FEM Example Capacitance Two Balls/pl

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.

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:

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

• Naszym faktycznym celem jest znalezienie pojemności, która jest zawarta w dokumencie SolverElmerOutput.
• Dwukrotnie kliknij na dokumencie SolverElmerOutput aby go otworzyć. Przewiń w dół aż znajdziesz:

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

• Tutaj naszym poszukiwanym wynikiem jest C12 = 1.69328. Ta wartość jest zbliżona do wartości 1.691 podanej w dokumencie Elmer GUI Tutorials. Możemy uzyskać jeszcze dokładniejszy wynik poprzez użycie większego zagęszczenia siatki, ale to pozostawiamy użytkownikowi. Zalecamy też przetestowanie filtra przycinania aby uzyskać wizualny wynik podobny do pierwszego rysunku w tym przykładzie.