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Maxwell 和Simplorer R17 新功能介绍

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Maxwell 和 Simplorer R17 新功能介绍

ANSYS Inc

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Maxwell R17 Highlights/亮点

• Maxwell Integration to ANSYS Electronics Desktop集成化的电磁产品平台

• Time Decomposition Method时间分解法• Model‐Based HiL/SiL基于模型的HiL/SiL• Magnetic harmonic (Eddy Current) solver enhancements扩大的涡流场

求解器• Enhanced flow for Magnetization and Demagnetization增强的充磁和退

磁功能• Multiphysics多物理场• Miscellaneous features 其他功能• Specialized Mesh Topologies特征化的剖分算法• New Licensing Configuration新的License配置方式

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Simplorer R17 Highlights/亮点

SPICE

VHDL-AMS

Integration withEmbedded ControlIntegration with

Embedded ControlMulti‐Domain Component

LibrariesMulti‐Domain Component

Libraries

Connections with3‐D Physics

Connections with3‐D Physics

Functional Mockup Interface

Standards‐BasedInteroperabilityStandards‐BasedInteroperability

Modeling Languages& Formats

Modeling Languages& Formats

支持Modelica

用于电气化系统的新模型库

改进的 ROM 和耦合界面

支持最新的FMI 标准

持续改进功能和易用性

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Maxwell 和 Simplorer集成到 ANSYS 电子产品平台中

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• 一个平台包含多个不同类型的设计• Simplorer, Maxwell, Maxwell circuit 

Editor, RMxprt, Q3D, HFSS• 系统/电路与3D之间的无缝数据链接

和耦合• 预订义的Simplorer配置,使其有独特

的外观和操作感

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Maxwell 自动转换到新的项目文件格式

R16 及以前的文件格式(.mxwl)

R17 (.aedt)

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Simplorer 自动转换到新的项目文件格式

R16 及以前的文件格式(.asmp)

R17 (.aedt)

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Time Decomposition Method for Electromagnetic Finite Element Analysis

用于电磁场有限元分析的时间分解法TDM

Patent Pending

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TDM 介绍

• 新方法: 沿着时间轴上的区域分解法,可以让用户不用再一个一个时间点按序求解,而是同时求解多个时间点

• 用户可以使用:

单个计算单元

多个计算单元

cluster 虚拟云

t0 t1 t2 t3 t4 t_end…

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TDM 介绍

TDM可以用于分析2D和3D的任意瞬态磁场问题(旋转电机、变压器等),包括:

‐ 涡流

‐ 非线性材料

‐ 铁耗

TDM算法对精度没有影响:TDM计算结果与原来的按序瞬态求解完全吻合。

TDM算法加速支持任何种类的硬件配置,可以使用eHPC加速

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Time Domain Method – TDM描述

FEM MatrixSimultaneous Simulation 

…T1 Tk

T1

T2

T3

T(k‐2)

T(k‐1)

T(k)

k – 仿真时间步数n – 并行分布任务数

Matrix Size 

X k

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多级HPC加速和加大求解规模

Level 1 (MPI)DistributedTime Steps

Level 2 (MP)Multi‐Processing

…T1 Tk

k – 仿真时间步数n – 并行分布式任务数

k

n

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3D 感应电动机

50,000 网格 81,000 自由度

1 GB RAM 375 个时间步

节点X处理器 总处理器 任务数

子任务数

DOFs/Subdiv. 求解时间 加速比

1X8 8 ‐ ‐ 81k 7h05min ‐

4X8 32 32 4 7.53Mil 1h06min 6.34

16X8 128 128 3 10.1Mil 22min30s 19

Boxes:4 BoxesEach box has 12cores/64 GB RAM

Cluster:Cluster with 8 nodesEach node has 16cores/128 GB RAM

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同样的三维感应电机加速效果

2006

Maxwell 3D v11

240,000 网格数

75 分钟/时间步

总共约19.5天

2011

Maxwell 3D v14

95,000网格数

13 分钟/时间步

总共约4天

2014

Maxwell 3D R15

95,000网格数

3 分钟/时间步

总共约20小时

2015

Maxwell 3D R16

50,000网格数

75 秒/时间步

总共约8小时

ANSYSAnsoft

2016

Maxwell 3D R17

50,000网格数

3.6 秒/时间步

总共约22.5分钟

10年1250倍加速

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8kW BLDC 电动机 2000 rpm

节点X处理器 总处理器 任务数

子任务数

DOFs/Subdiv. 求解时间 加速比

1X8 8 ‐ 1 0.46Mil 26hours42min ‐

4X8 32 32 16 14.26Mil 3h09min 8.5

8X8 64 64 8 28.98Mil 2h03min 13

16X8 96 128 4 58.42Mil 1h32min 17.4

16X15 240 240 2 117.3Mil 1h17min 20.8

Boxes:4 BoxesEach box has 12cores/64 GB RAM

Cluster:Cluster with 8 nodesEach node has 16cores/128 GB RAM

226,000 网格 460,000 自由度

7 GB RAM 500 个时间步

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2D 大型发电机

12meters200,000 网格 400,000 自由度

0.8 GB RAM 1700 个时间步

Boxes:4 BoxesEach box has 12cores/64 GB RAM

Box:box has 12cores/64 GB RAM

节点X处理器 总处理器 任务数

子任务数

DOFs/Subdiv. 求解时间 加速比

1 1 ‐ 1 0.4Mil 13hours04min ‐

1X8 8 8 40 34Mil 3h59min 3.3

4X8 32 32 4 340Mil 2h27min 5.33

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Model‐Based HiL/SiL基于模型的HiL/SiL

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基于有限元模型的HiL/SiL

嵌入式软件分析环境,需要基于电磁场有限元分析的高保真度的部件模型,以保证电子控制单元ECU分析的质量和可靠性

优势:− 生产原型之前先进行虚拟原型设计− 建立软件在环数字模型,结合嵌入式代码,进行完整的驱动拓扑算法仿真,改善控

制性能− 建立硬件在环用数字模型,通过实时仿真评估ECU性能

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硬件在环测试

Real‐Time Simulation

Real System

Functional System Model

General Purpose Inverter Controller

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仿真时间步长于相对误差之间的关系

Image courtesy Prof. Reza Iravani, University of Toronto

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集成Maxwell有限元分析模型的NI

Advanced Electronic and Mechatronic Devices andComponents Exhibition ‐ Techno‐Frontier Japan, Chiba,May 20‐22, 2015

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Maxwell快速输出数字模型

Winding model

3-phase model

Rotation model

静态参数化分析 瞬态分析扫描参数 282,091 2,205加速比 128x Faster

案例:三相永磁电动机

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直线运动和变压器的数字模型

• 直线运动和变压器的数字模型等– ECEW_Model: one winding model– ECE3_Model: three‐phase model– ECER_Model: rotation model– ECEL_Model: linear motion model– ECET_Model: transformer model

• ECE 模型格式– Simplorer model in file .sml– Look‐up table output

Transformation

(ia, ib, ic)(ia, ib, ic)

FEA

(a, b, c)(a, b, c)

Transformation

(a, b, c)(d, q, 0)(Ld, Lq, m)

(id, iq)(i, i)(im, )

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与Simulink的瞬态协同仿真

Non conservative approach: coupling based on source quantity exchange between Maxwell transient and Simulink, not parameters (ROM)• Design control validation using either 2D or 3D• Software-in-the-Loop• Model-in-the-Loop

Simulink Maxwell

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Magnetic Harmonic (Eddy Current) Solver 

Enhancements改善涡流场求解器功能

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Maxwell涡流场支持非线性材料

Saturable materials can be used in the Eddy current solver:

‐ Enter BH curve the same way as in Transient solver

‐ Maxwell will iterate the determine the equivalent operating point

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Winding setup is the same as transient except additional phase input

二维和三维涡流场求解器支持绕组设置

New Winding Definition

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二维和三维涡流场求解器支持绕组设置

• R16 and before: only current sources were possible

• R17: voltage source, circuit coupling available

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涡流场支持GPU加速

GPU only kicks in where there are more than 2 Million unknowns

Using GPU consumes 1 HPC pack

The option needs to be selected in the HPC and Analysis Option panel

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涡流场支持GPU加速

Example: High permeable/conductive core

2.07 Million elements

3.51 Million unknowns

Solve time (8 cores): 40min 52

Solver time (8cores + 1 GPU): 20min26

In general, expected speed up is between 1.5 to 2 using one GPU

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Enhanced flow for Magnetization and Demagnetization

改进的充磁和退磁分析流程

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新的充磁和退磁分析流程

The new magnetization flow allows users to:

‐ Magnetize a magnet in its actual magnetizer setup

‐ Reuse multiple instances of this magnet in a different design

The demagnetization flow allows users to:

‐ Calculate demagnetization of a permanent magnet in a particular design

‐ Reuse multiple instances of this magnet in a different design

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新的充磁和退磁分析流程

Source Design

Coil

Virgin MagnetVirgin BH Curve

Target design

Set the Link

The target design can usemultiple instances of magnets coming from different source 

designs

The source and target designs can have different geometries. 

The mapping is  using  object basedcoordinate systems

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多物理场分析

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基于物体的Maxwell涡流场与谐相应分析耦合

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• CFD can call on the fly Maxwell and update element by element permeability or conductivity 

• Applications: advanced induction heating, liquid steel stirring

Maxwell与CFD耦合支持磁导率和电导率更新

Outlet

Crucible

Coils

Level of conductive liquidfrom ANSYS Fluent

losses computed by ANSYS Maxwell

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• Enables very fast electromagnetic and thermal performance for motors that operate over an extended torque & speed range, e.g. traction motors

• Automatically calculates the optimum phase advance for either maximum torque/amp or maximum efficiency control

Motor‐CAD 与 Maxwell 耦合考虑温度效应

Efficiency Map

Duty Cycle Temperature Dependent Efficiency Map

Losses vs Time

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Motor-LAB

Maxwell

Motor-CAD Therm

Makes optimum use of a minimum number of FEA calculations to model saturation and losses to give the very fast calculation speed

Motor‐CAD 与 Maxwell 耦合考虑温度效应Duty Cycle Temperature Dependent Efficiency Map

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39 © 2015 ANSYS, Inc. March 17, 2016 ANSYS Confidential

多物理场耦合

Maxwell Solver Structural Thermal HarmonicStress CFD(*)

MagnetostaticEddy CurrentMagnetic TransientElectrostaticDC ConductionElectric Transient

(*) 支持电弧仿真、高级电磁感应加热

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Specialized Mesh Topologies改进剖分算法

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更新的Surface Approximation设置方式

拖动工具条介绍:

更方便的设置初始网格中,曲面/曲线剖分密度

用户可以使用手动设置,也可以使用拖动工具条设置

由于新的facetter模型处理算法,R16 和 R17中曲面/曲设置中的相同的Surface Deviation, Normal Deviation 和 Aspect Ratio,可能会有不同的结果

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42 © 2015 ANSYS, Inc. March 17, 2016 ANSYS Confidential

新的Rotational Layer网格剖分算法

• 应用于旋转电机

• 更有效计算导条里的涡流

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新的 Cut Edge 剖分算法

• 该类型剖分的首次发布,以后还会发布更多

• 在XY平面上,增加一层网格单元

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Maxwell 其他改进

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二维瞬态分析支持Multi‐slice 

Approach to solve a machine with skewed rotor using several slices in Maxwell 2D.

User just needs to specify Skew Angle, Number of slices

Maxwell will all slices and recombine results

Skewed rotor

Multi‐slice model

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Comparison with and without skewing effects

二维瞬态分析支持Multi‐slice

2D (without considering 3D skew effects)

2D multi‐slices (considering 3D skew effects)

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• Problem: takes very long time to reach steady‐state due to very slow decay of DC flux component, especially with large time constant 

• Solution: add an additional voltage component during the 1st half cycle for DC flux linkage to quickly decay to zero.

• Applicable for all types of transient applications.

• Can be combined with Time Decomposition Method

瞬态分析快速达到稳定状态

Before Using Fast Reach Steady State

Set frequency

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For electrical machine, further speed up can be achieved using a fixed rotor simulation as initialization step

瞬态分析快速达到稳定状态

Locked Rotor simulation using Fast Reach Steady State

Steady state is reached much faster

Long transient when not use Fast Reach Steady state

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• Multiple rotational motions allowed

• One band should not overlap with another band

二维瞬态分析支持多个运动体

5 bands defined:‐ imposed motion on 

central magnet‐ 4 freewheeling magnets

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Number of improvements related to HPC job submission, including graphical job monitoring submitted through scheduler batch

HPC 任务提交改进

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Modelica

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Modelica Significance/意义

A non‐proprietary standard languagefor modeling behavior of complex, multi‐domain systems

A rich & expanding set of Modelica librariesused to model applications in energy, process control, industrial equipment, automotive and more

A vibrant, global communityof users and contributors in industry, research and academia

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Simplorer + Modelica

Modelica Subsystem

Leading Simulation Accuracy & Performance for Electrified Systems

Power Electronics + Electromechanics + Control

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Modelon – Our Modelica Partner/我们的Modelica伙伴

ANSYS – Modelon PartnershipEmbedding Modelica technologyAccess to commercial librariesDevelop expertise in fluids & mechanics

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Simplorer R17 中的 Modelica

Heat Exchangerhigh_t

low_t

outlet_hinlet_h

outlet_c

inlet_c

U2_heat_ex

inletoutlet

U1_low_pump

inletoutlet

U3_h_pump

temp

temp

0.00 2.50 5.00 7.50 10.00 12.50 15.00 17.50 20.00Time [s]

300.00

350.00

400.00

450.00

500.00

550.00

600.00

Y2

[kel

]

Ansoft LLC Simplorer1XY Plot 1Curve InfoU2_heat_ex.tc100

TRU2_heat_ex.th100

TR

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 0.5 1 1.5 2

時間 (us)

電圧 (V)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

電流 (A)

VCE-実測

VCE-SIM

IC-実測IC-SIM

T TT

MASS_ROT1

DAMP_ROT1

SPRING_ROT1

MASS_ROT2

DAMP_ROT2

SPRING_ROT2

MASS_ROT3

DAMP_ROT3

SPRING_ROT3

MASS_ROT4

DAMP_ROT4

DAMP_ROT5

DAMP_ROT6

DAMP_ROT7

F_ROT1 F_ROT2F_ROT3

SteamTurbine

GearCompressor

Motor Expander

Air Gap Torque of Motor

ModelicaModel

Native Modelica Support forModel Consumption• Import Modelica Models• Lightweight Model Editing• Integrate w/ VHDL‐AMS, ROMs, 

Tool Couplings, ...

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Simplorer 中支持的 Modelica 模型库

Modelon Modelica Libraries• Hydraulics• Pneumatics

Modelica Standard Library

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Modelon 模型库

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Modelica 功能:  模型导入

Modelica Components are created in Simplorer using the standard Model Import flow

Tools > Project Tools > Import Simplorer Models…Tools > Project Tools > Import Simplorer Models…

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Modelica 功能 : 导入一个或多个模型

Select one or more Modelica classes to import from a source file (.mo)

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60 © 2015 ANSYS, Inc. March 17, 2016 ANSYS Confidential

Modelica 功能 :建立 Simplorer 模型

A Modelica Component is Created• Symbol creation• Signal selection

u speed_outu speed_out

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Modelica 功能 : 代码编辑器

View / Edit the model using the Modelica Code Editor• Syntax highlighting• Code & Annotation Folding

[RMB on Component] > Edit Model[RMB on Component] > Edit Model

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Modelica 功能 : 观察和编辑模型参数

Modelica model properties appear in the Simplorer Properties tool

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Modelica 功能 : 仿真

u speed_out

pid_subsys

acceleration

timey

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00Time [s]

-1.10

-0.63

0.00

0.63

1.25

Y1

Curve Infopid_subsys1.speed_out

TRpid_subsys1.u

TR

Modelica components can be integrated and simulated with other Simplorer components• Transient analysis• Optimetrics

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Modelica 功能 : 作为 FMU 输出 Modelica 子系统

[RMB on Model Definition] > Export as FMU…[RMB on Model Definition] > Export as FMU…

Modelica subsystems can be exported as FMUs• FMI version 2.0 for Model Exchange

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65 © 2015 ANSYS, Inc. March 17, 2016 ANSYS Confidential

R17导入Modelica模型的要求

Model interfaces are causal (non‐conservative)

Modelica models must be composed from supported library elements

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Modeling & Libraries建模与材料库

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新的电源系统材料库(VHDL‐AMS)

Basic Elements,Sources, Transforms Converters,

Signal Generators ISN/LISN,Freq. Dep. Elements

Transformers,Transmission Lines

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68 © 2015 ANSYS, Inc. March 17, 2016 ANSYS Confidential

更多的半导体器件模型

Characterized Diodes, MOSFETs, and MOSFET Modules

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改进了特征化建模工具

Support for Silicon Carbide Devices• Power Diodes• Power MOSFETs

Simplorer Circuit > Characterize Device > Semiconductors…Simplorer Circuit > Characterize Device > Semiconductors…

Faster, More Accurate Fitting for Device Characteristics

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改进了与ANSYS刚体动力学的联合仿真功能

Solve a Greater Range of Rigid + Flexible Mechanics Problems• Added support for Contact and CMS super elements in ANSYS RBD

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支持最新的Functional Mock‐up Interface(FMI)

• Simplorer now imports both version 1.0 and 2.0 FMUs• Over 70 tools support the FMI for exchanging models

• Improved GUI workflow controls parameter visibility

Simplorer Circuit > SubCircuit > Add FMU Component…Simplorer Circuit > SubCircuit > Add FMU Component…

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ANSYS ACT:  从ANSYS网站上下载插件

• Online store for add‐on toolkits for ANSYS products• For Simplorer, this will be a location to retrieve:

• Component Libraries (free & commercial)• Application toolkits (workflows, models, demos)

View > WizardsView > Wizards

ANSYS Customer Portal > Downloads > ANSYS ACT Application StoreANSYS Customer Portal > Downloads > ANSYS ACT Application Store

ACT Extensions Manager In Simplorer:

On the Web:

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UI / UX

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增强了结果显示(在‘Find Elements’中)

Edit > Find Elements…Edit > Find Elements…

Sortable columns display:• Element Type• Element Name• Design Name• Matching Property

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原理图界面自动滚动,方便观察

Schematic view automatically scrolls when selection box reaches extents 

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自动更新Stacked显示结果

Stacked Plots are dynamically updated during simulation• On schematic and in 2D report window 

Results > Create Standard Report > Rectangular Stacked PlotResults > Create Standard Report > Rectangular Stacked Plot

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Copy & Paste 报告类型

RMB on [Source Report] > Edit > Copy SettingsRMB on [Target Report] > Edit > PasteRMB on [Source Report] > Edit > Copy SettingsRMB on [Target Report] > Edit > Paste

Quickly apply graphical styles from one report to another

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78 © 2015 ANSYS, Inc. March 17, 2016 ANSYS Confidential

更方便的应用配置

All options for the ANSYS Electronics Desktop are now unified in a single dialog

Tools > Options > General Options…Tools > Options > General Options…

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用于Modelica 编译的新Simplorer选项

Memory usage limitSets the maximum memory used by the Modelica compiler JVM

Show Interfaces in componentControls the levels of parameter hierarchy displayed for imported Modelica models

Tools > Options > General Options… > Simplorer > Modelica CompilerTools > Options > General Options… > Simplorer > Modelica Compiler

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80 © 2015 ANSYS, Inc. March 17, 2016 ANSYS Confidential

增强的设计报告总结功能

Simplorer Circuit > Results > Create Document > Design SummarySimplorer Circuit > Results > Create Document > Design Summary

Summary InformationSchematicsComponent ValuesSolution SetupsResults

Greater ability to customize content in Design Summary reports• Turn content on/off• Add comments for each section

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导入模型和链接的新默认图标

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Solver Performance & Convergence求解器性能和收敛性

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ormance & Capacity性能与能力

Evaluate System PerformanceEvaluate System PerformanceCollaborate with CustomersCollaborate with Customers

Assess EMI / EMCAssess EMI / EMCVerify & Tunebedded ControlsVerify & Tunebedded Controls

Optimize RobustnessOptimize Robustness

Integrate ComponentsIntegrate Components>10x speed‐up in performance of large data sets• e.g. for Maxwell ECE link modelsImproved performance for large FMUsContinuation schemes to improve simulation convergenceEnhanced SPICE compatibilityFaster application launch timeFaster library search performance

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Platforms4‐bit onlyWindows 7Windows 8 / 8.1Windows HPC Server 2008Windows Server 2012

Compilers4‐bit targetS Visual Studio 2010S Visual Studio 2008S Visual Studio 2005S Visual C++ 2008 ExpressS Visual C++ 2005 Express

• ANSYS Links• SCADE R17• ANSYS RBD, Fluent and Icepak– R17

• ANSYS Maxwell, Q3D, RMXprt, HFSS, Q3D, SIwave– R17

• 3rd Party Links• PExprt– 6.0 or later

• MathWorks Simulink (64‐bit only)– R2012a, R2012b, R2013a, R2013b R2014a

• PTC MathCAD (32‐bit only)

持的平台和链接

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