Программные средства для численного моделирования электротехнологических процессов и установок

В настоящее время для разработки, проектирования и исследования систем индукционного нагрева применяются современные средства компьютерного моделирования. В научно-исследовательских, проектных и производственных организациях широко используется современное программное обеспечение CAE (Computer Aids Engineering). CAE позволяет выполнить качественное моделирование систем индукционного нагрева различного уровня сложности и исследовать их отклик на внешние воздействия, то есть получить пространственно-временные распределения взаимосвязанных тепловых и электромагнитных полей.

Современный рынок программных средств предлагает большое разнообразие пакетов для расчета электромагнитных и тепловых процессов. Основные производители данных программных продуктов представлены в таблице 1. Из приведенных данных следует, при создании программного обеспечения разработчики чаще всего используют МКЭ. Исключением является компания Integrated Engineering Software, продвигающая концеп­цию расчета электромагнитных и тепловых полей посредством МГЭ и гибридных методов.

Таблица 1 – Обзор программных пакетов для численного моделирования

Кампания	Программный продукт	Метод расчета	Тип ПО
Ansys, Inc., www.ansys.com	ANSYS Emag, ANSYS Multiphysics, Icemax, Icewave	МКЭ	Многофункциональное
Cedrat SA, www.cedrat.com	FLUX2D, FLUX3D	МКЭ	Специализированное
Infolytica Corporation, www.infolytica.com	MagNet, ThermNet, ElecNet	МКЭ	Специализированное
Integrated Engineering Software, www.integratedsoft.de	CELSIUS, KELVIN, INDUCTO	МГЭ	Специализированное
COMSOL www.comsol.com	FEMLAB	МКЭ	Многофункциональное
ELCUT www.elcut.ru	ELCUT	МКЭ	Многофункциональное
QuickField, www.quickfield.com	FEA	МКЭ	Многофункциональное
THOMATRONIK, www.thomatronik.de	Opera 2D/3D, Magnetics Designer	МКЭ	Специализированное
Field Precision, www.fieldp.com	Induction Heating Toolkit, Magnet Design Toolkit, Advanced Magnetic Field, Universal BField Toolkit	МКЭ	Специализированное

При выборе и приобретении программного пакета для моделирования систем индукционного нагрева необходимо учитывать, что инструменты, разработанные производителями программных продуктов, существенно различаются спецификой их применения в предметных областях, степенью автоматизации расчетных процедур, используемым математическим аппаратом, быстродействием, пользовательским интерфейсом, языками программирования.

Несмотря на явные преимущества и неоспоримые достоинства современных программных средств, при использовании многих универсальных многоцелевых пакетов учет специфических свойств конкретных процессов индукционного нагрева представляет значительные трудности. Чаще всего достаточно сложно моделируются следующие факторы:

- наличие тепловой изоляции;

- поступательное или вращательное движение нагреваемой заготовки;

- наличие неравномерного начального температурного распределения по объему заготовки;

- различные частоты, мощности и другие конструктивные характеристики отдельных секций многосекционного нагревателя;

- внешние электрические цепи;

- граничные условия, характеризующие взаимодействие нагреваемой заготовки с окружающей средой.

В таблице 2 представлены основные функциональные возможности различных программных продуктов, представленных на рынке современного программного обеспечения для моделирования ПИНМ. Как видно из таблицы, практически все программные продукты из рассматриваемого перечня позволяют решать совместно задачи электромагнитного и теплового анализа, с учетом: нелинейных зависимостей свойств материалов от температуры и граничных условий различной степени сложности. Данный минимальный набор функциональных возможностей позволяет реализовать методическую нагревательную установку. Для моделирования проходных нагревателей необходимо, чтобы в программном продукте наряду с задачами электромагнитного и теплового анализа, решалась кинематическая задача (задача реализации движения). Программные продукты ANSYS, FLUX, KELVIN 2D, FEMLAB с той или иной степенью сложности позволяют реализовать поступательное движение в переменном электромагнитном поле металлического тела, нагреваемого за счет возбуждаемых в нем вихревых токов.

Необходимо отметить, что в программных продуктах FLUX, ThermNet, FEMLAB, QuickField есть возможность экспорта конечно-элементной модели в Simulink (инструмент моделирования динамических систем, встроенный в Matlab). Это позволяет моделировать не только простейшие внешние электрические цепи, но и работу ИНУ совместно с преобразователями электрической энергии, системами управления, исследовать частотные характеристики и устойчивость электротехнологических установок. Единственным программным продуктом, который наряду со всеми перечисленными возможностями имеет встроенный алгоритмический язык программирования (APDL), является ANSYS. APDL значительно расширяет возможности данного программного пакета, позволяет совместно решать задачи различной физической природы (электромагнитной, тепловой, механической, кинематической, гидрогазодинамической и т.д) независимо от предложенной фирмой-производителем стандартной конфигурации физических модулей.

Таблица 2 – Основные возможности программных пакетов

Возможности пакета	ANSYS	FLUX	ThermNet, MagNet	CELSIUS	KELVIN	Opera	FEMLAB	ELCUT	Quick Field	Field Precision
Вид анализа
Электромагнитный	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+
Тепловой	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+
Совмещенный	+	+	+	+	+	+	+	Послед.	+	+
Реализация движения	+	+	Вращ.	-	+	-	-	-	Вращ.	-
Тип расчета
Статический	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+
Динамический	+	+	+	+	+	+	+	Тепл. задача	+	+
Геометрическая модель
Двумерная	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+
Осесимметричная	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+
Трехмерная	+	+	+	+	-	+	+	-	+	+
Выбор типа конечного элемента	+	+	+	+	+	-	-	-	+	-
Возможность моделировать внешние электрические цепи	+	+	+ (эксп. в Simulink)	-	-	-	+ (эксп. в Simulink)	-	+	-
Возможность задавать нелинейные свойства материалов	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+
Наличие алгоритмического языка	+	-	-	-	-	-	-	-	-	-
Интеграция в MATLAB	-	+	+	-	-	-	+	-	+	-

Проведенный анализ современных методов и средств математического моделирования, результаты численных компьютерных экспериментов и анализ научно-информационных источников позволили сделать вывод о том, что явным лидером среди универсальных многоцелевых программных комплексов является наукоемкий программный пакет ANSYS, а среди специализированных продуктов, предназначенных для многопараметрического электромагнитного, теплового и электромеханического анализа, в последние годы заметно выделяется программный продукт Cedrat FLUX.

На основе проведенного сравнения современных программных продуктов (Таблица 1-2) предназначенных для совместного решения задач электромагнитного, теплового и электромеханического анализа, для создания численных моделей индукционных нагревательных установок различного принципа действия был выбран специализированный конечно-элементный программный пакет FLUX, разработанный французской компанией Cedrat. Данный программный продукт предоставляет возможность симуляции статических, гармонических и переходных состояний для магнитных и электромагнитных приложений, включая механическую (кинематическую) и электрическую привязку к модели, и анализ тепловых процессов.

Программный пакет FLUX