电磁仿真中的网格技术详解：CST网格化方法与优化策略

电磁仿真中的网格技术详解：CST网格化方法与优化策略

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/DongDong314/article/details/139204955

在电磁仿真领域，网格技术是决定仿真准确性和效率的关键因素。CST Studio Suite作为一款领先的仿真软件，提供了多种网格类型和自动网格化技术。本文将详细介绍CST中的网格化方法，包括六面体网格、四面体网格、表面网格以及自动网格化技术，并通过对比不同网格方法的优劣，帮助读者更好地理解如何在实际仿真中选择合适的网格策略。

1. 简介

网格会影响仿真的准确性和速度，花时间理解网格化过程是很重要的。
CST 中可用的数值方法包括FIT、TLM、FEM、MoM，使用不同类型的网格：
FIT和TLM：六面体
FEM：四面体、平面
MoM：表面
CFD：八叉树
CST六面体网格： 通常，六面体网格不符合材料的突变；请注意，这并不是必需的，因为CST提供了完美边界近似（PBA）和薄板技术（TST），与FIT方法结合使用在六面体网格上。 TLM求解器提供了一个非常高效的基于八叉树的网格化算法，这大大减少了总的单元数量。 无论是FIT还是TLM六面体网格化都非常稳健，即使是对于最复杂的导入几何体。
CST四面体和表面网格： 符合实体边界，因此符合材料的突变。 自适应网格细化方案可以有效地应用于非结构化网格。 请注意，使用四面体网格可能需要特别注意：有时CAD模型的不准确性最终会在网格中显现出来。在极少数情况下，这种不准确性甚至可能中断网格生成。在这些情况下，CST网格生成器会提供关于网格化结果的广泛反馈。
通过比较验证： 在许多情况下，对于同一个问题使用不同的网格是有益的。结果的比较为您的数值结果提供了额外的有效性检查。 请注意，这不是一个耗时的任务。与使用不同的软件工具进行验证相比，可以在同一CST软件中使用不同的求解方法，而无需再次设置计算模型！

2. 网格介绍

2.1 六面体网格

• 六面体网格通常不符合材料的突变，但这并不是必需的，因为CST提供了完美边界近似（PBA）和薄板技术（TST），与有限积分法（FIT）方法结合使用在六面体网格上。
• TLM求解器提供了一个基于八叉树的高效网格化算法，这可以大幅减少总的单元数量。
• FIT和TLM六面体网格化对于最复杂的导入几何体都非常稳健。
  PBA 和 TST 这两种技术都有助于减少总网格点的数量，避免极端小的网格步长，从而对总仿真时间产生积极影响。

2.2 四面体和表面网格

• 四面体和表面网格符合实体边界，因此也符合材料的突变。
• 自适应网格细化方案可以有效地应用于非结构化网格。
• 使用四面体网格时需要特别注意，有时CAD模型的不准确性最终会在网格中显现出来。在极少数情况下，这种不准确性甚至可能中断网格生成。在这些情况下，CST网格生成器会提供关于网格化结果的广泛反馈。

2.3 尝试对比

• 在许多情况下，对于同一个问题使用不同的网格是有益的。结果的比较为您的数值结果提供了额外的有效性检查。
• 对比操作并不耗时。与使用不同的软件工具进行验证相比，可以在同一CST软件中使用不同的求解方法，而无需再次设置计算模型。

3. PBA 介绍

CST软件中不同技术在计算第四个特征值误差时的表现。
横轴：波长的网格线数量。
纵轴：特征值误差（eps）。
以下是图中四种技术的详细分析：
Staircase（阶梯法）

• 从图中可以看出，Staircase方法的误差随着网格线数量的增加变化不大，始终保持在一个较高的水平，大约在0.01到0.02之间。
• 这种方法误差较大，即使增加网格线数量，精度也不会明显提高。

FPBA – Fast Perfect Boundary Approximation（快速完美边界近似）

• FPBA方法的误差随着网格线数量的增加而逐渐减小，但减小幅度较慢。
• 在网格线数量较多时，误差降低到0.001左右，但相比其他方法，精度提升不明显。

PBA – Perfect Boundary Approximation（完美边界近似）

• PBA方法在增加网格线数量时，误差显著减小。
• 在网格线数量超过40时，误差已经低于0.0003，说明此方法精度较高。

EFPBA – Enhanced Accuracy FPBA（增强精度的快速完美边界近似）

• EFPBA方法的误差随着网格线数量的增加迅速减小。
• 在网格线数量达到60时，误差低于0.0002，是四种方法中精度最高的。
• 显示出EFPBA在提高计算精度方面的显著优势。

EFPBA在精度上表现最佳，其次是PBA，然后是FPBA，而Staircase方法的精度最差。

4. 自动网格

4.1 专家系统

会识别出结构中的关键特征，自动化创建网格。这个网格能够准确地表示结构和电磁场的分布。
系统会考虑到诸如频率范围、介电常数和金属边缘等因素。系统会自动处理这些，工程师也可以手动调整某些特定形状的网格属性。使用项目模板可以更快地创建网格。

4.2 自适应网格细化

自适应网格细化是一个可以替代专业知识的工具。它通过多次运行仿真并评估结果来工作。系统通常会找到电磁场集中或变化剧烈的区域，并在这些区域进行更精细的网格划分。如果仿真结果的误差低于预设的精度要求，那么细化过程就会停止。这种方法虽然会消耗更多的仿真时间，但可以提高初始解决方案的准确性。由于 CST 的专家系统在开始时就能保证一个合理的初始网格，所以通常不需要太多的迭代就能得到满意的结果。

4.2.1 高频类

Delta S量被定义为两次连续迭代之间S参数的最大偏差。该偏差是通过确定复平面中相应曲线之间的实际距离来计算的，而不仅仅是进行逐频比较。因此，谐振频率的微小变化仅会引起微小差异。此外，应用了一个加权函数，减少了在远离频带中心的频率上的错误贡献。

当S参数收敛时，Delta S值降至某一限制值以下（默认为2%）时，网格适应停止。最大Delta S参数确定自适应过程的所需精度。当当前Delta S值降至此限制以下时，适应将终止。还可以通过设置相应值来强制网格适应执行最少次数的迭代。此外，可以指定最大迭代次数作为终止标准。一旦达到指定的最大迭代次数，无论实际Delta S值如何，网格适应将停止。

4.2.2 低频类

Errorlimit参数确定自适应过程的所需精度。当两次连续迭代之间的能量偏差降至此限制以下时，适应将终止。您还可以通过设置相应值来强制网格适应执行最少次数的迭代。此外，可以指定最大迭代次数作为终止标准。一旦达到指定的最大迭代次数，无论实际能量偏差如何，网格适应将停止。

5. 总结

在CST Studio Suite中，网格化是仿真准确性和速度的关键因素。FIT和TLM使用六面体网格，而FEM和MoM分别使用四面体和表面网格。六面体网格通过PBA和TST技术优化，而四面体网格则适应实体边界。自适应网格细化进一步提高了仿真的精确度，尤其是在电磁场集中或变化剧烈的区域。通过比较不同网格的结果，可以在不重新设置模型的情况下，在CST内部进行有效性检查，从而节省时间并提高效率。