Die CST Studio Suite ist eine von mehreren Softwarepaketen, die in der SIMULIA Software Suite erhältlich sind. Durch SIMULIA wird das virtuelle Testen zur gängigen Praxis. Das führt zu einer verbesserten Produktleistung, reduziert die Anzahl der physischen Prototypen und treibt Innovation voran. Im Unterschied zu seinen Mitbewerbern ist die CST Studio Suite eine ganzheitliche Technologie, die über eine einzige Benutzeroberfläche den Zugriff auf mehrere Solver ermöglicht, darunter auch den robusten und multifunktionalen Time Domain Solver (siehe unten).

Wofür wird CST Studio Suite verwendet?

Die Solver der CST Studio Suite für elektromagnetische und multiphysikalische Anwendungen decken ein breites Spektrum von Industrieanwendungen ab: vom Bau von 5G MIMO-Antennengruppen bis hin zu MRT und Implantatsicherheit in der Medizintechnik. Mit der CST Studio Suite ist es möglich, das Verhalten elektromagnetischer Komponenten in der Praxis zu verstehen – noch bevor kostspielige, physische Prototypen erstellt werden müssen.

Benutzer der CST Studio Suite haben Zugriff auf die robustesten Simulationslösungen inklusive Anwendungen wie dem Time Domain Solver und Frequency Solver. Die elektromagnetischen Solver in CST sind in verschiedene Bereiche unterteilt: Hochfrequenz, Niederfrequenz, Multiphysics, Teilchen und EMC (Elektromagnetische Kompatibilität) & EDA (Electronic Design Automation).

Welche Solver sind in der CST Studio Suite enthalten?

Die CST Studio Suite enthält eine umfassende Auswahl an Lösungswerkzeugen für elektromagnetische und multiphysikalische Anwendungen. Hier finden Sie eine Liste der am häufigsten verwendeten Solver mit den häufigsten Anwendungen.

Hochfrequenz

Time Domain (Zeitbereich)

  • Leistungsstarker und vielseitiger 3D-Vollwellen-Solver mit FIT- (Finite Integration Technique) und TLM- (Transition Line Matrix) Implementierungen. Kann Breitbandsimulationen in einem einzigen Durchlauf durchführen. Geeignet für extrem große, komplexe und detaillierte Simulationen.
  • Zu den Anwendungen gehören allgemeine Hochfrequenz, transiente Effekte und 3D-Elektronik.

Frequency Domain (Frequenzbereich)

  • Leistungsstarker Mehrzweck-3D-Vollwellen-Solver auf der Grundlage der FEM (Finite-Elemente-Methode). Kann viele Komponententypen gleichzeitig simulieren und enthält eine MOR-Funktion (Model-Order-Reduction) zur Beschleunigung der Simulation von resonanten Strukturen.
  • Anwendungen sind allgemeine Hochfrequenzsimulationen in kleinen bis mittelgroßen Modellen, resonante Strukturen, Multi-Port-Systeme und 3D-Elektronik

Hybrid Solver

  • Verknüpft Time Domain, Frequency Domain, Integral Equation und Asymptotischen Solver für die hybride Simulation. Verarbeitet Projekte mit sehr breiten Frequenzbändern oder elektrisch großen Strukturen mit sehr feinen Details. Ermöglicht bidirektionale Verbindungen zwischen Solvern für eine genauere Simulation.
  • Zu den Anwendungen gehören kleine Antennen auf sehr großen Strukturen, EMV-Simulation und Simulation des menschlichen Körpers in komplexen Umgebungen.

Asymptotisch

  • Raytracing-Solver auf der Grundlage der SBR-Methode (Shooting Bouncing Ray). Kann Simulationen einer Größenordnung von mehreren Tausend Wellenlängen bewältigen.
  • Die Anwendungen umfassen sehr große elektrische Anlagen, die Streuungsanalyse installierter Antennen.

Eigenmodus

  • Auf Basis der AKS (Advanced Krylov Subspace)-Methode und der JDM (Jacob-Davidson)-Methode basierender 3D-Solver. Für den Einsatz bei hochresonanten Filterstrukturen, Kavitäten in Teilchenbeschleunigern mit hohem Q-Wert und langsamen Wellenstrukturen.
  • Zu den Anwendungen gehören Filter, Kavitäten, Metamaterialien und periodische Strukturen.

Filter Designer 3D

  • Synthesewerkzeug zur Entwicklung von Bandpassfiltern und Diplexern, erstellt 3D-Filtersysteme durch Baugruppenmodellierung.
  • Anwendungen: quergekoppelte Filter für verschiedene elektromagnetische Technologien, unterstützt den Filterabgleich.

Integralgleichung

  • 3D-Vollwellensolver, der auf der Momentenmethode basiert, mit MLFMM (Multilevel Fast Multipole Method). Hocheffiziente Simulation von elektrisch großen Objekten bei geringeren Rechenressourcen mit CMA-Funktion (Characteristic Mode Analysis), mit der die von einer Struktur unterstützten Eigenmoden berechnet werden.
  • Anwendungen sind unter anderem elektrisch große Strukturen, installierte Leistungen und Eigenschwingungsanalysen.

Multilayer

  • 3D-Vollwellen-Solver, der für die Simulation planarer Mikrowellenstrukturen optimiert ist.
  • Zu den Anwendungen gehören MMIC, die Netzwerke und Planarantennen speisen.

Low Frequency

Elektrostatik

  • 3D-Solver für die Simulation von statischen elektrischen Feldern. Für Anwendungen, bei denen es auf die elektrische Ladung der Kapazität ankommt.
  • Anwendungen umfassen Sensoren und Touchscreens, Stromversorgungsgeräte, Geräte mit geladenen Teilchen und Röntgenröhren.

Stationärer Strom

  • 3D-Solver zur Simulation des Flusses von Gleichstrom durch ein Gerät. Insbesondere bei verlustbehafteten Komponenten.
  • Anwendungen beinhalten Hochleistungsgeräte, elektrische Maschinen und PCB-Stromverteilungsnetze.

Magnetostatik

  • 3D-Solver zur Simulation statischer Magnetfelder. Geeignet für die Simulation von Magneten, Sensoren und elektrischen Maschinen, bei denen die transienten Effekte und Wirbelströme nicht erheblich sind.
  • Zu den Anwendungen gehören Sensoren, Motoren, Generatoren und Magnete zur Fokussierung von Teilchenstrahlen.

Niederfrequenz – Frequenzbereich

  • 3D-Solver zur Simulation des zeitharmonischen Verhaltens in Niederfrequenzsystemen, einsetzbar bei MQS (Magneto-Quasistatik), EQS (Elektro-Quasistatik) und Vollwellen-Implementierungen.
  • Anwendungsbereiche sind Sensoren und NDS (Non-Destructive Testing), RFID und drahtlose Energieübertragung sowie Energietechnik.

Niederfrequenz – Zeitbereich

  • 3D-Solver zur Simulation des transienten Verhaltens in Niederfrequenzsystemen, einsetzbar bei MQS (Magneto-Quasistatik), EQS (Elektro-Quasistatik) und Vollwellen-Implementierungen.
  • Die Anwendungen umfassen elektrische Maschinen und Transformatoren, Elektromechanik und Energietechnik.

Multiphysics

Thermal Steady State Solver

  • Kann die Temperaturverteilung in einem stationären System und die daraus resultierenden Auswirkungen auf die elektromagnetische Performance vorhersagen. Lässt sich nahtlos mit elektromagnetischen Solvern verbinden.
  • Zu den Anwendungen gehören hochleistungsfähige elektronische Komponenten und Geräte, medizinische Geräte und Bioheizungen

Thermal Transient Solver

  • Kann das zeitlich variierende Temperaturverhalten eines Systems und die daraus resultierenden Auswirkungen auf die elektromagnetische Leistung vorhersagen.
  • Anwendungsbereiche sind beispielsweise elektronische Hochleistungsbauteile, medizinische Geräte und Bioheizungen.

Solver für konjugierte Wärmeübertragung

  • Kann mit Hilfe von CFD ( Computation Fluid Dynamics) die Strömung und Temperaturverteilung in einem System vorhersagen.
    Zu den Anwendungen gehört die Kühlung von Elektronik.

Mechanischer Solver

  • Kann mechanische Spannungen und Verformungen von Strukturen vorhersagen, die durch elektromagnetische Kräfte und thermische Einflüsse verursacht werden. Entwickelt für die Verwendung mit EM- und thermischen Solvern.
  • Anwendungen umfassen die Verstimmung von Filtern, die Verformung von Leiterplatten und Lorentz-Kräfte bei Teilchenbeschleunigern.

Teilchen

Particle-in-Cell

  • Simulationsmethode zur Teilchenverfolgung, bei der sowohl die Teilchenbahn als auch die elektromagnetischen Felder im Zeitbereich berechnet werden.
  • Zu den Anwendungen gehören Beschleunigerkomponenten, Langsamläufer und Überlagerung mehrerer verschiedener Wellenlängen.

Teilchenverfolgung

  • 3D-Solver zur Simulation von Teilchenbahnen durch elektromagnetische Felder. Enthält mehrere Emissionsmodelle: feste, raumladungsbegrenzte, thermionische und Feldemission.
  • Anwendungen: Teilchenquellen, Fokussierungsmagnete, Magnete zur Strahlführung, Beschleunigerkomponenten.

Kielfeld

  • Solver, der die Felder um einen Teilchenstrahl berechnet.
  • Anwendungen sind u.a. Kavitäten, Kollimatoren und Strahlpositionsmonitore.

EMC & EDA

PCB Solver

  • PModul PCBs and Packages für SI (Signal-Integrität), PI (Leistungsintegrität) und EMC (Elektromagnetische Kompatibilität) Analysen auf PCBs (Leiterplatten).
  • Einfache Integration in den EDA-Designflow mit gängigen Layout-Tools von Cadence, Zuken und Altium.
  • CST Studio Suite enthält drei verschiedene Solver-Typen für Leiterplatten:
    • 2D Transmission- Line-Methode
    • 3D PEEC (Partial Element Equivalent Circuit)
    • 3D FEFD (Finite-Element Frequency-Domain))
  • Zu den Anwendungen gehören High-Speed-Leiterplatten, Gehäuse und Leistungselektronik.

Rule Check

  • EMC, (Elektromagnetische Kompatibilität), SI (Signalintegrität) und PI (Leistungsintegrität) Design Rule Check Software zur Automatisierung und SSI-Prüfung von Design Rules.

Die Anwendungen beinhalten EMV-, SI- und PI-Design-Rule-Checking

Cable Harness Solver

  • 3D-Analyse von SI (Signalintegrität), CE (leitungsgebundene Störaussendung), RE (gestrahlte Störaussendung) und EMS (elektromagnetische Verträglichkeit) von komplexen Kabelstrukturen in elektrisch großen Systemen.
  • Anwendungen umfassen allgemeine SI (Systemintegrität) und EMC (Elektromagnetische Kompatibilität), Kabelbaumauslegung in Fahrzeugen und Flugzeugen sowie Hybridkabel in der Unterhaltungselektronik.

Wie kann man in CST Studio Suite Daten austauschen?

Datenimportfunktionen der CST Studio Suite sind hinlänglich bekannt. Dank der fortschrittlichen Korrekturmechanismen kann die Integrität fehlerhafter oder nicht konformer Daten wiederhergestellt werden. Dies ist besonders wichtig, da schon ein einziges beschädigtes Element die Verwendung der gesamten Komponente verhindern kann.

Mithilfe der bidirektionalen Schnittstelle zwischen CAD und Simulation können vollständig parametrisierte Modelle importiert werden, und Designänderungen werden schnell in das Simulationsmodell übernommen. Dadurch wird gewährleistet, dass die Ergebnisse von Optimierungen und parametrischen Designstudien problemlos in das Master-Modell zurückimportiert werden können. Dies verbessert die Workflow-Integration und verringert den Zeit- und Arbeitsaufwand für die Designoptimierung.

Diese CAD-Formate werden unterstützt: CATIA, SOLIDWORKS, STEP, ACIS SAT/SAB, PTC Creo, Siemens NX, Parasolid, Solid Edge, Inventor, Keysight ADS, Conventor Ware, Sonnet, IGES, VDAFS, STL, Object File, Voxel Data, Mecadtron, Microstripes, NASTRAN, ANSYS HFSS, DXF, GDSII, GERBER (single, multilayer)

Unterstützte EDA-Formate: Keysight ADS, Altium, ODB++, CADENCE Allegro, Mentor Graphics, SimLab, Zuken.

Was für Optionen zur Optimierung sind in CST Studio Suite verfügbar?

Mit den automatischen Optimierungsroutinen der CST Studio Suite können Benutzer das Verhalten von elektromagnetischen Systemen und Geräten analysieren, wenn sich deren Eigenschaften ändern. CST Studio Suite verfügt sowohl über lokale als auch über globale automatische Optimierungsalgorithmen. Lokale Optimierer ermöglichen eine schnelle Konvergenz, laufen jedoch Gefahr, gegen ein lokales Minimum zu konvergieren. Andererseits durchsuchen globale Optimierer den gesamten Problembereich, erfordern aber in der Regel umfassendere Berechnungen.

CST Studio Suite beinhaltet folgende Optimierer:

CMA-ES (Kovarianz-Matrix-Adaptations-Evolutionsstrategie)

  • Dieser am weitesten entwickelte globale Optimierer weist eine schnelle Konvergenz auf. Er kann sich frühere Iterationen „merken“, wodurch sich nicht nur die Leistung des Algorithmus verbessert, sondern auch lokale Optima vermieden werden können.
  • Geeignet für allgemeine Optimierung, insbesondere bei komplexen Problemdomänen.

TRF (Trust Region Framework)

  • Leistungsstarker lokaler Optimierer, der basierend auf Primärdaten ein lineares Modell in einem „vertrauenswürdigen“ Bereich um den Ausgangspunkt herum aufbaut.
  • Geeignet für allgemeine Optimierung, insbesondere bei Modellen mit Sensitivitätsinformationen.

Genetischer Algorithmus

  • Generiert zufällige Parameter zur Verfeinerung von Optimierungen durch iterative, “natürliche Auswahl.”
  • Geeignet für komplexe Problemdomänen und Modelle mit vielen Parametern.

Partikelschwarmoptimierung

  • Globaler Optimierer, der Punkte im Parameterbereich als sich bewegende Partikel behandelt. Verfeinert die Partikelposition nicht nur abhängig von der besten bekannten Position eines jeden Partikels, sondern auch in Abhängigkeit der besten Position des gesamten Partikelschwarms.
  • Geeignet für Modelle mit vielen Parametern.

Nelder Mead Simplex Algorithm

  • Lokale Optimierungsmethode, bei der mehrere Punkte über den Parameterbereich verteilt sind. Er ist ist weniger abhängig vom Ausgangspunkt als die meisten lokalen Optimierer.
  • Geeignet für komplexe Problemdomänen mit relativ wenigen Parametern, Systeme ohne gutes Anfangsmodell.

Interpoliertes Quasi-Newton-Verfahren

  • Schnell konvergierender lokaler Optimierer, der sich mittels Interpolation dem Gradienten des Parameterbereichs annähert.
  • Geeignet für rechenintensive Modelle.

Klassisches Powell-Verfahren

  • Ein einfacher wie robuster lokaler Optimierer für Einzelparameter-Probleme. Er ist zwar langsamer als das interpolierte Quasi-Newton-Verfahren, übertrifft dieses zuweilen bei der Genauigkeit.
  • Geeignet für Einzelvariablen-Optimierung.

Decap Optimierer

  • Spezieller Optimierer für Leiterplatten. Er berechnet die effektivste Platzierung von Entkopplungskondensatoren mithilfe des Pareto-Optimums. Kann verwendet werden, um die Anzahl der benötigten Kondensatoren zu senken und dennoch die angegebene Impedanzkurve zu erreichen.
  • Geeignet für Leiterplattenlayout.

Nach unserer Erfahrung…

Wenn Sie für bestimmte komplizierte Mehrkomponentensysteme eine höhere Berechnungseffizienz benötigen oder bauliche und thermische Einschränkungen berücksichtigen müssen, sind für bestimmte Konstruktionen möglicherweise mehrere Solver erforderlich. Die CST Studio Suite ist in der Lage, auch komplexe Co-Simulationen und Analysen parallel durchzuführen.
CST Studio Suite bietet eine einzige Benutzeroberfläche für Simulationen mit mehreren Solvern und Multiphysics unter Verwendung von System Assembly and Modeling (SAM).
Ingenieure können schnell und genau erfassen, welche Leistungen Einzelkomponenten erzielen, indem sie ihre Konstruktionen in komplizierten Szenarien bei optimaler Rechengeschwindigkeit und unter Einbeziehung zahlreicher Parameter testen, bevor die Komponenten in die Fertigungsphase der Entwicklung eintreten.

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Entdecken Sie, wie Emmanouil Trachanas und seine Kollegen von der European Spallation Source CST Studio in der Simulation von Teilchenbeschleunigern einsetzen.

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