Тест-драйв техподдержки ANSYS

Новые возможности Ansys 2022 R1 для LF анализа

Аватар пользователя Klyavlin
0 257

Уважаемые читатели блога, вышла новая версия ANSYS 2022R1. Традиционно, наши специалисты готовят обзорные статьи по нововведениям всех основных направлений моделирования. На официальном портале поддержки клиентов стали доступны для скачивания дистрибутивы новой версии. Предлагаю вашему вниманию перечень новых возможностей ANSYS в области моделирования электромагнитного поля и не только.

В новом релизе, как обычно, нас ожидают обновления в технологиях решателей, новые граничные условия, улучшения в сеточном генераторе.

На уровне бета опции появилась новая технология распараллеливания для трехмерного нестационарного решателя и уже доступна для тестирования. Усовершенствованы возможности электромагнитного модуля для высокопроизводительных вычислений задач с записью полевого кэша решения.

Улучшен рабочий процесс при решении виброакустических задач и появилась возможность автоматического переноса возбуждения из симулятора TwinBuilder в Maxwell, не имея замкнутой связи.

Улучшены автоматические инструменты Electric machine toolkit. Внесены важные изменения, которые позволят получать более качественные графики.

В новом релизе появляется еще один метод для создания эквивалентных моделей для шестифазных электрических машин и их комбинаций.

Достаточно много новостей по решению междисциплинарных задач электромагнетизм, тепло и механика в рамках Electronic Desktop и ANSYS Workbench

 

ANSYS Maxwell 2022 R1

Технологии вычислительного ядра

Токовый решатель 3D AC Conduction

С 2022R1 версии ANSYS Maxwell новый токовый решатель AC conduction для трехмерных задач переходит из разряда бета-опций в базовый функционал. Анализ проводимости на переменном используется для исследования электрических полей и потерь, возникающие в проводниках и в диэлектриках с потерями из-за приложения к электродам переменного напряжения или тока. В этом решателе гармоническое электрическое и магнитное поля не связаны и электромагнитное поле можно рассматривать как квазистационарное. Учитываются емкостные эффекты и токи смещения. Этот анализ можно использовать для определения распределения напряжения, электрического поля, плотности электрического потока и плотности электрического тока в электрических устройствах в зависимости от частоты в ответ на гармоническую нагрузку.

 

Рисунок 1. Распределение потенциала по поверхности изолятора и на проводниках модуля IGBT

 

Решатель используется в задачах анализа датчиков, печатных плат, извлечения параметров цепей, высоковольтных приложениях с потерями, электроимпедансной томографии в медицинской технике

В новой версии заявлено о поддержке нелинейных и анизотропных материалов, результаты моделирования могут использоваться в двусторонней междисциплинарной связки с тепловым решателем с поддержкой температурнозависимых свойств материалов. Увеличено количество величин доступных в постобработке, например, добавлен вывод распределения поверхностного заряда и энергии в расчетной области.

 

Улучшения в A-Φ 3D нестационарном решателе

В 2021 версии состоялся коммерческий релиз нестационарного решателя новой формулировки A-Phi, который дополняет существующий T-Omega. В новой версии функционал решателя расширяется.

Напомним, что основной трехмерный нестационарный решатель основан на формулировке T-Omega. T-Omega является мощным численным методом для решения широкого спектра низкочастотных электромагнитных задач. Тем не менее, есть некоторые области, где применимость метода ограничена - например, возбуждение от смешанных источников на одном пути проводимости. Для таких случаев решатель с новой формулировкой 3D Transient A-Phi является более подходящим решением. В новом решателе реализован недоступный ранее метод задания смешанного возбуждения на произвольный путь проводимости, что расширяет круг решаемых задач во временной области.

В новой версии решатель дополнился возможностями:

  •  
  • Анализ с нелинейными постоянными магнитами
  • Влияние потерь в стали на поле
  • Учет гистерезиса
  • Доступен функционал по намагничиванию и размагничиванию

 

 

 

Рисунок 2. Результаты вычисления в A-phi решателе. Усредненные потери, векторный потенциал А, объемные силы.

Фокус развития решателя A-phi смещен со стороны электрических машин в сторону топологий проводников, сложной ошиновки, печатных плат, где используется множество смешанного возбуждения. Например, для сложной топологии проводников можно определить растекание тока от приложенной разности потенциалов, заданных токов и одновременно рассчитать магнитные и электрические величины от сформированного поля этих токов и напряжений во времени. Раньше такую электромагнитную задачу было невозможно решить в Maxwell.

 

Граничное условие Resistive Sheet в EddyCurrent решателе.

Граничное условие ранее было доступно только в трехмерном нестационарном решателе для пути проводимости с источником напряжения или индуцированными вихревыми токами. Граничное условие использовалось для создания падения напряжения с выделением соответствующего тепла через резистивный слой.

 

Рисунок 3. Граничное условие резистивного слоя

В новой версии граничное условие поддерживает EddyCurrent решатель. Есть некоторые условия по использованию граничного условия: граничное условие может быть на границе контакта двух и более проводников типа Solid, при использовании обмоток необходимо проследить, чтобы инструмент Winding был типа Solid. Обмотки могут быть подключены к любому источнику возбуждения. Во всех случаях необходимо включить учет вихревых токов в Solid проводниках.   

В решении предполагается, что ток перпендикулярен к резистивной поверхности граничного условия. В постпроцессоре доступен вывод поверхностной плотности мощности потерь на поверхности проводника. Граничное условие поддерживает решение методом DDM.

 

Сеточная модель Tau Mesh в 2D Band регионе

В новой версии сеточный генератор 2D Transient дополнен опцией Cylindrical gap и создан для тех же целей, что и в задачах 3D – наиболее точно разрешать воздушный зазор в моделях с использованием Band и цилиндрического вращения. Опция Cylindrical gap появляется автоматически при назначении движения.

 

Рисунок 4. Разрешение сеткой цилиндрического зазора в Maxwell 2D

Теперь вместо того, чтобы Tau генератор пытался обнаружить границы band, пользователь сам предоставляет информацию о band. Но если операция cylindrical gap не назначена, Tau генератор все равно будет пытаться обнаружить band.

Качество сеточной модели повышается при использовании новой сеточной операции, что положительно скажется на точности полученных результатов.

 

Высокопроизводительные вычисления HPC

ANSYS продолжает развивать новую возможность предыдущих релизов в области расширения возможностей решателей для высокопроизводительных вычислений.

 

HPC для MPI-based DDM решения в 3D нестационарных задачах. Бета.

Начиная с 2022R1 релиза пользователи при решении трехмерных нестационарных задач большой размерности могут выходить за рамки одного аппаратного узла и использовать вычислители, объединенные в сеть, для работы с одной сеточной моделью. Используются технологии вычисления с распределенной памятью посредством служб обмена сообщениями MPI. При использовании нескольких серверов для такого рода решения необходимо побеспокоится о хорошем интерконнекте, желательно иметь сеть Infiniband

Технология DDM – метод декомпозиции сеточной модели на поддомены и решения их отдельными параллельными процессами.

 

Рисунок 5. Включение опции Maxwell 3D Transient DDM Solve

 

Производительность при использовании Expression Cache

В новой версии существенно оптимизировано решение при задействовании кэша решения. Рассматривается пример электрической машины в Maxwell 2D transient, в модели не используется сегментированный скос, но настроены 14 кэшей решения для каждого шага интегрирования.

 

Рисунок 6. Ускорение решения задачи с Expression Cache

Выше приведены результаты тестирования параметрического запуска задачи в версиях 2021R2 и 2022R2. В новой версии решение 10 расчетных случаев с использованием параллельных 6 задач на 12 ядерной рабочей станции проходит в 5 раз быстрее. Ускорение обусловлено оптимизацией работы при вычислении кэша решения при постобработке в процессе решения.

 

Модель скоса ротора и статора электрических машин.

В предыдущих версиях ANSYS Maxwell для моделей двумерных нестационарных моделей электрических машин был реализован функционал плавного и ступенчатого виртуального скоса ротора и статора. Технология позволила существенно снизить вычислительные затраты на трехмерное моделирование в пользу решения нескольких двумерных моделей. При использовании данной модели необходимо решить количество нестационарных задач в двумерном решателе равным количеству сегментов (Slice). Таким образом очевидна необходимость в ускорении такого решения.

В прошлой версии появилась опция, которая переводит настройки HPC в специальный режим распределенных вычислений с использованием MPI. Настройка производится в меню “HPC and analysis Options”.

В новой версии реализована возможность автоматического конфигурирования метода решения с использованием MPI, базируясь на количестве доступных вычислительных ядер. Также теперь учитываются потери в стали, гистерезис, возможно продолжить остановленное решение. Поддержка гармонической силы (object-based) для NVH анализа. Также снято ограничение на возможность учета влияния потерь в стали на поле.

 

Удобство использования

Новый компонент задания возбуждения ANSYS Maxwell с использованием сигналов из ANSYS TwinBuilder

В новой версии ANSYS Twin Builder появился специальный компонент, который создан для того, чтобы формировать Dataset для ANSYS Maxwell Transient из сигналов постпроцессора ANSYS TwinBuilder.

 

Рисунок 7. Новый компонент формирования возбуждения для ANSYS Maxwell из TwinBuilder.

В качестве примера применения можно рассмотреть вариант, где измеряются сигналы напряжения возбуждения и тока в ANSYS Twin Builder после того, как расчет достигнет устойчивого состояния. Эти сигналы напряжения и тока из Twin Builder передаются в качестве возбуждения модели Maxwell решателя A-Phi в виде кусочно-линейных функций (Dataset).

 

Улучшение производительности при вычислении гармонической силы

В новой версии улучшены процедура вычисления и подготовки гармонических сил для проведения виброакустического анализа:

  • Изменен алгоритм реконструкции данных при использовании непостоянного шага по времени. В этом случае все данные формируются перед дискретным преобразованием Фурье (DFT) для исключения возникновения частотного сдвига и нефизических составляющих силы.
  • Улучшение в пользовательском интерфейсе UI и экспорта нестационарной силы. Все настройки по экспорту силы объединены в одну диалоговую панель на уровне дизайна. Переключение типа экспорта без необходимости повторного решения дизайна. Поддерживается решение для нескольких скоростей (параметрическое решение)
  • Разработан новый общий формат файла данных переходной силы. Для поддержки моделирования NVH в Mechanical без WB или в стороннем ПО.

Появились новые опции диалогового окна вычисления гармонической силы. Теперь пользователи могут определять диапазон выходных частот гармонической силы, что позволяет проводить фильтрацию ненужных частотных составляющих, которые дают незначительный вклад в анализ виброакустики. Это существенно повышает эффективность передачи данных и понижает нагрузку на механическую часть задачи. Существует два варианта ограничения частот, первый – указание начальной и конечной частоты, второй – выбора начальной частоты и задание количества частот.

 

Рисунок 8. Обновление диалогового меню включения вычисления гармонических сил

 

В новой версии появилась новая возможность постпроцессора позволяющая вывести на график силы для любых объектов, которые включены в вычисления гармонических сил (object-based). Поддерживается большое количество опций для этой возможности:

  • Диапазон значений силы: от 0 до tend, все шаги времени
  • Компоненты силы: mag, Fx, Fy, Fz
  • Поддерживаются 2D/3D нестационарные решатели
  • Поддерживается модель skew models (2D сегментированная модель)
  • Поддерживается TDM HPC

 

В процессе решения формируются данные для вывода в Transient report. Данные компонентов силы выводятся во временном диапазоне, поддерживаются операции с кривыми, преобразования FFT, экспорт данных.  

 

Рисунок 9. Вывод гармонической силы на зубце электрической машины во времени. Используется skew model.

 

Производительность электрических машин

Новая ROM модель для многофазных электрических машин

В 2022 версии появился функционал для создания эквивалентной модели для многофазной электрической машины на базе Transient решателя. Шестифазные машины обладают преимуществами - высокой плотностью мощности, высокой надежностью, низкими зубцовыми пульсациями. Применяются в ветряных турбинах, электромобилях, локомотивной тяге, морских движителях.

Реализуется метод через редактор схем Maxwell Circuit Editor, где появился новый компонент ECE6. В отличии от предыдущих версий, теперь все элементы для создания эквивалентных схем хорошо задокументированы, что поможет пользователям самостоятельно разобраться с их настройками. Модель ECE6 используется для настройки развертки токов в шестифазной обмотке, которая описывается как двойная трехфазная обмотка. Эти две трехфазные обмотки сдвинуты на 30 электрических градусов.

 

Рисунок 10. Новый метод создания эквивалентной модели для многофазной электрической машины

 

Модель может быть комбинирована с другими ECE моделями для создания ROM моделей произвольных 6-фазных машин, эффекты насыщения рассматриваются на основе фундаментальной эквивалентности; гармонические составляющие включены в потокосцепления dq0. Метод построения ECE модели вычислительно эффективен так как использует только один набор dq токов, тем самым сохраняет время на 50% расчетных точек по сравнению с ECE 3-фазной моделью

 

Изменения в ACT Machine Toolkits

Существенно изменились настройки эксперимента дизайна для асинхронных двигателей, что положительно сказывается на качестве получаемых результатов. Теперь верхняя граница скорости на карте эффективности соответствует заданной пользователем максимальной скорости для режимов двигателя и генератора; достигается гладкость кривой моментоограничения и карты эффективности; выводится точное решение в области высокой скорости.

 Теперь изменяемыми переменными будут механическая скорость вместо частоты, скольжение и напряжение на обмотке.

 

Рисунок 11. Обновление настроек построения карт эффективности.

 

Для асинхронных машин пользователь может определить 2 интервала развертки скольжения, что улучшает расчет в высоком пределе скольжения в параметрическом анализе для заполнения карты эффективности в области низких скоростей.

Также пользователь может определить предел крутящего момента на карте эффективности. Точки с крутящим моментом, превышающим этот предел, будут исключены из карты, что приведет к горизонтальной кривой моментоограничения в области низких скоростей.

В новой версии появляется возможность строить единую карту эффективности для двигательного и генераторного режима

 

Рисунок 12. Карта эффективности для двигательного и генераторного режима

 

Единая карта эффективности создается путем объединения в новом дизайне результатов расчета электрической машины в двигательном и генераторном режиме. Преимущества нового подхода заключаются в том, что спецификации двигательного и генераторного режима могут быть различными; карты эффективности по отдельности могут быть построены с использованием различных подходов, например, LS-DSO, TDM periodic, быстрый DOE; поддерживаются все типы машин в Machine Toolkit; нет необходимости в повторном параметрическом анализе при объединении результатов

 

Междисциплинарные расчеты

Потери модели Litz Wire для двустороннего сопряжения с Thermal

В новой версии полные потери в многожильных обмотках, найденные с помощью модели Litz Wire можно использовать в связанном расчете с тепловыми модулями. Теперь стало возможным отобразить поля EMloss в постпроцессоре ANSYS Maxwell нестационарного решателя, а для решателя 3D EddyCurrent доступен вывод потерь в файл .lss.

 

Рисунок 13. Распределение вычисленных EMLoss с моделью Litz Wire

 

Новая возможность доступна для решателей 2D/3D EddyCurrent и Transient. Мощность тепловыделения может быть передана в модули для расчета теплообмена на базе ANSYS Workbench и Electronic Desktop. Реализована поддержка температурного модификатора для материала проводника модели Litz Wire для точного учета изменения потерь в модели. Обратная связь по температуре работает для сопряжения с любым тепловым модулем ANSYS Workbench и Electronic Desktop.

 

Тепловые расчеты с граничным условие импеданса в 3D магнитном нестационарном решателе

В предыдущем релизе ANSYS EM 2021R2 впервые появилась новость о том, что нелинейное граничное условие импеданса стало доступным в трехмерном нестационарном решателе. Напомним, что это граничное условие является альтернативным методом учета потерь в плоских проводящих ферромагнетиках, для которых расчет вихревых токов затруднён вследствие необходимости делать очень подробную сеточную модель.

В новом релизе, определенная с помощью граничного условия импеданса плотность поверхностных потерь, может использоваться в качестве нагрузки в задаче теплообмена. Плотность поверхностных потерь возможно интегрировать во времени. Средняя мощность тепловыделения может быть найдена за указанный пользователем промежуток времени.

 

Рисунок 14. Определенная плотность поверхностных потерь в Maxwell 3D transient

 

Двустороннее тепловое сопряжение доступно со всем тепловыми решателями как на платформе Workbench, так и в Electronic Desktop. Поддерживается использование температурного модификатора в Impedance Boundary для проводимости и проницаемости материала, что сделает расчет более точным. Температура поверхности может быть отображена после обновления двустороннего решения.

 

Междисциплинарные расчеты в ANSYS Electronic Desktop

В новой версии обновлены возможности модулей ANSYS Electronic Desktop для проведения междисциплинарных расчетов. Так, теперь ANSYS Icepak AEDT и Mechanical AEDT поддерживают передачу потерь с двумерных моделей Maxwell 2D на свою трехмерную геометрию путем вытягивания плоской геометрии по нормали модели.

 

Рисунок 15. Новые междисциплинарные возможности среды ANSYS Electronic Desktop

 

На уровне бета-опций для ANSYS Mechanical AEDT доступен прочностной и термонапряженный анализ с поддержкой передачи электромагнитных сил из Maxwell и HFSS. Таким образом ANSYS Electronic Desktop развивается в сторону полностью автономной среды, в рамках которой возможно будет решать междисциплинарные задачи. Для этого потребуется только дистрибутив Electromagnetic Suite и лицензия уровня Enterprice.

 

 

Добавить комментарий

Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии