¬аше окно в мир —јѕ–
Ќовости —татьи јвторы —обыти€ ¬акансии Ёнциклопеди€ –екламодател€м
—татьи

7 августа 2023

ELCUT Ч конечно-элементный анализ электромагнитных и температурных полей

—емен ƒубицкий

—емен ƒубицкий

јвтор Ч ƒубицкий —емен ƒавидович, к.т.н., директор ќќќ Ђ“орї, доцент —анкт-ѕетербургского политехнического университета.
ELCUT


ѕетербургска€ компани€ Ђ“орї, основанна€ осенью 1988 года, уже 35 лет разрабатывает, совершенствует и продает программу ELCUT Ч CAE инструмент дл€ инженерного моделировани€ электромагнитных и температурных полей методом конечных элементов.

 ак известно, электромагнитные задачи прин€то делить на статические, низкочастотные и высокочастотные. ELCUT занимаетс€ первыми двум€ классами. »х основное отличие Ч единственна€ производна€ по времени в уравнени€х ћаксвелла, в результате чего уравнение не имеет волновых решений Ч поле не отрываетс€ от своих источников и не распростран€етс€ в бесконечном пространстве. “акое квазистационарное приближение описывает практически все мыслимые электротехнические устройства на частотах до единиц мегагерц, но не подходит дл€ радиочастот.

Ѕолее того, в квазистационарном приближении дифференциальное уравнение электромагнитного пол€ очень похоже на уравнение теплопроводности системы твердых тел. » не только: почти таким же уравнением описываетс€ напр€женно-деформированное состо€ние твердого тела в переделах упругости. ѕоэтому ELCUT умеет решать задачи электромагнетизма, теплопроводности, упругих деформаций и может св€зывать эти задачи между собой в мультифизические цепочки. —просите у ELCUT, какое усилие разовьет электромагнит, питаемый заданным импульсом тока, насколько он нагреетс€ за врем€ включени€, как повли€ет термическа€ деформаци€ на механические напр€жени€ в компонентах, Ч ответ будет получен быстро и точно, в той степени, в какой вы знаете свойства материалов и услови€ охлаждени€.

√лавное окно ELCUT

–ис. 1. √лавное окно ELCUT

“еоретические основы моделировани€ электромагнитного пол€ методом конечных элементов подробно разработаны в последней трети 20 века. Ќовизну здесь следует искать в эффективной реализации алгоритмов, компактном хранении огромных разреженных матриц и быстрой сходимости численной схемы. «вучит просто, но дл€ практического воплощени€ требуетс€ научна€ школа, квалифицированные инженеры-исследователи и сотни человеко-лет, потраченных на исследовани€, проектирование, реализацию, техподдержку и обучение пользователей. Ќаша команда, примерно поровну состо€ща€ из математиков-программистов и инженеров-электриков, начинала свой путь в ЋѕЁќ ЂЁлектросилаї (ныне входит в компанию Ђ—иловые машиныї) Ч ведущем производителе турбо- и гидрогенераторов дл€ крупных электростанций, под руководством профессора ¬€чеслава ¬€чеславовича ƒомбровского, вырастившего целую пле€ду талантливых учеников. ¬едущие инженеры ELCUT позже успешно работали и продолжают работать в калифорнийских офисах Cosmos/M, Autodesk, Google, Synopsis и др.

ѕрофессор ¬.¬. ƒомбровский

–ис. 2. ѕрофессор ¬.¬. ƒомбровский (1930-2016)

ќсобенности реализации

ELCUT на сегодн€шний день Ч это Windows приложение с набором двумерных и трехмерных решателей Ч статических и нестационарных, во временной и в частотной области, линейных и нелинейных. —писок трехмерных формулировок к моменту написани€ этой статьи ограничен задачами со скал€рным потенциалом, к которым относ€тс€ электростатика и температурный анализ, но не относитс€ магнитное поле и механика. “акие дополнительные возможности, как нелинейные свойства материалов, нестационарные задачи с дискретизаций по времени, св€зь задач из разных областей физики, также пока реализованы только в 2D.

ћожет возникнуть впечатление, что мы сознательно предпочитаем двумерный анализ трехмерному? ƒа, так и есть. ћода диктует тотальный переход к трехмерному инженерному анализу, но здравый смысл и наша статистика подсказывают, что пока основные инженерные результаты извлекаютс€ из простых двумерных моделей, которые гораздо компактнее, удобнее дл€ обозрени€ и понимани€, позвол€ют легко достичь прецизионной дискретизации и учесть более тонкие физические взаимосв€зи. ћы всегда помним, что, по словам –ичарда ’емминга, одного из основателей вычислительной математики, целью вычислений €вл€ютс€ не числа, а понимание.

ќбласть задач, решаемых ELCUT, можно описать, упом€нув такие великие программы, как Ansys Maxwell, Comsol AC/DC, Jmag, Infolytica, Flux и пр. ѕо широте охвата ELCUT уступает каждому из упом€нутых лидеров рынка, но в тех постановках, где возможности пересекаютс€, решает свои задачи не менее эффективно. Ќам известны несколько предпри€тий, где ELCUT плодотворно сосуществует с Ansys.

ћагнитное поле синхронного двигател€ с посто€нными магнитами

–ис. 3. ћагнитное поле синхронного двигател€ с посто€нными магнитами

 ак это возможно? ƒело в нишевой специфике: ELCUT рассчитан на инженеров-проектировщиков и расчетчиков, которые используют полевые расчеты от случа€ к случаю и между эпизодами успевают позабыть детали.  рива€ обучени€ ELCUT проста, порог входа низкий, степень автоматизации высока€, интерфейс дружелюбный и интуитивный, вариативность команд сведена к минимуму. ѕоэтому ELCUT пригоден дл€ использовани€ специалистами и студентами, не €вл€ющимис€ профессионалами в анализе электромагнитного или теплового пол€.

ћагнитное и температурное поле вблизи подземной кабельной линии

–ис. 4. ћагнитное и температурное поле вблизи подземной кабельной линии

ELCUT Ч замкнута€ система, но допускает импорт двумерной геометрии из DXF и трехмерной из STEP, а также экспорт результатов в нейтральный формат дл€ возможной дальнейшей обработки.

 то использует ELCUT?

ћноголетн€€ статистика продаж позвол€ет выделить следующие группы пользователей:

  1. ѕроектировщики электротехнических компонентов (электрические машины разных типов, силовые и измерительные трансформаторы, токоограничивающие и шунтирующие реакторы, электромагниты и реле, сенсоры, системы с посто€нными магнитами), а также электротехнических систем Ч воздушных и кабельных линий электропередачи, электроподстанций Ч последних в основном в контексте электромагнитной совместимости;
  2. —оздатели уникальных электрофизических приборов дл€ научных исследований;
  3. ѕреподаватели электротехнических и общеинженерных дисциплин, св€занных с математическим моделированием, Ч ELCUT идеален как первый ћ Ё-пакет дл€ студентов;
  4. —троительные инженеры Ч специалисты по энергоэффективности и теплозащите ограждающих конструкций, фундаментов и других узлов зданий, а также огнестойкости конструкций.

  первой категории пользователей ELCUT относ€тс€ такие лидеры электротехнического рынка, как јќ Ђ—иловые машиныї, «јќ Ђ«Ё“ќї, концерн –усэлпром, группа Ђ—¬ЁЋї, —вердловский завод трансформаторов тока, Ќѕѕ Ђќптиметрикї, јќ ЂЁлектроавтоматї, ќќќ ЂјјЁћї (–осатом) и другие.

 атегори€ изготовителей электрофизических приборов, полагающихс€ на ELCUT, включает Ќ»»Ё‘ј им. ≈фремова (—анкт-ѕетербург), ќ»я» (ƒубна), –оссийский федеральный €дерный центр (—аров), Ќ»÷  урчатовский институт, ќќќ Ђќптосистемыї (“роицк), √Ќ÷ “–»Ќ»“» (“роицк), »ѕ’‘ –јЌ („ерноголовка), институт —иловой электроники —ќ –јЌ (“омск), »нститут прикладной физики –јЌ (Ќижний Ќовгород), »нститут биохимической физики им. Ёмануэл€ (ћосква), ћосковский медико-стоматологический университет, ÷ентр сердечно-сосудистой хирургии им. Ѕакулева.

—писок университетов, использующих ELCUT дл€ преподавани€ электроэнергетических, строительных и общеинженерных дисциплин, огромен. ќн включает такие имена, как —анкт-ѕетербургский политехнический университет, ћј», ¬ЎЁ (ћосква), ЋЁ“», √”јѕ (—анкт-ѕетербург), ќмский, “омский, Ќовосибирский, ¬оронежский, ƒонской, —амарский, ¬олгоградский, ёжно-”ральский, ”фимский авиационный,  омсомольский-на-јмуре технические университеты, ћосковский, »вановский и  азанский энергетические университеты, ”ральский, ёжно-–усский, —ибирский федеральные университеты, ѕетербургский, –остовский, ќмский, ƒальневосточный университеты путей сообщени€ и многие другие технические вузы.

ƒискретизаци€ и электрическое поле разр€дника среднего напр€жени€

–ис. 5. ƒискретизаци€ и электрическое поле разр€дника среднего напр€жени€

—троительные проектировщики используют ELCUT дл€ анализа картины температурного пол€ в узлах зданий с мостиками холода, включа€ светопрозрачные конструкции и навесные фасады, а также утепленные фундаменты. ”пом€нем разработчиков алюминиевого строительного профил€ “атпроф и јлютех, ведущих производителей стройматериалов (–оквул, “ехнониколь) и дес€тки архитектурных бюро и организаций-проектантов, в том числе Ќ»ѕ»√ј«,  расаэропроект, –осжелдорпроект, ѕрозаск и другие.

¬арианты монтажа и утеплени€ окна в наружной стене здани€

–ис. 6. ¬арианты монтажа и утеплени€ окна в наружной стене здани€

 арлов ј. ј. »сследование промерзани€ грунта под фундаментом типа ”‘‘

–ис. 7.  арлов ј. ј. »сследование промерзани€ грунта под фундаментом типа ”‘‘ (утепленный финский фундамент) применительно к ћосковской области. Ч ћолодой ученый. Ч є 22 (208). —. 151-155.

Ќестационарный расчет теплового пол€ с учетом стандартной или углеродной модели пожара позвол€ет оценить врем€ огнестойкости строительных конструкций и мер их противопожарной защиты, существенно сокраща€ расходы на огневые испытани€.

ELCUT

ELCUT

–ис. 8. ƒискретизаци€, картина температурного пол€ и графики повышени€ температуры (пунктир Ч расчет ELCUT, сплошные кривые Ч данные измерений).
—м. √равит ћ.¬., Ўабунина ƒ.≈. Ўтукатурные составы как огнезащита стальных конструкций объектов нефтегазового комплекса. ѕожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидаци€. 2022(3):46‑55.

ќсновные подсистемы ELCUT

¬ едином исполн€емом модуле и нескольких плагинах упакованы следующие подсистемы:

  • √еометрический редактор двумерной геометрии, который отвечает за построение и импорт геометрии модели и генерацию сетки конечных элементов управл€емой густоты. ELCUT может построить сетку по умолчанию, регулиру€ густоту на свое усмотрение, адаптивно сгущать сетку по результатам решени€ на предыдущей, более редкой сетке, либо учесть пожелани€ пользовател€ к густоте;
  • ¬изуализатор трехмерной геометрии дл€ назначени€ свойств материалов и граничных условий с генератором трехмерной конформной сетки конечных элементов управл€емой густоты. —ама трехмерна€ геометри€ либо экспортируетс€ через STEP, либо получаетс€ экструзией из плоского эскиза;
  • –едактор свойств материалов, граничных условий и источников пол€ позвол€ет задавать и накапливать свойства материалов, в том числе завис€щие от интенсивности пол€ или от температуры, а также основные виды граничных условий, которые могут быть выражены константами либо формулами от координат и времени;
  • Ќабор решателей двумерных задач со скал€рным, векторным и комплексным потенциалом, включа€ мультифизические задачи. Ёффективность решателей обеспечиваетс€ применением метода геометрической декомпозиции дл€ сборки, компактного хранени€, обхода и обращени€ разреженной матрицы —Ћј”;
  • –ешатель трехмерных задач со скал€рным потенциалом, использующий трехслойный метод геометрической декомпозиции;
  • Ѕольшой интерактивный постпроцессор, который помогает пользователю визуализировать картины пол€, извлекать локальные значени€ в точках и вдоль заданных контуров, а также интегрировать по заданным пользователем лини€м, поверхност€м и объемам;
  • ѕодсистемы импорта двумерной и трехмерной геометрии модели, экспорта модели, сетки конечных элементов и решени€ задачи;
  • ѕубличный объектно-ориентированный программный интерфейс (API) на базе технологии межзадачного обмена COM;
  • »нструменты дл€ серийных расчетов (parametric), оптимизации и статистического анализа.

»меютс€ также дополнительные утилиты, взаимодействующие с ELCUT через публичный API. ”тилиты помогают разложить пространственное распределение пол€ в р€д ‘урье, вычислить матрицу собственных и взаимных частичных емкостей, подобрать эквивалентную теплопроводность замкнутых газовых полостей и многое другое.

ћатематически ELCUT использует единственный тип конечного элемента Ч линейный симплекс, то есть треугольник в двумерном случае и тетраэдр в трехмерном. ¬се усили€ разработчиков направлены на эффективную работу с большим количеством мелких элементов.

«аключение

ELCUT не €вл€етс€ полноценной заменой дл€ Ansys Maxwell или Comsol AC/DC. ќднако в тех задачах, где функциональность указанных программ пересекаетс€, ELCUT дает надежные результаты с меньшими затратами денег, времени на обучение и вычислительных ресурсов.

Ѕудучи изначально программой дл€ электромагнитных полей, ELCUT оказалс€ удобен строительным проектировщикам и инженерам по энергоэффективности зданий дл€ анализа локальных тепловых потерь в узлах, в том числе светопрозрачных конструкци€х, и расчета приведенного сопротивлени€ теплопередаче, а также дл€ анализа огнестойкости конструкций.

ќбложки двух из дес€тков учебных пособий

–ис. 9. ќбложки двух из дес€тков учебных пособий, написанных университетскими преподавател€ми, которые предлагают расчеты в ELCUT своим студентам

» наконец, сотни студентов в дес€тках технических университетов ежегодно защищают дипломные и курсовые работы, основанные на моделировании полей в ELCUT, потому что это быстро, дешево, удобно и необычайно увлекательно.

—айт elcut.ru содержит массу информации об опыте решени€ задач из разных отраслей науки и промышленности, включа€ видеоролики, примеры, журнальные статьи, описание API и многое другое. ѕо отдельным прикладным област€м чтение можно начать отсюда:



¬акансии:

јктуальное обсуждение

RSS-лента комментариев

-->

ƒавид Ћевин
ƒавид Ћевин
ќт редактора: „тобы не пострадать от роботов, человеку нужно надЄжно отличатьс€ от продуктового контейнера
ѕроект ЂЌародное —јѕ–-интервьюї

—лучайна€ стать€:

isicad Top 10

—амые попул€рные материалы

   ‘орумы isicad:

isicad-2010 isicad-2008
isicad-2006 isicad-2004

ќ проекте

ѕриглашаем публиковать на сайте isicad.ru новости и пресс-релизы о новых решени€х и продуктах, о проводимых меропри€ти€х и другую информацию. јдрес дл€ корреспонденции - info@isicad.ru

ѕроект isicad нацелен на

  • укрепление контактов между разработчиками, поставщиками и потребител€ми промышленных решений в област€х PLM и ERP...
ѕодробнее

»нформаци€ дл€ рекламодателей


¬се права защищены. © 2004-2023 √руппа компаний «Ћ≈ƒј—»

ѕерепечатка материалов сайта допускаетс€ с согласи€ редакции, ссылка на isicad.ru об€зательна.
¬ы можете обратитьс€ к нам по адресу info@isicad.ru.