1. Uruchamianie programu Modeller

Transkrypt

1 1. Uruchamianie programu Modeller W menu Start systemu MS Windows, w katalogu Programy naleŝy odnaleźć katalog Vector Fields Opera, a w nim program Opera 12.0 i uruchomić go: Start Programy Vector Fields Opera Opera 12.0 Zostanie uruchomione okno MenadŜera pakietu OPERA 2D/3D. Z menu głównego MenadŜera naleŝy wybrać polecenie ładujące klucz licencji programu: Options Licensing Set Dongle Type Network Rys. 1-1 Okno dialogowe z komunikatem poprawnie załadowanego klucza licencji programu. Po pojawieniu się okna z komunikatem (Rys. 1-1) wcisnąć przycisk OK. Gdy licencja jest załadowana poprawnie moŝna uruchomić program Modeller. Z menu górnego wybrać: Opera-3D Modeller Przy pierwszym uruchomieniu programu pojawi się okno dialogowe, w którym moŝna ustawić folder roboczy słuŝący do przechowywania plików z modelami i wynikami obliczeń (Rys. 1-2). Rys. 1-2 Okno dialogowe słuŝące do wskazania folderu roboczego. Okno programu Modeller po uruchomieniu przedstawia Rys

2 Menu górne Paski narzędziowe Osie układu współrzędnych Menu podręczne Pasek stanu Rys. 1-3 Okno programu Modeller. 4

3 2. Elektromagnes ze zworą obrotową W ćwiczeniu przedstawiony zostanie zastosowanie solvera TOSCA Magnetic do obliczeń pola magnetostatycznego w elektromagnesie ze zworą obrotową. Omówiony zostanie sposób budowy modelu polowego badanego elektromagnesu oraz przygotowanie pliku obliczeniowego w programie Modeller. Natomiast w programie Post-Processor przedstawiona zostanie analiza wyników obliczeń, pokazane zostaną moŝliwości wizualizacji wyników oraz obliczanie momentu działającego na zworę. Na Rys. 2-1 przedstawiono wygląd modelowanego elektromagnesu. Rys. 2-1 Model bryłowy elektromagnesu ze zworą obrotową. 5

4 2.1. Budowa modelu i przygotowanie symulacji Budowa modelu bryłowego Rdzeń elektromagnesu zostanie utworzony z dwóch prostopadłościanów, natomiast kształt zwory zostanie określony przy pomocy walców, które utworzą takŝe szczelinę powietrzną pomiędzy zworą a rdzeniem. Model bryłowy powstanie po zsumowaniu wszystkich brył składowych z zachowaniem komórek oraz wyodrębnieniu ruchomej części elektromagnesu, czyli zwory. Parametry poszczególnych brył przedstawione zostały w Tab Model elektromagnesu zostanie tak utworzony, Ŝe oś obrotu zwory zostanie umieszczona w osi Z globalnego układu współrzędnych. Tab. 2-1 Parametry brył tworzących rdzeń i zworę elektromagnesu. Name First corner Opposite corner rdzen1 x=-45 y=-30 z=-5 x=5 y=30 z=5 rdzen2 x=-35 y=-20 z=-5 x=-5 y=20 z=5 Name Centre of base Centre of top Radius walec1 x=0 y=0 z=-5 walec2 x=0 y=0 z=-5 walec3 x=0 y=0 z=-5 x=0 y=0 z=5 x=0 y=0 z=5 x=0 y=0 z=5 Wybrać z paska narzędziowego ikonę lub z menu górnego: Create Object Block i nacisnąć OK. 6

5 W podobny sposób narysować drugi prostopadłościan tworzący rdzeń. Wybrać z paska narzędziowego ikonę lub z menu górnego: Create Object Cylinder/Cone i nacisnąć OK. W podobny sposób narysować pozostałe dwa walce. 7

6 Wybrać z paska narzędziowego ikonę i lub z menu górnego: Picking Pick Bodies i Picking Pick All Filter Type Entities Zostaną zaznaczone wszystkie utworzone bryły. Z menu podręcznego wybrać: Combine Bodies Union, without regularization lub z menu górnego: Operations Combine Bodies Union, without regularization. W wyniku operacji sumowania zostanie utworzona jedna bryła, ale zostaną zachowane wewnątrz niej ściany brył składowych i utworzą się komórki. 8

7 Wybrać z paska narzędziowego ikonę lub z menu górnego: Picking Pick Cells Zaznaczyć szczelinę powietrzną, powietrze wokół zwory i zworę jako komórki. Z menu podręcznego wybrać: Extract Cells lub z menu górnego: Operations Extract Cells Zaznaczone komórki zostały wyodrębnione z bryły i stały się osobnymi bryłami. W utworzonym modelu uwzględnione są wszystkie części elektromagnesu, a takŝe szczelina powietrzna w kształcie dwóch pierścieni. Pierścienie te składają się z kilku komórek. W następnym etapie komórki te zostaną połączone w jedną. Taka budowa szczeliny powietrznej jest konieczna ze względu na obliczanie momentu działającego na zworę. 9

8 Wybrać z paska narzędziowego ikonę lub z menu górnego: Picking Pick Bodies Zaznaczyć bryły tworzące pierścień zewnętrzny. Z menu podręcznego wybrać: Combine Bodies Union, with regularization lub z menu górnego: Operations Combine Bodies Union, with regularization. Pierścień zewnętrzny tworzy jedna bryła z jedną komórką. 10

9 W podobny sposób scalić bryły tworzące pierścień wewnętrzny. Zworę oraz otaczające ją powietrze naleŝy scalić w jedną bryłę ale z zachowaniem podziału na komórki. Wybrać z paska narzędziowego ikonę lub z menu górnego: Picking Pick Bodies Zaznaczyć bryły tworzące zworę oraz otaczające ją powietrze. 11

10 Z menu podręcznego wybrać: Combine Bodies Union, without regularization lub z menu górnego: Operations Combine Bodies Union, without regularization. Zwora i powietrze tworzyć będą jedną bryłę z 3 komórkami 12

11 Parametry materiałów i komórek W budowanym modelu oprócz powietrza występuje tylko jeden materiał: stal krzemowa wykorzystana do budowy rdzenia i zwory. Z punktu widzenia analizy pola magnetycznego istotnym parametrem tych materiałów jest przenikalność magnetyczna względna. Dla materiału ferromagnetycznego jakim jest stal krzemowa zamiast przenikalności magnetycznej względnej jako stałego parametru podaje się charakterystykę magnesowania B=f(H). Przykładową charakterystykę magnesowania, która zostanie uŝyta do obliczeń przedstawiono na Rys Rys. 2-2 Charakterystyka magnesowania przyjęta do obliczeń. Pierwszym krokiem będzie zdefiniowanie etykiet materiałów w komórkach, ustawione zostaną takŝe parametry siatki oraz priorytety poszczególnych komórek. Kolejny etap to przypisanie do tych etykiet odpowiednich parametrów materiałów. Wybrać z paska narzędziowego ikonę lub z menu górnego: Picking Pick Cells Zaznaczyć komórkę tworzącą rdzeń. 13

12 Z menu podręcznego wybrać: Cell properties lub z menu górnego: Properties Cell properties Analogicznie postąpić w przypadku pozostałych komórek 14

13 Zdefiniowanym etykietom moŝna przypisać odpowiednie parametry materiałów. Jedynym materiałem, którego etykieta będzie dostępna jest materiał rdzenia i zwory. Powietrze (Air) przyjmuje wartości domyślne dla pola magnetycznego jest to przenikalność magnetyczna względna równa 1. Zanim jednak przypisanie parametrów etykietom zostanie dokonane, konieczne jest wybranie odpowiedniego solvera. Do obliczeń pola magnetostatycznego w programie OPERA 3D wykorzystuje się program TOSCA Magnetic. Z menu górnego: Model Analysis Type TOSCA Magnetic Z menu górnego: Model Set Material Properties... Dla etykiety stal krzemowa zaznaczyć opcję nonlinear i wybrać charakterystykę domyślną Default, a następnie nacisnąć przycisk Apply i OK. 15

14 Dla materiału rdzenia i zwory została przyjęta domyślna charakterystyka magnesowania z programu Modeller charakterystyka ta przedstawiona jest na Rys Tworzenie uzwojenia Uzwojenie elektromagnesu zostanie zamodelowane przy pomocy predefiniowanych (sparametryzowanych) uzwojeń. Spośród kilku rodzajów uzwojeń dostępnych w programie Modeller wykorzystane zostanie uzwojenie typu Racetrack. Parametry tego uzwojenia przedstawia Rys Rys. 2-3 Parametry geometrii uzwojenia typu Racetrack. X1 Point on cross-section, X współrzędna X przekroju poprzecznego względem lokalnego układu współrzędnych, Y1 Point on cross-section, Y współrzędna Y przekroju poprzecznego względem lokalnego układu współrzędnych, A Cross-section, Width in x direction szerokość cewki, B Cross-section, Thickness in y direction grubość cewki, H1 Half length połowa długości, R1 Arc radius promień zaokrąglenia. 16

15 Wybrać z paska narzędziowego ikonę lub z menu górnego: Create Conductor Racetrack... Wybrać zakładkę Local Coordinate Systems i zdefiniować lokalny układ współrzędnych dla uzwojenia. W zakładce Racetrack Parameters zdefiniować wymiary uzwojenia. W zakładce Source Drivers zdefiniować gęstość prądu w uzwojeniu. Przy danym prądzie całkowitym pomocna będzie zmienna area. W polu Current density naleŝy wpisać 2772/area. Po wprowadzeniu parametrów nacisnąć przycisk OK. 17

16 Tło i warunki brzegowe Ostatni etap budowy modelu to utworzenie tła obszaru powietrza wokół elektromagnesu i ustawieniu na jego zewnętrznych ścianach warunków brzegowych. Z menu górnego: Model Model symmetry... Wybrać kształt tła (Shape of background) typu Block i w parametrze Block Scale Factors wpisać 3 dla kaŝdego z kierunków. Wybrać zakładkę Far field boundary conditions i dla kaŝdej z powierzchni tła wybrać warunek typu Tangential magnetic. Nacisnąć przycisk OK. Tło pojawi się na etapie generowania siatki. 18

17 Generowanie siatki elementów skończonych Generowanie siatki elementów skończonych odbywa się w trzech etapach: 1. Tworzenie bryły modelu wszystkie bryły scalane są w jedną bryłę modelu z zachowaniem podziału na komórki. 2. Generowanie siatki powierzchniowej. 3. Generowanie siatki objętościowej. Z menu górnego wybrać: Model Create Model Body... Operacja ta scala wszystkie bryły w jedną bryłę, a takŝe tworzone jest tło zdefiniowane przy pomocy polecenia Model symmetry. Z menu górnego wybrać: Model Generate Surface Mesh... Maksymalna wielkość elementu siatki ustawiona zostanie na 20, mniejsze elementy powstaną w poszczególnych komórkach, w których parametr określający wielkość elementu został ustawiony. Z menu górnego wybrać: Model Generate Volume Mesh... 19

18 2.2. Przygotowanie i uruchomienie obliczeń Po ukończeniu budowy modelu kolejny etap to wprowadzenie odpowiednich ustawień dla solvera i utworzenie pliku z bazą danych do obliczeń. Z menu górnego wybrać: Model TOSCA Magnetostatics Settings... Zaznaczyć opcję Use nonlinear properties, oznaczającą wykonanie obliczeń z uwzględnieniem nieliniowości materiałów. Z menu górnego wybrać: Model Create Analysis Database... Baza danych będzie utworzona w układzie jednostek SI z jednostkami długości mm, nazwa pliku to Zwora_obrotowa. Plik będzie miał rozszerzenie.op3. Aby utworzyć plik z bazą danych do obliczeń i uruchomić obliczenia naleŝy po wprowadzeniu powyŝszych ustawień nacisnąć przycisk Prepare and Solve. 20

19 2.3. Obliczenia w postprocesorze Wizualizację wyników obliczeń oraz dodatkowe obliczenia moŝna wykonać w programie Post-Processor. Uruchomienie Post-Procesora moŝliwe jest z poziomu programu Modeller oraz z poziomu MenadŜera pakietu OPERA. Zostanie wyświetlony rozkład modułu indukcji pola magnetostatycznego oraz policzony moment działający na zworę. W programie Modeller Post-Processor uruchamiany jest następująco: Z menu górnego wybrać: Model Launch Post-Processor Po uruchomieniu postprocesora zostanie wczytany ostatnio policzony plik oraz wyświetlone zostaną części modelu nie będące powietrzem. 21

20 Rozkład modułu indukcji Rozkład dowolnej wielkości polowej moŝna wyświetlić w postaci rozkładu 3D oraz w postaci wykresu wzdłuŝ odcinka, łuku lub po okręgu. MoŜliwe jest takŝe określenie wartości tej wielkości w konkretnym punkcie modelu. Wybrać z paska narzędziowego ikonę lub z menu górnego wybrać: View Select... W oknie programu zaznaczyć grupę Conductors, a następnie nacisnąć kolejno: Remove from selection i Select and Refresh. Po tych czynnościach widoczna będzie część rdzenia przysłonięta przez uzwojenie. Wybrać z paska narzędziowego ikonę lub z menu górnego wybrać: View 3D Display... Wybrać opcję Component contours, a w polu Field component wpisać Bmod i nacisnąć przycisk OK. 22