Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Проектирование электронной компонентной базы в ANSYS Workbench. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

12.08.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

1 / 91 2 3 4 5 6 7 8 9 > Следующая >>>

Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

А.В. ГРИДЧИН, В.А. КОЛЧУЖИН, В.А. ГРИДЧИН

ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ В ANSYS WORKBENCH

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК

2016

УДК 621.382-181.48(075.8) Г 836

Рецензенты канд. техн. наук, доцент А.Б. Беркин

канд. техн. наук, начальник лаборатории отдела Микроэлектроники В.Б. Зиновьев

Работа подготовлена на кафедре ППиМЭ для студентов факультета РЭФ, обучающихся по программам

магистерской подготовки по специальностям 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника», 28.04.01 «Нанотехнологии и микросистемная техника»

Гридчин А.В.

Г 836 Проектирование электронной компонентной базы в ANSYS Workbench: учебное пособие / А.В. Гридчин, В.А. Колчужин, В.А. Гридчин. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2016. – 83 с.

ISBN 978-5-7782-3138-2

Книга посвящена основам проектирования электронной компонентной базы в ANSYS Workbench – одной из мощных современных систем автоматизированного проектирования (САПР), позволяющей создавать компьютерные модели различных объектов и анализировать их поведение под влиянием различных природных факторов (давления, температуры, излучения и т. п.).

В первой главе учебного пособия рассматриваются теоретические основы метода конечных элементов – одного из наиболее мощных и распространенных математических методов, положенных в основу компьютерного проектирования. Вторая, третья и четвертая главы посвящены описанию различных видов анализа, реализованных в ANSYS Workbench, version 16.2 на примере проектирования сенсоров механических величин и тепловых сенсоров.

В пособии даются пошаговые инструкции к работе с графическим редак-

тором DesignModeler применительно к созданию геометрии модели, а также заданию нагрузок, начальных и граничных условий. Дано краткое введение в

язык программирования ANSYS Mechanical APDL, предоставляющий разработчику возможность работы в диалоговом режиме (через командную строку), а также написания программ (макросов) с целью автоматизации процесса вычислений.

	УДК 621.382-181.48(075.8)
ISBN 978-5-7782-3138-2	Гридчин А.В., Колчужин В.А.,
	Гридчин В.А., 2016
	Новосибирский государственный
	технический университет, 2016

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение...................................................................................................................	5
Глава 1. МЕТОД КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ..................................................	7
1.1. Общие положения.......................................................................................	7
1.2. Дискретизация краевой задачи ..................................................................	7
1.3. Определение перемещений в пределах конечного элемента.................	8
1.4. Определение компонент матрицы деформаций и напряжений ...........	10
1.5. Уравнение равновесия..............................................................................	13
1.6. Особенности описания упругого тела, как системы конечных
элементов..................................................................................................	15
Глава 2. НАЧАЛО МОДЕЛИРОВАНИЯ В ANSYS .......................................	17
2.1. Общие положения.....................................................................................	17
2.2. Теоретическая часть..................................................................................	17
2.2.1. Общая характеристика ANSYS Workbench...................................	17
2.2.2. Терминология ANSYS ....................................................................	18
2.2.3. Рабочий стол проекта......................................................................	21
2.2.4. Справочная система ANSYS ..........................................................	23
2.2.5. ANSYS Mechanical APDL ...............................................................	25
2.2.6. Моделирование в ANSYS Mechanical APDL ................................	29
2.3. Практическая часть...................................................................................	39
2.3.1. Постановка задачи...........................................................................	39
2.3.2. Методика решения задач................................................................	40
Контрольные вопросы и задания..........................................................................	40
Глава 3. СТАТИЧЕСКИЙ СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ..................................	41
3.1. Общие положения.....................................................................................	41
3.2. Теоретическая часть..................................................................................	41
3.3. Практическая часть...................................................................................	47
3.3.1. Постановка задачи...........................................................................	47
3.3.2. Методика решения задачи..............................................................	53
3

Контрольные вопросы и задания..........................................................................	54
Приложение 1. Макрос к задаче 1 ........................................................................	55
Приложение 2. Макрос к задаче 2 ........................................................................	57
Глава 4. СТАЦИОНАРНЫЙ ТЕПЛОВОЙ АНАЛИЗ.....................................	60
4.1. Общие положения.....................................................................................	60
4.2. Теоретическая часть..................................................................................	60
4.3. Практическая часть...................................................................................	64
4.3.1. Постановка задачи...........................................................................	64
4.3.2. Методика применения ANSYS Design ModelerТМ........................	67
4.3.3. Методика решения задачи..............................................................	79
Контрольные вопросы и задания..........................................................................	80
Библиографический список..................................................................................	82

ВВЕДЕНИЕ

Микросистемная техника (МСТ) оформилась как новое и самостоятельное направление в конце XX века. Это направление возникло на стыке микроэлектронных технологий, новых материалов, измерительной техники и информационных технологий. МСТ радикальным образом повлияла на все части классической триады измерительной системы: сенсоры, сигнальные процессоры, актюаторы. Предполагается, что МСТ в XXI веке будет играть такую же роль, как транзисторы и интегральные схемы в XX веке.

Для развития МСТ необходимы специалисты с широким кругозором, способные работать со специальными технологиями, направленными на создание компонентов со всё меньшими характеристическими размерами, а также способных работать в условиях жёстких внешних воздействий, обеспечивая при этом высокую точность и надёжность измерений. Однако наиболее жёсткие требования предъявляются к специалистам-проектировщикам МСТ. Эти специалисты должны обладать обширными знаниями в области механики, теплотехники, электричества и магнетизма, оптики, гидродинамики, химии, биологии.

Разнообразие условий, в которых работают микросистемы и их компоненты, и жёсткие специфические требования к конструкциям сенсоров и актюаторов делают абсолютно необходимым для проектировщиков знание численных методов решения задач. Достижения в области вычислительной техники сделали численные методы основным расчётным средством проектировщиков МСТ.

Среди различных численных методов, доказавших на практике свою эффективность в области МСТ, необходимо выделить метод конечных элементов (МКЭ). Мировые корпорации вкладывают много средств и сил в создание специализированных пакетов программ на основе МКЭ, придавая им универсальный характер. Фактически МКЭ стал базовым и его изучение столь же необходимо для студентов, как и курс математического анализа.

Однако в настоящее время МКЭ для решения краевых задач изучается в основном на факультетах математической направленности. Для

студентов, обучающихся на таких факультетах, имеется соответствующая литература, среди которой можно выделить обстоятельное и серьёзное учебное пособие [1], изданное в серии «Учебники НГТУ» в 2007 г.

Основная масса студентов технических вузов, в том числе и направления «Нанотехнологии и микросистемная техника», с методом конечных элементов не знакома. Попытки исправить такое положение предпринимались в рамках отдельных учебных дисциплин. Например, в рамках дисциплины «Сопротивление материалов» МКЭ в ограниченном виде рассматривается в учебном пособии [2]. С тех пор вычислительная техника и алгоритмические языки сильно шагнули вперёд и, самое главное, появились мощные пакеты программ, в которых для расчётов применяется МКЭ. При этом у данных пакетов программ помимо профессиональных (коммерческих) существуют и академические (свободные) версии.

В настоящем пособии основной упор сделан на практическое освоение МКЭ в пакете программ ANSYS Workbench применительно к важнейшим задачам микросистемной техники. В соответствии с этим в первой главе кратко излагается общая идея МКЭ, подача материала в которой следует концепции, излагаемой в монографии [3]. Во второй главе даны основные сведения по пакету программ ANSYS Workbench. В третьей главе рассмотрено построение макроса на внутреннем языке ANSYS Mechanical APDL. В четвёртой главе предложена методика проектирования с применением графического интерфейса – пакета

графического моделирования ANSYS DesignModeler .

«Чисто теоретическое» освоение столь многозадачной среды моделирования, как ANSYS Workbench, не имеет никакого смысла. Поэтому каждая часть заканчивается практическими примерами и задачами, которые следует осваивать в терминальном классе. Главы 2–4 задуманы как лабораторные работы, поэтому их можно использовать в учебном процессе для построения курса обучения технологии проектирования в среде ANSYS Workbench. Для удобства читателей в главах 3–4 приведено теоретическое решение задач, которые можно сравнить с результатами, полученными в рамках МКЭ.

Авторы надеются, что результаты их работы будут по достоинству оценены читателями.

Коллектив авторов благодарит студентов группы РЭН2-51 И. Ру-

денко, Д. Колоскова, И. Катаманина и студента группы РНТ1-51

Я. Майдэбура за проведенную исследовательскую работу в рамках подготовки учебного пособия.

Глава 1

МЕТОД КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

1.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Основные идеи МКЭ рассмотрим применительно к задачам теории упругости. Этот раздел механики сплошных сред играет важнейшую роль во многих областях техники, в том числе и в микросистемной технике. Сенсоры давления, ускорения, гироскопы, микрогенераторы – вот некоторые примеры устройств, для проектирования которых необходимо применять методы теории упругости.

Пусть имеется пластина постоянной толщины и произвольной формы, на которую действуют внешние силы и реакции опор. На рис. 1а

приведена пластина в форме шестиугольника, жёстко защемлённая на
		.
одной грани. К пластине приложена некоторая система сил F1	, F2

Требуется определить деформации и механические напряжения в пластине, если её упругие свойства известны.

Деформации и механические напряжения определяются через смещение точек пластины, которые возникают под воздействием приложенной нагрузки. Решение этой задачи в МКЭ производится в несколько этапов.

1.2.ДИСКРЕТИЗАЦИЯ КРАЕВОЙ ЗАДАЧИ

ВМКЭ решение начинается с разбиения всей пластины на конечные элементы (КЭ). Эти элементы могут иметь различную форму, которая, однако, должна согласовываться с контуром пластины. Конечные элементы должны в целом покрывать всю площадь пластины без разрывов. Очень часто применяется треугольная форма КЭ, на рис. 1б представлен один из вариантов разбиения пластины. Выбор рацио-

нального разбиения конструкции на конечные элементы – важнейший этап решения, который в дальнейшем влияет на трудоёмкость вычислений и точность решения.

Рис. 1а. Пластина под воз-	Рис. 1б. Конечно-элемент-
действием внешней нагрузки	ная модель пластины

Описанная процедура обеспечивает дискретизацию краевой задачи теории упругости. Вместо нахождения перемещений бесконечного множества точек под действием приложенных сил, как это делается в аналитических методах, в МКЭ определяют перемещения узловых точек, число которых ограничено. Применительно к треугольным КЭ (рис. 1б) узловыми точками являются вершины треугольников, их число равно N = 7.

Перемещение остальных точек в пределах каждого КЭ определяется на основе некоторой аппроксимации структуры.

1.3.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

ВПРЕДЕЛАХ КОНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА

Рассмотрим выделенный КЭ ijm (рис. 1б). Под действием внешней нагрузки произойдёт перемещение каждой из вершин треугольника

(узла), которые получат координаты (ui , vi ) , (u j , v j ) , (um , vm ) и ко-

торые являются основными неизвестными задачи. Эти перемещения можно записать в виде шестимерного вектора (рис. 2).

Перемещение в пределах рассматриваемого КЭ зададим в виде линейной функции координат

u 1 2 x 3 y,

v 4 5x 6 y,

(1.1)

ui vi

u j

um vm

Рис. 2. Перемещение узлов КЭ под действием внешней нагрузки

где 1 6 – коэффициенты, которые в пределах КЭ сохраняют по-

стоянные значения. Важно подчеркнуть, что зависимости (1.1) являются аппроксимацией, которая приблизительно отражает перемещение реальных точек пластины. Можно предположить и более сложные ап-

проксимации с большим числом коэффициентов i , которые отражают физическую реальность. Коэффициенты i можно определить через перемещение вершин треугольного КЭ. Например, для перемещений ui , u j , um из (1.1) получаем:

ui 1 2 xi 3 yi ,

u j

1 2 x j 3 y j ,

(1.2)

um 1 2 xm 3 ym.

Решая эту задачу относительно i , получаем:

u j

x j

y j

u j

y j

(1.3)

1 xi

x j

u j

1 x j

y j

xm um

1 xm

Аналогично можно определить коэффициенты 4 , 5, 6 . Под-

ставляя найденные коэффициенты в (1.1), получаем формулы для определения смещения в любой точке x, y в пределах треугольного КЭ через смещение вершин:

(a b x c y)u (a

x c

y)u

b x

c y)u

(1.4)

b x c y)v

x c

y)v

i i

b x c y)v

где коэффициенты ai cm определяются соотношениями

ai xi ym xm yi , bi y j ym ,

ci xm x j .

(1.5)

При этом остальные коэффициенты определяются из соотношений (1.5) циклической перестановкой индексов.

Соотношения (1.3)–(1.5) позволяют определить деформации и механические напряжения в произвольной точке x, y конечного элемента.

1.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОМПОНЕНТ МАТРИЦЫ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ

Формулы (1.4) позволяют определить перемещение в любой точке внутри КЭ через перемещения его вершин. По терминологии, принятой в МКЭ, вершины КЭ далее именуются узлами. Зная перемещения, можно определить деформации и напряжения внутри КЭ:

(b u

b u

i i

(c v

c v ),

(1.6)

i i

m m

biui bju j bmum civi c jv j cmvm .

1 / 91 2 3 4 5 6 7 8 9 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]