Диссертация (1144049), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Показано совпадениеосновных результатов прямого моделирования поля с классическим расчетомтрансформатора по методике. Основным результатом является отработка методикимультифизического расчета сварочного трансформатора, которая, в отличие отстандартной, позволяет обнаруживать и профилактировать локальные перегревы иточки повышенных механических напряжений.Глава 4 рассматривает задачу термической стойкости грозозащитного тросасо встроенным оптоволоконным модулем к прямому удару молнии.
Отличиезадачи, изложенной в главе 4, от предыдущих задач состоит в том, чтоэлектромагнитное поле возбуждается импульсом тока, что влечет за собойнестационарную формулировку уравнений электромагнитного поля. Предложена,отработана и проверена методическая схема сведения трехмерной задачи к22двумерной модели с присоединенной электрической цепью. Выдвинуты исопоставлены рабочие гипотезы о распределении тока молнии по проволокам тросав первый момент после удара молнии. Сделаны выводы о термической стойкостиисследованного грозотроса.В заключении сформулированы основные результаты исследования.23ГЛАВА 1.
ОСОБЕННОСТИ МУЛЬТИФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕВЫХ ЗАДАЧЭЛЕКТРОТЕХНИКИСовременное состояние традиционных отраслей промышленности, помнению некоторых исследователей [6-7], достигло зрелого уровня и, в известномсмысле, вышло на технологическое плато. Для этих отраслей просматриваютсяследующие направления возможного прорыва:1. Современное компьютерное проектирование: концептуальное, рабочее итехнологическое.2. Технологии получения новых материалов.3. Интеллектуальные системы и среды.Центральной технологией исследование [6] называет компьютерныйинжиниринг (CAE), главными признаками которого являются мультифизичность,многомасштабность и многостадийность (М3 – А.И.
Боровков, 2012). Перечисленные признаки понимаются следующим образом:1. Мультифизичность: одновременное или последовательное моделированиепроцессов разной физической природы (теплопроводность, механика,электромагнетизм, газодинамика) с одно- или двунаправленной передачейданных между моделями.2. Многомасштабность: речь идет о включении моделей микроуровня вмакроскопические модели, либо об эффективном учете пространственнолокализованных тонких явлений в протяженную модель с более грубойдискретизацией.3.
Многостадийность: этот термин в основном относится к моделированиюпоследовательных многостадийных технологических процессов (например,литье-формовка-ковка-гибка-сварка).Математической основой CAE является метод конечных элементов [6], [7],[16] и другие методы, специфичные для отдельных дисциплин (метод конечных24объемов в гидродинамике, метод моментов в высокочастотном электромагнетизмеит.п.)Технологическойосновойявляютсяпрограммныекомплексысвозможностью мультифизических расчетов.Отмечено, что особенностью решения инженерных задач являетсянеобходимость проведения многовариантных расчетов, а в более развитом случае– оптимизация. Подчеркивается, что наряду с давно известной задачейинформационной поддержки жизненного цикла изделия (от исследований, черезпроектирование, до технологической проработки, работы с изменениями,претензиями и т.п.) необходимо также управление жизненным циклом МКЭмоделирования(productsimulationmanagement)на разныхуровнях:отмоделирования отдельного процесса через моделирование изделия до управлениемоделированием на уровне предприятия.Самым быстрорастущим рынком среди технологий САПР в первоедесятилетиенынешнеговекаоказалисьCAE-продукты,т.е.системыкомпьютерного моделирования, в основном использующие метод конечныхэлементов.
Профессиональные компьютерные программы, реализующие методконечных элементов, достигли высокого уровня развития. К примеру, известнанеофициальная оценка суммарной трудоемкости всех продуктов корпорацииANSYS, составляющая 35 000. человеко-лет. Исходя из изложенного, в работе [7]утверждается, что компьютерное проектирование, основанное на эффективном ивсестороннем применении конечно-элементного моделирования – фактическиосновная парадигма современного машиностроения в широком смысле этогослова. В этом смысле предлагается ориентировать и современное инженерноеобразование.Основной(иногдатрудномоделированияявляетсясозданиедостижимой)адекватнойцельюкомпьютерногокомпьютерноймоделипроектируемого устройства [16], такой модели, которой можно задаватьрелевантные вопросы и получать обоснованные ответы.
Иными словами, цельюявляется имитация натурных экспериментов и испытаний, когда вместо реального25устройства воздействию разнообразных факторов и нагрузок подвергается егоматематическая модель [17]. Очевидно, что этой цели может отвечать толькомультифизическая модель.1.1 Понятие мультифизических задач.Весьма часто задачи расчета поля в электротехнике носят мультифизическийхарактер.
Это означает, что дифференциальные уравнения в частных производных(ДУПЧ), описывающие состояние технической системы и относящиеся к разнымразделам физики, оказываются взаимозависимыми и требуют совместногорешения.Стандартная расчетная практика электротехнических изделий, таких какэлектрические машины, трансформаторы, кабельные линии и т.п. в обязательномпорядке включают в себя электромагнитный, тепловой, вентиляционный имеханическийрасчеты,тоестьявляетсямультифизической.Наэтапепроектировочных расчетов, когда происходит выбор основных размеров инагрузок, эти расчеты выполняются итерационным способом.
Например,результаты электромагнитного расчета в виде источников тепловой мощностипередаются в тепловой расчет, туда же поступают результаты вентиляционногорасчета в виде скоростей воздушных или жидкостных потоков, которыенеобходимы при расчете коэффициентов теплоотдачи.
Обратно, результатытеплового расчета используются в электромагнитном расчете для вычисленияудельных сопротивлений проводников. Приведенный пример относится кпоследовательной мультифизичности с однонаправленной связью.Более сложной является задача индукционного нагрева, когда взаимовлияниетеплового и электромагнитного процесса оказывается более выраженным.
Оттемпературы резко зависит не только электропроводность, но и магнитныесвойства стали, причем зависимость оказывается сложной, включающей в себяскачкообразные перепады (точка Кюри) и необратимые изменения (фазовыепереходы). Эта задача, как минимум, требует двунаправленных связей между26электромагнитным и тепловым расчетом. Иногда и двунаправленных связейоказывается недостаточно, и задачу требуется решать методом сильной связи, тоесть одновременного совместного решения двух систем уравнений.Особымвидоммультифизическихзадачявляютсязадачирасчетамеханических систем, приводимых в движение электромагнитными силами. Это нетолько электрические машины, но и электромагнитные клапаны, муфты иприводные механизмы (актуаторы), а также системы электромагнитного разгона. Сдругой стороны, множественные физические эффекты, в том числе имеханические,являютсяосновнойцельюрасчетапримоделированиимикроэлектромеханических систем.
Это устройства, с характерным размером отдесятков до несколькихтысячмикрон, используютширокий диапазонвзаимосвязанных физических эффектов, от электростатического взаимодействиядо пьезо- и фотоэффекта. Важным является то, что в ходе рабочего процессаменяется геометрия расчетной области, что существенно сказывается на картинеэлектромагнитного взаимодействия и теплообмена.Возможность разбить реальное физическое явление на независимые части,вообще говоря, является благом – это позволяет упростить систему уравнений,уменьшить расчетную область в пространстве и во времени и, в конечном счетеполучить решение задачи с достаточной точностью за приемлемое время.
Однако,на практике возникают задачи, в которых нельзя не учитывать взаимодействиепроцессов разной физической природы между собой. К этому приводит, например,выраженная зависимость свойств среды от температуры, либо изменениегеометрической конфигурации расчетной области в результате деформации илидвижения тел под действием электромагнитных сил.Мультифизические задачи во всем их многообразии позволяют приблизитьсяк главной цели компьютерного моделирования: в максимально возможной степенизаменить макетирование и натурные эксперименты расчетным моделированиемизделия, хотя бы на стадии поисковых конструкционных расчетов [6][7]. Основнойположительный эффект от замены натурного моделирования компьютерным27должен состоять в существенном сокращении сроков разработки новыхконкурентоспособных изделий.1.2 Классификация межзадачных связейМультифизические или связанные задачи в течение последних 30 летявляются предметом изучения многих исследователей.
На исходе первогодесятилетия интенсивного исследования отдельных частных мультифизическихзадач появилась работа бельгийских авторов [10], в которой впервые предпринятапопытка классификации связанных задач и их исследования как отдельнойпроблемы вычислительной электротехники. Данное ими определение связанныхзадач согласуется с понятием, предложенным ранее О. Зенкевичем [11], и звучитследующимобразом:«связаннымизадачаминазываютсясистемыилиформулировки задач, которые определены в разных, возможно пересекающихсяфизических областях, и используют зависимые переменные, которые не могут бытьисключены на уровне уравнений».В статье [10] понятие «связанные задачи» понимается гораздо шире, чемсочетание уравнений из разных областей физики. К таким задачам предложенотакже относить следующие модели и вычислительные схемы:1. Уравнения процессов разной физической природы решаются совместно вполностью или частично перекрывающихся геометрических областях.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
