Przykład MES: Pojemność elektryczna dwóch kul
Ćwiczenie |
Temat |
---|
Analiza metodą elementów skończonych |
Poziom trudności |
Początkujący |
Czas wykonania |
30 min |
Autorzy |
Sudhanshu Dubey |
Wersja FreeCAD |
0.19 lub nowszy |
Pliki z przykładami |
Tworzone automatycznie |
Zobacz również |
- |
Wprowadzenie
Ten przykład pokazuje jak zasymulować przypadek 6 z dokumentu Elmer GUI Tutorials, Electrostatic equation – Capacitance of two balls (Równanie elektrostatyczne – Pojemność elektryczna dwóch kul) przy pomocy Przykładów MES. Wyjaśnia jak ustawić przykład, przeanalizować jego różne części, rozwiązać używając solvera Elmer i zwizualizować wyniki za pomocą filtra przycinania.
Wynik końcowy tego przykładu
Wymagania
- Kompatybilna wersja programu FreeCAD wskazana w opisie przykładu.
- Użyj opcji Pomoc → Informacje o FreeCAD aby sprawdzić jaka wersja programu jest zainstalowana
- Do wczytania przykładu, obejrzenia siatki i geometrii oraz wizualizacji wyników nie jest wymagane żadne zewnętrzne oprogramowanie.
- Do przeprowadzenia analizy metodą elementów skończonych (MES), solver ELmer musi być zainstalowany na komputerze. Zobacz tę stronę aby dowiedzieć się jak zainstalować solver Elmer.
Ustaw przykład
Załaduj środowisko pracy MES
- Uruchom FreeCAD, moduł Start powinien być załadowany
- Przełącz się na środowisko pracy MES.
Załaduj plik przykładu
- Idź do Narzędzia → Otwórz przykłady.
- Gdy otworzy się okno dialogowe, znajdź i otwórz przykład "Electrostatics Capacitance Two Balls". Możesz go łatwo znaleźć w kategoriach All lub Solvers → Elmer. Aby otworzyć przykład, kliknij na nim dwukrotnie lub zaznacz go i wciśnij przycisk Setup.
Zrozumienie przypadku obliczeniowego
Ten przypadek przedstawia rozwiązanie pojemności elektrycznej doskonale przewodzących kul w wolnej przestrzeni. Różnica napięć między kulami wywołuje ładunek elektryczny w układzie. Kule mają też własną pojemność elektryczną, która wynika z różnicy napięć z dalekim otoczeniem. Zatem rozwiązania musi być symetryczna macierz 2 x 2 pojemności elektrycznej. Pojemności mogą być obliczone z dwóch różnych konfiguracji napięć.
Zrozumienie modelu
- Model zawiera trzy kule.
- Dwie mniejsze są doskonale przewodzące.
- Większa symuluje otaczające powietrze.
- Dwie mniejsze kule są ze sobą scalone a następnie wycięte z większej kuli.
Początkowy model
Kontener analizy i jego obiekty
Obiekty używane w tej analizie elektrostatycznej:
- Kontener analizy
- SolverElmer
- Electrostatic, równanie elektrostatyczne
- FemMaterial, materiał płynu reprezentujący otaczające powietrze
- ElectrostaticPotential, warunki brzegowe (trzy)
- ConstantVaccumPermittivity, opcjonalne
- Mesh, siatka Gmsh
- MeshRegion, obszar siatki dla mniejszych kul
Obiekty w widoku drzewa
Uruchamianie analizy
- W widoku drzewa dwukrotnie kliknij na obiekcie solvera .
- Wciśnij przycisk Zapisz w tym samym panelu zadań. Obserwuj okno dziennika aż pojawi się w nim komunikat "write completed." Możesz zignorować ewentualne ostrzeżenie o przenikalności elektrycznej próżni.
- Wciśnij przycisk Uruchom. Jest to mała analiza, więc powinna trwać tylko kilka sekund. Poczekaj aż zbaczysz komunikat "ELMER SOLVER FINISHED AT".
- Wciśnij przycisk Zamknij w panelu zadań po zakończeniu analizy.
- W widoku drzewa utworzone zostaną dwa nowe obiekty wyników, SolverElmerResult oraz SolverElmerOutput.
Jeśli podczas uruchamiania analizy pojawi się błąd o pliku wykonywalnym solvera lub zbliżony, sprawdź instalację solvera Elmer.
Wizualizacja wyników
- Upewnij się, że siatka jest niewidoczna. Jeśli tak nie jest, wybierz obiekt siatki i wciśnij klawisz Spacja aby przełączyć widoczność.
- Upewnij się też, że obiekt Cut jest niewidoczny.
- Dwukrotnie kliknij na obiekcie SolverElmerResult aby otworzyć jego okno dialogowe.
- Zmień "Pole" na "potential" i kliknij OK.
- Zobaczysz, że kula zmieniła kolor na niebieski a gradient po prawej stronie pokazuje wartości od 0 do 1. Powinno to wyglądać mniej więcej tak:
Obróbka wyników
- Chociaż poprawnie zwizualizowaliśmy wyniki potencjału, widzimy tylko zerowy potencjał powietrza otaczającego dwie kule. Aby zobaczyć potencjał na kulach, musimy zastosować filtr przycinania.
- W widoku drzewa wybierz obiekt SolverElmerResult i kliknij przycisk Filtr przycięcia obszaru na pasku narzędzi.
- Otworzy to okno z konfiguracjami filtra. Kliknij w nim przycisk Utwórz i wybierz Płaszczyzna. Dodaje to płaszczyznę przecinającą siatkę wyników przez środek kuli. Aby wygładzić powierzchnię cięcia, zaznacz opcję Wytnij komórki. W końcu kliknij Zastosuj.
- W widoku drzewa jest nowy obiekt o nazwie Functions. Zawiera utworzoną Płaszczyznę. Schowaj go wciskając klawisz Spacja.
- Dwukrotnie kliknij na obiekcie filtra przycinania w widoku drzewa.
- Zmień "Pole" na "potential" i kliknij OK.
- Przełącz widoczność obiektu SolverElmerResult używając klawisza Spacja a powinieneś zobaczyć coś takiego:
Teraz wyraźnie widzimy rozkład potencjału w i dookoła kul.
Zauważ, że gdyby opcja Zastosuj zmiany była włączona, mógłbyś wybrać "Pole" w oknie dialogowym filtra przycinania bezpośrednio a nie musiałbyś otwierać go ponownie po utworzeniu płaszczyzny.
Znalezienie poejmności
- Our actual focus is to find the capacitance which is contained in the SolverElmerOutput.
- Double click on SolverElmerOutput to open it. Scroll down till you find:
StatElecSolve: Capacitance matrix computation performed (i,j,C_ij) StatElecSolve: 1 1 5.07016E+00 StatElecSolve: 1 2 1.69328E+00 StatElecSolve: 2 2 5.07201E+00
- Here, our desired result is
C12 = 1.69328
. This value is close to the1.691
given in the Elmer GUI Tutorials. We can get an even closer value by making a finer Mesh Region but this activity is left for the user. Also, the user is advised to play with the Clip Filter to get a visual result similar to the first picture of this tutorial.
- Materiał: Bryła, Ciecz, Nieliniowy materiał mechaniczny, Materiał zbrojony (beton), Edytor materiału
- Geometria elementu: Geometria elementu, Obrót w okół osi, Geometria elementu 2D, Element przepływu
Wiązania
- Elektromagnetyczne: Potencjał elektryczny, Gęstość prądu, Magnetyzacja
- Geometryczne: Obrót w płaszczyźnie, Zapis wyników z przekroju, Zdefiniuj odkształcenie
- Mechaniczne: Zdefiniuj przytwierdzenie, Zdefiniuj przemieszczenie, Zdefiniuj kontakt, Zdefiniuj powiązanie, Wiązanie sprężyny, Zdefiniuj siłę, Zdefiniuj obciążenie ciśnieniem, Zdefiniuj siłę odśrodkową, Zdefiniuj obciążenie ciężarem własnym
- Termiczne: Warunek początkowy temperatury, Zdefiniuj strumień ciepła, Zdefiniuj temperaturę, Zdefiniuj objętościowe źródło ciepła
- Zmieniające wiązania: Zdefiniuj przenikalność elektryczną próżni
- Siatki: Siatka Netgen, Siatka GMSH, Warstwa graniczna siatki, Obszar siatki, Grupa siatki, Utwórz zestaw węzłów, Siatka MES na obiekt środowiska Siatka
- Solver: Narzędzia CalculiX, Elmer, Mystran, Z88; Równania: Elastyczności, Elektrostatyczne, Siły elektrostatycznej, Magnetodynamiczne, RMagnetodynamiczne 2D, Przepływu, Strumienia, Ciepła; Solver: Kontrola pracy solvera, Uruchom solver
- Wyniki: Oczyszczanie z wyników, Prezentacja wyników; Postprocessing: Zastosuj zmiany, Prezentacja graficzna, Filtr rozpraszający, Skalarny filtr obcinający, Filtr odcięcia funkcji, Filtr odcięcia obszaru, Filtr konturów, Filtr danych wzdłuż linii, Wykres liniowości naprężeń, Filtr obcinania danych w punkcie, Utwórz funkcję, Filtr funkcji płaszczyzny, Filtr funkcji sfery, Filtr funkcji walca, Filtr funkcji prostopadłościanu
- Dodatkowe: Konfiguracja, Instalacja środowiska MES, Siatka, FEM Solver, CalculiX, Beton, Rodzaje elementów
- Jak zacząć
- Instalacja: Pobieranie programu, Windows, Linux, Mac, Dodatkowych komponentów, Docker, AppImage, Ubuntu Snap
- Podstawy: Informacje na temat FreeCAD, Interfejs użytkownika, Profil nawigacji myszką, Metody wyboru, Nazwa obiektu, Edytor ustawień, Środowiska pracy, Struktura dokumentu, Właściwości, Pomóż w rozwoju FreeCAD, Dotacje
- Pomoc: Poradniki, Wideo poradniki
- Środowiska pracy: Strona Startowa, Złożenie, BIM, CAM, Rysunek Roboczy, MES, Inspekcja, Siatka, OpenSCAD, Część, Projekt Części, Punkty, Inżynieria Wsteczna, Robot, Szkicownik, Arkusz Kalkulacyjny, Powierzchnia 3D, Rysunek Techniczny, Test Framework