отчет ELCUT

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Институт: Инженерная школа энергетики (ИШЭ)

Направление: 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника

Подразделение: Отделение электроэнергетики и электротехники (ОЭЭ)

ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №5

Применение прикладного программного пакета ELCUT

Вариант № 5

Выполнил студент гр. 5А36 Кондрашов Максим Анатольевич ^{(Дата, подпись) (Ф.И.О.)}

Проверил: к.т.н. Ст. преподаватель Розаев Иван Андреевич

^{(Степень, звание, должность) (Дата, подпись) (Ф.И.О.)}

Томск 2024 г.

В лабораторном практикуме по прикладному программному пакету ELCUT предусмотрено выполнение одного задания. Цель практикума обучить студентов следующему:

Использовать среду моделирования ELCUT для моделирования электростатического поля.

Задание. Решить методом конечных элементов, с использованием прикладного программного пакета ELCUT, плоскую полевую задачу по электростатике. Конструкции электротехнических устройств, для которых необходимо рассчитать поле, приведены в табл.1.

Таблица 1

№ варианта	Конструкция устройства	Краткое описание
5		Цилиндрический проводник (потенциал 100 В) покрыт изоляцией из полиэтиленте- рефталата (ПЭТФ) (относи- тельная диэлектрическая про- ницаемость 3,1) и экраниро- ван металлической оплеткой (квадратное сечение)

Выполнение задания:

В соответствие с алгоритмом разработки пользовательской программы в ELCUT на первом этапе необходимо создать задачу и определить исходные данные.

После того как создано поле для геометрического представления модели, следует приступить к описанию конструкции, возбуждающей поле, в соответствии с табл.1.

Внешней оболочкой или экраном необходимо охватить всю конструкцию устройства. Данное условие связано с методом расчета, который применяется в данной программе. Это – метод конечных элементов, который требует наличия области, в которой локализовано электрическое поле.

Модель и габариты устройства представлены на рис.1.1.

Рис.1.1. Модель в ПО Elcut

После создания геометрии необходимо ввести свойства всех ребер и блоков. Как видно, рассматриваемая геометрия системы состоит из 10 ребер (2 из которых представляют собой круг, т.е. проводник; следующие 4 ребра, представляющие средний прямоугольник, т.е. экран (металлическая оплетка с квадратным сечением) и последние 4 ребра, представляющие больший прямоугольник, т.е. экран, изолирующий данную систему). Для корректного расчета полей требуется обозначить все блоки и ребра, в соответствии с табл.1.

Установленные параметры показаны на рис.1.2.

Рис.1.2. Физические свойства блоков и рёбер в Elcut

Для решения задачи строим сетку в области расчёта.

Готовая модель показана на рис.1.3.

Рис.1.3

Получим решение задачи и построим картины напряжённости, плотности энергии и электрического смещения.

Далее приведём результаты моделирования.

Потенциал поля представлен на рис.1.4.

Рис.1.4. Потенциал поля проводника

Векторное поле напряженности электрического поля проводника показано на рис.1.5.

Рис.1.5

Векторное поле электрического смещения представлено на рис.1.6.

Рис.1.6

Векторное поле градиента напряженности представлено на рис.1.7.

Рис.1.7. Градиент напряженности векторного поля проводника

Используя инструмент «локальные значения», можно получить информацию о значениях физических величин в любой точке.

Определим характеристики поля в трех различных точках.

Результаты представлены на рис.2.1, 2.2, 2.3.

Рис.2.1. Точка находится на границе проводника и диэлектрика – ПЭТФ

Рис.2.2. Точка находится за пределами проводника на среднем отдалении в блоке диэлектрика – ПЭТФ

Рис.2.3. Точка находится на границе диэлектрика - ПЭТФ и среды - воздух

Вывод

При анализе результатов моделирования можно сравнить такие параметры электрического поля исследуемого электротехнического устройства как напряжённость, электрическое смещение, градиент напряженности и другие.

В соответствии с рис. 1.4 потенциал поля проводника прямо пропорционален значению потенциала на проводнике и обратно пропорционален расстоянию от проводника, что доказывают законы физики электростатического поля.

Напряженность электрического поля проводника однородно и не распространяется за габариты экрана (диэлектрика), то есть не воздействует на тела, находящиеся за границей экрана в среде, исходя из рис. 1.5.