Обновление ANSYS Electromagnetic Suite 17 под лозунгом «В 10 раз быстрее!»

Алексей Клявлин
Старший инженер технической поддержки ГК «ПЛМ Урал».

Уважаемые читатели журнала «САПР и графика»! Данная статья продолжает постоянную рубрику, посвященную программному обеспечению ANSYS, Inc. и возможностям его применения. Инструменты моделирования компании ANSYS, Inc. широко используются во всех отраслях промышленности для инженерных и научных расчетов в области динамики и прочности, газо­ и гидродинамики, теплообмена и электромагнетизма.

В начале года компания ANSYS традиционно знакомит пользователей с новым релизом расчетного комплекса. Предлагаем вам краткий обзор новых и расширенных функций ANSYS Maxwell и ANSYS Simplorer R17. Мы надеемся, что новые дополнения помогут повысить вашу инженерную эффективность при разработке самых сложных изделий и сократить время их выхода на рынок.

Единое окно Electronics Desktop для всех продуктов электромеханики

Начиная с релиза этого года все модули для электромагнитных расчетов содержатся в установочном пакете ANSYS Electromagnetic Suite 17.0.Кроме того, пользователям придется привыкнуть к решению по объединению всех графических интерфейсов расчетных модулей пакета в единую среду ANSYS Electronics Desktop (рис. 1). Старые проекты, например ANSYS Maxwell, ANSYS Simplorer, придется импортировать в ANSYS Electronics Desktop, который имеет собственное расширение файлов. К сожалению, раздельное использование расчетных модулей теперь недоступно.

Рис. 1. Единый интерфейс для всех расчетных модулей ANSYS Electronics Desktop

Конфигурация лицензий

Начиная с новой версии модули ANSYS RMxprt и ANSYS PExprt становятся частью ANSYS Maxwell:

• ANSYS Maxwell 2D (включает RMxprt и PExprt);
• ANSYS Maxwell 3D QS (включает RMxprt и PExprt);
• ANSYS Maxwell 3D (включает RMxprt и PExprt).

Time Decomposition Method. Значительное увеличение производительности нестационарного решателя в ANSYS Maxwell

В обновлении пользователям предстоит ознакомиться с новым методом TDM в нестационарном решателе ANSYS Maxwell и оценить его производительность в расчетах. Разработчик заявляет о 10­кратном увеличении производительности решателя за счет принципиально новой технологии параллельных вычислений. Идея нового метода — в декомпозиции расчетной области вдоль оси времени, что позволит производить вместо последовательного одновременное решение шагов интегрирования на временных подобластях (рис. 2).

Рис. 2. Time Decomposition Method

Вероятно, это станет более простым выходом из положения, чем реализация DMP­метода параллельных вычислений. Пользователям высокопроизводительных кластерных вычислителей данная новость должна быть особенно интересна, ведь ранее нестационарные задачи решались только в режиме SMP. Проверено на практике, что в случае применения возможностей нового метода ресурсы вычислителя используются наиболее эффективно, заметен значительный рост производительности вычислений. Разработчик заявляет и о возможности пользоваться сервисами облачных вычислений. Безусловно, TDM — крайне необходимая и давно ожидаемая в той или иной реализации опция.

Основные замечания:

• TDM доступен для любого типа нестационарных задач: электрические машины, трансформаторы, электромагниты (учитывая вихревые токи, нелинейные материалы, потери в стали);
• использование TDM не ведет к потере точности вычислений — они полностью соответствуют результатам, полученным классическим последовательным решением нестационарной задачи;
• ускорение заметно для любого вида аппаратной конфигурации;
• включается с использованием лицензий ANSYS Electronics HPC.

Быстрое достижение установившегося режима в нестационарном решении. Опция Fast Reach Steady State

В ранних версиях пользователям уже представлялся случай ознакомиться с возможностями нестационарного решателя быстро достигать установившегося режима в магнитных задачах со значительными временными константами и наличием постоянного и очень медленно уменьшающегося компонента магнитного потока.  Этот функционал можно было использовать только путем подключения внешней схемы из Maxwell Circuit Editor, что было крайне неудобно. В новой версии в диалоговом меню настроек решателя у пользователей появится возможность задействовать опцию Fast Reach Steady State и даже использовать ее совместно с технологией параллельного вычисления TDM (рис. 3).

Данная техника ускорения расчета посредством быстрого достижения стационарного состояния справедлива и для электрических машин (рис. 4).

Рис. 3. Опция Fast Reach Steady State

Рис. 4. Вращающий момент электрической машины на фиксированной скорости. Сравнение результатов с использованием новых опций и без

Моделирование скоса паза ротора электрических машин в ANSYS Maxwell 2D

В новой версии на уровне интерфейса реализована возможность учета скоса паза ротора для моделей электрических машин в плоскопараллельной постановке задачи. Данный метод был известен и для ранних версий, но для этого приходилось проводить серию расчетов и соответствующую постобработку. Рис. 5 поясняет идею метода приближения сегментированного ротора к оригинальному скосу паза.

Рис. 5. Сегментирование пазов (полюсов) ротора

Размагничивание и намагничивание магнитных материалов

Новые возможности предлагаются пользователям при моделировании процессов намагничивания и размагничивания магнитных материалов (рис. 6):

• намагничивание материала в его реальных условиях намагничивания. Использование множества намагниченных элементов для исследования в другом проекте;
• определение состояния размагниченного магнита в конкретной модели. Использование множества размагниченных элементов для исследования в другом проекте.

Рис. 6. Намагничивание и последующее использование намагниченного материала в целевом проекте

Преображение решателя гармонического магнитного поля Eddy Current

Прислушиваясь к рекомендациям пользователей, компания ANSYS в новом релизе ввела долгожданный функционал в решатель гармонического магнитного поля Eddy Current. Специалисты, работающие в области индукционного нагрева, беспроводной передачи энергии, разработки различного вида датчиков, трансформаторной техники, долгое время сталкивались с довольно сложными операциями постобработки полученных результатов моделирования. Более того, в некоторых случаях и вовсе невозможно было поставить задачу в решателе Eddy Current. Вместо экономичного и качественного гармонического решения пользователи были вынуждены переходить в нестационарное решение, где необходимые возможности присутствовали. При наличии требуемых инструментов решение той же самой задачи в Eddy Current было бы гораздо менее затратным по расчетному времени, а качество полученных результатов — значительно выше за счет адаптивного сеточного генератора.

В первую очередь стоит отметить поддержку нелинейных свойств не только в плоскопараллельной и осесимметричной постановке, но и в трехмерной постановке задачи. Это нововведение расширяет список классов решаемых задач в гармоническом решателе. В ранних версиях ANSYS Maxwell поддерживал только линейные свойства по магнитной проницаемости (рис. 7).

Рис. 7. Поддержка нелинейных магнитных свойств в Eddy Current 3D

Добавлен функционал работы с обмотками Winding, как и в нестационарном решении, что существенно упрощает постановку задачи. В связи с этим обновились и соответствующие настройки проекта:

• введение терминалов обмотки с указанием количества витков;
• возможно использование различных источников возбуждения: напряжения, токов, подключение внешней цепи управления;
• возможен учет параллельных ветвей обмоток;
• учет мультипликатора симметрии для периодических или симметричных моделей;
• учет глубины модели для плоскопараллельных задач;
• вычисление матриц импеданса для обмоток.

С введением обмоток Winding для задач Eddy Current добавились и новые варианты отчетов. Таким образом, значительно упростились операции постпроцессора. Пользователи теперь без труда могут вывести на график мнимые, реальные и амплитудные значения электрических и магнитных величин, связанных с обмотками.

В новой версии решатель Eddy Current 3D оснащен возможностью использования графических процессоров NVIDIA серии Tesla с CUDA Compute Compatibility 2.0 и выше для увеличения производительности.

Расширенные возможности сеточного генератора 3D

В новой версии ANSYS Maxwell пользователи могут заметить несколько новых опций сеточного генератора для трехмерных задач. В первую очередь дополнения предназначены для упрощения дискретизации геометрических моделей электрических машин. Исторически электромагнитный пакет имел проблемы с построением структурированных и слоистых сеточных моделей. В последних нескольких версиях программного обеспечения разработчики делают упор на устранение этих недостатков.

Рис. 8. Новые слоистые сеточные модели
для задач электрических машин

Рис. 9. Слайдер комбинаций параметров представления сеточной модели кривых поверхностей

Новые автоматические опции были названы слоистыми сетками для моделей с вращением, требуют минимум операций и предлагаются в трех комбинациях (рис. 8):

• Edge Cut Layer Mesh — создание одного слоя элементов по контуру сложной геометрии (один слой элементов на поверхности статора);
• Rotational Layer Mesh — создание от одного до трех слоев элементов на вращающейся геометрии, близкой к границе вращения Band (три слоя элементов на одной стороне стержней);
• Edge Cut + Rotational Layer Mesh — сочетание предыдущих вариантов (три слоя элементов на одной стороне стержней и один слой элементов на их поверхностях).

Опции представления кривых поверхностей Aspect Ratio, Surface Deviation, Normal Deviation в новой версии обзавелись удобным слайдером, позволяющим выполнить упрощенный просмотр сеточной модели в соответствии с указанной комбинацией трех параметров (рис. 9).

Междисциплинарные задачи. Акустика и вибрация

В продолжение темы междисциплинарного анализа вибраций и акустики разработчики добавили возможность проводить подобные исследования и для решателя Eddy Current (рис. 10). На нашем сайте без труда можно найти несколько публикаций по акустическому и вибрационному анализу электрических машин. Отличие в том, что в ранних версиях подобную задачу можно было решить только в нестационарной постановке магнитной задачи в ANSYS Maxwell.

Рис. 10. Пример определения резонансных частот модели в ANSYS Mechanical. В качестве нагрузок используются усилия, определенные в гармонической магнитной задаче

Междисциплинарные задачи. Температурно­зависимые свойства магнитной проницаемости и проводимости в связке с ANSYS Fluent

Новый функционал предлагает использовать ANSYS Fluent с возможностью вызова «на лету» ANSYS Maxwell для поэлементного обновления данных свойств материалов по магнитной проницаемости и проводимости. Такая возможность предполагает получение более качественного решения задач индукционного нагрева и задач магнитного перемешивания жидкого металла.

Модели пониженного порядка e­Model. HiL/SiL­моделирование в реальном времени

Пользователи платформ, работающих в режиме реального времени и предназначенных для разработки систем управления, могут экспортировать в них эквивалентные модели e­Model, сгенерированные на основе нестационарного анализа в ANSYS Maxwell.

Подобная идея уже давно была реализована в связке ANSYS Simplorer — ANSYS Maxwell, но на основании магнитостатического параметрического исследования. Соответственно ANSYS Simplorer дополнился новой опцией импорта эквивалентной модели (transient). Данный метод извлечения эквивалентных схем из конечно­элементных моделей электрических машин является более гибким и более эффективным, существенно сокращает время вычисления, так как нестационарное 2D/3D­решение заменяет серию параметрических расчетов с созданием геометрической модели и перестроением сетки при каждом угле поворота (рис. 11).

Рис. 11. Извлечение эквивалентной модели электрической модели из нестационарного магнитного решения в ANSYS Maxwell

В новой версии существующие модели извлечения эквивалентных схем (электрические машины) дополнились моделями для трансформаторов и электромеханических аппаратов с линейным перемещением элементов модели.

Нестационарные модели ANSYS Maxwell под управлением Mathworks Simulink

Начиная с релиза этого года пользователи смогут управлять конечно­элементными моделями ANSYS Maxwell напрямую из Mathworks Simulink (рис. 12). Реализуется данная связь таким же образом, что и связь со схемами ANSYS Simplorer или Maxwell Circuit Editor.

Рис. 12. Управление конечно-элементной моделью ANSYS Maxwell напрямую из Mathworks Simulink

***

В данной статье мы описали только основные новшества пакета для решения задач электромеханики ANSYS Electromagnetic Suite 17. Дополнительную информацию вы всегда можете запросить на нашем сайте www.delcam­ural.ru в разделе «Вопрос­ответ» или на сайтах www.ansys­club.ru и www.ansys­expert.ru, задав вопрос экспертам. Кроме того, на упомянутых сайтах вы можете найти ряд интересных и полезных информационных материалов по различным модулям ANSYS. Мы хотим, чтобы публикации были интересны читателям, поэтому предлагаем вам поучаствовать в выборе наиболее актуальных тем для обсуждения на страницах журнала. Ждем ваших пожеланий на наших сайтах!

САПР и графика 3`2016