В.А. Мещеряков, д-р техн. наук, профессор кафедры «Техника для строительства и сервиса нефтегазовых комплексов и инфраструктур» ГОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)»
Р24 Расчет электротехнических устройств с помощью программного
пакета ANSYS: Учеб. пособие/ Ю.З. Ковалев, Е. Г. Андреева, А.А. Татевосян, Д.В. Колмогоров, И.А. Семина. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. – 60 с.
Рассматриваются вопросы математического моделирования и расчета электромагнитных процессов электротехнических устройств, численной реализации с помощью метода конечных элементов результатов моделирования с использованием пакета конечно-элементного анализа ANSYS.
Приводится описание методики работы с программным пакетом ANSYS на примере моделей электротехнических устройств в плоскопараллельной, осесимметричной и трехмерной постановках.
Учебное пособие предназначено для студентов, магистрантов, аспирантов, преподавателей и специалистов, интересующихся информационными технологиями для решения электромагнитных задач (полей) электротехнических устройств (для специальности 140610 и направлений 140600, 140400).
Основы работы с ANSYS Workbench и ANSYS CFX
ББК 22.193+31.2+32.81 (я73)
ã Омский государственный
технический университет, 2010
Введение.
Общие сведения о программном пакете ANSYS
В настоящее время большое развитие получили программы для решения широкого круга задач, ориентированных на моделирование систем различной физической природы. Это обусловлено появлением ПК, обладающих большим объемом памяти и высоким быстродействием центрального процессора, а также появлением многопроцессорных вычислительных систем позволяющих проводить распараллеливание задач по нескольким процессорам. Появление высокоуровневого программного обеспечения применительно к инженерным задачам существенно уменьшило затраты времени на их решение и увеличило точность полученных результатов благодаря снятию различного рода допущений при записи математической модели исследуемого объекта. Промышленными разработками по конечно-элементному анализу различных объектов являются WinMachine, DesignSpace, ANSYS, ELCUT. В пакете ANSYS представлено программное обеспечение, позволяющее исследовать электромагнитные поля электротехнических устройств.
Пакет ANSYS представляет собой совокупность программных кодов, построенных по методу конечных элементов (МКЭ) для решения большого круга инженерных задач. При помощи пакета ANSYS можно производить расчёты задач различной физической природы (прочность, распространение тепла, механика жидкостей и газов, электромагнетизм, гидравлика и т.д.).
Пакет поставляется в различных конфигурациях, которые могут иметь ограничения как по характеру решаемых задач, так и по вычислительному потенциалу (ограничение на число конечных элементов, количество областей и т.д.). Самой универсальной версией пакета является ANSYS/Multiphysics, которая позволяет решать задачи не только по отдельным областям знания, но и связные задачи, например, проводить анализ: магнетизм – теплообмен, теплообмен – электричество и т.д. Для численного моделирования электромагнитных полей электротехнических устройств (ЭУ) достаточно пакета ANSYS/EMAG. На рис. В.1 представлен загрузчик ANSYS 10.0, используя который пользователь имеет возможность выбрать пакет в соответствии с типом решаемой задачи.
Для исследования электромагнитных процессов электротехнических устройств целесообразным является проведение математического моделирования на ПК с использованием программы ANSYS/Multiphysics, хорошо зарекомендовавшей себя на рынке информационных технологий.
С помощью дружественного графического интерфейса пакета ANSYS осуществляется диалоговый (интерактивный) режим работы пользователя и компьютера. Данный интерфейс представляет собой совокупность окон ввода/вывода и различных меню. Существует ещё и так называемый пакетный режим работы программы.
В этом режиме все действия, начиная от построения модели до нахождения результатов решения и вывода их в текстовой или графической форме в файл, осуществляются автоматически по программе, написанной на языке APDL (ANSYS Parametric Design Language — язык параметрической разработки ANSYS). Этот режим хорош тем, что не требуется взаимодействие программы и человека.
Таким образом, подготовленная задача может решаться, например, на удалённом компьютере, обладающем большой производительностью (суперкомпьютере), либо на кластере (несколько компьютеров, объединённых сетью). В любом режиме работы пакета создаваемое описание задачи записывается программой в файл базы данных задачи, который имеет расширение *.db. Результаты расчётов и промежуточные данные (матрицы системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ)) записываются в файлы с другими расширениями. Это следует помнить при резервировании результатов работы. Особенно это касается нелинейных задач, которые даже при большом числе конечных элементов (КЭ) требуют значительного времени для расчётов, измеряемого часами.
Работа с интерфейсом пакета ANSYS несколько отличается от работы с интерфейсом большинства других приложений под MS Windows и требует минимального навыка работы с ее графическим интерфейсом (с ее системой меню, окон, полос прокрутки, команд).
Работа в пакете ANSYS, как и в любой программе по компьютерному инжинирингу, делится на три основных этапа: препроцессирование или подготовка модели, решение задачи моделирования и постпроцессирование или анализ результатов. В этап препроцессирования входит построение геометрии модели, разбивка области моделирования выбранным типом конечных элементов, задание свойств материалов.
Перед решением задачи моделирования задаются области с токовыми нагрузками (определяется плотность тока) и граничные условия. Постпроцессирование заключается в получении результатов расчётов: линий векторного магнитного потенциала (ВМП), вектора магнитной индукции, вектора напряженности магнитного поля и т.п., причем как для скалярных значений (модулей), так и для векторов. Все эти результаты можно вывести как в графическом виде, так и в виде таблицы распределения по узлам модели. Можно вычислить интегральные параметры, например индуктивность обмотки с током, интегральную электромагнитную силу, рассчитать магнитодвижущую силу (МДС).
В интерактивном режиме все действия по созданию модели записываются в LOG-файл сеанса, а также фиксируются в базе данных задачи в виде программы на языке APDL. Средствами языка являются: именованные переменные, массивы, выражения, функции, ветвления и циклы, макрокоманды, процедуры пользователя. Причем в этом языке разрешено использовать арифметические операции, операции сравнения, математические функции, DO-циклы и т.д. аналогичные языку FORTRAN. Открытая архитектура программы ANSYS позволяет писать подпрограммы на языке FORTRAN и связывать их с кодом программы.
Структура пакета
Упрощённая структура пакета ANSYS изображена на рис. 1.1. Графический интерфейс представляет собой лишь оболочку для ввода команд в процессор. В данном случае процессор — это интерпретатор команд языка APDL. Каждому этапу работы с моделью соответствует свой процессор. В интерактивном режиме при работе с меню переключение между процессорами производится автоматически.
В пакетном режиме заданный процессор активизируется определённой командой. Основные виды процессоров представлены в табл. 1.
Рис. 1.1. Упрощённая структура пакета
Основные виды процессоров
| Название процессора (команда для его активизации) | Подменю, в которых размещены команды процессоров (см. ниже описание меню) | Действия, выполняемые процессором |
| /PREP7 | MM>Preprocessor | Построение геометрии, разбиение на КЭ, задание нагрузок и граничных условий |
| /SOLU | MM>Solution | Задание типа анализа, запуск на решение |
| /POST1 | MM>General Postproc | Просмотр результатов для одного множества нагрузок и граничных условий |
| /POST26 | MM>TimeHist Postproc | Просмотр результатов для нескольких множеств нагрузок и граничных условий |
| /OPT | MM>Design Optimisation | Автоматическая оптимизация разработки |
В папках (директориях) пакета ANSYS содержится множество других файлов. После инсталляции рассматриваемой версии пакета на жестком диске в каталоге программы (обычно это C:ANSYS) создаются следующие основные подкаталоги:
BIN – подкаталог программных кодов;
CUSTOM — содержит файлы заголовков и библиотеки с кодом, необходимые для написания дополнительных модулей на языке Си и FORTRAN;
DATA — содержит различные файлы данных, поставляемые с пакетом, например подкаталог DATAVERIF содержит тексты программ на языке APDL для проверки работоспособности пакета при расчёте различных проверочных (верификационных) задач. Формулировки данных задач приведены в справке программы в разделе HelpTable of ContensVerification Manuals.
DOCU — справка по пакету;
GUI — содержит некоторые файлы описания графического интерфейса программы;
LIB — библиотека описания графического интерфейса программы;
MATLIB — библиотека свойств материалов.
При работе с пакетом ANSYS могут возникнуть вопросы теоретического (по теории полей и МКЭ) и практического (по интерфейсу с программой) характера. В этом случае воспользуйтесь опцией Help в меню утилит (UM). Например, основные положения теории электромагнитного поля, реализованные в МКЭ, можно посмотреть, используя опции UM >HelpHelp TopicsElectromagnetic, правда, на английском.
Источник: megalektsii.ru
Уроки по расчетам в Ansys
ANSYS — универсальная программная система конечно-элементного (МКЭ) анализа для решения линейных и нелинейных, стационарных и нестационарных пространственных задач механики деформируемого твёрдого тела и механики конструкций (включая нестационарные геометрически и физически нелинейные задачи контактного взаимодействия элементов конструкций), задач механики жидкости и газа, теплопередачи и теплообмена, электродинамики, акустики, а также механики связанных полей. Моделирование и анализ в некоторых областях промышленности позволяет избежать дорогостоящих и длительных циклов разработки типа «проектирование — изготовление — испытания». Система работает на основе геометрического ядра Parasolid. Программа совместима с SolidEdge, SolidWorks, Autodesk Inventor, Unigraphics, CATIA, Pro/ENGINEER.
Возможности программы Ansys
Программа для анализа и симуляции физических процессов. Механики конструкций, твёрдых тел, контактов разных тел. Электродинамики, теплопередачи, аэродинамики, гидравлики, магнетизм, акустика, статика, теплообмена.
Расчет смещения и напряжения балки
Рассчитаем напряжение и смещения балки под действием нагрузки по заданной схеме. Произведем расчет опорной конструкции.
Использование Ansys
Выполним расчет нагрева и деформации применяя Static Structural анализ.
Истечение газа из сопла Лаваля
Смоделируем процесс прохождения газового потока по соплу Лаваля. Которое применяется в реактивных авиационных и ракетных двигателях.
Похожие материалы
Двигатель твердого топлива ПАБ-500
Динамический расчёт двигателя
Форсирование двигателя ЗМЗ-402 путем применения наддува
Разработка технологии капитального ремонта двигателя ЯМЗ 238 автомобиля КРАЗ 257
Проектирование двигателя внутреннего сгорания. Д-120
Участок агрегатного ремонта двигателей автомобилей КамАЗ
Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.
Источник: www.2d-3d.ru
Подборка видеоматериалов по ANSYS HFSS
Уважаемые читатели блога cae-club.ru, для вашего удобства мы собрали в одном месте актуальные видеоматериалы и вебинары по работе в HFSS Design (Ansys Electronics Desktop). Вашему вниманию представляется 8 обучающие видео-материалов, посвященных симуляции самых разнообразных СВЧ-устройств и систем, а также 5 вебинаров, два из которых по новым возможностям за последние 2 года (версии 2020 R1 и 2021 R1).
Обучающие видеоматериалы:
Описание: в этом видео уроке мы расскажем вам об основе работы антенн. А также рассмотрим основы работы с антеннами в ANSYS HFSS. Конкретно речь пойдет о встроенном в Electronics Desktop расширении Antenna Toolkit. Сегодня существует большое количество программных решений, позволяющих проводить электродинамических анализ различных устройств СВЧ.
Среди них ANSYS HFSS является одним из наиболее распространенных продуктов. При этом в HFSS доступно расширение Antenna Toolkit, которое буквально в пару кликов позволяет синтезировать антенну под нужный диапазон. В настоящий момент в библиотеке Antenna Toolkit содержится несколько десятков типов антенн и их количество постоянно увеличивается. Подобные инструменты полезны разработчикам и сокращают время проектирование устройств в тех случаях, когда необходимо создать вспомогательные излучатели, синтезировать антенную решетку, определиться с видом необходимой антенны под решение конкретной задачи и так далее. В большинстве случаев антенна из библиотеки может служить базовым прототипом, который будет в дальнейшем модифицироваться инженерами.
Описание: Прямоугольный волновод – это полая металлическая направляющая система прямоугольной формы. Стенки волновода ограничивают распространение электромагнитной волны внутри конструкции. Внутри волновода может располагаться диэлектрик, но чаще всего естественным заполнителем остается воздух.
Благодаря толстым стенкам волновода, по такой направляющей системе можно передавать сигналы большой мощности не опасаясь электрического пробоя. Кроме того, электромагнитная волна распространяется исключительно внутри волновода без излучения в свободное пространство.
Прямоугольные волноводы чаще всего используются в системах беспроводной связи большой мощности, например, чтобы передать сигнал от генератора до антенны с минимальными потерями уровня. В измерительном оборудовании такие волноводы также широко распространены. Основными параметрами прямоугольного волновода являются ширина и высота стенок.
Два этих параметра определяют типы волн, которые возбуждаются в направляющей системе. В этом видео мы будем моделировать волновод с волной типа Н_10 для диапазона 10 ГГц. В этом случае размер стенок волновода составляет 23 на 10 мм.
Описание: На практике чаще всего длинные линии используются для передачи сигналов от генератора к нагрузке с минимальными потерями мощности. Для этого предпочтительным является режим бегущей волны.
С целью обеспечения указанного режима необходимо, чтобы сопротивление нагрузки Zн = Rн + jХн удовлетворяло двум условиям: активная часть нагрузки Rн должна равняться волновому сопротивлению W линии. Rн = W, (1) а реактивная часть нагрузки Хн должна равняться нулю: Хн = 0. (2) Если сопротивление нагрузки удовлетворяет условиям (1), (2), то говорят, что линия согласована с нагрузкой. Общий принцип согласования комплексных сопротивлений состоит в том, что в линию дополнительно включается согласующий элемент, отражение от которого компенсирует отражение от нагрузки. При этом стремятся, чтобы согласующий элемент был расположен как можно ближе к нагрузке. Это делается для уменьшения длины несогласованного участка линии от нагрузки до согласующего элемента.
Описание: в этом видео производится расчет ЭПР ракеты в программном пакете ANSYS HFSS. ЭПР — эффективный поперечник рассеяния (RCS — Radar Cross-Section) является специфическим параметром объекта, показывающим способность этого объекта отражать электромагнитную волну. ЭПР зависит от многих факторов. Расчет радиолокационного сечения (ЭПР) возможен только для простых объектов.
Площадь поверхности простых геометрических тел зависит от формы тела и длины волны, а точнее от отношения структурных размеров объекта к длине волны. Если бы абсолютно вся энергия падающего радара на цель отражалась одинаково во всех направлениях, то поперечное сечение радара было бы равно площади поперечного сечения цели, видимой передатчиком. На практике некоторая энергия поглощается, и отраженная энергия не распределяется одинаково во всех направлениях. Следовательно, поперечное сечение радара довольно сложно оценить и обычно определяется измерением.
Описание: в данном видео мы рассмотрим принцип работы такой антенны как линзы Люнеберга, способы ее создания и варианты применения в радиотехнических системах. По традиции создадим ее упрощенную модель в программном пакете ANSYS Electronics Desktop 2019 R2, используя HFSS Design.
Описание: В этом видео мы рассмотрим принцип работы микрополосковых линий, их структуру и основные электродинамические характеристики. Также мы подробно проиллюстрируем процесс создания микрополосковой линии в программном пакете ANSYS Electronics Desktop 2019 R1 с использованием HFSS Designer. Микрополосковая линия передачи состоит из проводящего экрана, диэлектрической подложки и верхнего проводника. Таким образом, распространение электромагнитной волны происходит между нижним экраном и верхним проводником внутри диэлектрической подложки.
Несимметричные микрополосковые линии работают в диапазоне дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. Микрополосковые линии хорошо подходят для реализации антенн, передатчиков и гибридных интегральных микросхем. Кроме того, элементы на основе микрополосковых линий хорошо сопрягаются с печатными платами низкочастотных узлов, устройств и средств связи. Такие конструкции используются для построения ответвителей мощности, частотных фильтров, делителей мощности и так далее.
Описание: В этом видео мы рассмотрим процесс создания антенны типа монополь в программном пакете ANSYS HFSS. Монополь по сути является пустейшим видом антенны, реализовать который можно в виде обычного куска провода длиной в четверть длины волны. Несмотря на свою простоту такие антенны находят широкое применение в беспроводных широкополосных средствах связи, таких как Wi-Fi. Также их устанавливают на автомобили для приема радиосигнала FM-диапазона.
Описание: Витая пара представляет собой пару проводников, покрытых изоляцией и скрученных между собой для уменьшения помех и взаимных наводок. Проводники выполнены из меди, а в качестве изоляции используются такие материалы как поливинилхлорид, полиэтилен или тефлон. К основным характеристикам линии относятся: диаметр проводников, расстояние между проводниками и шаг скрутки. Эти параметры определяют такие характеристики линии как: сопротивление, коэффициент затухания и критическую мощность. Линия передачи типа «витая пара» в основном работает в Мегагерцовом диапазоне, однако все большее распространение получают кабели, работающие в диапазоне до 2 ГГц, предназначенные для Центров обработки данных.
Вебинары
Описание: Комбинированные интегрированные беспроводные технологии и электрические системы являются важной частью систем 5G, автономных транспортных средств и Интернета вещей (IoT). Антенные системы и датчики являются ключевым компонентом, обеспечивающим безопасность на дорогах. Они обеспечивают передачу данных и обнаружение препятствий. Антенные системы, установленные на автомобиль должны обеспечивать хорошую производительности и энергоэффективность.
На вебинаре рассмотрен принцип расчета антенны-датчика, установленного в боковое зеркало автомобиля. Для решения этой задачи показаны:
- Принцип создания 3D-компонентов и их настройка для анализа;
- Импорт геометрии автомобиля в HFSS-проект;
- Порядок настройки проекта для расчета с использованием SBR+ решателя;
- Запуск проекта на расчет, построение графиков для анализа;
Описание: В вебинаре кратко будет рассмотрена теоретическая часть по согласованию с обзором способов согласования высокочастотных линий передачи с нагрузкой. Затем подробно разобран пример решения задачи согласования в ANSYS HFSS с использованием функций Derivatives и Design of Experiments.
Функция Derivatives в HFSS позволяет инженерам за одну расчетную итерацию проверить, как переменные проекта влияют на параметры антенны. Без этой функции количество расчетных итераций модели, необходимых для всестороннего исследования параметров антенны, может занимать слишком много времени и стать невыполнимой для большинства компьютеров. Design of Experiments (DOE) – разновидность параметрического анализа, которая позволяет уменьшить количество итераций при симуляции и оптимизации устройства. При использовании данного типа анализа может быть задано значение целевой функции (например, КСВ = 1), а алгоритмы, заложенные в DOE, будут автоматически определять оптимальные параметры модели для достижения наилучших результатов.
Описание: На вебинаре рассмотрены новые возможности продукта ANSYS HFSS — флагманского решения для высокочастотного анализа. По традиции внимание разработчиков продукта уделено ускорению расчетов, благодаря чему появился новый итерационный решатель и алгоритм работы с сеткой “Mesh Fusion”.
Также рассмотрены нововведения, касающиеся работы с антенными решетками и решателем SBR+. В новой версии были внесены некоторые изменения в окно отображения данных с ходом расчетов, теперь данные из Profile имеют удобный каскадный сворачивающийся вид. При наложении полей на модель теперь могут быть выведены результаты в наклонных плоскостях. Продукт ANSYS HFSS работает в рамках оболочки ANSYS Electronics Desktop совместно с другими видами редакторов. На вебинаре рассмотрено, что нового появилось во вспомогательных продуктах по высокочастотному анализу: * В HFSS 3D Layout — инструменте для работы с печатными платами теперь могут быть использованы зашифрованные 3D-компоненты; * EMIT — инструмент для решения задач электромагнитной совместимости теперь интегрирован в Electronics Desktop и позволяет напрямую импортировать модели из HFSS.
Описание: Вторая часть обзора новых возможностей релиза ANSYS 2020 R1: Электромагнетизм посвящена основным обновлениям в области высокочастотного анализа HF. ANSYS HFSS — это современное, высокопроизводительное программное обеспечение для моделирования электромагнитных полей, используемое для анализа беспроводных устройств, печатных плат, элементов силовой электроники и прочих электронных устройств различного применения. HFSS является отличным инструментом для решения задач радиолокации, расчета ЭПР объектов со сложной геометрией. На вебинаре рассмотрены следующие нововведения:
- Увеличена точность расчетов с использованием решателя SBR+ для анализа рассеяния излучения на электрически больших объектах;
- Интерфейс для работы с антенными решетками стал более удобен;
- Улучшенный итерационный матричный решатель;
- Работа с результатами на этапе Pre и Post-обработки;
- 3D-компоненты для моделирования задач EMI / EMC.
Описание: Вопрос точности волнует любого инженера, использующего в своей работе ANSYS HFSS. Поэтому данный вебинар мы решили посвятить именно этой теме.
Источник: cae-club.ru