在多物理场分析中添加电磁效应

噢,耦合物理模拟将解决的问题...

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也许您在设计电磁阀,并需要了解电磁(EM),流体和结构力的综合作用。也许机械产品的时间依赖性会受到电流的影响,因此您需要模拟焦耳热。您甚至如何解决此类问题?

div,grad和curl是您最好的朋友还是Maxwell’s方程是一个遥远的记忆’我会欣赏今天令人惊讶的轻松’的多物理场(MP)有限元(FE)分析软件包包含EM效果。 与许多供应商讨论了什么’对于设置有用的仿真很重要。

WHO’s 上 First?

不断出现的使产品更小,更便宜和更快的驱动力推动了设计仿真软件来扩展其MP功能。从历史上看,大多数此类仿真软件首先将结构,热和流体行为结合在一起,然后合并了EM效果。一个例外是Cobham矢量场模拟软件的Opera-3d软件,其工作始于EM方面。

SIMULIA

来自达索系统SIMULIA的Abaqus 6.13的协同仿真功能可实现不同学科的耦合—如打印机中感应加热定影器的示例所示。了解节能辊的温度分布和升温时间对于节能考虑至关重要。在图中显示的是辊温度分布的等高线图,略微旋转了一半和一整圈。 图片由SIMULIA,Dassault Systemes提供.

尽管EM仿真通常依赖于FE作为解决方案,但有些还采用边界元建模(BEM)。它们的一个有用特性是可以与基于网格的物理学和一维物理学(例如多体动力学和控件)交互。

在许多方面,执行包含EM效应的MP分析与任何其他MP模拟任务没有什么不同。皮埃尔·L博士’LSTC的资深科学家Eplattenier为对其EM功能感兴趣的LS-DYNA用户列出了步骤:“为材料提供电导率,提供所需的时间步长,并定义源电场(AC)或时间相关的DC场。”

MSC软件

A tube is pushed through a heating coil, and a coupled magnetodynamic thermal structural analysis is performed in MSC软件’的MARC。谐波磁动力场在轴对称工件中产生感应电流。根据这些感应电流,可以计算出热通量,并将其用于热分析。重复交错的序列,直到分析结束。可以使用单网孔或双网孔的方法来处理固体-空气界面,并且该过程也可以相反地进行。 Image courtesy of MSC软件.

为了获得最佳精度,LS-DYNA’s的计算基于电导体中的基于FE的计算,以及针对导体周围的流体或空气中的网格的基于BEM的计算。

供应商对于设计师承担这项任务感到非常鼓舞,即使是MP新手也是如此。 COMSOL的Valerio Marra博士’的技术营销经理说,“通常,设置EM问题更容易且很明确。增加热效应和机械效应可能很困难;那’事情变得任意复杂的时候。”

科汉姆

使用Cobham Vector Fields Simulation软件的Opera-3d对电子枪进行MP分析。从上至下:表面电势和轨迹;势图和体积功率密度;温度分布热膨胀,证明包括了电磁,热和结构分析。 图片由Cobham Vector Fields仿真软件提供.

该过程的一部分要求您通过确定不同的解决方案是否相互影响来决定是否需要顺序方法或协同仿真方法。顺序方法的一个示例是运行EM仿真以计算热损失,然后将诸如热通量之类的参数移交给计算流体力学(CFD)求解器,该求解器随后计算对流行为。

相比之下,Altair 工程的Jon Quigley’多学科模拟主任,笔记,“在协同仿真情况下,随着时间的推移,EM求解器和另一个求解器(可以是机械的,热的或流体的)都交换数据。由于需要更多的“更多信息”,因此设置起来可能很复杂,但是软件包继续提高了易用性。”

可能的挑战之一:感兴趣的时间段在各个域之间可能相差很大。例如,与机械(旋转)或电(AC)循环操作相比,热响应(以分钟为单位)的上升速度要慢得多。对于这种情况,设计人员可以对损耗进行时间平均,然后根据需要将其转换为温度。

选择在区域中使用相同的网格或不同的网格也可能涉及计算时间与准确性之间的权衡。今天’的程序包通常具有高级算法,这些算法会随着仿真的进行自动将不同的网格相互映射。

使用ESI Group的仿真和优化软件ACE +套件对喷墨打印机的打印头操作进行仿真。当将交流电压(VAC)中的电压施加到压电晶体时,材料会物理改变形状并推出墨滴。在这种规模上,重力的影响可以忽略不计;因此,此配置显示下降上升。 图片由ESI Group提供.
ESI集团

示意图,压电喷墨打印头

ESI集团

VAC = 200V时的液滴喷射;较慢,较短的液滴

ESI集团

VAC = 300V时的液滴喷射;更快,更长的滴

斯科特·斯坦顿(ANSYS)’先进技术计划的技术总监解释了在设计转子/定子配置时如何应用:“定子的边缘上有一个细网格,梯度最大,但对于热部分,热量一直散布。 ANSYS Workbench所做的是从一个到另一个重新计算网格,处理下面的网格交互。”他补充说,用户可以查看网格上的比较结果并允许手动更改的自动校验和。

添加(或以EM效果开始)另一个清单任务是定义感兴趣的频域。 MP的大部分活动都在低频领域,可能高达100 MHz。应用包括执行器,电动机,发电机和电路。高频通常指的是微波操作,例如天线和雷达设计,或微波炉。后一种设计的分析更为复杂,因为它不能忽略电磁场分量,必须解决全波方程。

牵牛星 工程

电动机中的焦耳加热。吉马格’s JSOL solution was applied to the electromagnetic design to compute the Joule heat loss; heat flux values were then coupled sequentially to 牵牛星 工程’s AcuSolve 差价合约 代码,用于设计对流冷却解决方案。 Image courtesy of 牵牛星 工程.

并非所有的MP仿真都能处理全频情况,但是这种功能是AMPS Technologies公司的特殊优势,AMPS Technologies Co.是高级多物理仿真(AMP)非线性分析程序的开发商。该公司成立于2004年,致力于解决棘手的问题,从流体结构相互作用开始,并增加了EM效果。

AMPS技术产品开发人员Ted Lin博士说,对于关键应用,’在求解麦克斯韦时,包括所有频率项很重要’s方程。 AMPS始终使用应变率(边缘类型)连续体公式和用于所有控制微分方程的基于最小二乘法的一致方法来包括它们。

“我们将所有物理学都集中在一个相等的插值函数上,并将其紧密集成在一起,” Lin says. “一切都汇聚成一个更好的解决方案。”

收敛可能是个问题,尤其是在出现非线性行为的情况下。ADINA软件采用统一的MP系统来处理诸如焦耳热和洛伦兹力以及机械和流体变化之类的影响,从而保持有效的解决方案收敛。它还可以包括涡流,时变和高频操作。看公司’的网站,例如有趣的,详细的微波巴氏灭菌和烤箱过程动画。

MSC软件’s MARC was developed specifically to incorporate non-linear behavior, and offers two ways to do so while including EM effects. According to Srinivas Reddy, MSC软件’的高级产品营销经理,强耦合分析更加准确—但是它们会占用更多资源,并且难以融合。用户可能会发现,如果发生重大的材料属性更改,交错方法会更好。例如,由压电行为引起的电流产生是强耦合的,但是使用相应的耦合解算器会占用大量资源,并且可能难以收敛。相反,MARC可以采用交错的方法,在每个时间步骤使用单独的解决方案,并来回交换结果。

重大问题

与任何MP分析一样,最大的挑战可能是获得所需的输入数据。在EM世界中,材料属性可能既各向异性又取决于频率,特别是与趋肤深度有关。此外,扫频行为可能是未知的。在现实世界中,这变得至关重要的一个例子是电机设计:由于材料特性的变化,随着温度的升高,它可能会失去动力。仿真必须考虑到这一点。

“您可能在单个测试温度下具有材料特性,而多物理场允许使用取决于温度的材料特性,”Cobham的销售和市场营销专家Nigel Atkinson博士解释说。他补充说,这对于他的公司的稀土材料尤为重要’专门设计的Opera-3d软件可以处理;典型的应用包括磁共振成像(MRI)磁体,粒子加速器,扬声器和溅射镀膜设备。

COMSOL’s Marra给出了另一个示例,其中材料知识至关重要:设计光纤。“设计问题的EM端仅需要介电特性,但是弯曲时又会怎样呢?应力和应变会改变光学特性,因此在结构方面的性能非常敏感。”他补充说,给定热应力,许多介电材料会膨胀。建立正确的热模型取决于了解在不同频率和信号强度下操作过程中表面光洁度和接触压力的影响,所有这些因素决定了性能。

超越分析,实现优化

Atkinson指出,进行下一步时最好采用模拟:优化。

“即使产品放置在更恶劣的环境中,产品也必须更加坚固耐用,” he says. “这将通过比其前代产品更具创新性的设计来实现。例如,传统上可能主要在发电站的涡轮机大厅中发现发电机,在这些机器中,运行条件​​是可控的和可预测的。如今,您看到了从风力涡轮机塔顶到混合动力汽车的多种环境中的发电机。设计人员不能孤立地看待电磁性能。他们需要考虑温度和机械效应,以实现最佳而坚固的设计。”

ANSYS

ANSYS Workbench提供了可以访问同类最佳的单一物理求解器并集成其解决方案的环境。 图片由ANSYS提供.

在ANSYS,Design Explorer工具使用户可以尝试各种物理参数组合,以在整个可能的设计空间中进行仿真。例如,由感应电动机产生的转矩的大小由转子和定子的磁场相互作用的强度决定。给出永磁体的厚度,外径和材料特性后,该软件将执行灵敏度分析,显示哪个参数对扭矩的影响最大。

EM / MP分析中涉及的变量数量之多表明,确定优先级确实很重要。

“Loads—例如,EM侧的电流密度—最容易优化”注意达索系统公司SIMULIA的工程专家Krishna Gundu博士。“几何参数也可以优化,但是需要更多的工作。”

截至发稿时,SIMULIA正在撰写一份技术简介,其中描述了在实现节能的总体目标的前提下,在感应加热的打印机-滚筒机构的温度分布和机械设计之间进行权衡的问题。

一个有趣的优化示例来自ESI Group的ACE +分析工具套件的产品经理Kunal Jain。“大多数工程师都希望提高效率并最小化设备的尺寸和重量,”他解释说,以按需滴(DOD)喷墨打印技术为例。“使用DOD,仅在需要时才弹出单个液滴。潜在的执行器机构可以是压电的或热的,压电式的因其适用于多种墨水而变得越来越流行。在压电DOD中,电压脉冲激励压电元件,压电元件改变形状,迫使墨滴从喷嘴喷出。”

关于优化,Jain指出“产生卓越的图像质量需要较小的墨滴尺寸和体积,精确的墨滴形状和快速的喷射速度。设计工程师可以控制的各种参数包括电压信号,频率,喷嘴形状,材料特性和墨水的表面张力。然而,最佳设计需要了解诸如表面张力,电动学,流体-结构相互作用和多相流等潜在现象。 差价合约 /多物理场仿真工具在理解各种复杂现象方面可以发挥关键作用,从而可以更快,更强大,更经济高效地设计和优化这些设备。”

牵牛星’奎格利(Squigley)说,优化直接适合“DNA” of his company. “在结构方面,即使在’90年代,我们看到(模拟)不仅可以得到答案,而且还可以使自动化达到最高水平,从而使计算机能够对设计进行迭代。”

Quigley补充说,多物理场为此引入了新的维度,“因为如果您具有某种形式的耦合模拟,那么优化可以围绕整个耦合计算。”该公司刚刚宣布与JSOL建立新的Altair合作伙伴联盟,以提供低频机电分析工具JMAG,作为与EM Software合作的补充&系统和那家公司’的高频FEKO封装。

通过这样的例子,’很明显,行业正在超越基本的设计和分析工具包。无论您需要处理低频或高频,磁滞,半导体材料还是压电器件的MP封装,现在都是将EM功能添加到仿真和优化项目的绝佳时机。

特约编辑Pamela Waterman,德国’的模拟专家,是亚利桑那州的一名电气工程师和自由技术作家。您可以发送她的电子邮件至 [电子邮件 protected].

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帕梅拉·沃特曼

帕梅拉·沃特曼(Pamela Waterman)担任数字工程’的特约编辑长达二十年。通过联系她 (必须启用JavaScript才能查看此电子邮件地址)。.

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