Рекламодатель: ЗАО «Топ Системы»

ИНН 7726601967 ОГРН 1087746953557

Рекламодатель: ООО «ЛС-Технологии»

ИНН 7807258360 ОГРН 1227800102375

Рекламодатель:
ООО «С3Д Лабс»

ИНН 7715938849 ОГРН 1127747049209

12 - 2023

Программный модуль «Логос ЭМИ» для численного моделирования электродинамических процессов

Андрей Гребенников
Заместитель начальника математического отделения ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» (Росатом), руководитель проекта «ЛОГОС ЭМИ»

Александр Гетманец
Главный специалист, научный руководитель проекта «ЛОГОС ЭМИ»

Сергей Соколов
Начальник научно-исследовательского отдела

Александр Шурыгин
Начальник научно-исследовательской группы

Игорь Соболев
Ведущий научный сотрудник

Игорь Долженков
Старший научный сотрудник

Максим Мишин
Математик

 

В ноябре 2023 года Госкорпорация «Росатом» объявила о выходе нового цифрового программного модуля «Логос ЭМИ», разработанного входящим в нее предприятием ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ». Это стало следующим важным этапом в создании отечественной CAE-системы тяжелого класса для многодисциплинарного моделирования физических процессов после выхода продуктов «Логос Гидрогеология» и «Логос Платформа» в 2021 году.

Программный модуль «Логос ЭМИ» является составной частью пакета программ инженерного анализа и суперкомпьютерного моделирования «Логос» и предназначен для численного моделирования широкого спектра электромагнитных процессов. «Логос ЭМИ» версии 2023 года содержит базовые программные средства для проведения расчетов эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) сложных объектов с металличес-кими и магнито-диэлектрическими структурами и расчетов параметров антенно-фидерных устройств, с использованием различных методов математического моделирования, в числе которых как строгие (много-уровневые методы моментов (МОМ) в частотной области с использованием мозаично-скелетонных и мультипольных аппроксимаций, прямых и итерационных решателей СЛАУ, метод конечных элементов (FEM) в частотной области), так и приближенные, в частности высокочастотные асимптотические методы, основанные на физической (PO), геометрической оптике (GO) и физической теории дифракции (PDT). В планах разработчиков модуля стоят задачи реализации более широких возможностей, включая расчеты электромагнитной стойкости изделий и блоков автоматики, электромагнитной совместимости электронной аппаратуры и другие. 

Таким образом, семейство продуктов «Логос» теперь состоит из семи программных модулей, а также библиотеки S-MPI (предназначена для создания параллельных прикладных программ и для обеспечения их выполнения на широком спектре высокопроизводительных вычислительных систем):

  • «Логос Аэро-Гидро» (выведен на рынок в 2018 году) — предназначен для моделирования процессов в воздушной и водной средах;
  • «Логос Тепло» (выведен на рынок в 2019 году) — предназначен для оценки тепловых характеристик и режимов деталей и узлов;
  • «Логос Прочность» (выведен на рынок в 2020 году) — применяется для решения статических и динамических прочностных задач;
  • «Логос Гидрогеология» (выведен на рынок в 2021 году) — предназначен для решения задач водного баланса территорий и моделирования экологических процессов в сложной геологической среде;
  • «Логос Препост» (как отдельный продукт выведен на рынок в 2021 году) — предназначен для подготовки геометрических моделей и их последующей обработки в рамках численного моделирования и анализа различных инженерных задач;
  • «Логос Платформа» (выведен на рынок в 2021 году) — предназначен для интеграции в единую платформу вычислительных модулей «Логос» и ПО класса САЕ от различных российских разработчиков;
  • «Логос ЭМИ» (анонсирован в ноябре 2023 года, а вывод на рынок запланирован на февраль 2024 года) — предназначен для численного моделирования электромагнитных процессов, включая разработку расчетных технологий для инженерных задач по вычислению электромагнитной стойкости и совместимости технических объектов, в авиастроении, судостроении, ракетно-космической отрасли, приборостроительной и других отраслях промышленности.

Эффективный функционал с инновационными методами моделирования

Модуль «Логос ЭМИ» снабжен следующими вычислительными блоками для решения различных задач:

  • расчета эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) электромагнитных волн на сложных технических объектах с учетом диэлектрических и магнитных свойств материалов строгими и приближенными методами (рис. 1);
  • расчета антенно-фидерных устройств методом моментов;
  • расчета ЭПР электрически больших объектов и сложных антенно-фидерных устройств гибридными методами (рис. 2);
  • расчета электромагнитной совместимости и стойкости технических объектов;
  • функциональный блок препост-процессора для подготовки геометрии, построения сеточной модели, задания параметров для расчетов обработки и визуализации результатов расчетов на основе средств препостпроцессора «Логос».

Рис. 1. Функционал «Логос ЭМИ» позволяет производить расчет эффективной поверхности рассеяния (ЭПР)

Рис. 1. Функционал «Логос ЭМИ» позволяет производить расчет эффективной поверхности рассеяния (ЭПР)

Рис. 2. При расчете антенно-фидерных устройств (АФУ) отображается диаграмма направленности

Рис. 2. При расчете антенно-фидерных устройств (АФУ) отображается диаграмма направленности

Функционал «Логос ЭМИ» и классы решаемых задач, а также соответствующие программные средства представлены на рис. 3.

Рис. 3. Моделирование электромагнитных процессов. Классы решаемых задач. Модули

Рис. 3. Моделирование электромагнитных процессов. Классы решаемых задач. Модули

Как уже отмечалось, в основу математического моделирования вычислительного блока положены строгие и приближенные методы, разрабатываемые в рамках модуля «Логос ЭМИ».

Метод моментов

Метод моментов основан на интегральных уравнениях электрического  и магнитного поля . Численное решение интегральных уравнений сводится к нанесению, как правило, поверхностной, треугольной сетки, в пределах ячейки которой неизвестные плотности токов  представляются базисными функциями Рао-Уилтона Глиссона (RWG). Связь  и  определяется, например для магнитодиэлектриков, импедансными граничными условиями.

Существенным недостатком метода интегральных уравнений является необходимость учета взаимодействия всех элементов сетки, что приводит к заполненным, плохо обусловленным матрицам систем алгебраических уравнений. Проблема решается путем использования многоуровневых, мультипольных приближений или скелетонных аппроксимаций. Суть этих приближений одна: упрощается описание взаимодействия «дальних» кластеров.

Одной из разновидностей метода интегральных уравнений является метод эквивалентных электрических схем. В основе создания эквивалентной электрической схемы лежат три ключевых действия:

  • нанесение на объект сетки — деление объекта на элементарные ячейки;
  • представление каждой ячейки в виде ERLC-элемента электрической схемы;
  • расчет E-, R-, L-, C-параметров схемы.

Проблема практической реализации метода связана с необходимостью построения эквивалентных электрических схем с большим количеством элементов. Этот процесс с учетом расчетов параметров элементов является весьма трудоемким и поэтому должен осуществляться автоматически.

Автоматизация составления эквивалентных электрических схем обеспечивает нанесение (в электронном представлении) сетки на геометрию объекта (возможно в режиме ручного управления), а затем автоматическую замену каждой ячейки сетки E-, R-, L-, C-элементом и построение общей схемы путем соединения элементов.

Важным преимуществом метода эквивалентных электрических схем является возможность реализовать сквозные расчеты наведенных в электронных цепях токов и напряжений с применением программы «Логос ЭМИ».

Метод конечных элементов (FEM)

FEM (Finite element method) — численный метод решения дифференциальных уравнений с частными производными, а также интегральных уравнений, который может быть использован для расчетов наведенных токов в конструкциях (в том числе диэлектрических). Метод FEM особенно эффективен для расчетов объектов произвольной формы в неоднородных средах.

Суть метода такова: область, в которой ищется решение дифференциального уравнения, разбивается на конечное число подобластей. В каждом из элементов произвольно выбирается вид аппроксимирующей функции с учетом того, что вне своего элемента она равна нулю. Значения функции на границах элементов (в узлах) являются решением задачи и заранее не известны. Коэффициенты аппроксимирующих функций обычно ищутся из условия равенства значения соседних функций на границах между элементами. Затем эти значения выражаются через значения функций в узлах элементов и составляются системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ).

Данный метод применяется для моделирования и расчета электрически больших или неоднородных электрических тел, а также для решения задач в частотной области.

Метод конечных разностей

Разностные схемы подробно описаны в литературе и строятся в общих случаях на элементарных объемах произвольной формы. Выбирая подходящее разложение для  и  внутри и на гранях произвольных элементарных объемов ∆Vi, можно построить конечно-разностную схему решения исходных уравнений Максвелла.

Приближенные методы. Метод физической теории дифракции

При численном моделировании приближенные высокочастотные (D>>λ) методы физической оптики и физической теории дифракции сводятся к интегрированию уже известных функций — эквивалентных токов. Выражения для них записываются на основе точных или приближенных аналитических решений канонических задач: отражение электромагнитной волны от касательной плоскости и от клина. Данные методы используются для нахождения рассеянного поля в дальней зоне от тел больших размеров.

Численные методы и возможности моделирования

Электродинамическое моделирование в частотной области осуществляется в «Логос ЭМИ» с использованием следующих методов:

  • метод конечных элементов (МКЭ) — для неоднородных металл-диэлектрических структур. Расчеты эффективной поверхности рассеяния (ЭПР);
  • многоуровневый метод моментов (MОM) и его модификации на основе мультипольных и мозаично-скелетонных аппроксимаций — для металлических объектов и плоско-слоистых структур (в частности, с использованием импедансных граничных условий). Расчеты ЭПР, антенно-фидерных устройств (АФУ), электромагнитной совместимости и стойкости (ЭМС).

Во временной области используется метод конечных разностей. Расчеты экранного эффекта, наведенных токов и напряжений.

Электрически большие структуры в высокочастотной области анализируются средствами приближенных методов:

  • методы геометрической и физической оптики (ГO);
  • теории дифракции.

Архитектура и интерфейс

Программный модуль «Логос ЭМИ» включает графические интерфейсы препроцессора и постпроцессора, вычислительный блок и систему квалификационного тестирования (рис. 4).

Рис. 4. Архитектура программного модуля «Логос ЭМИ»

Рис. 4. Архитектура программного модуля «Логос ЭМИ»

В препроцессоре «Логос ЭМИ» используется геометрическое ядро C3D, которое обладает достаточно мощным функционалом по работе с геометрическими моделями с возможностью операций объединения, сшивки поверхностей и т.д. Помимо большого набора трехмерных и двумерных примитивов, в С3D реализованы булевы операции, методы построения кривых и поверхностей, методы прямого моделирования и т.д. Импорт геометрических моделей возможен из различных CAD-систем. Можно задать требуемые материалы и источники возбуждения в виде волновых и сосредоточенных портов. В частности, доступно построение простых тел, плоских фигур, плос-костей, кривых, а также поверхностей по точкам и по сечениям (рис. 5).

Рис. 5. Препроцессор «Логос ЭМИ» способен выполнять импорт, создание и изменение геометрии, а также осуществлять генерацию расчетной сетки

Рис. 5. Препроцессор «Логос ЭМИ» способен выполнять импорт, создание и изменение геометрии, а также осуществлять генерацию расчетной сетки

Визуализация результатов включает вывод параметров поверхностных токов, распределение напряженностей электрического и магнитного полей, построение двумерных диаграмм рассеяния и диаграмм направленности в декартовой и полярной системах координат и трехмерных диаграмм рассеяния и диаграмм направленности, а также отображение цветовых карт полей и анимированное представление данных по результатам расчета полей (рис. 6).

Рис. 6. За визуализацию результатов расчетов отвечает постпроцессор

Рис. 6. За визуализацию результатов расчетов отвечает постпроцессор

Библиотека моделей. Система квалификационного тестирования

Важным критерием работы в «Логос ЭМИ» является удобство его применения пользователем. В этих целях в данный программный модуль включена библиотека моделей по итогам  тестирования «Логос ЭМИ» с положительными результатами на ряде моделей из верификационного базиса, например на рис 7-11 приведены расчеты ЭПР различных объектов, диаграммы направленности излучения модели антенно-фидерных устройств, а также исходная модель для расчета электромагнитной совместимости.

Рис. 7. ЭПР цельнометаллического (а) и полого (б) цилиндра с покрытиямиРис. 7. ЭПР цельнометаллического (а) и полого (б) цилиндра с покрытиями

Рис. 7. ЭПР цельнометаллического (а) и полого (б) цилиндра

Рис. 8. ЭПР уголкового отражателя оживальной формы

Рис. 8. ЭПР уголкового отражателя оживальной формы

Рис. 9. ЭПР летательного аппарата

Рис. 9. ЭПР летательного аппарата

Преимущества и новизна

Программный модуль «Логос ЭМИ» оснащен развитым и удобным интерфейсом на основе известной  отечественной платформы «Логос», которая отличается проверенной надежностью и опытной русскоязычной технической поддержкой для всех продуктов, разработанных РФЯЦ-ВНИИЭФ и Госкорпорацией «Росатом». Всё это обеспечит не только комфорт и удобство разработок, проводимых с помощью «Логос ЭМИ», но и их защиту от санкций и иных внешних рисков, связанных с возможными изменениями рыночной политики зарубежных поставщиков сопоставимых решений. Сама платформа «Логос» прошла многолетнее тестирование в рамках атомной отрасли при решении самых ответственных задач, требующих высокого качества и точности расчетов, обеспечения безопасности сложнейших инженерных систем и сооружений.

Рис. 11. Диаграмма направленности излучения антенны-вибратора

Рис. 10. Диаграмма направленности излучения антенны-вибратора

Рис. 12. Диаграммы направленности излучения антенны-рупора (а), щелевой антенны (б)Рис. 12. Диаграммы направленности излучения антенны-рупора (а), щелевой антенны (б)

Рис. 11. Диаграммы направленности излучения антенны-рупора (а), щелевой антенны (б)

Среди других преимуществ нового продукта следует упомянуть широкий набор решателей с использованием многоуровневых методов мультиполей, мозаично-скелетонных приближений и современных методов решения СЛАУ с применением суперкомпьютерных технологий и достижение количества разбиений до 10 млн и более для поверхностных сеток (интегральные уравнения) и до 1 млрд — для объемных. Также «Логос ЭМИ» отличается новизной решений за счет расширения функционала программного модуля на основе гибридных (строгих и приближенных) методов, применения в методе конечных элементов базисных функций второго порядка, повышающих точность расчетов, а также использования в методе конечных разностей представлений ячеек сеток элементами с фиктивной диэлектрической и магнитной проницаемостью для моделирования мелких неоднородностей (стыков, щелей, проводов и т.д. с размерами от миллиметров и менее), что позволяет увеличить размеры ячеек.

Кроме того, стоит отметить практическую реализацию при моделировании открытого пространства модифицированных граничных условий Зоммерфельда и поглощающих слоев, развитие итерационных методов решения СЛАУ с комплексными матрицами с применением суперкомпьютерных технологий, включая распараллеливание, а также практическую реализацию для расчетов сложных плоско-слоистых структур систем поверхностных интегральных уравнений, в том числе с использованием импедансных граничных условий, и, наконец, реализацию методов ускорений расчетов ЭПР технических объектов при падении плоской электромагнитной волны под разными углами.

Адаптация «Логос ЭМИ» с его последующим внедрением позволит проводить разработку расчетных технологий для новых инженерных задач моделирования электромагнитной стойкости и совместимости технических объектов, а также получить любую необходимую помощь разработчиков при решении нестандартных производственных задач. 

Регистрация | Войти

Мы в телеграм:

Рекламодатель:
ООО «Нанософт разработка»

ИНН 7751031421 ОГРН 5167746333838

Рекламодатель: ЗАО «Топ Системы»

ИНН 7726601967 ОГРН 1087746953557

Рекламодатель: ООО «НТЦ ГеММа»

ИНН 5040141790 ОГРН 1165040053584