Проектирование электронной компонентной базы в ANSYS Workbench. Учебное пособие

Create Volumes. При этом открывается меню, которое позволяет задать объёмы различного вида: параллелепипеды (Block), цилиндры

(Cylinder), призмы (Prism), сферы (Sphere), конусы (Cone), тороиды (Torus).

Объёмы в виде параллелепипеда можно создавать по двум углам и высоте (By 2 Corners & Z), по центру, углу и высоте (By Centr, Cornr, Z), а также по трём измерениям (By Dimensions). В последнем случае от разработчика требуется указать координаты нескольких точек, расположенных на осях координат.

Объёмы в виде цилиндра можно создавать как сплошные (Solid Cylinder), так и пустотелые (Hollow Cylinder), а также частичные цилиндры, с углом, меньшим 360º (Partial Cylinder). Точно так же можно создавать и сферические объёмы как сплошные (Solid Sphere), так и пустотелые (Hollow Sphere).

Если создаваемая модель имеет сложный объём, проще всего воспользоваться вкладкой Arbitrary, позволяющей задать объёмы произвольной формы. Как и в случае с площадью, объём можно задавать как по точкам (Through KPs), так и по площадям (By Areas). Точно так же, как и в случае с площадями, нужно соблюдать направление обхода контура, в противном случае объём будет задан неправильно.

Следует заметить, что программа ANSYS Mechanical APDL обладает дружественным интерфейсом по отношению к разработчику. По его желанию созданную или создаваемую модель можно как приблизить к себе, так и удалить от себя. Для этого применяется колесико мыши.

После того как геометрия модели сформирована, необходимо задать тип КЭ, который будет применён для разбивки модели на элементарные объёмы. Для этого в разделе Preprocessor требуется открыть вкладку Element Types. Откроется пустое дополнительное окно, в которое путем нажатия клавиши Add следует добавить тип КЭ, соответствующий решаемой задаче. Необходимо помнить о том, что существуют КЭ различных типов, каждый из которых поддерживает вполне определённые виды анализа. После нажатия клавиши Add открывается ещё одно меню, в котором перечислены все имеющиеся в ANSYS типы КЭ, разбитые по группам. Выбор курсором той или иной группы открывает в соседнем окне список КЭ, относящихся к данной группе. Например, в группе Electrostatic (КЭ, предназначенные для расчёта электростатических полей) существуют три элемента: двумерный квадратный (2D Quad), параллелепипед (3D Brick) и тетраэдр (3D Tet).

31

Как правило, форма созданной модели диктует выбор КЭ той или иной формы. Если в дополнительном меню с указанием списка КЭ указать курсором один из них и нажать клавишу OK, то в окне типов элемента (Element Types) появится выбранный КЭ под своим названием. Например, указав тип элемента 2D Quad, получим в окне типов элементов его название: PLANE121.

Для решения большинства задач по механике твердых тел подходит группа Structural Mass, в которой можно выбрать подходящий тип элемента: одномерный (Link), балка (Beam), трубка (Pipe), твёрдое тело (Solid), оболочка (Shell), твердотельная оболочка (Solid-Shell) и ограниченный (Constraint). Для решения задач о поле распределения прогибов в тонкой прямоугольной жёстко защемлённой пластинке идеально подходят КЭ SOLID 185 и SOLID186, причём первый содержит 8 узлов, а второй – 20 узлов. Необходимо понимать, что чем больше узлов содержит КЭ, тем выше точность расчётов, но обработка большого количества узлов увеличивает время расчёта модели.

Вкладка Element Type меню препроцессора позволяет также сменить тип КЭ, если он выбран неверно, командой Switch Elem Type, а также добавить дополнительные степени свободы командой Add DOF. При нажатии вкладки Add DOF появляется дополнительное меню, в котором приведен список допустимых степеней свободы, из которых можно выбрать до 10 дополнительных к уже имеющимся в рамках выбранного типа КЭ. Например, можно добавить смещения (UX, UY, UZ), вращения (ROTX, ROTY, ROTZ), температуру (TEMP), электри-

ческую разность потенциалов (VOLT), электрический ток (CURR), ЭДС (EMF), давление (PRES), а также скорости (VX, VY, VZ) и уско-

рения (AX, AY, AZ).

Для удобства решения часто требуется задать какие-либо константы. Если таковые существуют в решаемой задаче, их можно задать че-

рез вкладку Real Constants.

Далее, по ходу разработки модели, требуется задать свойства материала. Их можно взять из каких-либо таблиц, известных разработчику. В этом случае требуется указать путь к каталогу, в котором хранятся нужные файлы. Если таковых у разработчика нет, можно воспользоваться стандартными моделями, имеющимися в самой программе ANSYS. Для этой цели требуется выполнить последовательность ко-

манд Preprocessor Materials Props Material Models. При этом от-

кроется дополнительное окно, в котором перечислены все имеющиеся в ANSYS типы моделей материала, пригодные для решения тех или иных задач.

32

К примеру, для решения задач по механике твёрдых тел подходит группа элементов Structural, среди которых можно выбрать линейные (Linear), нелинейные (Nonlinear), допускающие тепловое расширение (Thermal Expansion) и т. д. Раздел Linear включает в себя упругие ма-

териалы (Elastic), раздел Nonlinear – упругие (Elastic), неупругие (Nonelastic) и вязкоупругие (Viscoelastic) материалы. Раздел Elastic включает в себя материалы изотропные (Isotropic), ортотропные (Orthotropic)

ианизотропные (Anisotropic). Для решения простых задач по механике прогибов, как правило, анизотропией материала можно пренебречь, поэтому достаточно использовать изотропный материал. После указания курсором данного типа материала появится еще одно дополнительное окно, в котором программа попросит указать физические свойства материала: модуль Юнга (EX) и коэффициент Пуассона (PRXY). В окне можно задавать также таблицу зависимости свойств материала от температуры. Для этого в открывшемся дополнительном окне необходимо нажать клавишу Add Temperature. Если же данная клавиша была нажата случайно, ошибочно заданную температуру можно удалить нажатием клавиши Delete Temperature.

Если же для решения задачи изотропного материала недостаточно

итребуется задать анизотропию механических свойств материала, то разработчику потребуется задать уже три компоненты модуля Юнга (EX, EY, EZ), три компоненты коэффициента Пуассона (PRXY, PRVZ, PRXZ) и три компоненты модуля сдвига (GXY, GYZ, GXZ). Данная модель обеспечивает удовлетворительную точность учёта анизотропии материала. Если же требуется более точный учёт, тогда следует выбирать вкладку Anisotropic и задать матрицу изгибных жёсткостей Dij.

Далее по методике моделирования в модели требуется задать нагрузки. Под нагрузкой понимается любое внешнее воздействие на созданную модель. Нагрузки могут быть сосредоточенными, поверхностными и объёмными. К сосредоточенным нагрузкам относятся силы, действующие на определённый участок модели (FX,FY,FZ), моменты вращения (MX, MY, MZ), тепловой поток (HEAT), магнитный поток (FLUX), электрический ток (AMPS), а также электрический заряд (CHRG). К распределённым (поверхностным) нагрузкам относятся давление (PRES), конвекция (CONV), плотность электрического заряда (CHRGS), импеданс (IMPD), диффузионный поток (DFLUX) и другие. К объёмным нагрузкам относятся температура (TEMP), частота (FREQ), скорость генерации тепла (HGEN), плотность теплового потока (JS), объёмная плотность электрического заряда (CHRGD) и другие.

33

Для того чтобы задать нагрузку, нужно войти на вкладку Loads. Следует обратить внимание на то, что содержание меню является кон- текстно-зависимым. Нагрузки можно приложить лишь к уже созданной геометрической модели. Для задания нагрузки требуется выпол-

нить последовательность команд: Preprocessor Loads Define

Loads Apply Structural. Далее открывается меню, в котором можно выбрать желаемый тип нагрузки. К примеру, если требуется задать давление, нужно выбрать вкладку Pressure и далее On Areas либо On Lines. Например, при нажатии опции On Areas программа предложит выбрать площадь, на которую будет подано давление. После выбора требуемой площади и нажатия клавиши OK откроется дополнительное окно, в котором нужно будет задать постоянное значение давления, либо указать таблицу, в которой хранятся данные. После задания нагрузки и нажатия клавиши OK выбранная площадь покроется характерным рисунком, который означает, что давление задано.

Если же в задаче вместо давления применяется сосредоточенная нагрузка (сила), то требуется задать точку её приложения. Её можно

задать, выполнив последовательность команд Preprocessor Loads

Define Loads Apply Structural Force/Moment. При этом откро-

ются дополнительные опции меню. Выбрав команду On Keypoints, можно курсором указать точку, к которой будет приложена сила. При этом появится дополнительное меню, в котором нужно будет указать тип нагрузки (например, силы FX, FY или FZ) и величину этой нагрузки. Если сила действует противоположно направлению оси, то её величина задаётся со знаком «минус».

Помимо силы или давления, в задачах по механике часто требуется задать условия жёсткого защемления, которые означают, что любые перемещения узлов модели запрещены. Для задания условий жёсткого защемления требуется выполнить последовательность команд Prepro-

cessor Loads Define Loads Apply Structural Displacement.

Пусть требуется рассчитать прогибы мембраны, жёстко защемленной по краям. Для этого после выполнения указанных выше команд требуется задать вкладку On Lines и далее курсором указать линии, обрамляющие мембрану. Откроется дополнительное меню, в котором можно указать требуемые смещения. В частности, если требуется запретить все смещения, в открывшемся окне нужно выбрать опцию All DOF (все возможные степени свободы) и в строке для ввода значения смещения указать 0 (ноль). После нажатия клавиши OK на рисунке появятся характерные стрелки, обозначающие, что края мембраны жёстко защемлены по всем координатам (x, y, z).

34

После того как заданы нагрузки, можно приступать к разбивке модели на КЭ. Для этого в препроцессоре нужно войти во вкладку Me-

shing и далее выполнить последовательность команд Mesh Areas Free, если рассматривается двумерный случай. После этого программа попросит курсором выделить разбиваемую площадь. Если случай

трёхмерный, то нужно выполнить последовательность команд Mesh

Volumes Free и выделить курсором требуемый объём. После нажатия клавиши OK требуемая площадь или объём покроются сеткой КЭ.

Если требуется изменить атрибуты разбиения на КЭ, в разделе Meshing имеется вкладка MeshTool. В дополнительном окне, которое откроется после нажатия этой вкладки, можно поменять форму и размер КЭ. Например, если разбивается двумерная область, то можно выбрать форму треугольника (Tri) или квадрата (Quad), а если трёхмерная, то форму тетраэдра (Tet) или параллелепипеда (Brick). После выбора формы КЭ или внесения каких-либо других изменений требуется нажать клавишу Mesh в дополнительном окне, при этом также будет произведена разбивка модели на КЭ заданной формы и размера.

Если процесс моделирования произошел удачно и в его ходе не было допущено каких-либо ошибок, можно выйти из режима препроцессора и войти в режим Solution (решатель). После этого нужно вы-

полнить последовательность команд Solve Current LS, в результате чего программа запустит расчёт модели. Результатом расчёта будет сообщение программы, возникшее в верхнем левом углу экрана: Solution is done.

После того как решение задачи получено, можно переходить к анализу решения. Для этого необходимо зайти во вкладку General Postproc.

Среди возможностей, которые предоставляет постпроцессор, следует отметить некоторые наиболее важные из них. Прежде всего, это вкладка Plot Results (отобразить результаты). После входа в неё отобразится меню, некоторые из опций которого представляют интерес.

Вкладка Deformed Shape позволяет отобразить состояние модели после деформации (т. е. в результате приложения нагрузки). При нажатии на эту вкладку откроется дополнительное окно, в котором будут три опции: Def shaped only (отображается только деформированное состояние), Def + undeformed (отображается как деформированное, так и недеформированное состояние, причём в недеформированном состоянии видны все КЭ) и Def + undeformed edge (отображается как деформированное, так и недеформированное состояние, но в недеформиро-

35

ванном состоянии показаны лишь границы модели). Последняя опция сильно облегчает восприятие, поэтому для наглядности лучше пользоваться данной опцией.

Вкладка Contour Plot позволяет отображать несколько возможных вариантов решения, среди которых следует выделить Nodal Solu (узловые решения). При выборе этой вкладки на экран будут выводиться решения, существующие только в узлах КЭ. Это проще с точки зрения восприятия, так как поле распределения интересующей физической величины выводится в цвете без дополнительных подробностей. Для оценки значений физической величины, выведенной на экран в виде распределения цвета, в нижней части экрана предусмотрена шкала значений, соответствующих тому или иному цвету.

В отличие от этого вкладка Element Solu позволяет вывести не только поле распределения интересующей физической величины в цвете, но и сами КЭ, что иногда затрудняет восприятие.

И в том и в другом случае обе вкладки при их нажатии открывают дополнительное окно, в котором отображается список физических величин, которые могут быть выведены в виде распределения на экран. Так, например, если решалась задача о распределении прогибов, деформаций и механических напряжений в мембране или балке, подвергнутой внешнему давлению, то список доступных для вывода на экран физических величин будет включать следующее:

DOF Solution – распределение прогибов. Возможно вывести на экран распределение компонент прогиба X, Y и Z по отдельности выбором соответствующей опции, например, X-component of displacement (X-компонента прогиба). Также можно вывести и суммарный прогиб

(Displacement vector sum);

Stress – распределение механических напряжений. Аналогично можно вывести по отдельности X, Y и Z-компоненту механического напряжения, а также сдвиговые (недиагональные) компоненты тензора механического напряжения, например XY Shear stress и аналогичные ей. Кроме того, можно вывести и суммарное распределение механического напряжения, выбрав опцию 1st Principal stress или аналогичную ей;

Total Mechanical Strain – распределение деформаций; возможности те же, что и для распределения механических напряжений;

Elastic Strain – распределение упругих деформаций (если материал является упругим по своим свойствам, и снятие механической нагрузки возвращает материал в исходное положение);

36

Plastic Strain – распределение пластических деформаций (если материал обладает свойством пластичности, когда снятие механической нагрузки уже не возвращает материал в исходное положение);

Creep Strain – распределение ползучих деформаций (если материал обладает свойством ползучести);

Thermal Strain – распределение термомеханических деформаций (если материал, помимо внешнего механического воздействия подвергается и воздействию температуры, изменение которой в ходе нагревания или остывания тела приводит к возникновению деформаций);

Total Mechanical and Thermal Strain – суммарное распределение ме-

ханических и термомеханических деформаций;

Swelling Strain – распределение деформаций в случае, когда имеет место так называемый «баллонный эффект», в ходе которого происходит раздувание модели. Например, если приложенная к жёстко защемлённой стальной мембране нагрузка превосходит условие малых де-

формаций ( ≤ 10–3), то происходит растяжение мембраны, аналогично тому, как растягивается оболочка воздушного шарика при нагнетании в него давления газа;

Energy – распределение энергии (для случая пластических деформаций);

Failure Criteria – опция, позволяющая показать места максимальных напряжений, что важно для оценки слабых мест модели, т. е. мест, где тело при данной нагрузке может разрушиться;

Body Temperatures – распределение температуры тела.

Помимо общего распределения интересующей физической величины, разработчика часто интересует распределение какой-либо физической величины в виде графика вдоль линии, указанной им самим. Линию (путь, Path) разработчик может указать, пользуясь вкладкой Path Operations. Далее необходимо определить путь, пользуясь опцией Path

Operations Define Path. Путь можно выбрать, графически указав его начало и конец, для этого предусмотрена опция Path Operations De-

fine Path By Nodes. При этом появится дополнительное окно, а курсор изменит свой вид, превратившись в стрелку, направленную вверх. После нажатия клавиши OK на дополнительной панели программа попросит разработчика ввести имя пути. Это имя может содержать до восьми символов. После этого разработчик должен указать, какие именно величины требуется отобразить графически вдоль выбранного

им пути. Для этого нужно войти во вкладку Path Operations Map

37

onto Path. Появится дополнительная панель, содержащая несколько окон, в одном из которых представлен список всех возможных величин для вывода, а во втором – список параметров, соответствующих той или иной физической величине. Например, указание в первом окне опции DOF solution при выполнении расчёта консольной балки, жёстко защемлённой с одной стороны, позволяет вывести такие параметры,

как прогибы (UX, UY, UZ, USUM) и вращения (ROTX, ROTY, ROTZ, ROTSUM). Нажатие клавиши OK на данной панели позволяет задать (наложить) данные величины на указанный разработчиком путь. Наконец, для непосредственного вывода распределения интересующей раз-

работчика величины на график требуется войти в Path Operations Plot Path Item и выбрать опцию On Graph. Появится дополнительная панель, в которой программа попросит указать, какую именно величину следует вывести (если их можно вывести несколько). Нажатие клавиши OK выводит искомый график на экран.

Немаловажным инструментом постпроцессора является возможность выведения табличного списка результатов расчёта. Для этого

предусмотрена опция General Postproc List Results. В рамках этой вкладки возможно вывести полный список всех результатов моделирования в числах. Для этого следует воспользоваться командой General

Postproc List Results Nodal Solution. Появится дополнительная панель, на которой разработчику будет предложено выбрать, распределение какой именно величины он хочет получить в числах. После указания желаемой величины и нажатия клавиши OK в дополнительном окне будет выведено полное распределение всех указанных разработчиком величин. Каждое значение будет дано для конкретного узла, для всех узлов, входящих в модель.

Однако такое выведение результатов чаще всего неудобно для разработчика. Поэтому в ANSYS Mechanical APDL предусмотрена опция выведения численных результатов вдоль выбранного разработчиком

пути. Для этого во вкладке General Postproc List Results нужно выбрать опцию Path Items и указать, какую именно из интересующих величин требуется вывести на экран. При этом необходимо помнить, что предварительно требуется указать (задать) путь, вдоль которого будет выведено интересующее разработчика распределение.

У постпроцессора также существует множество других возможностей, с которыми мы будем знакомиться по мере изучения среды

ANSYS.

38

2.3.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.3.1.Постановка задачи

Врамках реализации описанных выше методов проектирования рассмотрим и решим несколько практически важных физических задач.

Задача 1. Имеется кремниевый УЭ балочного типа, жёстко защемлённый в одной стороны. Размеры УЭ: длина L = 22 мм, ширина W = 4 мм, толщина h = 0.5 мм. Пользуясь инструментами ANSYS, нарисовать данный УЭ, задать условия жёсткого защемления на одной из граней, задать тип материала и разбить созданный УЭ сеткой конечных элементов.

Задача 2. Имеется кремниевый УЭ мембранного типа, жёстко защемлённый со всех боковых сторон. Размеры УЭ: длина L =1000 мкм, ширина W = 1000 мкм, толщина h = 500 мкм. Пользуясь инструментами ANSYS, нарисовать данный УЭ, задать условия жёсткого защемления на его боковых гранях, задать тип материала и разбить созданный УЭ сеткой конечных элементов.

Задача 3. Имеется кремниевый профилированный УЭ мембранного типа, жёстко защемлённый со всех боковых сторон. Размеры УЭ: длина L =1000 мкм, ширина W = 1500 мкм, толщина h = 500 мкм. Лицевая (планарная) сторона УЭ плоская, а на тыльной (непланарной) стороне создана выемка в форме усечённой четырёхугольной правильной пирамиды с углом наклона граней к нижнему основанию 54.7º. Размеры нижнего основания пирамиды (a×b): 800×800 мкм, толщина созданной мембраны d = 40 мкм. Пользуясь инструментами ANSYS, нарисовать данный УЭ, задать условия жёсткого защемления на его боковых гранях, задать тип материала и разбить созданный УЭ сеткой конечных элементов.

Задача 4. Имеется зеркало из кремния квадратной формы с размерами L = 500 мкм, W = 500 мкм, толщиной h = 2 мкм, удерживаемое на двух торсионах из кремния, с размерами a = 100 мкм (длина торсиона), b = 20 мкм (ширина торсиона), толщиной h = 2 мкм, расположенных в середине двух противоположных сторон зеркала. Торсионы

изеркало объединены в одно целое. Пользуясь инструментами ANSYS, нарисовать данную структуру и покрыть её сеткой КЭ.

39

2.3.2.Методика решения задач

1.Запустить ANSYS Workbench 16.2, руководствуясь указаниями преподавателя.

2.Внимательно изучить терминологию ANSYS.

3.Отыскать местонахождение основных информационных панелей, убедиться в наличии в этих панелях функций, описываемых в разд. 2.2.3.

4.Запустить справочную систему ANSYS. Руководствуясь разд. 2.2.4, ознакомиться со структурой и содержанием этой системы. Если необходимо, сделать себе пометки в рабочей тетради.

5.Запустить ANSYS Mechanical APDL. Руководствуясь разд. 2.2.5, отыскать местонахождение информационных панелей, ознакомиться с их структурой и назначением их функций.

6.Внимательно изучить основы методики моделирования в ANSYS Mechanical APDL. Если необходимо, сделать пометки в рабочей тетради. Руководствуясь разд. 2.2.6 и указаниями преподавателя, при помощи функций препроцессора решить задачи 1–4.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.Что такое ANSYS Workbench и для каких целей применяется?

2.Что такое конечный элемент? Дайте общую характеристику методу конечных элементов.

3.Какие системы единиц применяются в ANSYS, в чём их особенности?

4.Что такое проект? Опишите рабочий стол проекта.

5.Опишите основное содержание справочной системы ANSYS.

6.Что такое графический интерфейс разработчика? Как им пользоваться?

7.Опишите приложение ANSYS Mechanical APDL (информационные панели, пункты меню и их назначение).

8.Опишите последовательность действий при создании геометрической модели объекта по принципу «шаг за шагом».

9.Опишите последовательность действий при наложении граничных условий и нагрузок по принципу «шаг за шагом».

10.Опишите возможности вывода результатов моделирования во вкладке General PostProc.

40