Sb98342

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

Учебное пособие

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2019

УДК 621.365.5 ББК 31.22

М74

Авторы: А. Н. Шатунов, И. В. Позняк, С. А. Галунин,

Ф. В. Чмиленко

М74 Моделирование систем высокочастотной электротехники: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2019. 39 с.

ISBN 978-5-7629-2537-2

Рассматривается применение пакета программ ANSYS и метода конечных элементов для моделирования электротехнологических процессов. Представлены общее описание функций пакета, сведения о графическом пользовательском интерфейсе, типах применяемых конечных элементов, методах геометрического моделирования и генерации сетки конечных элементов, постановке задачи и постпроцессорной обработке решения.

Предназначено для подготовки бакалавров по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» (образовательная программа «Электротехнологические установки и системы»).

УДК 621.365.5 ББК 31.22

Рецензенты: кафедра «Электротехника и электроэнергетика» СанктПетербургского политехнического университета (СПбПУ); канд. техн. наук В. С. Федорова (ПГУПС).

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОГРАММЕ ANSYS

Фирма ANSYS Inc., основанная в 1970 г. в США, была одной из первых фирм, применивших метод конечных элементов (МКЭ) для компьютерного моделирования. Программная среда ANSYS довольно популярна у специалистов в сфере автоматических инженерных расчетов (CAE – Computer-Aided Engineering) и используется на таких известных предприятиях, как «Boeing»,

«Caterpillar», «Exxon», «БелАЗ», «General Electric», «Siemens», «Shell»,

«Volkswagen» и др., а также применяется на многих ведущих предприятиях промышленности РФ. Предлагаемые фирмой ANSYS средства численного моделирования и анализа совместимы с другими CAD (Computer-Aided Design) системами (Unigraphics, Pro/ENGINEER, SolidWorks, Autodesk Inventor),

работают на различных ОС.

Универсальная программа ANSYS – система конечно-элементного анализа и решения линейных и нелинейных, стационарных и нестационарных пространственных задач механики деформируемого твердого тела и механики конструкций, электромагнетизма, электродинамики, задач механики жидкости и газа, теплопередачи и теплообмена, акустики, а также механики связанных полей. Моделирование и анализ в некоторых областях промышленности позволяет избежать дорогостоящих и длительных циклов разработки типа «проектирование – изготовление – испытания».

1.1. Состав пакета ANSYS

ANSYS Multiphysics – полный набор инструментов для выполнения междисциплинарного анализа и анализа в одной физической области (анализ прочности, тепловой анализ, анализ динамики жидкостей и газов, электромагнитный анализ), а также сопряженного и последовательного анализа.

ANSYS Mechanical – решение задач в области механики деформируемого твердого тела или сопряженных задач механики и других областей физики, например гидрогазодинамики, теплопереноса или электромагнетизма.

ANSYS Structural – решение задач в области задач механики деформируемых твердых тел с возможностью выполнять моделирование различных физических явлений, осуществлять тепло-прочностной анализ, электромеханический анализ, конструкционно-акустический анализ, анализ диффузии масс и тепловой анализ текучих сред.

3

ANSYS Professional NLS (Non Linear Structural) – расширенные возмож-

ности расчета трения и пластичности.

ANSYS Professional NLT (Non Linear Thermal) – анализ переходных и ус-

тановившихся тепловых задач.

ANSYS EMAG – для моделирования низко- и высокочастотного электромагнитного поля.

ANSYS FLOTRAN – решение задач газогидродинамики.

ANSYS LS-DYNA – решение задач кратковременного динамического взаимодействия твердых тел (удары, штамповка).

ANSYS CFD-Flo – решение задач гидродинамики.

1.2. Запуск программы ANSYS

ANSYS Mechanical APDL – графический пользовательский интерфейс

(MAPDL), совместно с командами языка APDL (ANSYS Parametric Design Language) дают пользователю полный доступ ко всем глубинам и всем возможностям классического ANSYS.

Вход в программу осуществляется через ANSYS Mechanical APDL Product Launcher, в котором выбираются из доступных: 1) режим графического интерфейса либо командного файла; 2) программа из состава пакета, соответствующая решаемой задаче; 3) путь к рабочей директории на диске компьютера; 4) имя проекта, которое будут носить все служебные файлы, создаваемые программой. При необходимости в нем также может проводиться точная настройка интерфейса MAPDL, параметров работы программы с памятью и процессорами компьютера, использования графических ускорителей и распределенных по сети вычислений.

После входа в программу ANSYS происходит обращение к файлу конфигурации (CONFIG.ANS) из директории ANSYS. Этот файл состоит из сис- темно-зависимых установок – доступной памяти, числа процессоров и т. п. Затем, при чтении первой команды (если это не команда /BATCH) программа обращается к командному файлу START.ANS, если он существует в текущей (рабочей) директории или в корневой директории. Это удобно, так как позволяет иметь любые ANSYS-команды, выполняемые по выбору пользователя после обращения к программе. Команды можно внести в файл START.ANS: в меню /SHOW (определяет графические драйверы), в раздел *ABBR (определяет сокращения для часто используемых команд) и в наиболее часто используемые параметрические определения, например PI = ACOS(–1).

4

2. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОГРАММЫ

Организация программы ANSYS (см. рисунок) включает два основных уровня: начальный и процессорный (обращение к подпрограммам пакета).

Начальный уровень действует подобно шлюзу и служит для входа в программу и выхода из нее. Он также используется для определенного контроля за основной программой: определение имени задания, очистка (обнуления) базы данных, копирование бинарных файлов.

После входа в программу доступен начальный уровень (Begin level). На процессорном уровне (Processor level) доступны несколько процессоров программы, каждый из которых служит для определенной цели. Команда для обращения к процессору: /name, где name – имя процессора. На рисунке

5

представлены процессоры программы, их функции, команды для обращения и подсказки программы ANSYS.

Чтобы выйти из процессора, вводится команда FINISH; при этом происходит возврат на начальный уровень, но не происходит записи данных и создания файлов (за исключением выхода из процессора OPT, когда создается файл данных оптимизации jobname.OPT).

Можно также использовать команду /QUIT, чтобы временно выйти из процессора без выполнения операций очистки, которые обычно производятся после команды FINISH.

Чтобы выйти из программы ANSYS на начальном уровне и вернуться на системный уровень, применяется команда /EXIT. По умолчанию информация о модели автоматически записывается в базу данных (т. е. создается файл базы данных jobname.DB). Опции команды позволяют записывать и другие данные:

/EXIT, SOLU – записываются данные о модели и решении;

/EXIT, ALL – записывается все: модель, решение и постпроцессорные части базы данных. Если базу данных записывать не нужно, используется команда /EXIT, NOSAVE.

2.1. База данных программы ANSYS

Поскольку база данных содержит все входные данные, следует практиковать частое сохранение копий файла данных с помощью команды

SAVE,'file','db','D:\'

По умолчанию база данных записывается в файл с именем jobname.DB в рабочей директории, но можно задать любое имя файла, расширение и директорию в соответствующем поле команды. Для считывания информации из файла базы данных используется команда

RESUME,'file','db','D:\',0,0

По умолчанию в качестве такого файла используется jobname.DB, но можно ввести любое нужное имя файла, расширение и директорию. Обе эти команды могут применяться из любого места программы ANSYS, включая начальный уровень.

Важно запомнить, что для нормальной работы большинства процессоров программы база данных должна содержать по крайней мере геометрию модели. Например, чтобы выполнить постпроцессорную обработку с по-

6

мощью процессора POST1, геометрия модели уже должна находиться в базе данных до обращения к файлу результатов.

2.2. Файлы программы

Программа ANSYS использует большое число файлов для записи и поиска данных. Файлы именуются name.EXT по умолчанию. Имя задания можно определить во время ввода программы ANSYS или командой /FILNAME. По умолчанию имя задания FILE. Расширение .EXT служит указателем на

3. СРЕДСТВА СВЯЗИ С ПРОГРАММОЙ ANSYS

Программа ANSYS представляет собой расчетный код с большим перечнем возможностей. Чтобы эффективно их применять, прежде всего следует освоить коммуникационные средства программы. Вполне очевидно, что эти средства касаются компьютера, клавиатуры и графического монитора, однако пользователю нужно знать множество конкретных деталей и подробностей, которые приводятся далее.

3.1. Команды

Команда – это исходный инструмент, который предназначен для связи с программой ANSYS. В программе содержится свыше 800 команд, каждая выполняет определенную функцию и используется для ввода данных (например, свойств материалов) или для выполнения какого-либо действия (на-

7

пример, вывод модели на экран). Типичные команды содержат имя команды и несколько аргументов после запятой, также разделяемых запятыми. Например, команда F, определяющая силу в узлах, выглядит так:

F, NODE, label, VALUE, ...

При приложении к узлу 376 силы в 2000 ед. в направлении оси X команда выглядит следующим образом:

F,376,FX,2000.

Имена команд могут содержать от 1 до 8 символов. Имена, имеющие длину более 5 символов, могут быть сокращены до первых 4 (исключая специальные случаи /PREP7, /POST26, *ENDDO и т. п.). Некоторые команды (например, ADAPT и ETEXP) в действительности являются макрокомандами. Имена макрокоманд должны вводиться полностью. Команды, которые начинаются символом / (слэш), известны как слэш-команды или утилиты и обычно предназначены для управления основной программой: обращение к подпрограммам, диспетчеру файлов и графическим средствам. Данные вводятся специальными командами (утилитами), сохраняющими их текущие установки при всех изменениях, происходящих в программе. Команды, которые начинаются символом * (star, т. е. звездочка), известны как старкоманды и представляют собой операторы языка параметрического проектирования программы ANSYS (APDL).

Замечания:

Команды вводятся в свободном формате. Фиксированный формат не применяется.

Следующие друг за другом запятые могут использоваться для пропуска пустого поля команды. Для такого аргумента принимается значение по умолчанию (как приведено в описании команды).

Максимальное число символов, включая запятые, пропуски и другие специальные знаки, не должно превышать 80.

3.1.1. Сокращения

Для часто используемых команд можно ввести переименование или сокращение для строчного ввода (до 8 буквенно-цифровых символов) с помощью команды *ABBR (сокращение должно начинаться с буквы и не должно иметь пробелов).

Например, *ABBR, MAIN, /MENU, MAIN – MAIN – сокращение команды

/MENU, MAIN.

8

3.1.2. Использование умолчаний

Для сокращения количества вводимых данных в большинстве команд предусмотрены значения по умолчанию. Существует два типа параметров, задаваемых таким образом:

команда,

поле команды.

Команда по умолчанию – предусмотренные действия выполняются программой без ввода команды. Например, если не используется команда /FILNAME, имя задания по умолчанию принимается FILE.

Поле по умолчанию – значение аргумента команды известно без его непосредственного ввода. Например, если используется команда N,10 (определяющая узел 10 с полями координат x, y, z по умолчанию), узел определяется как первичный, т. е. значения координат x, y, z по умолчанию принимаются равными нулю. Численный аргумент по умолчанию (например, x, y, z) равен нулю, за исключением некоторых специальных случаев. Значения других аргументов по умолчанию обычно приводятся в описании конкретной команды.

3.1.3.Предупреждения и ошибки

Вслучае необходимости программа выдает сообщения об ошибках, предупреждения и другие информационные сообщения. При включенной опции меню сообщения выводятся на экран в рамках следующих цветов:

серый – информационные сообщения, желтый – предупреждения,

красный – ошибки.

Число сообщений об ошибках и предупреждений, выводимых на экран для команды, ограничено следующими значениями:

Командой /NERR эти ограничения можно изменить.

3.2.Интерактивный и пакетный режимы

Впрограмме ANSYS можно работать в интерактивном или пакетном режиме. Интерактивный режим, как следует из названия, предполагает по-

стоянное взаимодействие пользователя с компьютером: вводится команда,

9

программа выполняет ее и выдает соответствующее сообщение; затем вводится следующая команда, и т. д. Если команда задана неверно, можно исправить ошибку, правильно набрав команду. Интерактивный режим позволяет использовать наиболее приемлемые возможности графического отображения информации, системы построчной подсказки, системного меню и графического выбора с помощью манипулятора «мышь» (процедура pick). По умолчанию устанавливается интерактивный режим.

Пакетный режим означает функционирование программы ANSYS под управлением командного файла. Первая строка файла содержит команду /BATCH, что и означает работу в пакетном режиме. В зависимости от операционной системы компьютера можно совместить использование программы ANSYS с выполнением другой работы. Пакетный режим особенно рекомендуется для проведения той части анализа, когда не нужна связь с компьютером.

3.3. Системное меню

Наиболее простой способ взаимодействия с программой ANSYS, особенно в том случае, если пользователь только осваивает ее или использует время от времени, состоит в обращении к системному меню (или просто «меню»). Меню представляет собой оболочку, выстроенную вокруг команд для того, чтобы сделать использование программы более легким и удобным. Ниже перечислены некоторые принципы организации системного меню.

Все команды и процедуры программы ANSYS в зависимости от выполняемых функций объединяются в блоки. Это облегчает поиск команд, необходимых при выполнении определенных функций программы.

Для ввода данных могут использоваться как мышь, так и клавиатура.

Вводимые команды могут редактироваться с помощью редактора команд. Удобные экраны помощи позволяют проверить значение каждого поля команды по мере редактирования.

В распоряжении пользователя есть так называемые панели управления. Это панели с «самоназывающимися» кнопками, которые позволяют задать несколько связанных между собой объектов ввода (например, выбрать тип конечных элементов и их опций).

«Немедленный» режим графического отображения позволяет видеть узлы, элементы и другие объекты во время их задания.

10