Dönüşüm Simülasyon Analizi: Sonlu Eleman Araçları Kullanarak Ana Süreçler Zorluklar ve En İyi Uygulamalar

1 Giriş

Dönüşümcü simülasyon analizi için herhangi bir sonlu eleman analiz yazılımı (COMSOL, Infolytica veya Ansys gibi) kullanıp kullanmadığınız - elektrik alanı, manyetik alan, akış alanı, mekanik alan veya akustik alan odaklanıyor olun olmayın - temel süreç genellikle aynıdır. Her sürecin kilit noktalarını gerçek anlamda anlayış, simülasyon analizin başarısı ve sonuçların güvenilirliğinin temelidir.

2 Temel Simülasyon Süreci

Bilimsel ve kapsamlı bir dönüşümcü simülasyon süreci yedi ana adımı içerir:

3 Zorluğun Anlaşılması

Dönüşümcü, statik bir elektrik cihazıdır ve bu açıdan bakıldığında, ilgili simülasyon çalışmaları dönen parçaların varlığı nedeniyle çoğu simülasyonun zorluğunu önemli ölçüde artıracağından, oldukça basittir. Ne yazık ki, dönüşümcü aynı zamanda doğrusal olmayan, zamanla değişen, çok sayıda fiziksel alanın güçlü bir şekilde bağlanmasının olduğu bir elektromekanik cihazdır, bu da dönüşümcü simülasyonlarını çok daha zor hale getirir ve bazen çözülemeyen hale gelir.

Örneğin, akış analizi temelinde yapılan dönüşümcü sıcaklık alanı simülasyonları genellikle doğru ve güvenilir sonuçlar vermez. Bunun nedenlerinden biri, akış dinamiği kendisi çok karmaşık bir teoriye sahiptir ve henüz birleşik ve istikrarlı bir teori oluşturmuş değildir. Diğer taraftan, dönüşümcülerin sıcaklık alanı simülasyonu, "manyetik alan-ısıl aktarım alanı-akış alanı" olmak üzere üç alanın çift yönlü güçlü bir şekilde bağlanması gerektirir. Bu büyük bir dönüşümcü modeli için tek bir akış alanını çözmek bile zordur, üç alanın aşırı güçlü bir şekilde bağlanmasını düşünmese bile.

Dönüşümcü simülasyonunun kritik alanlarında ilerleme kaydetmek için simülasyon mühendisleri, bir yandan dönüşümcü ile ilgili teorileri, tasarım, imalat ve test bilgisini derinlemesine anlamalı, diğer yandan simülasyon yazılımlarını kullanma konusunda uzmanlaşmalı ve yazılımın işleyişinin iç yapısını anlamalıdır.

4 Süreçteki Ana Noktalar
4.1 Sorun Analizi

Geometrik modellemeden önce, uygun bir geometrik model oluşturmak ve doğru fiziksel alanı seçmek için simülasyon sorununa ön analiz gerekir. Örneğin, simülasyon sorunu tek bir fiziksel alana mı yoksa güçlü bir şekilde bağlı fiziksel alanlara mı odaklanmaktadır?

4.2 Geometrik Modelleme

Geometrik modellemenin tamamlığı, simülasyonun etkinliğini ve ilerleyişini belirler. Çoğu durumda, basitleştirilmiş bir geometrik model oluşturulmalıdır. Ancak, geometrik model aşırıya kadar basitleştirilirse, simülasyon sonuçları doğruluğunu kaybeder ve tasarım çalışmalarına rehberlik edemez. Açıkça görülüyor ki, geometrik modelin nasıl basitleştirileceği, çözülmesi gereken sorunu derinlemesine anlama gerektirir. Örneğin, 2 boyutlu (2D) bir geometrik model yeterli mi? 3 boyutlu (3D) bir geometrik model inşa etmek gerekli mi? Hatta 3D model inşa ederken hangi detaylar atlanabilir, hangileri saklanmalıdır?

4.3 Malzeme Ataması

Bir malzemenin birkaç fiziksel parametresi olabilir, ancak belirli bir sorunu çözmek için sadece birkaç tanesi genellikle gereklidir.

Belirli malzeme parametreleri atanırken, değerlerinin doğru olması gerekir; aksi takdirde, simülasyon sonuçlarına kabul edilemez sapmalar girilebilir.

Bazı malzeme özellik parametreleri, diğer parametrelerle birlikte değişir. Örneğin, dönüşümcü akış-ısıl simülasyonlarında, dönüşümcü yağı yoğunluğu, öz ısıl kapasitesi ve termal iletkenliği sıcaklıkla değişir ve bu ilişkilerin nispeten doğru fonksiyonlarla tanımlanması gerekir.

4.4 Fiziksel Alan Kurulumu

Seçilen fiziksel alan için, sorunu yöneten fiziksel denklemler, uyarıcıların ifadeleri, başlangıç koşulları, sınır koşulları ve kısıtlama koşulları gibi temel çözme koşullarını tanımlamak gerekir.

4.5 Ağ Oluşturma

Ağ oluşturma, geometrik modellemenin ardından muhtemelen merkezi bir adımdır. Teorik olarak, daha ince ağlar daha doğru sonuçlar verir. Ancak, aşırı ince ağlar pratik değildir, çünkü çözüm süresini önemli ölçüde artırırlar.

Ağ oluşturma temel prensibi, ince ve kalın ağları uygun bir şekilde birleştirmektir: gerektiğinde inceleme ve mümkün olduğunda kalınlaştırma.

El ile ağ oluşturma çok zordur ve simülasyon mühendislerinin çözülen sorunu derinlemesine anlaması gerektiği gibi yüksek bir beceri seviyesi gerektirir.

Neticede, bazı yazılımlar fizik tabanlı otomatik ağ oluşturma fonksiyonları sunar, bu da genellikle ağ oluşturma sürecini basitleştirir. Örneğin, COMSOL'un elektrik alanı simülasyon modülleri için otomatik ağ oluşturma fonksiyonu oldukça güçlüdür, büyük bir dönüşümcü ana yalıtım modelinin hızlı bir şekilde ağlanması, diğer yazılımlardan yaklaşık 40 kat daha hızlıdır.

Ne yazık ki, yazılımın dahili otomatik ağ oluşturma fonksiyonları, akış alanı simülasyonları gibi bazı sorunları çözmek için yetersizdir, çünkü genel amaçlı yazılımlar, ağ incelemesine ihtiyaç duyulan alanları tanıyamaz.

4.6 Model Çözümü

Simülasyon çözümünün özü, büyük ayrık denklem sistemlerini çözmektir. Bu, simülasyon mühendislerinin matris teorisi ve Newton iterasyon yöntemleri gibi ilgili matematik bilgisine sahip olmasını gerektirir.

Bazı yazılım çözücüler, mühendisten ek müdahale gerektirmeden soruna göre otomatik olarak yapılandırılır. Ancak, ağ oluşturma gibi bu genel olarak uygulanabilir değildir. İleri ve karmaşık sorunların çözülmesi, mühendislerin hızlı yakınsamanın ve doğru sonuçların sağlanması için ayarları bireysel olarak yapılandırmalarını gerektirir.

4.7 Sonuç Post-işlemi

Simülasyon sonuçlarının somut bir şekilde sunulması için, elde edilen verilerin uygun bir post-işlemeye ihtiyacı vardır, örneğin, elektrik alanı kontur grafikleri, sıcaklık alanı kontur grafikleri veya akış alanı kontur grafikleri oluşturma.

Ayrıca, bazı post-işlem adımları, mühendislerin profesyonel bilgiyi uygulamasını gerektirir. Örneğin, çoğu elektrik alanı simülasyon yazılımı, her noktadaki elektrik alan yoğunluğunun büyüklüğünü somut bir şekilde gösterebilir, ancak yalıtım marjının uygunluğunu belirlemek için bu verilerin istatistiksel analizine ihtiyaç vardır ve toplam alan yoğunluğuna dayalı olarak yalıtım marjı eğrileri oluşturulmalıdır.