Тепловой расчет асинхронного двигателя средствами ANSYS CFX

Автоматизация инженерного расчетного моделирования с помощью программных продуктов ANSYS EKM

Внедрение технологий компьютерного моделирования позволяет не только эффективно решать инженерные задачи, но и оптимизировать бизнес-процессы, увеличивать окупаемость инвестиций. Системы управления инженерными знаниями позволяют создавать и тиражировать автоматизированные расчетные методики (АРМ), многократно приумножающие эффективность компьютерного инжиниринга.

В настоящее время промышленные компании находятся под давлением необходимости выполнить больший объем работы в сжатые сроки, при этом действуя в рамках ограниченных ресурсов. Время разработки новых изделий сокращается, конкуренция усиливается, требования клиентов к качеству продукции повышаются. Одним из способов сокращения сроков разработки новых изделий без ущерба производительности и качеству является использование программных продуктов компьютерного моделирования и инженерного анализа. Данный подход позволяет оценивать конструкторские идеи с помощью виртуальных моделей, а не реальных прототипов. Именно компьютерное моделирование дает возможность выбрать лучшие решения на самых ранних стадиях проектирования, а также выполнить подробные поверочные расчеты на заключительном этапе. В результате — снижение цены ошибки, сокращение количества неправильных решений и сокращение времени и стоимости проекта за счет экономии на реальных прототипах.

Помимо сокращения сроков, предприятие должно быть уверено в том, что данные, полученные при моделировании, полностью отвечают реальности, состоящей из множества взаимодействующих физических дисциплин. Точные результаты, полученные с помощью компьютерного моделирования, позволяют закладывать в проект адекватные запасы, уменьшают стоимость проекта и риски некорректной работы продукции. Точность и стабильная работа программных продуктов инженерного анализа является залогом того, что конечная продукция будет работать согласно замыслу проектировщика и определенным техническим условиям.

Программные продукты ANSYS, занимающие более 50% рынка инженерного ПО в России, отвечают всем стандартам точности и скорости решения инженерных задач, позволяют рассматривать все необходимые физические дисциплины и легко интегрируются в цикл проектирования и разработки промышленных конструкций и изделий. Данный инструментарий может использоваться во всех отраслях промышленности, включая аэрокосмическую, нефтегазовую, энергетику, автомобилестроение и оборонную.

Подготовка геометрии и структуры проекта ANSYS Workbench

Первое что необходимо для проведения полноценного расчета – это подготовка 3D модели электрической машины, пригодной для построения расчетной сетки. Основное правило – модель должна содержать в себе как можно меньше деталей и особенностей геометрии, практически не влияющих на циркуляцию охлаждающей среды и общее тепловое состояние. Например, болты, гайки, вспомогательная проводка, галтели на валу, шпонки и т.д. Детали, отверстия и переходы, размер которых является малым по отношению к целевым узлам, значительно увеличивают размерность сетки, нерационально нагружая тем самым вычислительные ресурсы и память компьютера.

Для проведения расчета должна быть построена проточная часть системы охлаждения, которая может состоять из одного или нескольких расчетных объемов, т.н. доменов, окружающих твердые тела. Рекомендуется создавать домены в том пакете 3D моделирования, к которому привык пользователь. Затем уже в модуле ANSYS DesignModeler вырезать из них твердые тела с помощью булевой операции.

В электрической машине очень много симметричных узлов и периодически повторяющихся деталей. Этим обязательно нужно пользоваться для сокращения размерности расчетной модели. Количество элементов сетки можно уменьшить в число раз, равное общему количеству симметричных частей. Например, если генератор симметричен относительно центра электромагнитного ядра, то общая размерность сетки уменьшится в 2 раза. Если генератор имеет 90 пазов в статоре, то число элементов сетки твердых тел и воздуха статора можно уменьшить в 90 раз! Благодаря такому подходу на первый взгляд ресурсоемкие с точки зрения вычислительных мощностей конструкции с огромным количеством деталей оказываются вполне подходящими для расчета даже на компьютере с посредственными вычислительными возможностями.

Следующий этап касается организации модулей, составляющих проект ANSYS Workbench. Характерная картина расположения и связей между модулями представлена на схеме 1. Такая схема имеет максимальную гибкость по сравнению со случаем, когда компоненты начиная от геометрии и заканчивая результатами расчета помещены в одном блоке. В случае обнаруженного недочета в геометрии (а это случается практически всегда) при постановке задачи не придется переделывать всю геометрию и перестраивать все сетки, а лишь исправить только узел, в котором обнаружена ошибка. Нижняя ветвь геометрия-сетка как раз иллюстрирует ситуацию, когда была обнаружена неточность в формировании поверхностей вала. В блоке дублированной геометрии они были исправлены, и некорректная сетка в компоненте CFX-Pre была заменена на новую из блока “shaft”.

Основной блок с подготовленной геометрией соединяется с блоками генератора сетки, имеющими различные настройки. Например, сетки твердых доменов строятся методом преобладающих гексаэдров, а сетки доменов воздуха – только с помощью тетраэдров и призматических элементов в пристеночных областях. К тому же, домены воздуха различных частей могут иметь свои особенности и атрибуты, и также относиться к разным блокам компонента Mesh.

Рисунок 1 — Схема проекта в ANSYS Workbench

Отметим, что для полноценного теплового расчета данным методом не требуется использование дополнительных компонентов ANSYS Mechanical: Steady-State Thermal, Transient Thermal. Модуль ANSYS CFX позволяет полноценно рассчитывать как конвективный теплообмен в воздухе, так и теплопроводность в сплошной среде и вычислять все необходимые параметры теплового режима, что является важной возможностью для вентиляционных расчетов электрических машин.

Подбор сертифицированного оборудования

Разработчики Autodesk совместно с производителями «железа» периодически тестируют совместимость оборудования и программ. На сайте Autodesk есть сервис проверки и подбора рекомендованных и сертифицированных систем Certified Graphics Hardware, подробно я писал об этом в статье Сертифицированное оборудование для ПО Autodesk.

Однако, сильно надеяться на них не стоит, поскольку там можно проверить лишь профессиональную графическую видеокарту.

Рекомендуемые сочетания граничных условий

Поскольку в любой задаче обязательно существует несколько типов граничных условий (ГУ), возникает во­прос об оптимальном их сочетании и даже о корректнос­ти совместного использования некоторых типов ГУ.

Наиболее устойчивым сочетанием ГУ является за­дание скорости или массового расхода на входе и стати­ческого давления на выходе расчетной области. В этом случае полное давление на входе определяется расчетом.

Также весьма устойчивым является сочетание пол­ного давления на входе и скорости или расхода на выходе. Статическое давление на выходе и скорость на входе опре­деляются расчетом. Однако комбинация полного давления на входе со статическим давлением на выходе является очень чувствительной к начальным значениям. Массовый расход при этой комбинации ГУ определяется расчетом.

Не рекомендуется задавать статическое давление на входе и выходе. Массовый расход и полное давление на входе являются результатами расчета, однако граничные условия слабо обусловливают расчетную область. Зада­ние полного давления на выходе является недопустимым.

Если при заданном условии Outlet на выходе рядом с расчетной границей возможно формирование рецирку­ляционной зоны, то на этой границе рекомендуется ис­пользовать условие Opening. Можно также попробовать удлинить расчетную область, переместив таким образом границу выхода подальше от зоны обратных токов.

Для запуска варианта на расчет сначала указываем путь до файла-описания, а затем нажимаем на кнопку Start Run в левом нижнем углу панели Define Run. На экране появятся два окна, отображающие состояние процесса расче­та: графики сходимости по основным перемен­ным и сводные данные для каждой итерации.

В случае необходимости расчет можно оста­новить нажатием кнопки Stop Current Run. В кон­це расчета будет выведено общее процессорное время, а также невязки по основным переменным.

В заключение отметим, что все команды, вызываемые из главного меню, продублирова­ны на экране в виде иконок:

Иконки упорядочены таким образом, что для задания варианта расчета нужно только по­следовательно пройтись по ним слева направо.

Препроцессор TGRID

Препроцессор предназначен для построения тет/гибридных сеток.

IСEPAK ориентирован на проектирование систем охлаждения электроники. Моделирование охлаждающего потока воздуха, теплопроводности, конвекции и радиационного теплообмена.

Удобный пользовательский интерфейс и автоматическое наложение сетки способствуют решению таких задач:

• проектирование кабинета;
• выбор оптимального места размещения вентилятора для охлаждения;
• разработка материнских плат;
• расчет радиатора и теплоотвода.

Программное обеспечение

На компьютере установили лицензионную версию операционной системы Microsoft Windows XP Professional x64 Edition (версия 2003 с обновлением Service Pack 2).

Тестирование проводилось с использованием CAE-системы высшего уровня ProCAST (рис. 5), уже более 20 лет представленной на европейском рынке. С 2005 года началось продвижение этого продукта в России и странах СНГ, так что сейчас система достаточно хорошо знакома и отечественным предприятиям, имеющим литейное производство. Программный комплекс ProCAST предназначен для проведения тепловых, гидродинамических, прочностных и других расчетов, необходимых для отладки технологии литья изделий. Основная часть модулей использует для расчета метод конечных элементов; есть модули, использующие метод конечных разностей и клеточных автоматов. Последняя на момент тестирования версия продукта (2007.0) имеет в своем составе 32- и 64-разрядные версии решателей. Кроме того, в состав ProCAST 2007.0 включена DMP-версия продукта для проведения распределенных вычислений.

Профессиональные расcчетные станции на базе Intel и AMD

Графическая станция Forsite 850D

Производительная расчетная станция для задач связанных с моделированием и визуализацией инженерных и научных расчетов, требующих больших объемов оперативной памяти и поддержкой GPU уровня NVIDIA QUADRO RTX6000/8000.

Рекомендовано для: ANSYS Mechanical / Fluent, CST Microwave Studio, MATLAB, CAE-системы, и т.д.

• Процессор: Intel® Xeon™ W
• Чипсет: Intel® C422 WS
• Память: max 512Gb DDR4
• Накопитель: SSD + HDD
• Графика: Quadro / Geforce
• Шасси: Tower 1000W
• Прочее: малошумная СВО

Графическая станция Forsite 900D

Двух-процессорная (Intel® Xeon™ Scalable) графическая станция для расчётного моделирования и анализа технических процессов, научных расчетов требующих большого объема оперативной памяти с поддержкой ускорения на GPU.

Рекомендовано для: Задачи связанные с машинным обучением, и нейросетями (Deep Learning, AI)

• Процессор: 2x Intel® Xeon™ Scalable
• Чипсет: Intel® C621 WS
• Память: max 2048Gb DDR4
• Накопитель: SSD + HDD
• Графика: Quadro / Geforce (4 GPU)
• Шасси: SuperTower 1200W
• Прочее: малошумная СВО

Графическая станция Forsite 955D

Однопроцессорная графическая станция для расчётного моделирования и анализа технических процессов, научных расчетов требующих большого объема оперативной памяти с поддержкой ускорения на GPU

Рекомендовано для: Задачи связанные с машинным обучением, и нейросетями (Deep Learning, AI)

• Процессор: AMD Threadripper PRO
• Чипсет: AMD PRO WS WRX
• Память: max 2048GB DDR4
• Накопитель: SSD + HDD
• Графика: Quadro / Geforce (4 GPU)
• Шасси: SuperTower 2000W
• Прочее: малошумная СВО

Графическая станция Forsite DSWS PRO

Производительная рабочая станция для обработки данных и машинного обучения. Включает библиотеки RAPIDS, оптимизированные NVIDIA XGBoost, TensorFlow, PyTorch & NVIDIA CUDA-X AI.

Рекомендовано для: Задачи связанные с машинным обучением, и нейросетями (Deep Learning, AI)

• Процессор: 2x Intel® Xeon™ Scalable
• Чипсет: Intel® C621 WS
• Память: max 1024Gb DDR4
• Накопитель: SSD + HDD
• Графика: Quadro (2 GPU + NVlink)
• Шасси: SuperTower 1600W
• ОС: Ubuntu 18.04 + NVIDIA NGC

Что такое ANSYS

Ansys – это универсальная программная система анализа, которая существует и развивается уже на протяжении последних 30 лет.

Ansys является довольно популярной у специалистов в сфере автоматизированных предназначенных для решения различных инженерных задач расчетов анализа и симуляции физических процессов, решения линейных и нелинейных стационарных и нестационарных пространственных задач, механики деформируемого твердого тела и механики конструкции, включая нестационарные геометрические и физические нелинейные задачи контактного взаимодействия элементов конструкции, задачи механики жидкости и газа, теплопередачи и теплообмена, электродинамики акустики, а также механики связанных полей.

Ansys позволяет создавать симуляции физических процессов задавая любые граничные условия и воздействия на них в тех или иных условиях, создавая или изменяя уже существующую геометрию.

При этом затраты времени и финансовых средств на исследования объекта или процесса практически полностью заменяются путем использования данной программы.

Ansys охватывает почти все существующие разделы физики и инженерии, достаточными для того, чтобы провести все эксперименты в условиях компьютерного моделирования.

Заключение

Результаты расчетов в Компас-3D и ANSYS схожи, можно пользоваться любым из этих инструментов. Поскольку скорость расчета и визуализация в ANSYS лучше, рекомендую использовать последний.

Недостатком моделирования мод колебаний является высокая времязатратность. Снятие размеров по месту эксплуатации у меня заняло 40 минут, создание 3D-модели — около 4 часов, расчет в AMP FEM — 1 час, расчет в ANSYS — 30 минут.

Преимущество — визуализация колебаний конструкции, возможность быстро смоделировать варианты решения проблем.

Как итог, модальный анализ подтвердил наличие структурного резонанса и помог идентифицировать коренную причину. Дальнейшее моделирование показало, что усиление прилегания рамы под электродвигателем должно отстроить собственные частоты конструкции от двойной частоты сети 100 Гц и избавить электродвигатель от резонанса. Результаты этой работы будут переданы владельцу оборудования. Очень надеюсь, что в скором времени я смогу порадовать Вас статьей об итогах запланированных работ.