FEM-IE混合算法技术培训

FEM-IE混合算法技术培训:电大尺寸问题的仿真方法与技巧内容提要•ANSYS电磁场仿真算法–HFSS-有限元法(FiniteElementMethod)–HFSS-积分方程法(IntegralEquation)–HFSS-物理光学法(PhysicalOptics)–FEM-IE混合算法•高性能计算与电大问题•应用案例–反射面天线–天线布局–RCSANSYSHFSS电磁场仿真算法HFSS-IE•三维积分方程技术•精确的自适应结果–自适应网格技术•确保求解精度–针对电大模型仿真采用自适应交叉近似(ACA)技术•内存与时间消耗与未知量N成N*log(N)比例•非均匀网格减少计算量•友好的用户界面–在原有HFSS界面上加入新的设计类型•可使用HFSS仿真结果作为链接源–链接数据可考虑馈源的遮挡效应•主要应用:•电大、开放的辐射或散射问题–天线布局,、天线共址–目标散射特性(RCS)Pass#DeltaSHFSS-IE案例HFSSHFSS-IE仿真时间6hours1:15hour内存消耗98GB41GB13072λ³车顶单极子天线车头偶极子天线与使用PML边界相比，HFSS-IE获得4.8倍的加速并减少了58%的内存消耗HFSS-FEMHFSS-IE32核并行求解HFSS-PO•求解超大电尺寸纯金属模型的近似算法–在HFSS-IE的高级选项中设置–求解超电大尺寸–由照射区域产生感应电流•在阴影区域设置为零电流–不考虑射线追迹或多次反射•主要应用:–HFSS到HFSS-PO的数据链接•大型反射面天线•电大平台上的天线布局–目标特性散射问题如卫星的RCS•HFSS-IE求解设置的高级选项•以入射波作为激励源–平面波或链接HFSS的场数据作为馈源Diameter=0.667λDiameter=33.33λDiameter=6.667λ随着球体的直径增大，衍射现象渐弱，表明物理光学在越高的频率会更准确IEPOIEPOIEPORed–POBlue-IEHFSS-PO案例HFSS电磁场仿真算法小结FiniteElementMethod•擅长处理复杂材料和结构IntegralEquations(IE)•适合求解开放辐射和散射问题PhysicalOptics(PO)•对电大尺寸光滑导体效果较佳FEMTransient•适合求解场随时间和空间改变的问题FEM-IE混合算法•FEM-IE(FEBI边界)•IE-Regions(IE区域)•FEM-IE与IE-Regions接触新！边界内用FEM求解IE求解边界表面电流迭代FEM-IE(FEBI边界)•替代吸收边界(ABC)或理想匹配层(PML)•FEM-IE的优点–任意形状的边界•辐射边界可与辐射体共形•可以是分离的不同区域•减少求解空间–无反射的边界条件•对于辐射和散射场问题准确求解–理论上无辐射边界最小距离要求•减少仿真空间并简化模型建立•设置方法与吸收边界相似–只需在辐射边界高级选项中勾选“ModelexteriorasHFSS-IEdomain”FEM-IE(FEBI边界)应用案例•FEM-IE混合法可显著减少计算资源需求–无需计算天线罩内的空气区域•若使用ABC或PML则需求解完整的空气区域–使用两个相互分离的FEM-IE区域•与天线罩共形•与喇叭天线（26GHZ）共形•两个区域之间的耦合自动计算PML26GHzRAMElapsedTimePML259G(DDM)840minFE-BI64G205min19143λ³使用FEBI边界后获得4.1倍的提速并节省75%的内存FEM-IEFEM-IESurface2860λ³HybridFEM-IESolution(6.2GRAM)IE区域(IE-Regions)混合法❷DielectricIE-Region•金属区域可由IE直接求解表面电流•无需在金属周围设置辐射边界•均匀介质也可以可利用IE区域求解•介质表面由IE求解MetalDielectricεr=4FEMSolution(20GRAM)设置方法:•选择物体后•HFSSIERegionsAssignAsIERegion相比于ABC边界，使用IE区域可减少70%的内存❶MetallicIE-Region新!改进的IE区域混合法IE区域可与FEM-IE相接触•HFSSv15中，金属IE区域可与FEM-IE求解域接触，扩展了混合算法应用场景-FEM-IE适合处理复杂材料与馈源-IE区域可用于求解电大尺寸平台-与IE区域接触的FEBI边界，距离辐射体的距离不小于1/4波长❶FEM-IE求解域:复杂的贴片天线阵非金属的驾驶舱盖❷IE区域:金属的机身、导弹等1/4λ❷IE-Region❶FEM-IE❶FEM-IE❶FEM-IE改进的IE区域混合法应用案例之一FEMFEM-IEtouchingIE-RegionTime9.1hours4.5hoursRAM98GB23.7GPMLSetup10625λ³HybridFEM-IE37λ³18.4meterIE区域混合法可提速2倍，并减少76%的内存消耗改进的IE区域混合法应用案例之二与FEM对比，IE区域混合法可减少81%的内存消耗140GRAM44GRAMBlack-FEMRed–HybridIE-RegionsFEMwithABC231GRAM22463λ³199λ³HybridIE-Region44GRAM❶FEM-IE❷IE-Region50λContinuousCurrentacrossFEMandIE-Region混合算法小结•有限元法FEM和积分方程法IE混合–FEM-IE(FEBI边界)•内部用FEM求解，辐射表面使用IE求解•FEBI辐射边界可以是任意形状，减少求解空间–IE-Regions•当与有限元积分边界混合使用时，将在有限元求解空间外的金属物体使用IE求解，无需使用辐射边界将金属物体包裹，从而降低求解内存。•均匀介质可从有限元求解空间中排除并使用IE求解，当介质区域为电大尺寸因而需要占用很大FEM求解空间时非常有效。•HFSSv15中新增的FEM-IE可与IE区域接触的混合仿真功能，使得求解电大尺寸复杂结构的问题更加游刃有余。高性能计算(HPC)使用高性能计算提高仿真规模新!基于MPI的区域分解法(DDM)•HFSS-FEM•HFSS-IE•FEM-IE混合算法基于MPI的HFSS-FEM区域分解反射面天线案例口径2m@7.6GHz(50λ)HFSSv14HFSSv15Improvement消耗时间5.5hours4.5hours1.2xRed–v15Blue–v14使用MPI和全新的多线程求解器，HFSSv15速度提升1.2倍基于MPI的HFSS-IE区域分解•HFSS-IE求解器使用工业标准的MPI方式，在网络或集群中的多个计算节点上实现分布式内存并行求解•仿真能力仅受计算机硬件资源限制•有效求解电大尺寸金属模型HFSS-IEusesMPItoperformsolutiondistributedacrossnetworkedcomputersHFSS-IEusesMPItoperformsolutiondistributedacrossnetworkedcomputers基于MPI的FEM-IE混合算法的区域分解HPCdistributesmeshsub-domains,FEManddiscontinuousIEdomains,tonetworkedprocessorsandmemoryFEMDomainFEM-IEDomainIEDomain1IEDomain2IEDomain3•将网格子域分布在网络上的计算节点上并行求解•有限元求解空间可被分割在多个域上同时求解•电大尺寸不连续的IE区域将被分布在不同的节点上求解•有效的提高整体仿真能力•调用多线程并行运算CourtesyofRaytheon波束波导模型36.2λ37λ58λ46λ900,000λ³95λCourtesyofRaytheon波束波导模型全波求解CourtesyofRaytheonFEM-IEDomainDecompositionHPCLicenseFeatureMultiProcessingHPCorMPLicenseFeatureDistributedSolverTechnologyDSOLicenseFeatureMeshBasedFEMandHybridMatrixBasedIESolutionsSpectralFrequencySweepHFSSFEMandIESolutionsHFSSHybridSolutionsHFSSandHFSS-IEParametric/FrequencySweepsMulti-Processing•Takesadvantageofmultiplecores/CPUsonasingleworkstationtoincreasesimulationthroughputDomainDecomposition•Abilitytopartitionasingleproblemintosmallersubdomains–Enablingproblemtobedistributedacrossnetworkedcomputerresources–NetworkresourcesappliedtoproblemwillincreasecapacityandsimulationthroughputDistributedSolverTechnology•Efficientsolutionparametricorfrequencysweptpointbysimultaneoussolutionofvariationsacrossnetworkedcomputerresources•ParallelsolutionofFEMandIEsolutiondomainswhenahybridsolveisperformed•ParallelofeachexcitationwhentransientHFSSsolutionisappliedHFSS-TransientDistributedExcitationsHPCCapabilities12345678HPC的设置方法应用案例1：反射面天线反射面天线仿真的多种方法–全HFSS求解——仅使用HFSS对整个求解空间建模•高保真度，但计算机资源需求最高–DataLink求解——馈源激励和反射面分别采用独立的模型•IE或PO•只能仿真激励源和反射面的单向耦合–混合法求解•用混合FEM-IE技术，高效、高精度保真度计算机资源DataLinkIESolutionsFullHFSSSolutionHybridSolutionsDataLinkPhysicalOptics混合法，馈源用FEM，反射面用IE全HFSS求解需要超大Airbox(~37kλ3)DEMO案例2：卡塞格伦反射面天线子反射面:0.32米(9.6λ)主反射面:2米(60λ)工作频率:9GHz37GRAM,3.2hours案例3：带支撑杆的反射面天线与FEM对比，IE区域混合法可减少81%的内存消耗140GRAM44GRAMBlack-FEMRed–HybridIE-RegionsFEMwithABC231GRAM22463λ³199λ³HybridIE-Region44GRAM❶FEM-IE❷IE-Region50λContinuousCurrentacrossFEMandIE-Region案例4：超大尺寸反射面仿真方法一：全波求解270万未知量373G内存消耗71.4小时150λ45λ❶FEM-IE❷IE-Region圆形波导案例4：超大尺寸反射面仿真方法二：HFSS-FEM到PO的数据链接有限元到物理光学数据链接❶HFSS有限元仿真馈源波导❷HFSS-IE设计抛物面天线1.7G内存仅3分钟全波算法vs.有限元到PO数据链接Red-HFSStoPOLinkBlue–HybridFEM-IE使用HFSS到PO数据链接，主瓣峰