Особенности использования программного комплекса

Секция 3 «ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ».
Особенности использования программного комплекса
ANSYS в дипломном проектировании
доц., к.т.н. Нигматуллин Ш. М., к.т.н. Клюкин П.Н., проф., к.т.н.Коротков В.И.
МГТУ «МАМИ»
В дипломном проектировании электромагнитных устройств современной
автомобильной электроники на сегодняшний момент студенты зачастую используют
стандартные методики расчета, основанные на упрощенных моделях. Эти методики
подробно
описаны
в
учебно-методических
пособиях
и
реализованы
в
специализированных программах. Упрощенная модель подразумевает ряд допущений,
которые вносят в расчет незначительную погрешность. При расчете магнитных полей в
таких случаях используется двумерная плоская модель магнитного поля или цепная схема
замещения.
Этот путь несомненно оправдан и достаточен в большинстве случаев, когда речь
идет о подготовке инженерно-технических специалистов для работы в сфере
обслуживания, например, в автосервисах.
Однако в настоящее время в мире современный процесс реального проектирования
существенно видоизменился и постоянно развивается, благодаря, как развитию
мощностей ЭВМ, так и развитию методов моделирования и программных средств.
Сегодня, современные программные средства, такие как ANSYS, позволяют
создавать модели, основанные на уравнениях математической физики, максимально
приближенные к реальным объектам и явлениям. Использование таких моделей без
существенных допущений, позволяет практически полностью отказаться от упрощений на
этапе расчета и с достаточной точностью прогнозировать технические явления.
Современный выпускник технического ВУЗа, такого как МГТУ «МАМИ» должен
обладать достаточно большим набором не только знаний, но и уметь владеть
современными мощными программными средствами – инструментом проектирования и
решения современных задач.
Несмотря на незначительный (по количеству рабочих мест) спрос на таких
специалистов, требования к их квалификации и опыту постоянно растут. Опыт
производства и решения реальных производственных задач можно получить только в
тесной взаимосвязи и сотрудничестве с ведущими в отрасли НИИ, КБ. К сожалению,
последних остается все меньше и меньше.
Конечно, процесс освоения студентами современных методов и программных
средств моделирования не так прост, как применение стандартных методик, но вполне
может быть освоен на старших курсах.
Повысить качество подготовки специалистов и повысить ориентацию полученных в
ходе обучения знаний и навыков на решение реальных практических задач производства
можно, если на старших курсах давать студентам для овладения современные
инструменты проектирования – программные пакеты мирового уровня и ставить реальные
задачи, возникающие на производстве. Именно на старших курсах – при курсовом и
дипломном проектировании современный студент способен взять на себя ответственность
при выполнении исследований, обычно также в это время становится актуальным вопрос
трудоустройства и выбора дальнейшей сферы деятельности.
При разработке устройств автомобильной электроники предлагается освоить и
выполнить научную часть своей работы с использованием программного пакета ANSYS.
ANSYS – современный «тяжелый» конечно-элементный программный продукт,
относящийся к классу CAD/CAM/CAE систем, который используют многие ведущие в
отрасли компании мирового уровня.
С использованием модулей ANSYS Emag или Multifisics существует возможность
решения следующих задач электротехники:
• Расчет распределения и анализ параметров электромагнитных полей;
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
198
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
Секция 3 «ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ».
• Электромагнитный расчет и моделирование процессов в катушках зажигания;
• Расчет электромеханических параметров электродвигателей;
• Расчет электромагнитного привода топливных форсунок;
• Электромагнитный расчет генераторов;
• Расчет шаговых электродвигателей и двигателей дифференциального типа.
Сегодня, внедрение пакета ANSYS в ВУЗах затрудняется необходимостью покупки
дорогостоящих лицензий на использование программы и нехватка методической
литературы для освоения такого довольно сложного продукта. Сказывается также
отсутствие опыта работы в современной среде преподавателей и разрыва между
современными действующими КБ и ВУЗами.
На кафедре «Автотракторное электрооборудование» программный пакет ANSYS
используется
при
подготовке
студентами
специальности
140607.65
«Электрооборудование автомобилей и тракторов» курсовых и дипломных проектов, в
рамках расчета электромагнитных и электромеханических элементов конструкций.
Значительно облегчает освоение студентами пакета методическое пособие, изданное
в МГТУ «МАМИ» - «Методики моделирования электромагнитных параметров
стержневых катушек зажигания». Пособие объемом 82 страницы имеет 3 раздела, главный
из которых целиком посвящен подробному описанию программного пакета ANSYS и
процедуры моделирования электромагнитных процессов на примере современной
конструкции стержневой катушки. Этот объект исследования привлекателен тем, что он
не является сложным как для понимания, так и для моделирования. Пособие поможет
студенту за один семестр познакомиться с ANSYS, пройти все основные этапы
моделирования от создания физического образа до расчета интегральных параметров по
самостоятельно написанным управляющим программам, и даже оценить достоверность
полученных результатов с помощью упрощенной инженерной методики и
экспериментально. Материал в пособии подобран таким образом, что описываются
несколько важных процедур расчета, которые необходимо повторить студенту и затем
самостоятельно пройти путь усложненного расчета, используя полученные навыки.
Методика получения распределения магнитного поля в магнитопроводе и
внутренних областях модели СКЗ в среде ANSYS определяется процедурой расчета
статического магнитного поля, которая состоит из шести основных этапов:
• создание геометрического образа;
• построение и разбивка модели на элементы;
• определение свойств каждой области;
• формулировка граничных условий и плотности тока в обмотке;
• проведение расчета;
• интерпретация результатов.
Первый этап расчета - создание геометрического образа исследуемой конструкции,
возможен и в других современных продуктах, например, в AutoCad. Форма и
расположение элементов геометрического образа в декартовой системе координат
определяется координатами точек углов прямоугольников, обозначающих эти элементы в
продольном сечении катушки. Магнитная система СКЗ состоит из четырех основных
элементов: сердечника магнитопровода, наружного магнитопровода, первичной и
вторичной обмоток. Магнитная система СКЗ является осесимметричной, поэтому может
рассматриваться половина магнитной цепи в продольном сечении катушки. Ось Y,
проходящая через центр сердечника магнитопровода, является осью симметрии. На этом
этапе студент учится создавать из сложного реального объекта физическую модель,
экспортировать данные из одного пакета в другой, оценивать необходимость и
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
199
Секция 3 «ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ».
возможности проведения расчетов трехмерных моделей или же представить модель
упрощенно.
Второй этап - один из наиболее важных этапов в конечно-элементном анализе построение на модели сетки из конечных элементов, т.е. разделение всей модели на
элементы, связанные между собой в узлах. МКЭ – метод, точность которого зависит от
правильного выбора типов и размеров конечных элементов. Решение задачи разбиения
тела на конечные элементы неоднозначна. Выбор типа и размеров элементов зависит от
особенностей рассматриваемой конструкции и задачи расчета. Очевидно, чем меньше
линейный размер конечного элемента, тем большее количество элементов в модели. При
увеличении количества элементов ошибки конечно-разностной аппроксимации
уменьшаются, а время вычислений возрастает экспоненциально. Однако, при дальнейшем
увеличении числа элементов начинают сказываться проявление ошибок округления,
вызванных конечностью разрядной сетки ЭВМ. Этому вопросу посвящена
многочисленная литература. Однако в ней приводятся лишь общие рекомендации по
выбору типа и размеров элементов. Здесь студенту предстоит мини-исследование.
Конечные элементы могут быть линейными (первого порядка) или параболическими
(второго порядка), треугольными и четырехугольными. Линейные элементы имеют
прямые стороны и узлы только в углах. Параболические элементы могут иметь
промежуточный узел вдоль каждой из сторон. Именно благодаря этому стороны элемента
могут быть криволинейными (параболическими). Более частая сетка требуется там, где
ожидается большой градиент магнитного потенциала.
В программном комплексе ANSYS существует возможность двух основных методов
построения сеток: построение произвольной сетки и построение упорядоченной сетки.
Произвольная сетка строится автоматически, при этом соседние элементы могут
существенно отличаться по размерам. Построение происходит таким образом, что в
прогнозируемых местах резкого изменения потенциала, т.е. местах переходов от одного
элемента геометрического образа к другому ее густота возрастает. Упорядоченная сетка
строится путем простого деления геометрических элементов модели на некоторое число
частей.
Следующий этап – определение электромагнитных свойств материалов. Нелинейные
магнитные свойства сердечника и наружного магнитопровода описываются однозначной
кривой намагничивания B(H), проходящей через нуль. Кривая намагничивания
электротехнической стали магнитопровода, задается табличным способом. В
программном пакете ANSYS кривая намагничивания аппроксимируется кубическими
сплайнами. Магнитные характеристики воздушной среды и магнитопроводов задаются
изотропно, т.е. одинаковыми в направлениях осей X и Y. Все пространство за
исключением магнитопроводов определяется величиной магнитной проницаемости: µ=1.
После построения геометрии модели и построения сетки необходимо определить
намагничивающую силу обмотки с током и граничных условий (четвертый этап).
После задания исходных данных производится расчет магнитного потенциала по с
использованием метода Ньютона-Рафсона. При расчете необходимо убедиться в
сходимости метода. Заданная точность достигается за несколько итераций (4…8).
В результате расчета может быть получено распределение магнитного потенциала в
пространстве при заданном токе в обмотке в виде графического изображения в виде
эквипотенциальных поверхностей индукции, таблиц значений индукции по заданным
координатам, а также интегральные значения, например поток в сечении или
потокосцепления и индуктивности обмоток и т.д.
Зачастую графическое изображение магнитного поля в пространстве отличается от
общепринятых изображений поля, например, классической катушки зажигания,
приводимые в учебниках и положенные в расчет полей по схемам замещения.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
200
Секция 3 «ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ».
Первые попытки использования ANSYS в дипломном проектировании показали
удовлетворительные результаты. Студенты не только рассчитали картину распределения
магнитного поля в окружающем пространстве проектируемой катушки зажигания и
получали возможность сравнить ее с упрощенными представлениями, приводимыми в
учебниках. На основе интегральных результатов расчета магнитных полей в ANSYS они
определили поправочные коэффициенты в стандартных пакетах расчета катушки
зажигания, что составило содержание научно-исследовательской части проекта.
С разработкой методического пособия, изданного в издательстве МГТУ «МАМИ»,
предполагается существенное расширение номенклатуры изделий автотракторного
электрооборудования, проектируемых с использованием ANSYS.
Как показывает опыт авторов, программным пакетом ANSYS, наряду с другими
пакетами линейки CAD/CAM/CAE используются в конструкторских бюро при
проектировании электродвигателей и при расчете магнитных полей сложных
конструкций, однако результаты расчетов не являются официальными.
Производители программного обеспечения также заинтересованы в продвижении
его на российский рынок и его доступности уже на этапе обучения молодых
специалистов. Существует версия ANSYS Education, которая при относительно низкой
стоимости дает право установки до 25 рабочих мест и реализует базовые возможности для
освоения пакета и проведения несложных расчетов.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
201