Przykład MES: Pojemność elektryczna dwóch kul

From FreeCAD Documentation
Revision as of 22:36, 14 December 2023 by NewJoker (talk | contribs) (Created page with "* Upewnij się, że siatka jest niewidoczna. Jeśli tak nie jest, wybierz 24px obiekt siatki i wciśnij klawisz {{KEY|Spacja}} aby przełączyć widoczność. * Upewnij się też, że obiekt Cut jest niewidoczny. * Dwukrotnie kliknij na obiekcie 24px SolverElmerResult aby otworzyć jego okno dialogowe. * Zmień "Pole" na "potential" i kliknij {{Button|OK}}. * Zobaczysz, że kula zmieniła kolor...")
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

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.
  1. Dwie mniejsze są doskonale przewodzące.
  2. 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:

  1. Kontener analizy
  2. SolverElmer
  3. Electrostatic, równanie elektrostatyczne
  4. FemMaterial, materiał płynu reprezentujący otaczające powietrze
  5. ElectrostaticPotential, warunki brzegowe (trzy)
  6. ConstantVaccumPermittivity, opcjonalne
  7. Mesh, siatka Gmsh
  8. 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:

Post Processing the Result

  • While we have successfully visualised the potential result, currently we are only seeing the zero potential in the air surrounding the two balls. To view the potential on the balls we need to apply a clip filter.
  • In the tree view select the SolverElmerResult object and then from the tool bar click on the button Region Clip Filter.
  • This will open a dialog with the filter configurations. Click there on the button Create and choose Plane. This adds a plane through the center of the sphere at which the result mesh is cut. To smooth the cut face, check the option Cut Cells. Eventually click Apply.

  • In the tree view there is a new entry called Functions. It contains the created Plane. Make it invisible using Space.
  • Double-click on the Clip object in the tree view.
  • Change the "Field" to "potential" and press OK.
  • Toggle the visibility of the SolverElmerResult object using Space and you should see something like this:

Now we can clearly see that potential distribution in and around the balls.

Note that when Apply Changes is on, you would have been able to select the "Field" in the clip dialog directly and not to reopen it after the plane was created.

Finding the Capacitance

  • 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 the 1.691 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.