Difference between revisions of "4. lecke példája"

From Maxwell
Jump to: navigation, search
 
(7 intermediate revisions by the same user not shown)
Line 2: Line 2:
 
|-
 
|-
 
| colspan=2 align=center |
 
| colspan=2 align=center |
−
<font color='blue' size='+2'>Kábelkorbács vizsgálata</font>
+
<font color='blue' size='+2'>Kábel vizsgálata</font>
 
|-
 
|-
 
| align=center |
 
| align=center |
Line 13: Line 13:
 
|- valign=top
 
|- valign=top
 
| width=50% |
 
| width=50% |
 +
''' '''
 +
|-
 +
| style="text-align: left; width: 36%;" |
 
'''Oktató'''
 
'''Oktató'''
−
* Marcsa Dániel (óraadó)
+
* [http://wiki.maxwell.sze.hu/index.php/Marcsa Marcsa Dániel] (óraadó)
 
* Előadás: -
 
* Előadás: -
 
* Fogadóóra: egyeztetés alapján
 
* Fogadóóra: egyeztetés alapján
−
| width=50% |
+
| style="text-align: left; width: 36%;" |  
 
'''További oktatók:'''
 
'''További oktatók:'''
 
* -
 
* -
 
* Fogadóóra: -.
 
* Fogadóóra: -.
 
|}
 
|}
−
<blockquote>
 
−
=== Purpose of the Assignment ===
 
−
[[File:Lecture4 ProblemGeometry.png|510px|thumb|right|alt=The geometry of the problem with the yellow cable harness. | The geometry of the problem with the yellow cable harness.]]
 
  
−
The student will learn the main steps of the finite element method, such as preparing the model (creating or importing geometry), specifying material parameters, boundary conditions, and excitation through a full-wave problem. This example gives a brief insight into the cable harness analysis through an automotive example.
+
=== A feladat célja ===
 +
[[File:Lecture4 ProblemGeometry.png|510px|thumb|right|alt=A feladat geometriája a sárga kábellel. | A feladat geometriája a sárga kábellel.]]
 +
 
 +
A hallgató megismerje a végeselem-módszer főbb lépéseit, mint a modell előkészítése (geometria elkészítése vagy importálása), anyagparaméterek, peremfeltételek és gerjesztés megadása egy összetett feladat esetében. A példa betekintést ad a kábel vagy kábelkorbács elektromágneses vizsgálatába egy járműipari példán keresztül.
 +
 
 +
=== A feladat megoldásához szükséges ismeretek ===
 +
* A végeselem-módszer lépései;
 +
* A Maxwell-egyenletek teljes rendszerének ismerete (hullámegyenlet ismerete);
 +
* Lineáris hálózatok alapjainak ismerete.
  
−
=== Knowledge needed to solve the problem ===
+
=== A feladat megoldásának lépései ===
−
* The steps of the finite element method;
+
Az ANSYS Electronics Desktop elindítását követően, nyissa meg a '''CableHarness_Example.aedt''' fájlt a ''File <math> \to </math> Open'' menü segítségével. <br/>
−
* Theoretical knowledge of full-wave fields (for defining materials, excitation);
+
Az [https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-q3d-extractor ANSYS 2D Extractor], [https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-hfss ANSYS HFSS] és [https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-electronics-desktop ANSYS Circuit] használatához a ''Help'' menü és a ''YouTube''-on fellelhető videók sok segítséget nyújtanak.
−
* Basic knowledge of electric network theory.
 
  
−
=== Steps to solve the problem ===
+
== A feladat definiálása és az eredmények ==
−
After launching ANSYS Electronics Desktop, open the file '''CableHarness_Example.aedt''' using the ''File <math> \to </math> Open'' menu. <br/>
+
[[File:Cable Evectors.gif|360px|thumb|right|alt=Az elektromos térerősség vektorok a dielektrikumban ''ANSYS 2D Extractor'' környezetben. |Az elektromos térerősség vektorok a dielektrikumban ''ANSYS 2D Extractor'' környezetben. <span style="color:blue">[Kattints a képre az animáció megtekintéséhez.]</span>.]]
−
To use [https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-q3d-extractor ANSYS 2D Extractor], [https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-hfss ANSYS HFSS] and [https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-electronics-desktop ANSYS Circuit], the ''Help'' menu and ''YouTube'' videos provide a lot of help.
+
[[File:CableHarness Circuit.png|360px|thumb|right|alt=A kábelt tápláló hálózat ''ANSYS Circuit'' szoftverben. | A kábelt tápláló hálózat ''ANSYS Circuit'' szoftverben.]]
−
</blockquote>
+
Ebben az esetben az egész feladat beállításai már előre definiáltak. Ennek oka, hogy elkerüljük a hosszadalmas beállítást, mert a példa fő célja látni egy nagyfrekvenciás kábel hatását a jármű karosszériájára. Ennek a példának köszönhetően, a hallgatók látni fogják, milyen fontos egy kábel vagy kábelkorbács megfelelő elhelyezése a járművön belül. Itt csak a szimuláció felépítését tekintjük át.
−
== Problem Definition and Results ==
 
−
[[File:Cable Evectors.gif|360px|thumb|right|alt=Electric field intensity vectors in the dielectric material in ''ANSYS 2D Extractor''. |Electric field intensity vectors in the dielectric material in ''ANSYS 2D Extractor'' <span style="color:blue">[Click to see animation.]</span>.]]
 
−
[[File:CableHarness Circuit.png|360px|thumb|right|alt=The driving circuit of cable in ''ANSYS Circuit''. | The driving circuit of cable in ''ANSYS Circuit''.]]
 
−
In this case, the whole problem is pre-defined. The reason for this is to avoid lengthy setup and basically, the purpose of the example is to look at the effect of high-frequency cables for the car body. Thanks to this example, students explain why you need to pay attention to the proper cable routing in vehicles. However, we review the structure of this task.
 
  
−
The problem is split into three parts:
+
A feladat három részre bontható:
−
* The analysis of cable (''ANSYS 2D Extractor'');
+
* A kábel vizsgálata (''ANSYS 2D Extractor'');
−
* the set up of cable harness electric circuit (''ANSYS Circuit'');
+
* A kábel áramkörének összeállítása (''ANSYS Circuit'');
−
* and the high-frequency analysis of the car body with cable harness (''ANSYS HFSS'').
+
* és a karosszéria rádiófrekvenciás vizsgálata a benne elhelyezett kábellel együtt (''ANSYS HFSS'').
  
−
Before and during the run, we briefly review the settings of the problem.
+
A szimuláció elindítása előtt és a futtatás közben, röviden átnézzük a feladat beállításait.
  
−
It is important to note that in the previous two examples, adaptive meshing used. However, in the case of a time-dependent (transient) problem, it is not possible to use the adaptive mesh, so we need to define the discretization of the problem with different mesh operations.
+
Azt fontos megjegyezni, hogy az első két példánál adaptív hálófinomítást alkalmaztunk. Azonban az időfüggő feladatoknál ez nem lehetséges, ezért itt is a hálózási műveletekkel kell megfelelő felbontást létrehozni a kellő pontosság eléréséhez.
  
−
=== Analysis of Cable Parasitics (''ANSYS 2D Extractor'') ===
+
=== A kábel parazita jelenségeinek vizsgálata (''ANSYS 2D Extractor'') ===
  
−
ANSYS 2D Extractor efficiently performs the 2D quasi-static electromagnetic field simulations (''ANSYS Q3D Extractor for 3D problems'') required for the extraction of RLCG parameters (''R'' - resistance, ''L'' - inductance, ''C'' - capacitance, ''G'' - conductance) from an interconnect structure.
+
ANSYS 2D Extractor segítségével egy harmonikus analízist futtatunk le (''ANSYS Q3D Extractor való a 3D-s feladatokra''), hogy meghatározzuk az RLGC paramétereit (''R'' - ellenállás, ''L'' - induktivitás, ''G'' - átvezetés, ''C'' - kapacitás) ennek a csatolt rendszernek.
  
−
As you can see in the figure, the cable has positive, negative and return veins. The veins wrapped by insulation and the outer sheath.
+
Ahogy az ábrán látható, a kábel három érből áll, egy pozitív, egy negatív érből és a földelésből. Az egyes erek szigetelve vannak egymástól.
  
−
The simulation frequency is 300 MHz and the result of the analysis is shown in the following tables.  
+
A kábelen haladó jel frekvenciája 300 MHz, a szimulációval kapott eredményeket pedig a következő táblázatok foglalják össze.  
  
 
{| width=60%
 
{| width=60%
Line 63: Line 66:
 
| align=center |
 
| align=center |
 
{| class = "wikitable" style = "text-align: center; width: 300px; height: 100px;"
 
{| class = "wikitable" style = "text-align: center; width: 300px; height: 100px;"
−
|+ Conductance matrix of cable.
+
|+ Az érpár átvezetése.
−
! Conductance [<math>\mu\text{S}</math>]
+
! Vezetés [<math>\mu\text{S}</math>]
−
! Negative
+
! Negatív
−
! Positive
+
! Pozitív
 
|-
 
|-
−
! Negative
+
! Negatív
 
| 48.46 || -24.23  
 
| 48.46 || -24.23  
 
|-
 
|-
−
! Positive
+
! Pozitív
 
| -24.23
 
| -24.23
 
| 48.46
 
| 48.46
Line 77: Line 80:
 
| align=center |
 
| align=center |
 
{| class = "wikitable" style = "text-align: center; width: 300px; height: 100px;"
 
{| class = "wikitable" style = "text-align: center; width: 300px; height: 100px;"
−
|+ Capacitance matrix of cable.
+
|+ Az érpár kapacitása.
−
! Capacitance [<math>\mu\text{F}</math>]
+
! Kapacitás [<math>\mu\text{F}</math>]
−
! Negative
+
! Negatív
−
! Positive
+
! Pozitív
 
|-
 
|-
−
! Negative
+
! Negatív
 
| 117.269 || -58.634  
 
| 117.269 || -58.634  
 
|-
 
|-
−
! Positive
+
! Pozitív
 
| -58.634
 
| -58.634
 
| 117.268
 
| 117.268
Line 92: Line 95:
 
| align=center |
 
| align=center |
 
{| class = "wikitable" style = "text-align: center; width: 300px; height: 100px;"
 
{| class = "wikitable" style = "text-align: center; width: 300px; height: 100px;"
−
|+ Resistance matrix of cable.
+
|+ Az érpár ellenállása.
−
! Resistance [<math>\Omega</math>]
+
! Ellenállás [<math>\Omega</math>]
−
! Negative
+
! Negatív
−
! Positive
+
! Pozitív
 
|-
 
|-
−
! Negative
+
! Negatív
 
| 1.912 || 0.941  
 
| 1.912 || 0.941  
 
|-
 
|-
−
! Positive
+
! Pozitív
 
| 0.941
 
| 0.941
 
| 1.895
 
| 1.895
Line 106: Line 109:
 
| align=center |
 
| align=center |
 
{| class = "wikitable" style = "text-align: center; width: 300px; height: 100px;"
 
{| class = "wikitable" style = "text-align: center; width: 300px; height: 100px;"
−
|+ Inductance matrix of cable.
+
|+ Az érpár induktivitása.
−
! Inductance [<math>\mu\text{H}</math>]
+
! Induktivitás [<math>\mu\text{H}</math>]
−
! Negative
+
! Negatív
−
! Positive
+
! Pozitív
 
|-
 
|-
−
! Negative
+
! Negatív
 
| 0.134 || 0.067  
 
| 0.134 || 0.067  
 
|-
 
|-
−
! Positive
+
! Pozitív
 
| 0.067
 
| 0.067
 
| 0.134
 
| 0.134
Line 120: Line 123:
 
|}
 
|}
  
−
=== Driving Circuit of Cable Harness (''ANSYS Circuit'') ===
+
=== A kábelt meghajtó áramkör (''ANSYS Circuit'') ===
−
[[File:CableHarsness EField.gif|510px|thumb|right|alt=The electric field intensity in the wire and in the car body in ''ANSYS HFSS''. | The electric field intensity in the wire and in the car body in ''ANSYS HFSS''. <span style="color:blue">[Click to see animation.]</span>]]
+
[[File:CableHarsness EField.gif|510px|thumb|right|alt=Az elektromos térerősség a vezetékben és a jármű karosszériájában ''ANSYS HFSS'' szoftverben. | Az elektromos térerősség a vezetékben és a jármű karosszériájában ''ANSYS HFSS'' szoftverben. <span style="color:blue">[Kattints a képre az animáció megtekintéséhez.]</span>]]
−
The return path is grounded, while a port with 50<math>\Omega</math> terminal impedance is defined for the negative and positive conductor. The parasitic parameters of the cable veins are coming from the 2D Extractor simulation. The results of this circuit simulation are used as the excitation of finite element simulation in HFSS.
+
A földelést, ahogy a neve is mutatja földeljük, míg a másik két eret 50<math>\Omega</math> impedanciával zárjuk le. Az ''ANSYS Circuit'' a kábel leírására a 2D Extractor szimulációból kapott parazita jellemzőket használja. Majd az áramköri szimulációval kapott eredményeket használja az ''ANSYS HFSS'' a szimuláció gerjesztéséhez.
 +
 
 +
A kábel két nem földelt erének gerjesztése szinuszos. A szinuszos jel amplitúdója 0,5V és a második ér 180 fokkal eltolt.
 +
 
 +
=== A karosszéria a kábellel (''ANSYS HFSS'') ===
  
−
=== Car Body with Cable Harness (''ANSYS HFSS'') ===
+
ANSYS HFSS (''High Frequency Structure Simulator'') egy háromdimenziós elektromágneses szimulációs szoftver, a legkülönfélébb rádiófrekvenciás eszközök (antennák, radarrendszerek, kommunikációs rendszerekben található nagysebességű elektronikák, vezetést segítő rendszerek (ADAS), műholdak, integrált áramkörök és IoT eszközök) szimulációjára alkalmas.
  
−
ANSYS HFSS (''High Frequency Structure Simulator'') is a 3D electromagnetic simulation software for designing and simulating high-frequency electronic products such as antennas, radar systems, high-speed electronics found in communications systems (e.g. mobile phone), advanced driver assistance systems (ADAS), satellites, IC packages and internet-of-things (IoT) products.
+
A vizsgált példa egy nyitott feladatnak tekinthető, ezért a sugárzási permfeltételt (''Radiation boundary condition'') használjuk a külső felületeken. Majd erre az elrendezésre oldjuk meg a hullámegyenletet. A feladaton belül a jármű karosszériáját véges vezetőképességgel rendelkező felületként vesszük figyelembe és a gerjesztés a kábelből származó beeső tér.
−
 
−
This example can be regarded as an open problem where the radiation boundary condition is used as a boundary condition. For this problem, we solve the vector wave equation. The car body is taken into account as a finite conductivity boundary and the excitation is the incident field from the cable network.
 
  
−
As a result, the electric and the magnetic field intensities are visible on the car body. You can see the effect of the cable harness on these animations.
+
A szimuláció eredményeként a karosszériában és a kábelen látható az elektromos és a mágneses térerősség. Mindkettő mennyiség jól mutatja a nagyfrekvenciás kábel hatását a járműben.
  
 
== References ==
 
== References ==
 
{{reflist}}
 
{{reflist}}

Latest revision as of 19:58, 28 January 2020

Kábel vizsgálata

VehicleCables.jpg

CableHarsness.gif

Egy jármű teljes vezetékezése. A mágneses térerősség a kábel körül és a karosszériában. [Kattints a képre az animáció megtekintéséhez.]

Oktató

  • Marcsa Dániel (óraadó)
  • Előadás: -
  • Fogadóóra: egyeztetés alapján

További oktatók:

  • -
  • Fogadóóra: -.

A feladat célja

A feladat geometriája a sárga kábellel.
A feladat geometriája a sárga kábellel.

A hallgató megismerje a végeselem-módszer főbb lépéseit, mint a modell előkészítése (geometria elkészítése vagy importálása), anyagparaméterek, peremfeltételek és gerjesztés megadása egy összetett feladat esetében. A példa betekintést ad a kábel vagy kábelkorbács elektromágneses vizsgálatába egy járműipari példán keresztül.

A feladat megoldásához szükséges ismeretek

  • A végeselem-módszer lépései;
  • A Maxwell-egyenletek teljes rendszerének ismerete (hullámegyenlet ismerete);
  • Lineáris hálózatok alapjainak ismerete.

A feladat megoldásának lépései

Az ANSYS Electronics Desktop elindítását követően, nyissa meg a CableHarness_Example.aedt fájlt a File [math] \to [/math] Open menü segítségével.
Az ANSYS 2D Extractor, ANSYS HFSS és ANSYS Circuit használatához a Help menü és a YouTube-on fellelhető videók sok segítséget nyújtanak.

A feladat definiálása és az eredmények

Az elektromos térerősség vektorok a dielektrikumban ANSYS 2D Extractor környezetben.
Az elektromos térerősség vektorok a dielektrikumban ANSYS 2D Extractor környezetben. [Kattints a képre az animáció megtekintéséhez.].
A kábelt tápláló hálózat ANSYS Circuit szoftverben.
A kábelt tápláló hálózat ANSYS Circuit szoftverben.

Ebben az esetben az egész feladat beállításai már előre definiáltak. Ennek oka, hogy elkerüljük a hosszadalmas beállítást, mert a példa fő célja látni egy nagyfrekvenciás kábel hatását a jármű karosszériájára. Ennek a példának köszönhetően, a hallgatók látni fogják, milyen fontos egy kábel vagy kábelkorbács megfelelő elhelyezése a járművön belül. Itt csak a szimuláció felépítését tekintjük át.

A feladat három részre bontható:

  • A kábel vizsgálata (ANSYS 2D Extractor);
  • A kábel áramkörének összeállítása (ANSYS Circuit);
  • és a karosszéria rádiófrekvenciás vizsgálata a benne elhelyezett kábellel együtt (ANSYS HFSS).

A szimuláció elindítása előtt és a futtatás közben, röviden átnézzük a feladat beállításait.

Azt fontos megjegyezni, hogy az első két példánál adaptív hálófinomítást alkalmaztunk. Azonban az időfüggő feladatoknál ez nem lehetséges, ezért itt is a hálózási műveletekkel kell megfelelő felbontást létrehozni a kellő pontosság eléréséhez.

A kábel parazita jelenségeinek vizsgálata (ANSYS 2D Extractor)

ANSYS 2D Extractor segítségével egy harmonikus analízist futtatunk le (ANSYS Q3D Extractor való a 3D-s feladatokra), hogy meghatározzuk az RLGC paramétereit (R - ellenállás, L - induktivitás, G - átvezetés, C - kapacitás) ennek a csatolt rendszernek.

Ahogy az ábrán látható, a kábel három érből áll, egy pozitív, egy negatív érből és a földelésből. Az egyes erek szigetelve vannak egymástól.

A kábelen haladó jel frekvenciája 300 MHz, a szimulációval kapott eredményeket pedig a következő táblázatok foglalják össze.

Az érpár átvezetése.
Vezetés [[math]\mu\text{S}[/math]] Negatív Pozitív
Negatív 48.46 -24.23
Pozitív -24.23 48.46
Az érpár kapacitása.
Kapacitás [[math]\mu\text{F}[/math]] Negatív Pozitív
Negatív 117.269 -58.634
Pozitív -58.634 117.268
Az érpár ellenállása.
Ellenállás [[math]\Omega[/math]] Negatív Pozitív
Negatív 1.912 0.941
Pozitív 0.941 1.895
Az érpár induktivitása.
Induktivitás [[math]\mu\text{H}[/math]] Negatív Pozitív
Negatív 0.134 0.067
Pozitív 0.067 0.134

A kábelt meghajtó áramkör (ANSYS Circuit)

Az elektromos térerősség a vezetékben és a jármű karosszériájában ANSYS HFSS szoftverben.
Az elektromos térerősség a vezetékben és a jármű karosszériájában ANSYS HFSS szoftverben. [Kattints a képre az animáció megtekintéséhez.]

A földelést, ahogy a neve is mutatja földeljük, míg a másik két eret 50[math]\Omega[/math] impedanciával zárjuk le. Az ANSYS Circuit a kábel leírására a 2D Extractor szimulációból kapott parazita jellemzőket használja. Majd az áramköri szimulációval kapott eredményeket használja az ANSYS HFSS a szimuláció gerjesztéséhez.

A kábel két nem földelt erének gerjesztése szinuszos. A szinuszos jel amplitúdója 0,5V és a második ér 180 fokkal eltolt.

A karosszéria a kábellel (ANSYS HFSS)

ANSYS HFSS (High Frequency Structure Simulator) egy háromdimenziós elektromágneses szimulációs szoftver, a legkülönfélébb rádiófrekvenciás eszközök (antennák, radarrendszerek, kommunikációs rendszerekben található nagysebességű elektronikák, vezetést segítő rendszerek (ADAS), műholdak, integrált áramkörök és IoT eszközök) szimulációjára alkalmas.

A vizsgált példa egy nyitott feladatnak tekinthető, ezért a sugárzási permfeltételt (Radiation boundary condition) használjuk a külső felületeken. Majd erre az elrendezésre oldjuk meg a hullámegyenletet. A feladaton belül a jármű karosszériáját véges vezetőképességgel rendelkező felületként vesszük figyelembe és a gerjesztés a kábelből származó beeső tér.

A szimuláció eredményeként a karosszériában és a kábelen látható az elektromos és a mágneses térerősség. Mindkettő mennyiség jól mutatja a nagyfrekvenciás kábel hatását a járműben.

References

Retrieved from "http://wiki.maxwell.sze.hu/index.php?title=4._lecke_példája&oldid=1777"