В статье представлена информация об использовании программного продукта Elcut при решении задач магнитостатики, указаны функциональные возможности программного продукта.
Ключевые слова: ELCUT, магнитное поле, информационная система.
Для исследования и проектирования различных устройств, как например, соленоиды, электрические машины, магнитные экраны, постоянные магниты, реакторы, и тому подобные, часто применяют данные расчетов магнитного поля.
Обычно при расчетах магнитного поля представляют интерес такие величины, как магнитная индукция, напряженность магнитного поля, магнитные силы и моменты, индуктивность, а также потокосцепления с различными обмотками.
В многообразии программных продуктов, используемых для решения задач магнитостатики, стоит уделить внимание компьютерной программе от российского разработчика Elcut, которая предоставляет возможности моделирования электротехнологических установок.
Пакет ELCUT может применяться для решения линейных и нелинейных задач магнитостатики в плоской и осесимметричной постановке. Используется формулировка задачи относительно векторного магнитного потенциала. При постановке задачи используются следующие возможности:
1. Свойства сред: воздух, изотропные и ортотропные материалы с постоянной магнитной проницаемостью, изотропные ферромагнетики, проводники с током, линейные и нелинейные постоянные магниты.
2. Источники поля: распределенные и сосредоточенные токи или плотность тока, однородное внешнее поле и постоянные магниты.
3. Граничные условия: заданное значение потенциала (условие Дирихле), заданные значения касательной составляющей индукции (условие Неймана), условие постоянства потенциала (нулевого потока) на поверхностях сверхпроводников.
4. Результаты расчета: магнитный потенциал, магнитная индукция, напряженность магнитного поля, силы, моменты, энергия магнитного поля, потокосцепления, собственные и взаимные индуктивности.
5. Специальные возможности: Интегральный калькулятор может вычислять различные интегральные значения на определенных вами линиях и поверхностях. Магнитные силы могут быть переданы в задачу расчета механических напряжений в элементах конструкции.
Рассмотрим задачу постоянного магнита и применим программу ELCUT для ее решения (Рис.1). Постоянный магнит и стальное ярмо расположены в воздухе. Требуется рассчитать силу ярма при заданных данных: магнитная проницаемость воздуха, стали и магнита соответственно равны 1, 1000 и 1; коэрцитивная сила магнита равна 500000 А.
Рис. 1. Графическое представление задачи
При решении задачи использовалась студенческая версия ELCUT.
Чтобы реализовать задачу с помощью программы ELCUT, необходимо пройти следующие этапы:
1. Создать и описать новую задачу, ввести параметры задачи.
2. Построить геометрию модели задачи.
3. Задать физические свойства материалов.
4. Решить задачу и проанализировать полученные результаты.
Тип задачи, единицы длины и класс модели — все это составляющие описания задачи (см. Рис. 2).
Создание модели осуществляется путем ввода геометрических объектов и манипулирования ими. Основными типами геометрических объектов модели являются вершина, ребро и блок. Для данной задачи геометрия модели показана на рисунке 3.
Рис .2. Описание задачи
Рис. 3. Геометрическая модель
Далее происходит построение сетки конечных элементов во всех блоках, входящих в расчетную область.
Следующим этапом при решении задачи будет необходимо описать свойства сред, указать источники поля и определить граничные условия. Связь физических свойств с геометрическими объектами устанавливается путем присвоения меток геометрическим объектам при редактировании модели. Метки блоков описывают свойства материалов и нагрузок в подобластях модели, метки ребер описывают граничные условия на внешних поверхностях модели, метки вершин описывают точечные источники поля и условия закрепления (граничные условия), приложенные к определенным точкам в модели.
В данной задаче создаются блоки: воздух, магнит S, магнит N, сталь, а также ребро «нулевое поле». Основными величинами свойств для элементов магнитостатического поля являются магнитная проницаемость, коэрцитивная сила магнита и источники поля. На рисунке 4 представлен фрагмент задания свойств для материала «магнит».
Рис. 4. Задание свойств для меток
Результат решения программный пакет Elcut представляет в виде картины поля (см. Рис.5).
Рис. 5. Картина поля
Для вычисления силы, действующей на стальное ярмо, необходимо вокруг него создать контур (см. Рис. 6).
С помощью интегрального калькулятора производится расчет силы, действующей на ярмо (см. Рис. 6).
Рис. 6. Картина поля и результаты решения задачи
Задача была решена в студенческой версии программного пакета Elcut. Данная версия ограничена в количестве узлов при построении сетки конечных элементов.
Дружественный пользовательский интерфейс Elcut, простота описания даже самых сложных моделей, широкие аналитические возможности комплекса и высокая степень автоматизации всех операций позволяют разработчику полностью сосредоточиться на своей задаче. Elcut можно использовать для инженерного моделирования электромагнитных, тепловых и механических задач методом конечных элементов. Будет не лишним пакет ELCUT и на занятиях по информационным системам и технологиям в профессиональной деятельности для технических специальностей.
Литература:
1. Elcut. Моделирование электромагнитных, тепловых и упругих полей методом конечных элементов. Руководство пользователя. Санкт-Петербург. ООО «Тор», 2013.
2. Официальный сайт Elcut. Магнитостатика. http://elcut.ru/dcmag_r.htm.
