CC BY
63
Шарапова О.Ю.
Аспирант, кафедра управление и системный анализ в теплоэнергетике, Самарский государственный технический университет
СРАВНЕНИЕ ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ ANSYS И CEDRAT FLUX НА ПРИМЕРЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ИНДУКЦИОННОЙ НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ НЕПРИРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ*
Аннотация
В статье рассмотрены функциональные возможности конечно-элементных программных комплексов ANSYS и Cedrat FLUX. Проведен сравнительный анализ результатов численного моделирования процессов сквозного индукционного нагрева металлических заготовок в установках непрерывного действия на базе данных программных продуктов.
Ключевые слова: численное моделирование, индукционный нагрев, температурное распределение, программный продукт, сравнительный анализ, ANSYS, Cedrat FLUX. Key words: numerical simulation, induction heating, temperature distribution, program product, comparative analysis, ANSYS, Cedrat FLUX.
Современное развитие ведущих отраслей тяжелой промышленности неразрывно связано с возрастающим применением электротермических процессов и установок. Сказанное в полной мере относится к процессам индукционного нагрева металла перед последующей обработкой давлением. Индукционные нагревательные установки (ИНУ) различного принципа дейсттвия являются сложными техническими объектами, в которых протекают физические процессы электромагнитной и тепловой природы.
В целях получения удовлетворительного по точности описания реальных процессов индукционного нагрева используется усложнённая система взаимосвязанных уравнений Максвелла и Фурье для электромагнитного и температурного полей, решение которой представляет собой большую самостоятельную проблему [1, 149]. При учёте краевых эффектов, всех существенных нелинейностей и других особенностей реальных объектов здесь уже не удаётся найти в явном виде точные аналитические выражения для пространственно-временных распределений температуры аналогичных тем, которые были получены для классических линейных моделей. Приближённое представление температурных полей в каждой конкретной ситуации можно получить различными способами в рамках гарантируемой ими точности.
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 конечно-элементных пакетов для расчета электромагнитных и тепловых процессов. 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 и др.
Явным лидером среди универсальных многоцелевых программных комплексов является наукоемкий программный пакет ANSYS. Многоцелевая направленность данного программного пакета, средства геометрического моделирования на базе B-сплайнов, полная совместимость с CAD/CAM/CAE системами и «дружеский» пользователю интерфейс привели к тому, что ANSYS широко используется во многих научно-исследовательских, проектных и производственных организациях.
Одним из основных достоинств пакета прикладных программ ANSYS является наличие встроенного алгоритмического языка APDL. Интуитивная ясность и простота в сочетании с широкими функциональными возможностями позволили APDL превратиться в мощное средство автоматизации всего цикла численного анализа сложных технических систем различной физической природы.
Среди специализированных продуктов, предназначенных для многопараметрического электромагнитного, теплового и электромеханического анализа, в последние годы заметно выделяется программный продукт Cedrat FLUX. Данный пакет предоставляет пользователю возможность симуляции статических, гармонических и переходных состояний для магнитных и электромагнитных приложений, включая механическую (кинематическую) и электрическую привязку к модели, и анализ тепловых процессов [2, 180]. Многопараметрические методы симуляции и интерфейсные возможности, реализованные в программном пакете FLUX, представляют значительные возможности для моделирования процессов индукционного нагрева, в том числе в ИНУ периодического и непрерывного действия.
Далее представлено сравнение основных функциональных возможностей, особенностей применения, преимуществ и недостатков данных программных продуктов применительно к задаче моделирования стационарного процесса нагрева стальных цилиндрических заготовок в проходной индукционной установке непрерывного действия, исходные данные по конструктивным характеристикам которой приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Исходные данные для численного моделирования ИНУ
Длина индуктора, м 1,300
Температура окружающей среды, 0С 20
Начальная температура заготовки, 0С 20
Скорость движения заготовки, мм/сек 5,67
Частота питающего тока, Гц 1000
Отношение длины индуктора к числу витков, м/виток 0,035
Напряжение источника питания, В 700
Внутренний диаметр катушки индуктора, мм 90
Поперечное сечение заготовки, мм 50
Материал заготовки Сталь (С45)
Сравнение результатов моделирования ИНУ в пакетах ANSYS и FLUX
Для объективного сравнение программных пакетов FLUX и ANSYS необходимо, чтобы создаваемые на их базе модели были максимально приближены друг к другу. Строгое соответствие данных моделей учитывалось не только при построении геометрии, но и при задании физических свойств материалов, описании граничных условий и выборе алгоритма совместного решения электромагнитной и тепловой задачи [3, 78].
На рисунке 1 представлены фрагменты геометрии и сетки модели, реализованные в программных пакетах FLUX и ANSYS.
Заготовка
Сечения
а б
Рисунок 1 - Фрагмент геометрии и сетки модели проходной ИНУ:
а - в пакете FLUX; б - в пакете ANSYS
Поскольку при моделировании проходной ИНУ необходимо совместное решение задачи электромагнитного и теплового анализа при условии движения заготовки относительно витков индуктора, на каждом временном шаге необходима перестройка геометрии и сетки модели. Реализовать поставленную задачу в предпроцессоре ANSYS с использованием стандартного набора опций, не представляется возможным, лишь встроенный в данный программный продукт алгоритмический язык APDL позволяет смоделировать проходную ИНУ [4, 88].
Для реализации вращательного и поступательного движения тела в электромагнитном поле в программном пакете FLUX существует специальный модуль Transient Magnetic, именно с помощью него была реализована модель проходной ИНУ.
Далее представлены результаты расчета моделей проходной ИНУ и проведен их сравнительный анализ. На рисунке 2 показано распределение температурного поля в столбе заготовок в индукционном нагревателе. Каждой из выделенных областей, на которые разбит столб заготовок, соответствует определенный диапазон температур. На выходе из индуктора располагается наиболее горячая область с наибольшим порядковым номером. На рисунке 3 представлены распределения температуры на поверхности заготовки и в ее центре по длине индуктора. На некоторых временных участках значения температур отличаются. Температура в центре заготовки в модели FLUX в среднем на 200С больше чем в ANSYS. Это может быть объяснено тем, что при задании электромагнитных свойств в ANSYS используется зависимость магнитной проницаемости от температуры, а во FLUX - магнитной индукции от напряженности магнитного поля.
tv
Твмшрат\ра?С Время (с):220
Обл / Знач
1 497,2-656,3
2 656,3-815,3
3 815,3-974,4
4 9744-1134
5 1134- 1293
6 1293 -1452
а б
а - температурное распределение во FLUX; б - температурное распределение в ANSYS Рисунок 2 - Распределение температурного поля заготовки Таким образом, сравнение полученных в ANSYS и FLUX результатов показало, что на всех этапах численного анализа температурное распределение качественно совпадает на всем протяжении процесса при незначительном количественном различии.
Существенными факторами, характеризующими возможности и эффективность применения численных моделей в целях оптимизации и управления электротехническими установками и системами, являются требования к аппаратному обеспечению и времени просчета. Минимальные требования, предъявляемые разработчиками программным комплексам FLUX и ANSYS, к аппаратной части компьютера при решении поставленной задачи приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Минимальные требования, предъявляемые к аппаратной части компьютера программными продуктами ANSYS и FLUX_
Элементы Flux V10 ANSYS 12.0
Характеристики
• Intel, AMD 32,64 bits • Intel® Pentium® 4, 2 ГГц; Intel® Xeon™,
Процессор • Многоядерный или одно- Core™; AMD Athlon™ 64
ядерный • 32 или 64 bits
Опер. память 1 Гб 2 Гб
Жесткий диск 10 Гб 30 Гб
Видео карта Видеопамять 256 Мб поддержка OpenGL 1.1.
Как видно из таблицы, для полноценной работы программного пакета ANSYS требуются компьютеры с более высокими системными характеристиками.
Для сравнения времени просчета представленных моделей ИНУ использовался компьютер с процессором Intel(R) Core(TM)2 Duo CPU T5250; 1,5 GHz 1,49 GHz; оперативной памятью 2000 Мбайт и объемом жесткого диска 150 Гбайт. На прямой однократ-
ный просчет ANSYS модели необходимо около 45 минут, а моделирование в пакете FLUX продолжается всего 20 минут, что повышает возможности использования FLUX моделей в оптимизационных процедурах.
т,°с т 1 1 " " г г 1 1 Т "Г 1 1 1
т 1 И ■ " г г т ~г г rV
г т 1 И ■ " г г и г.
т 1 И ■ " г ^Т--- _1---
т 1 Jj "Г Т 1 1 г
з[ i -т- У? 1 г
1 П " V п 1 г
/\ —Г" \ п 1 г
' 1 — 2- — — _1—
т 1 ' г т Т 1 п 1 г
Д\ t1\ 1 А А ^ 1 1 1 - 1 г 1 1 1 1 Т 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 г 1 1
/ .// 1 J 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 t п
0 20 40 60 30 100 120 140 160 ISO 200 220 1 - температура поверхности (ANSYS), 2 - температура центра (ANSYS);
3 - температура поверхности (FLUX), 4 - температура центра (FLUX) Рисунок 3 - Распределение температуры по длине индуктора
Заключение
При моделировании проходной ИНУ использовались получившие широкое распространение в мире программные комплексы, основанные на МКЭ: многоцелевой пакет проектирования и анализа ANSYS и специализированный программный пакет FLUX. Эти программные продукты не уступают друг другу в функциональности при решении совместных задач электромагнитного и теплового анализа.
В то же время ANSYS и FLUX обладают некоторыми существенными преимуществами. Программный продукт ANSYS обладает более удобным и гибким пользовательским интерфейсом, более широкими возможностями препроцессора, а главное — алгоритмическим языком APDL. Основным преимуществом FLUX является более высокая скорость выполнения численного нелинейного структурного анализа и относительная простота создания моделей.
Главным недостатком программного комплекса ANSYS являются повышенные требования, предъявляемые к аппаратному обеспечению для получения приемлемой скорости прямого просчета модели.
Существенным недостатком пакета FLUX является отсутствие алгоритмического языка для реализации решения задач, не предусмотренных фирмой производителем и не входящих в виде готовых физических модулей в предпроцессор, что существенно сужает области применения данного программного продукта.
*Работа выполнена при финансовой поддержке целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-13 гг.» (проект № 14.740.11.1282)
Литература
1. Рапопорт Э.Я. Оптимизация процессов индукционного нагрева металла. - М. Металлургия, 1993. - 279 с.
2. Шарапова О.Ю. Численное моделирование процесса периодического индукционного нагрева на базе конечно-элементного программного пакета FLUX // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Технические науки. - 2011. - №7 (28). - C. 180 - 185.
3. Плешивцева Ю.Э., Шарапова О.Ю., Медникова В.А. Сравнительный анализ программных продуктов ANSYS И Cedrat FLUX на примере моделирования проходной индукционной нагревательной установки // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Труды XIII международной конференции (15-17 июня 2011 г., Самара, Россия). - Самара: Самарский НЦ РАН, 2011. - С. 78-84.
4. E. Baake, K. Blinov, S. Korshikov, O. Sharapova Numerical simulation of multi-physics dynamic processes in induction heating systems granted by German Academic Exchange Service (DAAD) // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Труды XII международной конференции (21-23 июня 2010 г., Самара, Россия). - Самара: Самарский НЦ РАН, 2010. - С. 88-92.
