает коррозию. Проект должен

минимизировать высокий риск повреждения

оборудования и опасность для человеческой

жизни при монтаже. Специалисты компании

T-Rex Engineering and Construction проводят ис-

следования условий, в которых проходит под-

водное бурение. Компания занимается изготов-

лением, транспортировкой, монтажом и техни-

ческой поддержкой оборудования. Обладая

большим опытом, команда инженеров исполь-

зует все необходимые данные для анализа ра-

боты конструкции в реальных условиях. Компа-

ния работает более 15 лет в области разработ-

ки и проектирования подводных конструкций.

Все конструкции, разработанные специалиста-

ми T-Rex, до сих пор находятся в эксплуатации.

Компания T-Rex обладает мировым рекордом

по установке конструкции на самой большой

глубине моря.

Подводная конструкция испытывает на-

ибольшие нагрузки в процессе монтажа, пос-

кольку на блок ILS действует вес подвешенного

трубопровода, а также нагрузка от движения ко-

рабля на волнах. Когда судно укладывает тру-

бопровод на стингер, блок ILS испытывает силь-

Ðèñ. 2 Ìîíòàæ S-îáðàçíîãî òðóáîïðîâîäà

Ðèñ. 3 Ðàñ÷åò: à — Ãåîìåòðèÿ ãëîáàëüíîé ìîäåëè; b — Ëîêàëüíàÿ ìîäåëü (ANSYS Workbench); c — Ãëîáàëüíàÿ ìîäåëü (MAPDL); d — Ëîêàëüíàÿ ìîäåëü (MAPDL)

45


ные нагрузки растяжения и изгиба в нижней и

верхней части трубопровода (Рис. 3а)

Инженеры компании T-Rex определяют ве-

личину нагрузок растяжения и изгиба, чтобы

убедиться в надежности изделия, которое долж-

но выдержать процесс монтажа. В результате

расчета необходимо выяснить, возникают ли

чрезмерные напряжения и деформации в блоке

ILS в процесс монтажа.

МоделированиеВ процессе расчетов определяются условия на-

гружения на трубопровод, которые используют-

ся для создания блока ILS, способного выдержи-

Ðèñ. 5 Óðîâåíü íàïðÿæåíèé â îáëàñòè ñîåäèíåíèÿ ìåæäó òðóáîïðîâîäîì è ILS áëîêîì äëÿ èñõîäíîé è êîíå÷íîé êîíñòðóêöèé.

Ðèñ. 4 Ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ



46


вать такие нагрузки. Чтобы определить эти ус-

ловия нагружения, инженеры T-Rex использова-

ли ANSYS Mechanical APDL (MAPDL) для расчета

двумерной глобальной модели. Эти условия на-

гружения использовались в ANSYS Workbench

для расчета трехмерной твердотельной модели

блока ILS. Такой подход к моделированию с ис-

пользованием ANSYS позволил специалистам

T-Rex убедиться в надежности проекта.

В расчете двумерной глобальной модели

использовались балочные элементы для описа-

ния трубопровода и блока ILS, как показано на

Рис. 3с. Для определения жесткости балочного

элемента соответствующего блоку ILS, в среде

ANSYS Workbench проводился отдельный рас-

чет трехмерной модели (Рис. 3б).

Для двумерной глобальной модели, кон-

тактные элементы описывали условия контакта

между точками контакта трубопровода с стинге-

ром (опоры качения, Рис. 3д). Плоские элементы

использовались для моделирования роликов,

находящихся на стингере. Такая глобальная мо-

дель отражает деформацию трубопровода на

стингере. Отклоняющая нагрузка задавалась на

конце прямого трубопровода, до тех пор, пока он

находился в полном контакте с роликовыми опо-

рами стингера. Для определения граничных ус-

ловий локальной модели (растягивающая на-

грузка и момент) использовались силы противо-

действия и моменты, полученные на конце блока

ILS из глобальной модели.

Специалисты использовали Autodesk®

Inventor® 2010 для создания подробной (локаль-

ной) трехмерной модели и импортировали ее в

ANSYS Workbench. Использование прямого ин-

терфейса позволило импортировать модель без

ошибок. Локальная трехмерная модель состоя-

ла из 177991 элементов, включая контактные

элементы. При создании расчетной сетки инже-

неры использовали метод sweep, а для важных

областей дополнительно делалось измельчение

расчетной сетки. В ANSYS Workbench автомати-

чески определялись области контакта и созда-

вались контактные элементы (поверхность-по-

верхность). Для большинства контактных облас-

тей задавался тип контакта «bonded». Благода-

ря высокому качеству сетки обеспечивалась хо-

рошая сходимость, сократилось время счета, и

повысилась точность результатов.

Для моделирования контактных условий на-

гружения роликовых опор, условия без трения

(нагрузка растяжения-сжатия) задавались на

обоих концах направляющих труб. Граничные ус-

ловия закрепления задавались на противополож-

ном конце конструкции. Нагрузка, которая была

получена из глобальной MAPDL модели, задава-

лась на противоположном конце конструкции

(Рис. 4). При разработке изделия, геометрии не-

которых компонентов изменялись, основываясь

на результатах моделирования. Например, со-

единение между трубопроводом и блоком ILS

имело большую разницу в жесткости, что вызы-

вало высокую концентрацию напряжений в этой

области (Рис. 5а). В результате серии расчетов,

появилась возможность уменьшить максималь-

ное напряжение более чем на 80% (Рис. 5б).

Обеспечение безопасностиКомбинированное использование ANSYS

Workbench и ANSYS MAPDL дало возможность

моделировать условия нагружения при монтаже

трубопровода. Расчет позволил получить точ-

ные граничные условия для такой сложной гео-

метрии. Без использования ANSYS было бы не-

возможно достичь уровня точности, необходи-

мого для завершения проекта. Рассмотренный

подход позволяет провести расчет всех возмож-

ных ситуаций при монтаже трубопровода. Кроме

того, подводные трубопроводные системы долж-

ны отвечать требованиям безопасности при

монтаже и нефтедобычи. Применение модели-

рования дало возможность привести данную

конструкцию в соответствие с многочисленными

требованиями безопасности.

Ðèñ. 6 Êîíòóðû íàïðÿæåíèé ïî Ìèçåñó

47


ANSYS в вузах


Нарушение мозгового кровообращения пред-

ставляет одну из самых серьезных проблем,

поскольку приводит к полной или частичной ут-

рате трудоспособности и характеризуется высо-

кой степенью летальности. Сегодня в России

среди причин смертности инсульт головного

мозга занимает второе место после инфаркта

миокарда. Причинами нарушения мозгового

кровообращения ишемического характера явля-

ются атеросклероз сонных артерий и их патоло-

гическая извитость. Разные авторы отмечают,

что у 14-43% больных, перенесших острое нару-

шение мозгового кровообращения, имелись

аномалии развития внутренних сонных артерии

в виде патологических извитостей. Выделяют

следующие виды извитостей: изгиб (C и S — об-

разные), перегиб (кинкинг) и петля (койлинг).

Считается, что наиболее опасными являются пе-

региб и петля (рис.1).

В данной работе было проведено иссле-

дование с целью оценить влияние перечислен-

ных выше форм патологических извитостей на

динамику потока крови, и показать, что пере-

гиб и петля действительно являются самыми

опасными.

Для этого, во-первых, в специализирован-

ном программном пакете SolidWorks на основе

серии послойных изображений, полученных при

КТ-ангиографии, были восстановлены трехмер-

ные модели геометрии сонной артерии в норме и

со всеми видами патологических извитостей. За-

тем, построенные модели сосудов были импор-

тированы в конечно-элементный пакет ANSYS. В

нем была решена трехмерная задача о течении

крови в артерии с податливыми стенками.

Программный комплекс ANSYS позволяет

решать связанные задачи, к которым относится

и задача о течении крови в сосудах, с помощью

алгоритма FSI (Fluid-Solid Interaction). Этот алго-

ритм учитывает силы, действующие со стороны

жидкости на твердое тело, и деформации твер-

дого тела, действующие, в свою очередь, на

жидкость.

Ввиду сложности геометрии моделей, ис-

пользовалась неструктурированная сетка

(рис. 2). Для разбиения стенки сосуда исполь-

зовались 3D 10-узловой элемент solid187, кото-

рый хорошо подходит для создания таких сеток

и позволяет решать задачи с использованием

несжимаемого гиперупругого материала. Об-

ласть с кровью разбивалась с помощью эле-

мента fluid142. Окончательная сетка для петли

состояла примерно из 240000 узлов.

Каждая из представленных выше пяти мо-

делей сонной артерии была промоделирована в

ANSYS в предположении, что материал стенки

сосуда является нелинейным. Использовалась

Численное исследование

влияния патологической

извитости артерии на

кровоток

Авторы: Павлова О., Иванов Д., Кириллова И.,

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского

Ðèñ.1. Ñîííàÿ àðòåðèÿ â íîðìå (à) è ïðè ïàòîëîãèÿõ: (á) — Ñ-îáðàçíûé èçãèá; (â) — S-îáðàçíûé èçãèá; (ã) — ïåðåãèá; (ä) — ïåòëÿ

À Á Â Ã Ä


48

ANSYS в вузах


трёхпараметрическая модель Муни-Ривлина для

гиперупругого материала. Для нахождения па-

раметров модели по экспериментальным дан-

ным применялся инструмент Curve fitting, кото-

рый позволяет вычислять требуемые параметры

и визуально сравнивать полученную кривую с

экспериментальной.

Построенные трехмерные конечно-элемен-

тные модели позволили получить подробные

поля давлений, скоростей, напряжений (рис. 3–

4). На представленном рисунке (рис. 4) хорошо

видны области низких значений касательных на-

пряжений на стенке сосуда. Согласно гемодина-

мической теории атерогенеза, именно в этих

местах наиболее вероятно образование атерос-

клероза.

Для более подробного анализа результатов

были написаны макросы на APDL — языке пара-

метрического проектирования ANSYS. В качест-

ве примера опишем работу двух макросов. Один

из макросов позволяет строить график зависи-

мости осредненного по сечению давления от

длины сосуда для шагов по времени, выбирае-

мых пользователем. Другой макрос определяет

объемный кровоток на выходе из внутренней

сонной артерии и строит график его изменения

от времени. На рис. 5. представлены графики из-

менения объемного кровотока на выходе из

внутренней сонной артерии за сердечный цикл.

Во всех случаях патологической извитости сосу-

да происходит изменение величины объемного

кровотока. Для С- и S-образных изгибов измене-

ния незначительны. Наличие петли или перегиба

уменьшает объемный кровоток по внутренней

сонной артерии больше чем на 20% по сравне-

нию с сонной артерией в норме. Полученный ре-

зультат доказывает, что петля и перегиб дейс-

твительно являются самыми опасными видами

патологических извитостей сонных артерий.

Ñïèñîê ëèòåðàòóðû1. Ïàòîëîãè÷åñêèå äåôîðìàöèè âíóòðåííèõ ñîííûõ è

ïîçâîíî÷íûõ àðòåðèé / Ï.Î. Êàçàí÷ÿí, Å.À. Âàëèêîâ. — Ì.: Èçäàòåëüñòâî ÌÝÈ, 2005. — 136 ñ.

2. Ïàâëîâà, Î.Å. Ãåìîäèíàìèêà è ìåõàíè÷åñêîå ïîâåäåíèå áèôóðêàöèè ñîííîé àðòåðèè ñ ïàòîëîãè÷åñêîé èçâèòîñòüþ/Ä.Â. Èâàíîâ, À.À. Ãðàìàêîâà, Ê.Ì. Ìîðîçîâ, È.È. Ñóñëîâ// Èçâåñòèÿ Ñàðàòîâñêîãî óí-òà — Ñàðàòîâ, 2010 — Ò.10, ¹2. — Ñ. 66-73. Ñåð. Ìàòåìàòèêà. Ìåõàíèêà. Èíôîðìàòèêà

Ðèñ. 2. Âíåøíèé âèä ðàñ÷åòíîé ñåòêè äëÿ ïåðåãèáà

Ðèñ. 3. Ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòè äëÿ Ñ-îáðàçíîãî èçãèáà

Ðèñ. 4. Ðàñïðåäåëåíèå êàñàòåëüíîãî íàïðÿæåíèÿ íà ñòåíêå äëÿ ïåòëè

Ðèñ. 5. Èçìåíåíèå îáúåìíîãî êðîâîòîêà íà âûõîäå èç âíóòðåííåé ñîííîé àðòåðèè çà ñåðäå÷íûé öèêë

Инженерный консалтинг

Широкая экспертиза:• Анализ прочности• Анализ температурного состояния

• Гидрогазодинамика • Электромагнетизм

• Акустика, шум и вибрации • Высоконелинейные динамические расчеты,

включая удар и разрушение • Оптимизация

• Адаптация и разработки

КАДФЕМ Си-Ай-Эс является членом международной организации TechNetAlliance, объединяющей инженеров и экспертов в области наукоемких систем инженерного анализа

Специалисты компании КАДФЕМ Си-Ай-Эс обладают высоким уровнем компетенции и многолетним опытом оказания услуг инженерного консалтинга

***

* — Наш аккаунт в Twitter — cadfem_cis

Documents

ANSYS Advantage. Русская редакция №18 – Электроника