Проектирование электронной компонентной базы в ANSYS Workbench. Учебное пособие

Results (результаты) – пункт меню, позволяющий вывести результаты моделирования, например, поле температур, тепловых потоков и т. п.

В начальном состоянии разработки проекта против каждого пункта меню, за исключением пункта Engineering, стоит знак вопроса. Этот знак означает, что данный пункт меню не пройден разработчиком. Логика дальнейшего моделирования, таким образом, сходна с прохождением игрового квеста. Она состоит в том, чтобы последовательно выполнить все пункты меню, появляющиеся в результате перетаскивания выбранного вида анализа в окно Project Schematic.

Выполним все требуемые процедуры шаг за шагом.

Несмотря на то что в пункте меню Engineering стоит галочка зеленого цвета (означающая «Пройдено»), необходимо убедиться в том, что заданные по умолчанию физические параметры и сам выбранный по умолчанию материал соответствуют требуемому для решения задачи. Для знакомства со стационарным тепловым анализом рассмотрим задачи 1 и 2.

Для проверки заданных по умолчанию физических параметров материала войдём в пункт меню Engineering двойным щелчком ЛКМ на этом пункте. Откроется вкладка Engineering Data. В окне Outline of Schematic: Engineering Data (перечень технических данных для проекта) будет указан (в виде таблицы) материал, заданный по умолчанию. Из рассмотрения таблицы видно, что по умолчанию в таблице стоит материал Structural Steel (структурная сталь), что не соответствует требуемому по задаче (кремний). В правом верхнем углу есть табличка с указанием заданной по умолчанию плотности (Density). Ниже этой таблички на графике указано, что данная плотность задана для температуры 0 ºC (красная точка). Правее и ниже этого графика в табличке Properties of Outline указаны другие физические параметры данного материала. В частности, приведены: коэффициент теплового расшире-

ния (Coefficient of Thermal Expansion), модуль Юнга (Young’s Modulus), коэффициент Пуассона (Poisson’s Ratio), объёмный модуль (Bulk Modulus), модуль сдвига (Shear Modulus), изотропная удельная теплопроводность (Isotropic Thermal Conductivity), изотропная магнит-

ная проницаемость (Isotropic Relative Permeability), удельное электри-

ческое сопротивление (Isotropic Resistivity) и многое другое. Заметим, что столь богатый выбор уже заданных в программе технических параметров имеется далеко не для всех материалов, поэтому для решения стоящей перед ним задачи разработчику часто приходится добавлять в заданный материал другие свойства, не заданные по умолчанию. Для

71

ряда материалов также приведен литературный источник, в котором были взяты указанные сведения.

Для решения поставленной задачи структурная сталь (материал, заданный по умолчанию) не требуется, поэтому этот материал необходимо убрать. Для этого необходимо однократно щёлкнуть правой клавишей мыши (ПКМ) на указанном материале в таблице Outline of Schematic: Engineering Data. Появится дополнительное меню, в котором необходимо выбрать курсором пункт Delete (убрать) и однократно щёлкнуть по нему ЛКМ. Материал будет удален из таблицы (но он не будет удалён из библиотеки материалов). В ячейке таблицы на месте названия материала появится надпись Click here to add a new material (щёлкните здесь для добавления нового материала). Для добавления нового материала из библиотеки найдём выше таблицы вкладку Engineering Data Sources (источники технических данных) и нажмём на ней однократно ЛКМ. В таблице Engineering Data Sources появится перечень всех имеющихся в библиотеке материалов, сгруппированных по их назначению. Щёлкнув однократно ЛКМ на любой из групп материалов, можно вывести на экран перечень всех материалов, входящих в эту группу. Он возникнет в таблице ниже. В графе Description (описание) можно прочитать предназначение той или иной группы материалов или того или иного материала.

Выберем группу General Materials (общие материалы) и в таблице, открывшейся ниже, найдём материал Silicon Anisotropic (анизотропный кремний). В колонке рядом с его названием будет знак «плюс», однократно нажав на который ЛКМ, можно добавить данный материал в перечень используемых в модели. При успешном добавлении рядом с символом «плюс» появится символ «книга». Для этого материала перечень технических параметров будет уже другим, в частности, появится графа Anisotropic Elasticity (анизотропная упругость), для которой будет стоять указание Tabular. Это указание означает, что данные по этому параметру заданы в таблице, которая приводится тут же в правом верхнем углу экрана.

Если какие-то свойства у материала не заданы, а для решения задачи требуется их задать, то для этого имеется левая информационная панель. Она содержит известные в ANSYS Workbench свойства материалов, сгруппированные в несколько групп. Это, например, упругие свойства (Linear Elasticity), физические свойства (Physical Properties),

тепловые свойства (Thermal) и многие другие. Выбрав при помощи ЛКМ те или иные свойства и зажав ЛКМ, можно перетащить их непо-

72

средственно в соответствующую графу таблицы Properties of Outline. Тогда прежние свойства окажутся зачёркнутыми и появятся новые. Заметим, что подобную процедуру можно проделать лишь в рамках своего проекта, но не в библиотеке технических данных.

После успешного задания свойств материала можно вернуться во вкладку Project и приступить к созданию геометрии проекта. Двойной щелчок на пункте меню Geometry запускает приложение ANSYS Design Modeler, которое открывается в отдельном окне.

Приложение ANSYS Design ModelerТМ (далее – DM) позволяет создавать геометрию любой сложности. В рассматриваемом случае объект представляет собой балку прямоугольного сечения, т. е. прямоугольный параллелепипед. Создадим его при помощи инструментов DM.

Экран приложения представлен несколькими окнами, главным из которых является окно Graphics, в котором имеются масштабная шкала и система координат, по умолчанию она декартова, а масштаб задан в метрах. Объект также по умолчанию будет создаваться в изометрической проекции, что удобно с точки зрения наглядности его представления. Заметим, что геометрию объекта можно импортировать и из другой программы, например AutoCAD. Для этого в верхней информационной панели имеется вкладка File, щелчок по которой открывает меню, соответствующее этой вкладке. Спустившись ниже, в открыв-

шемся меню находим вкладку Import External Geometry File, с по-

мощью которой можно осуществить указанное действие.

В верхней информационной панели, кроме того, существует вкладка Help, щелчок на которой вызывает справочную систему ANSYS, с которой мы уже ознакомились ранее. Вкладка View позволяет выбрать способ представления созданной модели, вкладки Create, Concept и Tools дают возможность пользоваться различными инструментами приложения DM. Однако их подробное описание выходит за пределы данной работы. Остановимся на вкладке Units. Щелчок по ней открывает панель меню, в которой можно выбрать, в каких размерных единицах будет задана создаваемая модель. При щелчке по одной из этих вкладок против нее появляется галочка, означающая, что система единиц выбрана. Масштабная шкала в окне Graphics немедленно изменится с в соответствии с этим выбором. Для рассматриваемой задачи нам подходит шкала в микрометрах, выберем вкладку Micrometer.

Далее в верхней части левой информационной панели расположено окно Tree Outline, в котором представлено дерево создания геометрии проекта. В нём в начальный момент присутствуют три вкладки:

73

XYPlane, ZXPlane и YZPlane. Однократный щелчок ЛКМ по одной из них позволяет выполнять дальнейшую работу в выбранной плоскости.

Расположим создаваемую балку горизонтально, для этого выберем плоскость XYPlane. Ниже дерева модели видим две вкладки: Modeling (моделирование) и Sketching (рисование). Выберем вкладку Sketching. Дерево модели при этом исчезнет, вместо него появится панель Draw (чертёж) и перечень геометрических примитивов, которые можно создавать. Кроме этой уже открытой по умолчанию вкладки имеются вкладки Modify (изменить), Dimensions (размеры), Constraints (ограни-

чения) и Settings (установки). Щёлкнем однократно ЛКМ по вкладке Settings. Откроется небольшое меню, в котором имеется вкладка Grid (сетка). Однократный щелчок по этой вкладке открывает два окна: Show in 2D (показать в 2D) и Snap (привязка). Поставим галочку в окне Show in 2D, в выбранной нами плоскости XY появится сетка и отобразится в окне Graphics.

Переведём курсор в окно Graphics и колёсиком мыши выберем удобный масштаб. Затем вернёмся назад и выберем вкладку Draw. Далее выберем вкладку Rectangle (прямоугольник) и щёлкнем по ней однократно ЛКМ. Затем снова вернёмся в окно Graphics. Заметим, что курсор изменил свой вид и представляет собой карандаш. Поместим его в выбранную точку сетки, щёлкнем ЛКМ и потянем мышь в сторону. От выбранной точки будет вытягиваться прямоугольник. Щёлкнув второй раз ЛКМ, нарисуем его примерно такого размера, который требуется по задаче.

Теперь необходимо осуществить точное задание размеров прямоугольника. Для этого выберем вкладку Dimensions, откроется дополнительное меню. По умолчанию в этом меню уже нажатой является вкладка General (общие). Вернёмся в окно Graphics и однократно щёлкнем ЛКМ в углу прямоугольника. Теперь выберем второй угол прямоугольника, двигаясь вдоль его длины или ширины. Дойдя до другого угла, щёлкнем ЛКМ вторично. Теперь двинем мышь перпендикулярно к выбранной линии. За ней будет вытягиваться размерная линия светло-зеленого цвета. Отведя курсор на некоторое расстояние и щёлкнув ЛКМ в третий раз, получим длину рассматриваемой линии в микрометрах. Эта величина отобразится в таблице в левой информационной панели. Установим курсор в ячейке таблицы, в которой указан интересующий нас размер. Двойной щелчок ЛКМ позволяет начать редактирование данного размера. Укажем необходимый по задаче размер длины или ширины. Однократный щелчок ЛКМ в любом месте

74

таблицы, кроме этой ячейки, позволяет задать указанный размер. Повторим описанную процедуру для другого размера. Теперь размеры прямоугольника заданы точно.

Далее необходимо задать третье измерение для структуры. Его можно задать при помощи различных инструментов. Для решения поставленной задачи воспользуемся инструментом Extrude (выдавливание). Найдём соответствующую кнопку на верхней информационной панели. Щелчок по ней вызывает появление третьего измерения у всех созданных планарных структур. В таблице, находящейся в левой информационной панели, высветятся параметры выдавливания, в частности толщина (параметр Depth). Двойной щелчок ЛКМ в ячейке таблицы против этого параметра позволяет редактировать его численное значение (в микрометрах). После ввода численного значения произведём однократный щелчок ЛКМ в любом месте таблицы, за исключением редактируемой ячейки. Это позволяет точно задать параметр толщины структуры. Однако на экране отображается лишь каркас исследуемой структуры. Для получения заполненного объёма необходимо его сгенерировать. Это осуществляется нажатием кнопки Generate в верхней информационной панели (на этой кнопке имеется символ «Молния»).

На этом создание геометрии структуры закончено и можно приступать к генерации сетки КЭ, наложению нагрузок и граничных условий.

Для генерации сетки КЭ необходимо вернуться во вкладку Project основного приложения ANSYS Workbench. Заметим, что в проекте против пункта меню Geometry светится зеленая галочка, означающая, что создание геометрии пройдено. Далее двойным щелчком ЛКМ на пункте меню Model запустим приложение ANSYS Multiphysics. При запуске приложение считает созданную геометрию структуры и отобразит её на главном экране во вкладке Geometry. Заметим, что в этом приложении можно посмотреть письменный отчёт о состоянии созданной модели. Для этого в главном окне имеется вкладка Report Preview. Однократный щелчок по ней ЛКМ создает отчёт, содержащий все параметры созданной модели.

Заметим, что в левой информационной панели, где приведено дерево проекта, появились новые пункты и разделы. При этом на вкладке Geometry в левой информационной панели имеется значок вопроса. Войдём в указанную вкладку, щёлкнув однократно ЛКМ по знаку «Плюс» против вкладки Geometry. Теперь видно, что значок вопроса светится перед вкладкой Solid (твёрдое тело). Войдём во вкладку Solid

75

однократным щелчком ЛКМ по этой вкладке. Ниже дерева модели появится таблица, в которой в разделе Material имеется ячейка Assignment (присвоение), которая подсвечена красным цветом. Это означает, что созданной структуре не присвоено никакого материала. Если не обратить внимания на это и продолжить моделирование, то программа не сможет выполнить расчёт и сообщит об ошибке.

Щёлкнем однократно ПКМ по подсвеченной красным ячейке таблицы. Справа в ячейке появится кнопка со стрелочкой. Однократный щелчок ЛКМ по появившейся стрелочке открывает небольшое дополнительное меню, в котором можно задать материал. Ниже горизонтальной черты указан заданный в пункте меню Engineering необходимый нам материал – Silicon Anisotropic. Однократный щелчок по этому материалу ЛКМ меняет вид курсора. Теперь он имеет вид стрелочки, рядом с которой имеется чёрный кубик. Этот вид курсора означает, что мы имеем возможность указать объём, которому будут присвоены свойства выбранного нами материала. Выбираем созданный нами объём и назначаем его однократным щелчком ЛКМ. Объём подсвечивается зелёным цветом, а в таблице, находящейся в левой информационной панели, появляются дополнительные кнопки, среди которых есть кнопка Apply (приложить). Однократный щелчок ЛКМ по этой кнопке присваивает выбранному нами объёму свойства выбранного материала. Значок вопроса на вкладке Solid сменяется зеленой галочкой («Пройдено»).

Далее можно генерировать сетку КЭ. По умолчанию размер КЭ выбирается автоматически исходя из размеров созданной нами структуры, но при желании его можно изменить. Однако для решения поставленной задачи достаточно воспользоваться тем размером КЭ, который задаёт программа автоматически.

Произведём однократный щелчок ЛКМ на вкладке Mesh. В верхней информационной панели появится дополнительная строка меню, в которой имеется кнопка Mesh, рядом с которой имеется значок в виде синей прямоугольной сетки. Однократный щелчок ЛКМ по ней открывает небольшое дополнительное меню, в котором имеются три вкладки. Одна из них, Generate Mesh, позволяет генерировать объёмную сетку, которая и требуется в данной задаче. Однократный щелчок по этой вкладке запускает процесс генерации сетки. Успешное выполнение генерации сетки приводит к тому, что она отображается на главном экране, а рядом с вкладкой Mesh в дереве модели значок вопроса сменяется зелёной галочкой. Сетка КЭ создана.

76

Далее можно задавать начальные условия и прикладывать нагрузки. Для этого произведём однократный щелчок ПКМ по вкладке Steady-State Thermal в дереве модели. Появится небольшое дополнительное меню, верхней вкладкой которого является вкладка Insert (вставить). Однократный щелчок по ней ЛКМ открывает еще одно дополнительное меню, в котором представлен перечень физических условий, которые можно добавить в модель. Эти условия включают температуру (Temperature), конвекцию (Convection), излучение (Radiation), тепловой поток (Heat Flow), плотность теплового потока (Heat Flux), полную тепловую изоляцию (Perfectly Insulated) и объёмные ис-

точники тепла (Internal Heat Generation).

По задаче требуется задать температуру на одной из торцевых поверхностей созданной балки. Произведём однократный щелчок ЛКМ по соответствующей вкладке. Курсор примет вид стрелочки, рядом с которой находится кубик, причем у кубика указана чёрным цветом только одна сторона. Это означает, что температура будет приложена только к одной грани объекта (т. е. будет выбран не объём, а площадь). Укажем необходимую по задаче грань, а в таблице, находящейся в левой информационной панели, укажем требуемую по задаче температуру. Для этого произведём двойной щелчок по ячейке, подсвеченной жёлтым цветом и находящейся напротив параметра Temperature. После этого нажмём кнопку Apply (приложить). Выбранная грань балки подсветится красным цветом, что означает, что температура успешно задана.

Также поступим с другой гранью балки. Однако эта грань скрыта моделью, и для указания грани требуется сначала повернуть модель. Для этого в верхней информационной панели найдём кнопку с двумя дугообразно расположенными стрелочками, означающими вращение. Однократный щелчок по этой кнопке ЛКМ включает режим вращения модели. При входе в главный экран курсор меняет вид и представляет собой две дугообразно расположенные стрелки. Нажатие ЛКМ в произвольном месте главного экрана задает центр вращения, а движение мыши с зажатой ЛКМ позволяет вращать модель в нужном направлении.

Далее требуется выйти из режима вращения модели и снова перейти в режим указания граней. Для этого в верхней информационной панели нужно однократно щёлкнуть ЛКМ по кнопке, на которой изображен курсор, указывающий на точку тёмно-красного цвета. Откроется дополнительное меню, в котором требуется выбрать вкладку Single Select (одиночный выбор) и произвести на ней однократный щелчок

77

ЛКМ. В результате при указании какой-либо из граней объекта курсор примет вид стрелочки, рядом с которой расположен кубик с одной зачернённой гранью. После этого можно снова проделать процедуру задания температуры.

Для задания конвекции необходимо повторить процедуру вызова дополнительного меню, содержащего физические параметры, и выбрать вкладку Convection. Далее на главном экране указать курсором и щелчком ЛКМ грань, на которой требуется задать конвекцию. Затем в ячейке таблицы левой информационной панели задать коэффициент

дания температуры. После этого щелчком ПКМ на ячейке таблицы, подсвеченной жёлтым цветом, необходимо вызвать меню с кнопкой Apply и щёлкнуть по ней ЛКМ. В окне ниже главного экрана появится график, а правее его – таблица. График будет иметь вид наклонной прямой, а в таблице будет указано значение коэффициента теплообмена, введенного разработчиком. Эта таблица позволяет задать зависимость коэффициента теплообмена от температуры. Поскольку от температуры коэффициент теплообмена в рассматриваемой задаче не зависит, то в ячейке таблицы, где стоит цифра «ноль», необходимо указать то значение, которое вводил разработчик. Если конвекция на грани задана успешно, на главном экране выбранная грань будет подсвечена жёлтым цветом, а в дереве модели против соответствующей вкладки появится зелёная галочка.

Для задания теплового потока или плотности теплового потока технология в целом та же самая. Необходимо последовательно выполнить все указанные выше действия, как и для задания конвекции, но задать при этом значение теплового потока или плотности теплового потока, требуемое по задаче.

После задания требуемых в задаче величин постановка задачи для расчёта закончена и можно приступать к расчёту.

Если в дереве модели все пункты отмечены зелёными галочками и нет ни знаков вопроса, ни символов молнии жёлтого или красного цвета, то можно нажимать кнопку Solve, находящуюся в середине верхней информационной панели и отмеченной символом молнии. Программа произведёт расчет созданной модели.

Для того чтобы вывести на экран распределение температуры или теплового потока, нужно выбрать курсором в дереве модели вкладку Solution (решение) и щёлкнуть по ней ПКМ. Появится небольшое

78

дополнительное меню, в котором верхней вкладкой будет вкладка Insert. Щёлкнув по ней однократно ЛКМ, можно вывести список тех параметров, которые можно получить в рамках рассчитанной модели. Появится небольшое дополнительное меню, в котором будут вкладки Thermal (тепловые), Probe (исследовать) и другие. В рамках данной задачи интерес представляет вкладка Thermal, щёлкнув по которой однократно ЛКМ, можно вывести еще одно дополнительное меню, в котором есть интересующие нас вкладки Temperature и Heat Flux.

Щелчок ЛКМ по любой из этих вкладок добавляет интересующую величину в анализ. В дереве модели ниже вкладки Solution появляются дополнительные вкладки с соответствующими названиями. Каждая из них отмечена символом жёлтой молнии, что означает, что для получения интересующего распределения необходимо заново решить задачу. Это можно сделать непосредственно из вкладки Solution, если щёлкнуть по ней ПКМ, и затем в открывшемся дополнительном меню щёлкнуть ЛКМ по кнопке Solve. Если всё в порядке, программа получит интересующее распределение, которое можно будет далее вывести на экран в цвете.

При выводе на экран интересующего распределения на главном экране будет приведена цветовая шкала, из которой можно будет определить, какое значение выбранного параметра соответствует тому или иному выбранному цвету.

На этом процесс моделирования заканчивается. Для сохранения результатов можно воспользоваться стандартным способом сохранения (File – Save Project). Если потребуется обратиться к этому результату позже, его можно будет загрузить при начале работы с ANSYS Workbench, набрав последовательность команд File – Open, и указать имя проекта, который необходимо открыть.

Таким образом, на простом примере показано, что моделирование в ANSYS Workbench по сложности ничем не отличается от моделирования в ANSYS Mechanical APDL и, может быть, даже предпочтительнее, если для разработчика важнее наглядность работы с создаваемой КЭ моделью.

4.3.3.Методика решения задачи

1.Изучить теоретическую часть работы, ознакомиться с анализом процессов теплопроводности и конвекции с поверхности твёрдых тел. Если необходимо, сделать пометки в рабочей тетради.

79

2.Ознакомиться с постановкой задач для решения.

3.Запустить ANSYS Workbench 16.2, ознакомиться с видами анализа, доступными для выполнения в ANSYS Workbench 16.2.

4.Внимательно изучить методику проектирования в ANSYS

DesignModeler .

5.Выполнить моделирование задач 1 и 2.

6.Произвести аналитический расчёт полей температур и тепловых потоков, построить графики распределения температур вдоль балки.

7.Результаты расчёта сравнить с аналитическими данными.

8.Сделать вывод о точности приближений, которыми пользовались при проведении аналитических расчётов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.Что такое теплопроводность? Опишите процесс теплопроводности в твёрдых телах.

2.Что такое краевая задача? Зачем нужны граничные условия? Перечислите и охарактеризуйте известные вам граничные условия.

3.Что такое электротепловая аналогия? Что она позволяет рассчитывать?

4.Дайте определения известным вам видам анализа в ANSYS Workbench. Каково их основное назначение?

5.В чём состоит основная идея графического проектирования с

помощью ANSYS DesignModeler ?

6.Опишите назначение окон раздела Engineering Data. Как организована библиотека технических данных? Как осуществить её просмотр?

7.Как осуществить добавление свойств, первоначально не заданных для выбранного материала?

8.В каком приложении осуществляется моделирование геомет-

рии объекта? Можно ли импортировать в ANSYS DesignModeler геометрию, созданную в другой программе? Как это сделать?

9.Как задать единицы измерения размеров объекта? Где и как задаётся сетка для его рисования?

10.Каким образом можно точно задать размеры проектируемого объекта?

11.Что означает значок «зелёная галочка»? Что означают значки вопроса и молнии? Что с этим делать?

80