Tehisemulatsioonianalüüs: võtmemõõdikud väljakutsed ja parimad tavad lõplike elementide tööriistade kasutamisel

1 Sissejuhatus

Olenpa kasutatav finiitselementide analüüsi tarkvara (nagu COMSOL, Infolytica või Ansys) transformatoriga simulatsioonanalüüsi tegemisel – keskendudes elektriväljale, magnetväljale, vooguväljale, mehaanikaväljale või heliväljale – põhiline protsess on umbes sama. Iga protsessi sammude oluliste punktide täpsel mõistmisel asetseb simulaatioanalüüsi edukuse ja lõppresultaatide usaldusväärsuse alus.

2 Põhiline simulatsiooniprotsess

Teaduslik ja täielik transformatoriga simulatsiooniprotsess hõlmab seitsme peamist sammu:

3 Raskuste mõistmine

Transformer on staarne elektriseade ja sellest seisukohast on selle simulatsioon töö suhteliselt lihtne, kuna keerulised komponendid, nagu pöörlevad osad, tõhustaksid enamiku simulatsiooni raskust. Kahjuks on transformer ka mittelineaarne, ajas muutuv elektromehaaniline seade, mis omab mitme füüsika välja tugevat koppelust, mis tihti muudab transformatorite simulatsiooni palju raskemaks ja isegi lahendamatuks.

Näiteks transformatoriga temperatuurivälja simulatsioonide põhjal vedeliku analüüsil saadud tulemused ei ole sageli täpsed ega usaldusväärsed. Üks põhjus on, et vedelike dünaamika põhitheooria ise on väga keeruline ja pole veel moodustanud ühtset ja stabiilset teooriat. Teisalt nõuab transformatoriga temperatuurivälja simulatsioon kolme välja "magnetväli–soojenemisväljak–vedeliku väljak" kahesuunalist tugevat koppelust. Sellise suure transformatori mudeli korral on juba ühe vooluvälja lahendamine väljakutse, olemata juba mainitavat kolme välja ülitugev koppel.

Et saavutada edusamme transformatorite simulatsiooni olulistes valdkondades, peavad simulatsiooningenerid ühest küljest sügavalt mõistma transformatoritega seotud teoreetilisi, disaini, tootmise ja testimise teadmisi ning teisest küljest olema väga oskavad simulatsioonitarkvara operatsioonides ja mõista selle toimimise loomulikku olemust.

4 Protsessi olulised punktid
4.1 Probleemi analüüs

Enne geomeetrilist modelleerimist on vaja simulatsiooniprobleemi eelanalüüsi, et luua sobiv geomeetriline mudel ja valida õige füüsikaline väljak. Näiteks, kas simulatsiooniprobleem keskendub ühele füüsika väljale või tugevalt koppeldud füüsika väljadele?

4.2 Geomeetriline modelleerimine

Geomeetrilise modelleerimise täielikkus määrab simulatsiooni efektiivsuse ja edenemise. Enamikul juhtudel on vaja luua lihtsustatud geomeetriline mudel. Kui geomeetriline mudel on liiga lihtsustatud, siis simulatsioonitulemused on ebatäpsed ja ei suuda juhendada disainitööd. Ilmselgelt, et määrata, kuidas lihtsustada geomeetrilist mudelit, nõuab sügavat probleemi mõistmist. Näiteks, kas 2D geomeetriline mudel on piisav? Kas on vaja luua 3D geomeetriline mudel? Isegi 3D mudeli ehitamisel tuleb otsustada, millised üksikasjad saavad jääda välja ja millised tuleb säilitada?

4.3 Materjali määramine

Materjal võib omada kümmendeid füüsikaparametreid, kuid konkreetse probleemi lahendamiseks on sageli vaja ainult mõnda neist.

Kui määratakse konkreetseid materjaliparametreid, peavad nende väärtused olema täpsed, vastasel korral võivad simulatsioonitulemustesse tuua vastuvõetamatuid vigu.

Mõned materjali omaduspunktid muutuvad muude parameetritega. Näiteks transformatoriga vedeliku-temperatuuri simulatsioonides muutuvad transformatori öli tihedus, spetsiifiline soojuskappak ja läbikandevus temperatuuri järgi, ja need suhted tuleb kirjeldada suhteliselt täpsete funktsioonide abil.

4.4 Füüsikalise välja seadistamine

Valitud füüsikalise välja korral on vaja määrata olulised lahendamise tingimused, nagu probleemi mõjutavad füüsikavõrrandid, eksituste avaldised, algtingimused, piiritingimused ja piirangutingimused.

4.5 Võrgustiku genereerimine

Võrgustiku genereerimine on võib-olla geomeetrilise modelleerimise järel põhiline samm. Teoreetiliselt annab väiksemad võrgustikud täpsemaid tulemusi. Kuid liiga väikesed võrgustikud on praktikas ebavõimalikud, kuna need märkimisväärselt suurendavad lahendamise aega.

Võrgustiku genereerimise põhiline printsiip on sobiv kombinatsioon suuremaid ja väiksemaid võrgustikke: täpsustada, kus on vaja, ja lihtsustada, kus on võimalik.

Käsitsi võrgustiku genereerimine on väga keeruline ja nõuab simulatsiooningenerilt sügavat probleemi mõistmist.

Onneks pakub mõni tarkvara füüsikapõhist automaatset võrgustiku genereerimisfunktsiooni, mis sageli lihtsustab võrgustiku genereerimisprotsessi. Näiteks COMSOLi automaatne võrgustiku genereerimisfunktsioon elektrivälja simulatsioonimoodulite jaoks on äärmiselt tugev, võimaldades suure transformatori peaesimete mudeli kiiret võrgustikuga varustamist, mis on ligikaudu 40 korda kiirem kui muu tarkvara.

Kahjuks ei ole tarkvara sisseehitatud automaatne võrgustiku genereerimisfunktsioon piisav mõnede probleemide lahendamiseks, kuna üldkasutatava tarkvara ei saa tuvastada piirkondi, kus on vaja võrgustiku täpsustamist – näiteks vooluvälja simulatsioonides.

4.6 Mudeli lahendamine

Simulatsiooni lahendamise olemus on suurte diskreetsete võrrandisüsteemide lahendamine. See nõuab simulatsiooningenerilt vastavate matemaatika teadmiste, nagu maatriksiteooria ja Newtoni iteratsioonimeetode.

Mõned tarkvaralahendajad on automaatselt konfigureeritud probleemi järgi, ilma, et inseneril oleks vaja lisainterventsiooni. Siiski, nagu võrgustiku genereerimine, see ei ole universaalselt rakendatav. Edasi arenenud ja keeruliste probleemide lahendamiseks on inseneritel vaja individuaalselt konfigureerida sätteid, et tagada kiire konvergeerumine ja täpsete tulemuste saamine.

4.7 Tulemuse pärasttöötlemine

Simulatsioonitulemuste intuitiivse esitamiseks on vaja saadud andmetele sobiva pärasttöötlemise, näiteks elektrivälja kontuurdiagrammide, temperatuurivälja kontuurdiagrammide või vooluvälja kontuurdiagrammide genereerimist.

Lisaks nõuab mõned pärasttöötlemise sammud insenerilt professionaalsete teadmiste rakendamist. Näiteks enamik elektrivälja simulatsioonitarkvara võib intuitiivselt kuvada igas punktis elektrivälja tugevuse suurust, kuid isolatsiooni marginaali viabilitüübi määramine nõuab seda andmeid statistiliselt analüüsides, et genereerida isolatsioonimarginaalide kõverad kumulatiivse väljakpide järgi.