XFdtd 的网格分割与调控

 

FDTD算法是将时间与空间细分为很小的段落,然后计算随着时间的推进在仿真的空间范围内计算各种物理量的变化,网格的大小有一定的限制,基本上最长边不得大于十分之一波长计算结果才会精确,在XFdtd里,计算是发生在网格(mesh)上,而网格是软件参照几何模型的边界,特征还有材料等特性剖分出来的,同时也可以用设定优先度等方式进一步微调,让网格尽可能接近真实的状况而不失真,确保计算的精度和效能。
 

PrOGrid Project Optimized Gridding
 
手动进行网格剖分设置是个苦差事,而且很难面面俱到,由于人工处理很难面面俱到,经常是顾此失彼或有遗漏,就算有运用调适性的网格剖分(Adaptive Meshing)机能局部的调整网格分辨率仍然是一件苦差事。
关于建立模型工作中的这个问题,REMCOM 在XFdtd7给了一个答案,就是PrOGrid Project Optimized Gridding功能,这个功能可以取代人工建立网格的工作,用XFdtd的网格剖分引擎自动化的依照用户给予的分辨率等参数,再考虑到各个零件的材料参数和几何特征来产生仿真计算用的网格,可以在几乎一瞬间把对人来说困难又复杂的网格剖分工作完成,建立高精确度的网格提供仿真使用。
 
下图为一个包含圆角,曲线,圆孔等复杂的几何特征的模型
 

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  • 包含曲线,圆角,圆孔等复杂几何特征的模型

在没有任何调控之下,剖分出的立方体型态FDTD网格,由于能做的变化有限,所以分辨率不理想,失真的状况也比较严重,用来做仿真计算可能有精度等疑虑并不合适。

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  • 传统的等边立方体网格剖分方式

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  • 对于非直线的几何特征难以精确的表达,必须要进一步微调
 

PrOGrid Project Optimized Gridding机能可以在XFdtd的网格控制页面打开

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在打开这个机能后,XFdtd就会分析整个模型,透过掌握各零件几何特征和材料等特性自动剖分网格,并且自动调适网格的分辨率,用户也可以增加其他的条件让网格更为贴近真实模型或满足不同的设计或计算需求,网格会在非常短的时间迅速建立完成,用户接着就可以详细的检查网格的所有细节。

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  • 透过PrOGrid Project Optimized Gridding机能调适过的网格

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  • 自动采取adaptive meshing方式将各种几何特征更精确的表达

 

XACT Accurate Cell Technology

在手机,笔记本或是各种电子产品中的零件经常会有非直线的造型,比方说曲面,圆角,圆孔等等,天线的形状也可能极为不规则,传统的FDTD网格是以立方体或是长方体堆迭的方式来呈现这样的结构,如果要逼真的呈现就必须把网格调整到非常细,会占用大量内存造成仿真算在运用上的困难,但如果网格不够精细,又难以还原这些不规则的非直线结构,可能造成计算上的误差,这种问题经常陷使用者于两难。
 
XFdtd的XACT提供的技术,就是一个可以用相对较低的内存使用量来建立接近曲线的网格,XACT会把大网格加以细分成子网格,用这些子网格来建构接近曲线的的网格结构。

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  • XFdtd中可以针对个别零件打开XACT功能产生特殊形状的网格

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  • XACT技术产生的曲线形状网格

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  • 用XACT技术建立的圆角形状结构

 

Fixed Points功能,网格与零件的紧密配合
 
在剖分网格的时候,难免由于分辨率等问题,网格线落在的位置不一定和零件在空间中的位置是一致的,如果是较为不重要的零件,这一点些微的误差影响有限,甚至可以忽略,但如果这一类位置偏移的误差发生在电路或天线上,就有可能造成仿真的结果有明显的误差甚至是不能收敛,也可能发生在馈点(port)或是匹配电路器件附近,造成馈点或匹配明显的偏移,甚至发生其他的问题,而且也不见得能靠大幅的提高网格分辨率来解决这个问题。

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  • 网格线和零件的轮廓不一致的偏移现象

XFdtd中有许多可以对网格进行细部修正和调控的方式,最常用的机能其中之一,就是Fixed Points机能,这个功能会把网格做一定程度的细部调整,在相对于原始设定的分辨率之下不过度增加内存用量的前提下,针对个别零件改善偏移的问题。

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  • 针对个别零件启用Fixed Points功能

Fixed Points功能打开之后,XFdtd针对那一个零件做网格的调整,基本上会把网格线和网格点放在这个零件的边缘和各种几何特征的轮廓上,确保网格会完整并且确实的描述出这个零件的形状和各种几何特征以及轮廓所在位置而不发生偏移。

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  • 开启Fixed Points之后软件微调网格,让轮廓和网格线达到一致

不过在零件的数量众多,机构复杂的状况下,仍然可能因为网格分辨率不够或是优先度等问题,不一定能够完全的让网格线和网格点精确地落在轮廓上,这个部分就有赖用户进行更多微调,而XFdtd也有提供更多工具来让用户完成这工作。
 
除了上面提到的这几个最常用的网格剖分优化选项之外,XFdtd还提供了许多可用于调整网格的工具,有传统的Adaptive Mesh,也有针对个别几何特征做智慧型精细微调的选项,只要能够善用,就可以件建立出具备效能和精度的网格,让仿真的结果精确又不失去效能。

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