Что за программа elcut

Elcut — это комплекс программ для инженерного моделирования электромагнитных, тепловых и механических задач методом конечных элементов. Дружественный пользовательский интерфейс, простота описания даже самых сложных моделей, широкие аналитические возможности комплекса и высокая степень автоматизации всех операций позволяют разработчику полностью сосредоточиться на своей задаче.

У истоков программы Elcut стоял выдающийся ученый Вячеслав Вячеславович Домбровский (1930-2016).

Начать работу с Elcut можно практически сразу, не отвлекаясь на изучение математических основ вычислительных алгоритмов и особенностей их реализации.

Elcut — это полноценное Windows-приложение, которое было разработано специально для этой платформы и полностью использует все возможности современных компьютеров.

Комплекс Elcut содержит модули для решения различных задач, которые можно заказывать по-отдельности. Кроме того, все версии программы включают редактор геометрии, редактор данных, решатель и постпроцессор. Тип решателя, редактора данных и постпроцессора зависит от вида решаемой задачи. Также в состав Elcut включены несколько надстроек, в том числе LabelMover для параметрического анализа.

Обзор программы ELCUT 1 Введение

Большинство возможностей решения доступны также программно, из пользовательских программ, написанных на различных языках.

Структура Elcut

• Магнитостатика

• Модуль магнитостатика может быть использован для расчета и анализа устройств таких как соленоид, электрические машины, магнитные экраны, постоянные магниты, магнитные диски, и тому подобное.

• Модуль магнитные поля переменных токов может быть использован для анализа распределения вихревых токов. Для заданной частоты, он может анализировать магнитные поля от переменных токов, вихревых токов, индуцированных переменными магнитными полями. Опимален для проектирования установок индукционного нагрева, трансформаторов, катушек, электрических машин, и многих типов индукторов.

• Модуль нестационарное магнитное поле может быть использован для расчета переходных процессов в электромагнитных устройствах, работы двигателей от импульсных преобразователей и другие задачи, где недостаточно только решения задачи магнитостатики или синусоидальных токов.

• Модуль электростатика может быть использован для расчета и проектирования различных систем, имеющих емкость, таких как конденсаторы, линии передачи и тому подобное, а также расчета изоляции.

• Модуль электрическое поле постоянных токов может быть использован для расчета различных проводящих систем: заземлителей, печатных плат. А также для расчета паразитных токов и токов утечки изоляционных конструкций.

• Модуль электрическое поле переменных токов используется при анализе электрических полей, вызванных переменными токами и напряжениями в неидеальных диэлектриках. Этот вид анализа чаще всего применяется при расчете сложных систем изоляции и конденсаторов. Обычно интерес представляют омические потери в диэлектриках, напряжение, компоненты электрического поля, силы, вращающие моменты.

• Модуль нестационарное электрическое поле используется при анализе электрических полей, вызванных меняющимися токами и напряжениями в нелинейных диэлектриках. Этот вид анализа применяется при расчете сложных систем изоляции, варисторов, ограничителей перенапряжений. Обычно интерес представляют динамика процесса, напряженность электрического поля, силы.

• Модуль теплопередача может быть использован для проектирования и анализа теплового состояния различных систем. Можно вычислять как установившееся распределение температуры, так и изучать процессы нагрева и охлаждения.

• Модуль упругие деформации может быть использован для расчета механических напряжений в различных устройствах. Это и строительные конструкции, и техника высокого давления, а также отдельные узлы механических систем.

• Elcut может решать связанные задачи, когда результаты расчета одной задачи передаются в другую задачу. Например, нагрев провода за счет потерь от протекающего тока.

• Задачи магнитного поля переменных (синусоидальных) токов и нестационарного магнитного поля могут использовать внешнюю электрическую цепь. Это позволяет совмещать полевой и цепной расчеты. Можно задавать сложные схемы соединения блоков Elcut. Такая постановка удобна для моделирования электрических машин, трансформаторов и других электромагнитных устройств.

2018: Выбор C3D Toolkit для развития 3D-моделирования в Elcut

Российский разработчик расчетного программного обеспечения «Тор» 14 июня 2018 года сообщил о том, что выбрал инструментарий C3D Toolkit для развития 3D-моделирования в программе Elcut.

Расчет 3D-модели в программе Elcut

Компания будет использовать три компонента из набора C3D Toolkit: геометрическое ядро C3D Modeler, модуль обмена данными C3D Converter и модуль визуализации C3D Vision. Они заменят свободно распространяемые библиотеки Open Cascade Technology, с которыми раньше работал «Тор».

Программа Elcut выполняет численное моделирование электромагнитных, тепловых и механических задач методом конечных элементов. К ее основным областям применения относятся электротехника и электроэнергетика, а также строительная физика, теплотехника, геофизика.

Оставаясь развитой программой для двумерных расчетов, Elcut в последние годы сосредоточен на трехмерных задачах. Применение компонентов C3D Toolkit позволит улучшить геометрию 3D-моделей, чтобы получать качественную согласованную нерегулярную сетку конечных элементов и выполнять анализ скачков поля на границах физических сред, считают в компании «Тор».

«Тор» планирует предоставить пользователям программы Elcut трехмерную функциональность, основанную на геометрическом ядре C3D, до конца 2018 года.

Источник: www.tadviser.ru

ELCUT – конечно-элементный анализ низкочастотного электромагнитного поля

Сегодняшний рынок программных средств наполнен пакетами для расчета электро­магнитных полей. Инструменты, предлагаемые разными фирмами, существенно разнятся по области применения, степени автоматизации расчетных процедур, применяемым математическим методам и, разумеется, по стоимости.

Обычно принято делить программы анализа электромагнитного поля на две большие группы: низкочастотные и высокочастотные. С точки зрения матфизики низкочастотные задачи описываются эллиптическими и параболическими уравнениями математической физики, а высокочастотные (волновые) – гиперболическими уравнениями.

Магнитостатика рассчитывает поле постоянных токов и постоянных магнитов с учетом насыщения ферромагнетиков. Задача магнитного поля переменных токов пригодна для расчета синусоидального электромагнитного поля на заданной частоте с учетом скин-эффекта и эффекта близости. При этом все физические величины описываются комплексными переменными с амплитудой и фазой. Для импульсных процессов необходимо добавлять временный дискретизацию задачи – это предмет нестационарного анализа магнитного поля. Нестационарный анализ требует намного больше времени для счета, зато снимает ограничение на форму тока или напряжения источника поля, полноценно учитывает насыщение и позволяет сочетать переменное поле с постоянными магнитами.

Аналогично обстоит дело с расчетом электрического поля. Квазистационарное приближение позволяет полностью или частично разделить переменные в уравнениях электрического и магнитного поля.

Задача электростатики описывает постоянное электрическое поле в диэлектрике, родственная ей задача электрического поля постоянных токов рассчитывает электрического поле в проводниках сложной формы без учета магнитного действия токов. Добавить в задачу электрического поля время можно двумя способами: если речь идет о синусоидальном во времени поле с заданной частотой, то процесс описывается комплексными переменными. Задача электрического поля переменных токов похожа на электростатику, но вводит в игру еще один параметр диэлектрика – ненулевую проводимость для токов утечки. Открывается возможность не только рассчитать потери в диэлектрике на заданной частоте, но и учесть изменение конфигурации электрического поля из-за ненулевой проводимости диэлектриков. И наконец, если приложенное напряжение имеет импульсный характер, или свойства диэлектриков зависят от поля, то необходимо вводить дискретизацию по времени, решая задачу нестационарного электрического поля.

И, наконец, токи в проводниках и диэлектриках имеют тепловой эффект, нагревая материал, и механический эффект, создавая механические силы тяжения и вращающий момент. ELCUT позволяет рассчитать распределение температуры под действием током и упруго-напряженное состояние материалов.

Ограничение применимости квазистационарного приближения хорошо известно: оно проходит там, где линейные размеры расчетной области намного меньше, чем характерная длина волны. В обычных условиях это означает частоты до единиц мегагерц.

Казалось бы, низкочастотные пакеты не слишком полезны для проектировщиков радиоаппаратуры. Однако, можно выделить большие классы задач, которые успешно формулируются и решаются в стационарном и квазистационарном приближении. Устойчивый спрос на низкочастотные инструменты со стороны радиоинженеров побудил нас познакомить инженерное сообщество с пакетом ELCUT ‑ единственным на сегодняшний день универсальным конечно-элементным инструментом российского производства.

Зачем считать поле, если в нем нет волн?

Физические основы и принципы работы любых электромагнитных устройств, не сводящихся целиком к электрической цепи с сосредоточенными элементами, основаны на создании и использовании электромагнитных полей нужной конфигурации. Между тем, в обычных условиях инженерные методики расчета не включают в себя полевой расчет непосредственно, а ссылаются на заранее изученные упрощенные картины поля, характерные для стандартных конфигураций и нагрузок. Тем не менее, есть случаи, когда инженеры прибегают к численному моделированию электрического, магнитного или температурного поля.

• Чаще всего необходимость непосредственного расчета поля возникает, когда инженерные методики становятся недостаточно обоснованными или вовсе неприменимыми ввиду нестандартных геометрических конфигураций или повышенного уровня нагрузок.
• Другой мотив для расчета поля – необходимость оценить критические уровни нагрузок, например перегревов, плотностей тока, перенапряжений в некоторых локальных точках конструкции. Это бывает важным, поскольку инженерные методики обычно позволяют оценить лишь средние уровни напряжений.
• Третьим характерным примером полевого анализа является необходимость оценить параметры эквивалентной схемы устройства (характерные индуктивности, емкости, сопротивления, тепловые параметры) для анализа поведения устройства в рамках более крупных систем.

В дальнейшем мы продемонстрируем возможности пакета ELCUT на примере одной из задач проек­тирования электронной аппаратуры – определение эквивалентных емкостей между элементами конструкции, например, между близко распо­ложен­ными проводниками печатной платы. Для этого вполне достаточно решить задачу расчета электростатического поля. Однако, ELCUT умеет делать значительно больше, поэтому сначала остановимся на обзоре возможностей пакета.

Рис. 1 Общий вид рабочего окна ELCUT

Что такое ELCUT и какие задачи он решает

ELCUT – программа моделирования двумерных полей методом конечных элементов – разработана и представлена на рынке петербургской фирмой ТОР с 1991 года. Будучи с самого начала интерактивной системой с графическим интерфейсом, ELCUT прошел большой путь развития, превратившись в зрелый программный комплекс для широкого круга инженерных задач.

Основная миссия пакета – быть подручным инструментом для каждого инженера. Большинство пользователей ELCUT встречаются с необходимостью полевого расчета лишь от случая к случаю. Поэтому они нуждаются в простом, удобном и интуитивно ясном инструменте, не требующем специальных знаний и подготовки. В таком сложном деле, как анализ полей, простоты и ясности можно достичь лишь одним способом: взять на себя и спрятать от пользователя как можно больше служебных процедур, требуя от инженера лишь хорошего понимания физических принципов работы своего устройства.

Изложенный подход выгодно отличается от обычной практики организации работы с полевым пакетом, когда сложность и запутанность расчетных процедур вынуждает иметь в организации отдельного специалиста, обслуживающего полевой пакет. ELCUT действительно предназначен для того, чтобы стоять на рабочем месте каждого инженера, который иногда нуждается в уточнении своих представлений о характере поля.

Принимая во внимание распространение на российском рынке импортных пакетов тяжелого класса, таких как ALTAIR Flux, Ansys Maxwell, ELCUT видит себя не вместо, а рядом с подобными программными продуктами. Эта его ниша определяется легкостью и быстротой, с которой ELCUT позволяет получить решение проблем, практически не требуя специальных знаний и предварительного тренинга.

ELCUT решает полевые задачи в двумерной (плоско-параллельной или осесимметричной) постановке. Это ограничение очевидно сужает область применения, но дает возможность применять пакет на ранних этапах прикидочных расчетов, когда трехмерное моделирование еще неоправданно сложно. Недавно созданная трехмерная подсистема ELCUT пока допускает полноценное 3D моделирование только для задач со скалярным потенциалом, то есть электростатика, электрическое поле постоянных токов и температурное поле.

Пример расчета емкости

Технику работы с ELCUT и его возможности удобно рассмотреть на конкретном примере, достаточно простом, чтобы технические сложности не затеняли суть дела.

Рассмотрим задачу вычисления собственной и взаимной емкостей системы из нескольких медных проводников на печатной плате, покрытой слоем лака.

Решение этой задачи хорошо изучено, в том числе аналитически, что позволяет оценить правильность результатов.

Постановка задачи

Рассмотрим поперечное сечение печатной платы, на которой размещены три параллельных проводника, залитые лаком. Предполагается, что в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка, размеры конструкции достаточно велики, чтобы без потери точности рассматривать систему как плоcко­параллельную.

рис. 2 Эскиз расчетной области

Геометрические размеры выбраны следующими:

• Толщина платы 0.2 мм,
• Размеры проводников 0.1 * 0.5 мм,
• Толщина лакового слоя 0.15 мм.

Наша задача – вычислить матрицу собственных и взаимных частичных емкостей системы проводников. В ELCUT для этого следует поставить и решить задачу электростатики, а затем воспользоваться специальным инструментом расчета матрицы емкостей.

Прежде чем нарисовать нашу простую модель в геометрическом редакторе ELCUT, обратим внимание на следующие обстоятельства:

1. Поскольку электростатическое поле не проникает внутрь проводящего массива, нам нет нужды моделировать внутренности проводников, а достаточно задать их границы.
2. На сегодняшний день ELCUT не умеет решать неограниченные задачи, поэтому нам следует окружить нашу модель условной границей, за пределы которой поле не выплескивается. Чтобы не потерять точность, разместим эту круговую границу на значительном расстоянии от проводников и платы.

Создаем новую задачу в ELCUT и задаем ее общие свойства. Наиболее важным из свойств является тип задачи (Электростатика) и класс симметрии (плоско-параллельная (см. рис. 3)

Рис. 3 Свойства задачи

Дескриптор задачи включает в себя ссылки на отдельные файлы, в которых описываются геометрия задачи, значения физических свойств материалов, граничных условий и источников поля.

Геометрическая модель

Запускаем редактор геометрической модели, который в ELCUT одновременно выполняет также функцию автоматического генератора сетки конечных элементов.

ELCUT предоставляет небольшой, но удобный набор инструментов для работы с геометрическими объектами, включая перемещение, копирование и размножение объектов. Геометрические формы создаются в терминах вершин и соединяющих их ребер, прямых или дугообразных.

Мощный геометрический процессор сам отслеживает образование замкнутых подобластей. Он также разрешает иметь в расчетной области изолированные вершины, висячие ребра, многосвязные области и прочие геометрические усложнения. Имеется двусторонняя связь с системами САПР через файлы DXF и динамический импорт двумерных эскизов из SolidWorks.

Рис. 4 Геометрический редактор

Нарисовав геометрические объекты – плату с проводниками – переходим к построению сетки. ELCUT использует единственный тип конечного элемента – треугольник первого порядка. Генератор сетки может работать полностью автоматически, либо учитывать пожелания пользователя по сгуще­нию или разрежению сетки в отдельных участках модели.

Дискретная геометрическая модель будет выглядеть следующим образом:

Рис. 5 Фрагмент дискретной геометрической модели

В данном случае построена сетка конечных элементов с 49 тысячами узлов (около 97 тыс. элементов). Это явно больше, чем требуется для данной простой задачи, но намного меньше предельных возможностей ELCUT. Реальное ограничение количества узлов зависит от мощности компьютера, главным образом от объема оперативной памяти. Эксперименты показали, что 1.5 ГБ памяти достаточно для уверенной работы с сеткой, превышающей 5 млн. узлов. При этом время решения задачи не превышало 10 мин.

Чтобы перейти к заданию свойств сред, источников поля и граничных условий, нам осталось пометить нужные геометрические объекты (блоки, ребра и вершины), чтобы позже ссылаться на них при вводе физических свойств.

Граничные условия

Для каждой подобласти (в терминологии ELCUT – блока) нам следует задать диэлектрическую проницаемость. Для облегчения этой работы ELCUT содержит справочники физических свойств популярных материалов. При необходимости можно задать анизотропные свойства среды.

Граничные условия нашей модельной задачи будут таковы:

• на поверхности проводника 1 – потенциал U1 = 100 В;
• на поверхностях остальных проводников – постоянный, но заранее неизвестный потенциал (граничное условие «плавающего проводника»);
• на условной внешней границе расчетной области – нулевой потенциал. (U0 = 0).

Решение задачи

Теперь данных достаточно, чтобы решить модельную задачу и посмотреть картину поля.

Процесс решения протекает практически мгновенно, но заслуживает того, чтобы сказать о нем несколько слов.

Рис. 6 Процесс решения задачи

Необычайно быстрое решение задачи – конек ELCUT. Эффективность решателя по ряду оценок не имеет себе равных в индустрии. Более того, время решения задачи увеличивается с ростом размерности почти линейно (точнее, в степени 1.15), против стандартного квадратичного роста.

Как известно, численные процедуры манипулирования с большими разреженными матрицами неотделимы от разработки эффективной схемы хранения ее элементов. ELCUT использует алгоритм, основанный на блочно-диагональном хранении матрицы таким образом, что блоки матрицы системы линейных алгебраических уравнений соответствуют геометрическим блокам модели. Первостепенное значение при этом приобретает настройка параметров схемы с тем, чтобы размеры блоков (по числу конечных элементов) укладывались в оптимальный диапазон. Весь этот алгоритм, от разбиения геометрии на блоки до схемы обращения матрицы, опирающийся на оптимальную технологию хранения и эвристическое предобуславливание, получил название «Метод геометрической декомпозиции».

Непосредственно для решения системы используется итерационный метод сопряженных градиентов с предварительным обуславливанием.

Задача с нелинейными свойствами среды преобразуется в серию линейных задач методом Ньютона. Нестационарная задача интегрируется по времени методом Эйлера с постоянным шагом или с автоматическим выбором шага.

Анализ результатов расчета

Постпроцессор ELCUT предоставляет богатый набор инструментов для просмотра и анализа решенной задачи.

Картина электростатического поля изображается в виде эквипотенциалей, цветовой заливки по уровню потенциала, напряженности поля или плотности энергии электрического поля, картины векторов напряженности или электрического смещения. Постпроцессор ELCUT умеет также вычислять тензор градиента напряженности поля.

Рис. 7 Линии равного потенциала и карта напряженности поля

Рис. 8. Векторы напряженности электрического поля

Расчет матрицы емкостей

Поскольку вычисление собственных и взаимных емкостей системы проводников является распространенной задачей, ELCUT, начиная с версии 5.3 включает инструмент для автоматизации этой работы. Емкости вычисляются на основе полной энергии электрического поля. Для системы из N проводников необходимо сформулировать и решить (N + 1) * N / 2 полевых задач. В первых N из них некоторое пробное значение потенциала прикладывается к каждому проводнику (остальные заземлены), а в остальных под напряжением находятся пары проводников.

Инструмент под названием LCMatrix автоматически формулирует и решает необходимое количество полевых задач, а затем, на основе полученной матрицы энергий, вычисляет матрицу собственных и частичных емкостей системы проводников.

Пользовательский интерфейс инструмента позволяет щелчком мыши включить, исключить или заземлить любой из проводников.

Рис. 9 Вычисление матрицы емкостей

Вычисления показывают, что в нашей задаче собственная емкость среднего проводника составляет 44 пФ, крайних – 12 пФ. Взаимная емкость между соседними проводниками составляет 45 пФ, а между крайними — 58 пФ.

Исключение из расчета одного из проводников дает взаимную емкость около 68 пФ.

Пример связи задач различной физической природы

Рассмотрим еще один пример из области технологии полупроводников, демонстрирующий связь задач различной физической природы.

Рис. 10 Полупроводник с пленочным покрытием

В задаче рассматривается полупроводник, толщиной 5 мк, покрытый с одной стороны пленкой, толщиной 0.3 мк. К пленке подводится и отводится ток при помощи точечных электродов, расстояние между которыми на несколько порядков превосходит толщину пленки (1000 мк).

Свойства проводящих сред заданы следующие:

Источник: www.orcada.ru

Что за программа elcut

Закажите демо-версию ПО

Возможности программы ELCUT не ограничиваются расчетом температурного поля и плотности теплового потока. Она позволяет также определить суммарный тепловой поток, снимаемый с любой совокупности поверхностей. Геометрическая модель может иметь сложную криволинейную форму.
В данном случае это показано на примере задачи расчета мощности радиатора отопления. В отличие от эмпирической оценки изменения мощности при увеличении числа секций или температуры воды в системе отопления расчет по МКЭ позволяет точнее определить какая будет мощность в случае изменения конструкции или температуры воды в системе отопления .
Модель со сложной формой импортируется в программу ELCUT посредством формата STEP. Этот формат поддерживается в таких программах 3D моделирования как AUTOCAD Mechanical, Solid Works, FreeCAD и другие.

Модель р адиатора на рисунке слева первоначально была создана во FreeCAD.
В 3D моделях граничные условия задаются для каждой поверхности. Чтобы задать граничные условия внутри трубы используется функция Секущая плоскость.
При желании можно задать различные условия конвективного теплообмена для каждой поверхности, исходя из температуры, расположения (вертикальное или горизонтальное) и других параметров, определив коэффициент теплопередачи с помощью приложения на сайте elcut.ru.

Чтобы определить суммарный тепловой поток, пользователь выбирает все поверхности радиатора (см. рис. слева) и получает значение интегрального теплового потока. На рисунке это значение обведено рамкой красного цвета.
В данном случае значение суммарного теплового потока равнялось 375 Вт.
Программа рассчитывает также среднюю температуру выбранных поверхностей, а также контролирует их число и площадь .

Купить программу ELCUT или заказать версию для тестирования

Прежде чем купить программу ELCUT протестируйте рабочую версию в течение 15 дней. Вам будет предоставлена не только сама программа, но и необходимые учебные материалы, а также техническая поддержка в этот период, включая бесплатную презентацию основных функций !
Гибкая система цен позволяет приобрести только необходимые модули.
Например, сначала можно купить только модуль стационарной теплопередачи 2D, если этого достаточно для решения задач. В будущем допускается оплата только разницы в стоимости, чтобы использовать модуль стационарной теплопередачи 2D + 3D.

Внимание ! Обучение работе с программой ELCUT входит в стоимость.

Со всеми вопросами обращайтесь в ООО «Хайтек» и следите за публикациями на канале Яндекс.Дзен «Теплотехнические расчеты»

Заказать версию ELCUT для тестирования

ул. Богдановича, д. 8, оф. 98, 150014, Ярославль, РФ

Источник: haitek.ru