Электромеханика в обновлении ANSYS Electromagnetic Suite 18.

Аватар пользователя Klyavlin
0 799

В начале года компания ANSYS традиционно знакомит пользователей с новым релизом расчётного комплекса. Предлагаем Вам краткий обзор новых и расширенных функций набора программ, входящих в электромагнитный пакет ANSYS Electromagnetic Suite R18. Мы надеемся, что новые дополнения увеличат вашу инженерную эффективность при разработке самых сложных изделий и сократят время выхода на рынок.

ANSYS Maxwell R18

Элементы первого порядка в трехмерном нестационарном решателе.

В последних релизах прослеживается тенденция к введению нового функционала для обеспечения лучшей производительности нестационарного решателя ANSYS Maxwell 3D. В предыдущем релизе были отмечены улучшения, связанные с оптимизацией алгоритмов решателя, введением принципиально – нового метода параллельного решения TDM (Time-Decomposition-Method, появлением новых настроек сеточного генератора (TAU, Clone Mesh) для создания более лёгких, структурированных сеточных моделей.

Появление возможности использования элементов первого порядка в нестационарном решателе взамен элементов второго порядка, используемыми во всех ранних версиях по умолчанию, также приводит к снижению затрат на вычисления и требований к аппаратному обеспечению.

Как известно ANSYS Maxwell 3D (transient) использует формулировку T-Ω. Ω - узловой магнитный скалярный потенциал в элементах второго порядка, определяемый во всей расчётной области. Т - реберный электрический векторный потенциал в элементах первого порядка, определяется только в проводящем вихретоковом регионе. В новой версии для пользователей предлагается использовать Т - реберный электрический векторный потенциал в элементах первого порядка и опционально Ω - узловой магнитный скалярный потенциал в элементах первого порядка (рис.1).

Рисунок 1. Элементы MSP первого и второго порядка.

Решение с понижением порядка элементов может быть желательно в случаях:

  • Когда сокращение вычислительного времени является основной задачей, а точность второстепенной.
  • Начальная стадия проектирования, перед переходом к более точному решению с элементами второго порядка.
  • В случае качественной дискретизации очень сложных геометрических форм элементами второго порядка, размерность сеточной модели становится слишком большой для вычислений.

Рисунок 2. Время решения нестационарной задачи с использованием элементов первого и второго порядков.

Высокопроизводительные вычисления. Метод TDM.

В предыдущем обновлении пользователи познакомились с новым методом вычислений - TDM для нестационарного решателя ANSYS Maxwell. Метод TDM является наиболее эффективным на сегодняшний день для выполнения крупномасштабных работ. Основная идея в том, чтобы все шаги интегрирования нестационарного анализа распределить по отдельным вычислительным узлам или процессорам и получить решение одновременно в единицу реального времени. После того, как поддомены времени параллельно решены, их результаты объединяются в общую шкалу времени задания. ANSYS Maxwell с технологией TDM позволяет работать с задачами, которые ранее считались невыполнимыми. По результатам многочисленных тестов, метод показал отличную производительность и масштабируемость.

Рисунок 3. Ускорение решения нестационарной задачи с использованием метода TDM.

 На рисунке 3 представлены результаты тестирования скорости вычислений задачи моделирования планарного электронного трансформатора. Опорной точкой считается время SMP (28 ядер) решения на одном узле, которое составило 6.5 дней без использования TDM. При тестировании использовалось оборудование: 16 узлов, 448 ядер (2GHz), 512Gb RAM на узел.

Рисунок 4. Ограничения, связанные с методом TDM. Отсутствуют в новой версии.

Обновление метода TDM в новой версии связан с устранением ограничений, которые влияли на его применимость, схематичное представлены на рисунке 4:

  • Для использования метода TDM необходимо иметь достаточный опыт в использовании высокопроизводительных вычислений ANSYS. У многих пользователей возникали проблемы с настройками количества шагов интегрирования, поддоменов временной шкалы задания, указания количества и расположения вычислительных ядер, использовании MPI служб и т.д. Специалисты ANSYS подготовили даже утилиту для расчёта оптимальных настроек для балансировки загрузки мощностей. В новой версии все настройки HPC можно оставить на автоматический выбор, указав только характеристики вычислителя.
  • Стало возможным использовать с методом TDM и внешние цепи. Пока заявлено о поддержки цепей, содержащих произвольно соединённые обмотки, R, L, ECE элементы. Диоды, переключатели, конденсаторы пока поддерживаться не будут.
  • Наихудшая рабочая точка для определения линии возврата при учёте размагничивания постоянных магнитов, в случае последовательного расчёта, вычисляется на каждом шаге интегрирования. В случае решения задачи с использованием TDM рабочая точка вычисляется в конце каждого поддомена времени задания.  
  • В новой версии у пользователей появится возможность вычислять и сохранять значения, записанные в Expression Cache. 
  • Используя метод TDM, стало возможным произвести “чистую” остановку и рестарт расчёта. В этом случае нет возможности использовать автоматические настройки HPC.
  • Метод TDM также используется для быстрого выхода на установившееся состояние посредством моделирования только одного периода входного возбуждения, что приводит к еще более существенной экономии расчётного времени для некоторого класса задач. В новой версии класс задач, для которых может быть применён Periodic TDM расширен до моделей с учётом присутствия вихревых токов. На рисунке 5 приведено сравнение решения нестационарной задачи синхронного генератора с короткозамкнутой клеткой различными методами. Метод Periodic TDM позволяет получить стационарное решение задачи за один период возбуждения.

Рисунок 5. Periodic TDM позволяет за один период получить решение для установившегося режима.

Анизотропный векторный гистерезис.

Разработчики заявляют о возможности использовать соответствующие свойства материалов для моделирования анизотропного гистерезисного поведения для ориентированной электротехнической стали. Эта возможность, как предполагается, найдёт широкое применение для определения потерь в анизотропной стали.

Новые возможности гармонического решателя Eddy Current.

Трехмерный решатель гармонического поля дополнился возможностью использовать магнитную проницаемость для ферромагнетиков, определённую в магнитостатическом решении. В таком случае нелинейный анализ выполняется только в магнитостатике, в гармоническом решении нелинейный материал представляется линейным с подготовленными, “замороженными” значениями магнитной проницаемости в каждом элементе сеточной модели. Предполагается, что данная возможность будет востребована для анализа нелинейных цепей в режиме малых сигналов.

Библтотека материалов

Пользователи могут использовать библиотека электротехнических сталей и постоянных магнитов от производителей: Arnold Technologies, China Steel, Hitachi, JFE_Steel

Междисциплинарные задачи.

Новый класс междисциплинарных задач появляется на уровне среды интеграции ANSYS Workbench R18, теперь пользователи ANSYS Maxwell и ANSYS Mechanical могут решать задачи, связанные с моделированием эффекта магнитострикции и обратной магнитострикции. Данная возможность будет востребована при анализе акустики и вибрации трансформаторов, электрических машин, электромагнитов, а также при разработке датчиков и различных преобразователей.

Рисунок 6. Моделирование эффекта магнитострикции в ANSYS Workbench R18.

               Магнитострикцию и обратную магнитострикцию можно рассматривать, как энергетическую трансформацию от магнитного поля к механическим напряжениям/деформациям и наоборот, что также может быть описано двунаправленной связью между механическими и магнитными полями в магнитострикционном материале (рис. 6).

  • Материалы для 2D/3D магнитостатического и нестационарного решения дополнились инструментами для описания магнитострикционных свойств. Поддерживаются линейные, нелинейные (семейство кривых) и анизотропные (учёт направления проката стали) свойства магнитострикции и обратной магнитострикции (рис.7).

Рисунок 7. Эффект обратной магнитострикции. Свойства материалов.

  • В соответствие с введёнными свойствами материалов решатели ANSYS Maxwell вычисляют плотность усилий с учетом магнитострикционного компонента.
  • Если в задаче магнитостатики присутствуют материалы с заданными свойствами обратной магнитострикции, то ANSYS Maxwell сохраняет начальное H поле, которое было определено без приложенных внешних механических напряжений/деформаций.
  • Для моделирования магнитострикции реализована односторонняя и двусторонняя связь ANSYS Maxwell – ANSYS Mechanical.

Обновления Electronics Desktop.

Построение поверхности отклика.

ANSYS DesignXplorer интегрирован в пользовательский интерфейс. Optimetrics дополнился возможностью проведением эксперимента DOE (design of experiment) для построения поверхности отклика, что позволяет интерактивно изучить пространство проектных параметров и тем самым понизить количество вычислений при оптимизации (рис. 8).

Рисунок 8. Построение поверхности отклика.

Иерархическая группировка объектов.

Изменения коснулись дерева построения модели (рис. 9). Предлагается возможности по иерархической группировке объектов модели вне зависимости от материала:

  • Группировка всех видов объектов геометрического редактора, 3D компонентов, UDM.
  • Поддержка группировки объектов и групп внутри группы.
  • Действия с группами:
    • Создание новой, копирование, вставка, дублирование, удаление, разгруппировка, выпрямление.
    • Свободное перемещение объектов между группами.
  • Импортирование CAD сборок.
    • Импортированные сборки из CAD редакторов представляются в виде групп.
    • Поддержка CAD форматов с сборками: ProE, SolidWorks, CATIA, UG-NX, STEP, Auto-CAD Inventor.

Рисунок 9. Группировка объектов в дереве построения модели.

Упрощение 3D объектов.

В ранних версиях ANSYS, если пользователь хотел использовать связь ANSYS Maxwell с ANSYS IcePak, ему приходилось использовать промежуточные программы ANSYS DesignModeler или ANSYS SpaceClaim для триангулирования геометрических объектов для корректной передачи в ANSYS IcePak. В новой версии эту возможность реализовали на уровне редактора ANSYS Maxwell (рис. 10).

Рисунок 10. Упрощение объектов с помощью геометрического редактора ANSYS Maxwell.

ANSYS RMxprt R18

Доступен новый тип синхронных машин – синхронно-реактивная SynRM. Ротор представлен в четырёх вариантах, разность между продольной и квадратурной индуктивностями достигается за счёт воздушных барьеров и в первом случае с помощью специальной шихтовки пакета (рис. 11). Доступно частичное решение, экспорт модели в ANSYS Maxwell 2/3D, ANSYS IcePak.

Рисунок 11. Двигатель SynRM в ANSYS RMxprt R18.

Для расширения стандартных возможностей и добавления большей гибкости, в соответствие с пожеланиями пользователей, все типы электрических машин получили вспомогательные команды (32 опции User Defined Data).

ANSYS Simplorer

Если пользователь имеет в наличии нижеперечисленные лицензии, список которых расширен по сравнению с 17 версией, то у него есть возможность использовать полнофункциональную версию ANSYS Simplorer с ограничением в 30 элементов на схеме:

  • ANSYS Mechanical Enterprise
  • ANSYS Mechanical Enterprise PrepPost 
  • ANSYS CFD Enterprise
  • ANSYS CFD Enterprise Solver
  • ANSYS Multiphysics Bundles
  • ANSYS Maxwell
  • ANSYS Q3D Extractor
  • ANSYS SCADE Suite Advanced Modeler

Библиотеки компонентов Modelica.

Продолжается интеграция библиотек Modelica в ANSYS Simplorer. Полностью поддерживается стандартная библиотека Modelica (MSL) в 1500 компонентов, а также заявлено о совместимости с 10 библиотеками Modelica для различного применения (рис. 12).

Рисунок 12. Совместимые с ANSYS Simplorer библиотеки Modelon.

В новой версии появилась возможность использования графическое моделирование с Modelica. Модели могут создаваться посредством перетаскивания нужных компонентов. Код Modelica генерируется автоматически. Modelica Package Browser отображает содержимое библиотек и сведения о модели. Документация на компоненты Modelica предлагается в виде HTML.

Battery Design Toolkits.

В ANSYS App Store пользователи могут найти инструменты, упрощающие моделирование батарей питания, которые помогают создавать эквивалентные модели с учётом измеренного или смоделированного электрического и теплового поведения.

Инструменты Characterize Device.

Для анализа системного уровня предлагаются новые возможности по созданию поведенческой модели усредненного Average MOSFET.

Новые библиотеки ANSYS Simlorer.

Интегральные микросхемы от Texas Instruments и Linear Technology. Полупроводники MOSFET от Microsemi и Cree.

 

В данной статье мы описали только основные новшества пакета для решения задач электромеханики ANSYS Electromagnetic Suite 18. Дополнительную информацию вы всегда можете запросить на нашем сайте www.delcam-ural.ru в разделе «Вопрос-ответ» или на сайтах www.ansys-club.ru и www.ansys-expert.ru, задав вопрос экспертам. Кроме того, на сайтах вы можете найти ряд интересных и полезных информационных материалов по различным модулям ANSYS.

Добавить комментарий

Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии