1. Машинный расчет электромагнитных полей с использованием программы Qfield Краткая информация о программе Qfield

В основу программы Qfield, ориентированной на расчет всех видов электромагнитных полей, положен метод конечных элементов.

Ввод конфигурации, геометрических и физических параметров среды осуществляется графически. Плоскопараллельные электростатические поля задаются в декартовой системе координат (XOY).

Число расчетных точек в используемой учебной версии программы ограничено и равно 523.

Работу с данной программой можно подразделить на следующие этапы:

1. Описание исследуемой модели (задание размерности модели и характера исследуемого поля).

2. Создание исследуемой модели (геометрическое моделирование данной модели).

3. Задание граничных условий (моделирование конкретно заданного электромагнитного поля).

4. Расчет.

5. Просмотр полученных результатов (построение графиков и расчет интегральных величин).

Технология работы с программой Qfield при расчете

электростатических полей

Набор подкоманд, объединенных основной командой File, предназначен для работы с файлами по аналогии с Windows.

Набор подкоманд, объединенных основной командой Edit, предназначен для постановки расчетной задачи.

Набор подкоманд, объединенных основной командой Results, предназначен для запуска задачи на решение и просмотра полученных результатов.

Набор подкоманд, объединенных основной командой Options, предназначен для выбора системы координат, размерности и цветового оформления экрана.

Сначала по команде Edit/Problem задается характер исследуемого поля (электростатическое, электрическое и магнитное поле постоянных токов и т.д.).

Затем по команде Edit/Geometry производится моделирование исследуемой области.

Далее по команде Edit/Geometry/Options производится выбор системы координат и размерности, подходящие для более точного описания исследуемой модели.

Рассмотрим подробнее назначение подкоманд, объединенных общей командой Options:

…/Coordinates – выбор системы координат;

…/Length Units – выбор размерности модели;

…/Colors – цветовое оформление экрана (Monochrome Hardcopy –печать на чёрно-белом принтере);

…/Zoom – описание размерностей рабочих областей;

…/Keyboard – задание размера рабочего окна;

…/Info – информация о рабочей модели.

Под созданием расчетной модели подразумевается графический ввод в машину геометрических параметров исследуемой модели, осуществляемый командой Edit/Geometry/Model; описание областей, из которых состоит данная модель, при помощи меток командой Edit/Geometry/Label и построение расчетной сетки при помощи команды Edit/Geometry/Mesh.

Следует отметить, что метод конечных элементов используется для расчета в закрытых областях, т.е. в областях, ограниченных жесткой внешней границей. Это следует учитывать введением дополнительных внешних граничных условий при расчете задач в открытых пространствах. Внешние граничные условия отсекают часть исследуемой области, в которой нас интересуют величины, характеризующие данное поле.

Команда построения геометрической модели Edit/Geometry/Model включает следующие подкоманды:

…/Add Vertex – построение исходных вершин модели (точек).

Существует два способа построения вершин:

1. приближенный – построение происходит в левом рабочем окне экрана. В нужную точку подводят курсор и нажатием левой клавиши “мыши” фиксируют положение этой точки;

2. точный – клавишей “Tab” переводят курсор в правое окно экрана и набирая координаты нужной точки, фиксируют ее нажатием клавиши “Enter”.

…/Add Edge – соединение вершин в заданную модель.

Нажатие левой клавиши “мыши” фиксирует начало линии в ранее построенной точке. Двойной щелчок левой клавиши “мыши” фиксирует конец линии в другой заданной вершине (точке).

…/Copy Selected – копирование выделенной геометрической области;

…/Move Selected – сдвиг выделенной геометрической области;

…/Delete . . .–удаление . . . .

Следует отметить, что при выполнении команды Edit/Geometry/Model/Add Edge, т.е. построении рабочих поверхностей, необходимо моделировать как прямые линии, так и окружности. В программе Qfield существуют следующие правила их построения. Прямые линии строятся путем соединения двух вершин, которые вводятся покоординатно, с присвоением arc angle (углу) значения 0. Окружность строится по двум диаметрально противоположным вершинам, которые также вводятся покоординатно, но с присвоением arc angle значения 180.

Чтобы в дальнейшем описать параметры сред исследуемого объекта вводятся метки командой Edit/Geometry/Label. Дальнейшая работа с метками определяется следующими подкомандами:

…/Select –выделение, изменение;

…/Label Blokes – присвоение меток блокам;

…/Label Edges – присвоение меток линиям;

…/Label Vertices – присвоение меток вершинам (точкам);

…/Find Label –найти и показать на экране метку.

В заключение геометрического моделирования расчетного объекта по команде Edit/Geometry/Mesh происходит построение расчетной сетки, т.е. разбиение области на конечные элементы. Это осуществляется следующими подкомандами:

…/Set Spacing – изменить шаг сетки в районе выделенной вершины;

…/Build Mesh – построение сетки (конечных элементов);

…/Delete Mesh – удаление сетки (конечных элементов).

Этот заключительный этап соответствует формированию в оперативной памяти машины массива координат узловых точек разбиения расчетной области (т.е. узлов сетки).

Моделирование конкретно заданного электромагнитного поля происходит при задании граничных условий и описании параметров среды исследуемой модели. По команде Edit/Data на экране размещаются две области.

1. Bloch Labels – в нее в соответствии с введенными ранее метками блоков (областей) вводятся параметры сред исследуемой области;

2. Edge Labels, в которой описываются линии геометрической модели согласно ранее присвоенным меткам (задание граничных условий).

Запуск на решение поставленной задачи осуществляется по команде Results.