Параллельное решение нестационарных электромагнитных задач методом TDM в ANSYS Maxwell.

Аватар пользователя Klyavlin
0 1090

Для разработки и анализа электрических машин, силовых и электронных трансформаторов используется нестационарный решатель электромагнитного поля, который позволяет инженерам анализировать систему в динамике с учётом нелинейных материалов, постоянных магнитов и индуцированных вихревых токов при изменяющихся условий возбуждения произвольной формы. Моделирование переходного процесса связано с последовательным решением множества временных шагов интегрирования для точного определения насыщения, вихревых токов, пазовых эффектов и положения ротора во времени и пространстве. Поскольку переходный электромагнитный анализ требует вычисления множества временных шагов - процесс идет медленно, и это ограничивает размерность задач, которые могут быть решены даже на самых быстрых современных компьютерах. На самом деле, получение характеристик различных электрических машин или планарного магнитного устройства, вплоть до стационарного состояния - большое вычислительное мероприятие, которое может занять несколько дней или недель.

Специалисты компаний ANSYS и INTEL провели тестирование новой вычислительной технологии ANSYS Maxwell, которая показала значительную производительность в решении нестационарных электромагнитных задач. Моделирование, на которое ранее требовалось неделя вычислительного времени, теперь стало возможным выполнить за нескольких часов. Ключевая особенность алгоритма вычислений, реализованного в ANSYS Maxwell, заключается в том, что позволяет искать решение на множестве временных шагах одновременно, а не последовательно.

Для тестирования использовались Intel® Xeon® E5-2697 v4 2-сокетные сервера с кодовым именем Broadwell-EP, оснащенные 18-ю вычислительными ядрами и 4-я каналами памяти на сокет и поддержкой 2400MHz DDR4 памяти. Каждый вычислительный узел был оснащен 128Gb памятью 4x16Gb DIMMs. Коммуникация узлов реализовывалась на Intel® Omni-Path Architecture (OPA) 10 Gigabit Ethernet. Intel® MPI использовались для коммуникации первого уровня сервер-сервер.

ANSYS Maxwell – Time Decomposition Method

Метод параллельного решения (TDM) состоит из 4 технических аспектов:

  • Превосходная масштабируемость достигается за счёт декомпозиции временной шкалы задания.
  • Разработаны 2 модели TDM:
    • Periodic TDM – для решения проблем где целью моделирования является получения значений установившегося состояния системы при условии, что расчётные величины изменяются гармонически, с одной частотой. В таком случае решение ищется с помощью декомпозиции шкалы TDM в рамках одного периода возбуждения.
    • General TDM – общее решение нестационарных задач. Используется набор последовательных временных поддоменов всей шкалы задания, где шаги интегрирования каждого поддомена вычисляются параллельно.
  • Были разработаны специализированный прямой решатель и предобусловленный итеративный решатель для решения дискретизированных блоков матриц, что позволяет обоим моделям TDM быть очень эффективными. Решатели в полной мере используют аппаратные средства для высокопроизводительных параллельных вычислений.
  • Был введен надёжный и эффективный алгоритм, который необходим для сходимости нелинейных задач, балансировки загрузки вычислителя, и обеспечения масштабируемости параллельных вычислений.

Рисунок 1. Многоуровневое HPC для скорости и масштабируемости вычислений

Результатом является увеличение скорости вычисления, что приводит и к значительному увеличению размерности задач, которые могут быть решены. Запатентованная технология TDM позволяет инженерам решить все шаги интегрирования одновременно, распределяя их на ядрах компьютеров, объединённых в сеть, и вычислительных кластерах.

Метод TDM является наиболее эффективным на сегодняшний день для выполнения крупномасштабных работ. Например, все шаги интегрирования, необходимые для нестационарного анализа электрической машины, могут быть распределены на отдельные вычислительные узлы или процессоры и решены 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 инженерам и исследователям работать с задачами, которые ранее считались невыполнимыми.

Несмотря на то, что метод TDM в основном ориентирован на множество расчётных узлов или на кластеры для достижения наилучшей производительности, он по-прежнему применим и к одному многоядерному компьютеру. Гибридное распараллеливание метода TDM позволяет использовать высокопроизводительные вычисления (HPC). В таком случае временные шаги распределяются по нескольким узлам и ядрам с помощью MPI (интерфейс передачи сообщений), а дополнительные доступные ядра могут быть задействованы во втором уровне параллельных вычислений с общей оперативной памятью SMP (многопоточный режим).  На сегодняшний день тесты показали отличную масштабируемость в вычислительной скорости и ёмкости по мере добавления аппаратных средств.

 

Задача 1. Электрическая машина.

Моделирование работы электрических машин считается одним из самых затратных по времени и ресурсам:

  • Топология машин обеспечивает большую размерность сеточной модели (FEA DOF).
  • Различные конфигурации дизайна (пазы ротора/статора, пары полюсов, тип обмотки и т.д.)
  • Большие временные константы приводят к необходимости моделирования длительных временных отрезков.

Кроме этого, задача может быть связана с моделированием сильно выраженных вихретоковых эффектов, которые возникают, например, в массивных проводниках (стержнях) индукционных машин, обеспечивают скольжение или являются демпфером в пусковых и/или аварийных режимах.  Такие явления очень динамичны и требуют также больших вычислительных затрат.

Рисунок 2. Асинхронный двигатель с двойной клеткой. 3,7kW, 700rpm.

В таблице 1 представлены результаты тестирования скорости вычислений задачи моделирования пуска 8-полюсного асинхронного двигателя 3,7 кВт, 700 об.мин. с двойной короткозамкнутой клеткой.Требуется найти решение 256 шагов интегрирования при 1 миллионе степеней свободы (DOF). Как можно видеть из результатов тестов, при использовании метода TDM в ANSYS Maxwell решение нестационарной задачи проходит значительно быстрее по сравнению со старыми методами последовательного решения.

 

Таблица 1. Сравнение скорости решения нестационарной задачи в ANSYS Maxwell различными методами.

Рисунок 3. Различные результаты моделирования асинхронного двигателя. 

 

Задача 2. Задачи планарных магнитных систем. Трансформатор.

В таких задачах обычно проводится анализ магнитных полей внутри плоской структуры и определяется их влияние на распределение токов высокой частоты в обмотках.

Планарные магнитные устройства имеют ряд преимуществ по сравнению с их традиционными аналогами. В отличие от винтовых обмоток обычных магнитных устройств, витки планарных трансформаторов и катушек индуктивности расположены на плоских поверхностях, проходящих снаружи центра - сердцевины.

Магнитные сердечники в планарных устройствах имеют другую форму, чем обычные стержни, используемые с винтовыми обмотками. По сравнению с обычным магнитным сердечником равного объема, планарные устройства с оптимизированным магнитопроводом обычно показывают:

  • Значительно меньше высота (общая занимаемая площадь).
  • Большая площадь поверхности. Более высокая способность рассеивания тепла.
  • Большая площадь поперечного сечения магнитопровода. Требуется меньшее количество витков.
  • Меньшие зоны намотки, что облегчает чередование слоёв.
  • Более низкая индуктивность рассеяния в результате меньшего количества витков и чередующихся обмоток.
  • Низкое AC сопротивление обмотки.

Зачастую для анализа подобных структур используют магнитный гармонический решатель (eddy current), что связано с большими временными константами и размерностью сеточной модели. Выбор магнитного гармонического анализа снижает уровень точности, который может быть достигнут, потому как предполагает линейную магнитную задачу с синусоидальным возбуждением для заданной частоты. В действительности же возбуждение представляет собой импульсный сигнал (рис. 5), магнитный сердечник обладает нелинейными свойствами.

Высокоэффективные нелинейные магнитные сердечники имеют сложную геометрическую форму. Многовитковая плоская конфигурация обмоток индуцирует в себе значительные вихревые токи, которые также сильно влияют на время решения задачи. Традиционный, последовательный метод решения нестационарной задачи не может быть применён для точного решения общего количества шагов интегрирования для достижения установившихся значений. В таком случае только применение метода TDM для анализа планарных структур в нестационарном решателе позволит получить наиболее точные расчётные характеристики в приемлемое время.

  В таблице 2 представлены результаты тестирования скорости вычислений задачи моделирования планарного электронного трансформатора.

Таблица 2. Сравнение скорости решения нестационарной задачи в ANSYS Maxwell различными методами.

Рисунок 4. Геометрическая модель планарного трансформатора.

Рисунок 5. Форма сигнала возбуждения трансформатора. Данные задачи.

Рисунок 6. Рассчитанные характеристики трансформатора: потери, токи обмоток.

Основной вклад в общую производительность HPC является число параллельных процессов MPI, которые могут быть развернуты. Чтобы лучше использовать профиль аппаратного обеспечения для установленного объема оперативной памяти, может быть использована комбинация MPI и OpenMP (SMP), но это не является обязательным требованием.

Заключение.

Новый алгоритм решения нестационарных задач TDM в ANSYS Maxwell позволяет вычислять временные шаги интегрирования одновременно. Задачи, на решение которых требовалось по несколько дней, теперь могут быть выполнены в течение нескольких часов.

 

Добавить комментарий

Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии