نرم افزار CST : آموزش ترفندها و نکات شبیه‌سازی

اگر به تازگی رشته مهندسی برق را شروع کرده‌اید، احتمالا نام نرم افزار CST را شنیده‌اید. آیا می‌دانید این نرم‌افزار چه کاربردی دارد؟ بخشی از کارگاه لذت شبیه‌سازی با CST‌ را ببینید. میثم سروری در این بخش از کارگاه آموزشی، نرم افزار CST را معرفی می‌کند.

در این راهنما، قدم به قدم با نرم افزار CST آشنا می‌شویم. از نحوه تهیه و نصب نرم‌افزار، تا مراحل انجام یک پروژه کامل، توضیح داده می‌شود.

با مطالعه دقیق این راهنما، شما…

1. با ماژول‌های مختلف CST و کاربرد هرکدام آشنا می‌شوید
2. روش ایجاد یک پروژه و حل یک مساله را فرا می‌گیرید
3. به منابع آموزشی متنوع آموزشی دسترسی پیدا خواهیدکرد
4. با نرم‌افزار Antenna Magus‌ برای طراحی سریع آنتن آشنا می‌شوید

برای دوستانی که به دنبال منابع آموزشی هستند، منابع مختلف متنی و ویدیویی معرفی می‌شود. این منابع آموزشی بعضا به زبان انگلیسی هستند. منابع فارسی و بومی‌شده هم وجود دارد که در این راهنما معرفی خواهند شد.

در واقع شما بعد از مطالعه این راهنما، با نرم افزار CST و امکانات و توانمندی‌های آن آشنا می‌شوید. اگر به مطالب ذکر شده دقت کنید و منابع ذکر شده را مطالعه کنید، خواهید توانست به‌راحتی یک پروژه را به‌طور کامل انجام دهید. این مطالب شامل آموزش‌های رایگان هم است!

از آنجاکه این متن شامل مطالب بسیار زیادی است، برای راحتی دسترسی شما، این مطالب دسته‌بندی شده‌اند. در فهرست زیر با کلیک روی هر عنوان، به همان بخش هدایت می‌شوید:

مجموعه نرم‌افزاری CST STUDIO SUITE دارای ۷ ماژول قدرتمند است که در محیطی یکپارچه با هم در ارتباط هستند. نرم افزار CST با استفاده از این ماژول‌ها، تمام مسایل الکترومغناطیس از استاتیک تا فرکانس‌های بالا و تراهرتز را پوشش می‌دهد. شبیه‌سازی ادوات نوری از دیگر کاربردهای این ماژول‌ها است. مسایل مکانیکی مرتبط با الکترومغناطیس مانند حرارت، تنش و… هم قابل تحلیل و شبیه‌سازی است.

در اینفوگرافیک زیر، این ۷ ماژول را به‌همراه توضیح مختصری از کاربرد آن‌ها مشاهده می‌کنید:

حالا که با هر ۷ ماژول نرم افزار CST آشنا شدید، می‌خواهیم نمونه‌هایی از کاربرد عملی هر ماژول را در طراحی و شبیه‌سازی ساختارها بررسی کنیم. در ادامه به ذکر نمونه‌هایی از کاربرد هریک می‌پردازیم:

 ۱- ماژول Microwave Studio

آنتن‌ها، مدارات و ادوات مایکروویو، محاسبات سطح مقطع راداری، آنالیز SAR، ساختارهای متناوب و نوری با این ماژول تحلیل می‌شوند. همچنین طیف فرکانسی چند کیلوهرتز تا فرکانس‌های تراهرتز و نوری را پوشش می‌دهد.

۲- ماژول EM Studio

ادوات الکترومکانیکی، مسایل ولتاژ و جریان بالا، طراحی آهنربا، سنسورها، شیلدینگ و EMC، الکترونیک قدرت را شبیه‌سازی کنید. کاربردهای DC و استاتیک تا فرکانس‌های چند مگاهرتز با این ماژول بررسی می‌شوند.

۳- ماژول Particle Studio

هر کاربرد مربوط به ذرات مانند المان‌های شتاب‌دهنده، کاربردهای فضایی، ادات الکترونیکی خلا، بیم نوری را شامل می‌شود.

۴- ماژول Multiphysics Studio

مسایل انتقال حرارت، تنش‌های مکانیکی و حل معادلات گرما، نیرو و گشتاور را اینجا انجام دهید.

۵- ماژول Design Studio

شبیه‌سازی مدارات الکترونیک و فرکانس بالا در محیط شماتیک و همچنین Co-Simulation با این ماژول انجام می‌شود.

۶- ماژول Cable Studio

انواع کابل‌ها، دسته کابل و هارنس را با این ماژول آنالیز کنید. اثرات کوپلینگ و Cross Talk کابل‌ها در یک دسته را با این ماژول بررسی کنید.

۷- ماژول PCB Studio

آنالیز SI و PI، بررسی قوانین طراحی PCB را با دقت بالایی انجام دهید. این ماژول قابلیت Import فرمت‌های مختلفی را دارد.

نرم افزار CST را از کجا تهیه کنم؟

شاید یافتن نسخه مناسب این نرم‌افزار که به‌درستی کار کند و امکانات لازم را در اختیارتان بگذارد، یکی از دغدغه‌های شما باشد. در اینجا به نحوه تهیه نرم افزار CST می‌پردازیم:

۱- دانلود نرم افزار CST نسخه دانشجویی

نسخه اصلی نرم افزار CST را می‌توانید از سایت شرکت CST خریداری کنید. البته قیمت بسیار زیاد این نرم‌افزار کاربردی، تصمیم شما را عوض خواهد کرد!

شرکت CST یک نسخه دانشجویی هم در سایت ارائه می‌کند و به‌صورت رایگان در اختیار شما قرار می‌دهد. این نسخه نسبت به نسخه کامل محدودیت‌هایی دارد، اما برای پروژه‌های دانشجویی کافی به نظر می‌رسد. مثال‌های متنوعی هم در سایت CST برای نسخه دانشجویی ارائه‌شده است.

نسخه دانشجویی نرم افزار CST را می‌توانید از اینجا دانلود کنید.

مشخصات و محدودیت‌های نسخه دانشجویی

• حل‌کننده‌های قابل‌استفاده: Time Domain و Frequency Domain و Low Frequency و Static و Thermal
• حداکثر تعداد مش ۳۰۰۰۰ عدد برای هگزاهدرون‌ها و ۱۰۰۰۰ برای تتراهدرون‌ها
• مدل ساختار می‌تواند حداکثر ۵۰۰ وجه داشته باشد
• عدم پشتیبانی از شرایط مرزی Periodic و Unit Cell
• این نسخه شامل شبیه‌ساز مداری نیست
• غیرفعال بودن بهینه‌سازی
• ویرایشگر ماکرو VBA وجود ندارد

۲- دانلود نرم افزار CST نسخه کرک‌شده

سایت‌های زیادی هستند که نسخه کرک‌شده این نرم‌افزار را ارائه می‌کنند. یک جستجوی ساده در گوگل با کلید واژه دانلود نرم افزار CST نتایج زیادی را برایتان نمایش می‌دهد. از آنجاکه منبع تمام این سایت‌ها یکی است، دیگر فرقی ندارد که از کجا دانلود کنید.

روش نصب و کرک نرم افزار CST‌ بسیار ساده است. تقریبا در تمام نسخه‌ها به یک روش انجام می‌شود. در فیلم آموزشی زیر، نحوه نصب و راه‌اندازی نرم افزار CST به‌طور کامل توضیح داده شده‌است. برای پخش با کیفیت مناسب، بر روی علامت چرخ‌دنده در پایین تصویر کلیک کنید و ۷۲۰p را انتخاب کنید:

اکثر آموزش‌هایی که در اینترنت وجود دارد، به زبانی غیر از فارسی تهیه‌شده است. با جستجو در اینترنت، سایت‌هایی را می‌توانید پیدا کنید که آموزش‌هایی با فرمت متن یا فیلم ارائه می‌کنند. اگر به زبان انگلیسی تسلط کافی دارید، استفاده از این منابع توصیه می‌شود. در ادامه برخی از سایت‌هایی که آموزشهای با کیفیتی ارائه می‌دهند را معرفی می‌کنیم.

دسترسی سریع به آموزش ۰ تا ۱۰۰ نرم افزار CST – تعدادی از دروس آموزش ۰ تا ۱۰۰ نرم افزار CST را در ادامه ببنید. با کلیک روی هر درس، متن کامل آن را مشاهده می‌کنید:

در حالت کلی مراحل انجام پروژه در نرم افزار CST را می‌توان به شش بخش تقسیم کرد. به‌عبارت دیگر، از ایجاد یک پروژه جدید تا دریافت خروجی‌های شبیه‌سازی، شش مرحله وجود دارد. این مراحل در اینفوگرافیک زیر به وضوح قابل مشاهده است.

جایی‌که امکان آزمون و خطا برای ساخت و تست وجود ندارد، استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی بهترین گزینه هستند. در دنیای مهندسی حتما نام شرکت‌های بزرگی مانند ایرباس و زیمنس را شنیده‌اید. این شرکت‌ها برای طراحی و شبیه‌سازی محصولات خود از نرم افزار CST استفاده می‌کنند.

شرکت زیمنس: بهینه‌سازی ترانسفورماتورهای قدرت

ارائه راه حل‌های سریع برای ترانسفورماتورهای ولتاژ بالای جریان DC با توان‌های بیش از ۲۰۰MVA کاری بسیار پیچیده و سخت است. شبیه‌سازی الکترومغناطیس سه‌بعدی با استفاده از نرم‌افزار CST EM Studio یک ابزار حیاتی برای بهینه‌سازی مراحل طراحی و ساخت ترانسفورماتور است.

در پروسه طراحی ترانسفورماتورهای قدرت، مشخصه‌های مکانیکی، الکترومغناطیسی و حرارتی ساختار باید در نظر گرفته شود. انجام تست‌های لازم برای هر ترانسورماتور ساخته‌شده، ممکن است سال‌ها به‌طول بیانجامد. اینجاست که اهمیت نرم‌افزارهای شبیه‌سازی مشهود می‌شود.

انتخاب حل‌کننده صحیح

نرم‌افزار CST EM Studio دارای حل‌کننده‌های عددی متنوعی برای مسایل مختلف است. حل‌کننده مغناطیسی شبه استاتیک (Magneto Quasi-Static) برای محاسبات تلفات القایی الکترومغناطیس استفاده می‌شود.

هسته آهنی، بازوها، سیم پیچ و عایق آن، قلب ترانسفورماتور را تشکیل می‌دهد. میدان‌های مغناطیسی نشتی، باعث ایجاد تلفات الکترومغناطیس در اطراف بخش‌های فلزی می‌شوند. شبیه‌سازی این بخش به کاهش تلفات با اندازه مناسب شیلدینگ یا تغییر موقعیت هادی‌ها بسیار کمک می‌کند.

اهمیت شبیه‌سازی ولتاژ بالا، پروسه ساخت و همچنین محاسبه تلفات الکترومغناطیسی بسیار زیاد است. برای شبیه‌سازی این موارد از حل کننده حوزه زمان فرکانس پایین EM Studio استفاده می‌شود. برای محاسبه دقیق عمق پوستی از المان‌های مرتبه ۲ استفاده می‌شود.

ملاحظات دمایی هم ار دیگر موارد بسیار مهم در طراحی ترانسفورماتورهاست. توزیع تلفات که در شبیه‌سازی فرکانس پایین بدست آمده‌است، به‌عنوان یک منبع حرارتی در حل‌کننده حرارتی CST MPHYSICS Studio استفاده می‌شود. این تبدیل تلفات از میدان الکترومغناطیسی به حرارت، در یک محیز و روی یک مدل انجام می‌شود.

شرکت ایرباس: آنالیز اتاق تست EMC

تست‌های اتاق بدون اکو (مشابه اتاق آنتن) برای بررسی رفتار تطبیق‌پذیری الکترومغناطیسی (EMC) دستگاه‌ها به‌کار می‌رود. از آن‌جاکه محصولات شرکت ایرباس، معمولا کاربری نظامی دارد لذا باید استاندار MIL-STD-461 را کاملا رعایت کنند. این اسناندارد یک ستاپ تست دقیق در چمبر شامل جاذب‌ها، میز کار و سیستم زمین مناسب را تعیین می‌کند.

تست طراحی‌های مختلف و حالات مختلف در چمبر بسیار زمان‌بر است. معمولا زمان کافی هم برای این تست‌ها فراهم نیست. لذا شرکت ایرباس تصمیم گرفت که این تست‌ها را به‌صورت مجازی، با استفاده از شبیه‌سازی الکترومغناطیسی انجام دهد.

دو نوع آنتن مختلف در بازه فرکانسی ۲MHz تا ۲۰۰MHz برای اندازه‌گیری تشعشعات توسط DUT (وسیله تحت تست) استفاده می‌شود. یک آنتن میله‌ای برای فرکانس تا ۳۰MHz و یک آنتن بایکونیک برای فرکانس‌های بیشتر از ۳۰MHz که هر دو در فاصله ۱ متری از DUT قرار می‌گیرند. شکل بالا، ستاپ تست چمبر مجازی را برای فرکانس‌های بالای ۳۰MHz که برای دو استاندارد MIL-STD-461E و MIL-STD-461F طراحی شده‌است نشان می‌دهد.

از حل‌کننده حوزه فرکانس (F-Solver) برای مدل کردن چمبر تست استفاده شده‌است. این حل‌کننده برای حل سریع و دقیق چمبر تست در فرکانس پایین مناسب است؛ حل‌کننده F-Solver قادر است تلفات را هم در فلزات و هم در جاذب‌ها و فریت‌ها محاسبه کند.

با استفاده از ابزار طراحی شماتیک، مدل سه‌بعدی چمبر به مدل‌های تحلیلی کابل متصل می‌شود تا محیط واقعی ستاپ تست مدل شود. به‌این‌ترتیب نتایج محاسبه پارامترهای S برای اتاق تست و آنتن، تحریک سیستم با سیگنال AC و نرمالیزه‌کردن نتایج فراهم می‌شود.

نتایج شبیه‌سازی و اندازه‌گیری بسیار نزدیک بود. شبیه‌سازی نه تنها فرکانس‌های پیک شدت میدان بلکه دامنه میدان را هم به درستی محاسبه کرده‌بود. همانطور که انتظار می‌رفت، نتایج شبیه‌سازی نشان داد در فرکانس‌های پایین، دو استاندارد نتایج یکسانی دارند. اما در فرکانس‌های بالا نتایج متفاوت می‌شود. این اختلاف، در اندازه‌یگری هم مشاهده شد.

نرم‌افزار Antenna Magus اولین نرم افزار طراحی آنتن است که بوسیله آن می‌توانید به‌راحتی آنتن دلخواه خود انتخاب کرده و با تغییر پارامترهای فیزیکی و الکتریکی، به مشخصات مورد نظر برسید. با استفاده از نرم‌افزار Antenna Magus می‌توانید بیش از ۳۰۰ مدل آنتن را بسیار سریع طراحی کنید. از مزایای این نرم‌افزار خروجی‌های با فرمت CST و FEKO است.

فیلمی که در ادامه مشاهده می‌کنید، این نکته را روشن می‌کند که چرا یک مهندس مخابرات باید کار با نرم‌افزار Antenna Magus را بلد باشد!