HFSS基础培训课程――求解设置

©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.1ANSYS,Inc.Proprietary©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.1ANSYS,Inc.ProprietaryHFSS基础培训教程求解设置ANSYS中国©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.2ANSYS,Inc.ProprietaryDesignSolutionTypeParametricModelGeometry/MaterialsAnalysisSolutionSetupFrequencySweepAnalyzeResults2DReportsFieldsBoundariesExcitationsMeshRefinementSolveMeshOperationsConvergedFinishedUpdateNOYESSolveLoopHFSS设计流程©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.3ANSYS,Inc.ProprietaryHFSS的求解器©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.4ANSYS,Inc.Proprietary•矩阵求解算法–DirectSolver•适合中小规模矩阵，需要较多的内存。–IterativeSolver•适合中大规模矩阵求解，内存消耗少、•在内存资源一定的情况下，求解更大规模的问题•求解阶数设置–ZeroOrderSolution–FirstOrderSolution–SecondOrderSolution–MixedOrderSolutionHFSS的求解器©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.5ANSYS,Inc.Proprietary•不同求解阶数对应的网格和网格上的场SolutionOrderZeroOrderSolutionFirstOrderSolutionSecondOrderSolution©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.6ANSYS,Inc.Proprietary•SolutionOrder的选择–对于大而均匀的结构，SecondOrder网格更大、相应地，网格数量少，矩阵小，计算效率更高–可以结合迭代法矩阵求解器HigherOrderSolutionZeroOrder网格数：16000未知量：17000FirstOrder网格数：1500未知量：7700SecondOrder网格数：340未知量：50002.5λ©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.7ANSYS,Inc.Proprietary0.1λ•SolutionOrder的选择–零阶求解对内存的需求低，网格密度大时效率更高–对于结构复杂而电尺寸较小的结构，低阶求解效率更高HigherOrderSolution网格数：5900未知量：6000ZeroOrder网格数：3600未知量：21000FirstOrder网格数：1700未知量：29000SecondOrder©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.8ANSYS,Inc.Proprietary•HFSS电磁场有限元求解采用四面体网格剖分，在每个网格上求解Maxwell方程组•求解时间与网格数量、由网格生成的矩阵大小、矩阵的稀疏程度相关•要根据计算模型的具体情况进行选择•１阶求解（默认）适合于大多数情况在求解时，可以通过Profile观察网格数量、矩阵大小、求解时间、内存消耗等进行比较，积累经验阶数选择与求解时间的关系©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.9ANSYS,Inc.Proprietary0200400600800100012001400070001400021000280003500042000490001357911131517Mesh1stMeshMixedMemoryMixedMemory1st混合阶MixedElementOrders•自动选择插值基函数的阶数并决定剖分网格大小•减少网格数和未知量，提高求解效率First-Order,16:23,1.40GBMixed-Order,7:55,0.985GB©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.10ANSYS,Inc.Proprietary•与具体求解的问题相关–给出一般性的原则求解阶数设置的一般原则电尺寸大小结构的复杂程度（较多的初始网格）SecondOrderFirstOrderZeroOrder©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.11ANSYS,Inc.Proprietary•求解阶数的设置方法–在Setup的[Option]选项卡中设置SolutionOrder的选择©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.12ANSYS,Inc.Proprietary•IterativeSolver（迭代法求解）–大规模矩阵求解效率高，内存消耗少–求解不收敛时，自动切换回直接法矩阵求解器–内存消耗比较：•DirectSolver：未知量N的1.2~1.3次方•IterativeSolver：未知量N的1.0~1.1次方：接近线性•DirectSolver–矩阵求逆，直接求解矩阵，相比迭代法消耗更多的内存–求解稳定，不存在收敛性问题，与端口数量不敏感HFSSv11起：两种矩阵求解算法©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.13ANSYS,Inc.Proprietary•IterativeSolver的设置–在Setup中的[Option]选项卡中设置–EnableIterativeSolver•不收敛时，自动切换到直接法IterativeSolverRelativeResidual迭代残项，默认的设置可以得到和直接法同样的精度不要设置大于0.1©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.14ANSYS,Inc.Proprietary1.计算机内存小，求解问题端口数少，迭代法速度提高明显–端口数CPU数×2：迭代法–端口数CPU数×2：直接法2.若迭代法不收敛，则自动切换直接法求解–网格数量增加，迭代法的收敛性会改进3.快速扫频（FastSweep）与矩阵算法–未知量10万：DirectSolver效率高–未知量30万：IterativeSolver效率高迭代法求解器选择原则©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.15ANSYS,Inc.Proprietary•“SolverProfile”–Poorconvergenceforiterativesolver,switchingtodirectsolver…查看求解时采用的方法©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.16ANSYS,Inc.Proprietary•迭代法和混合阶有限元相结合，求解更大规模的问题迭代法+混合阶HFSSV13MixedOrderSolver网格数量约30万，求解收敛求解实例：抛物面天线：~18λｘ18λｘ18λ©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.17ANSYS,Inc.Proprietary求解精度设置MaxΔS©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.18ANSYS,Inc.Proprietary•MaxDeltaS–在HFSS迭代求解的过程中，后一次求解得到的S参数与前一次得到的S参数矢量相减，得到的差矢量的幅度中最大的一个–同时包含了幅度和相位的变化–举例：两端口的网络迭代求解结果为：MaxΔS的含义NNNNNSSSS22211211S1221211121111NNNNNSSSSSNNNNNNNNSSSSSSSSDeltaS22122211211211211111magmaxMaxNijNijDeltaSSS1magmaxMax©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.19ANSYS,Inc.Proprietary•自适应求解过程–自动生成最优网格–自适应迭代，网格不断细化，直到达到所需的求解精度–MaxDeltaS是网格生成和精度判断的重要参数MaxDeltaS与自适应求解初始网格生成（共形网格）电磁场有限元求解根据端口、边界条件、材料特性求解全空间电磁场得到S参数和场分布MaxDeltaS是否满足按照电场梯度进行网格细分MaximumNumberofPasses是否达到？求解结束YesYesNoNo©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.20ANSYS,Inc.Proprietary•网格细化由电场的梯度决定–自动的、自适应网格剖分•初始网格根据结构生成•电场梯度大的区域网格增加得多，反之，网格增加少•迭代求解，不断细化网格，直到网格能够充分体现场在空间的分布变化•精度达到，迭代结束自适应网格生成的过程初始网格中间网格最终网格©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.21ANSYS,Inc.Proprietary•网格密度没有达到求解精度要求时–网格的增加将造成S参数求解结果的较大变化网格数量与S参数求解结果网格剖分S参数PassNPassN+1NS1NS1NNSS相邻两次网格剖分得到的S参数©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.22ANSYS,Inc.Proprietary•当网格密度达到一定程度时，网格充分体现了场在空间的变化–网格继续增加，S参数结果变化很小网格数量与S参数求解结果网格S参数PassNPassN+1NS1NS1NNSS≒前后两次得到的S参数值©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.23ANSYS,Inc.Proprietary网格的增加比例与收敛性•网格剖分程序每次迭代增加网格的比例–观察收敛性与网格数判断精度缺省值为每次增加20%的网格©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.24ANSYS,Inc.Proprietary自适应网格增加的比例•改变网格增加的比例–在求解设置中的高级（Advanced）选项卡中设置–RefinementPerPass：每次迭代增加的网格比例。•改变网格细化的规则•缺省值30%适应于大多数情况•对于强烈谐振的结构，可设置为50%以上或更多，以减少迭代次数•不要设置为10%以下，以免增加迭代次数或假收敛©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.25ANSYS,Inc.Proprietary三种扫频方法©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.26ANSYS,Inc.Proprietary•利用当前网格剖分，逐点求解各个频点的电磁场•求解时间与点数成正比•能够的到各个频点的场分布•SolutionFrequency可设置扫频范围的最高点•工程应用中，可设置为中间偏高1/3处进行自适应求解，能够在精度/速度上获得良好的均衡DiscreteSweep适应场合：需要的频点数不多，关注各个频点的场分分布时©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.27ANSYS,Inc.Proprietary•通过求解传输函数零极点的方法快速获得结构的频率响应•求解时间与扫频点数不敏感，可以求解充分多的频点数以便表征结构的谐振特性•能够得到各个频点的场分布•SolutionFrequency设置为扫频范围的中心•网格在求解频率上生成•离开中心频率越远，求解误差越大FastSweep©2011ANSYS,Inc.Allrightsreserved.28ANSYS,Inc.Proprie