一種磁場-結(jié)構(gòu)場耦合計(jì)算中的異型網(wǎng)格間的電磁力密度傳遞方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種有限元網(wǎng)格之間的數(shù)據(jù)傳遞方法，尤其是一種磁場-結(jié)構(gòu)場耦合 計(jì)算中的異型網(wǎng)格間的電磁力密度傳遞方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于間接耦合求解方法的磁場-結(jié)構(gòu)場有限元數(shù)值計(jì)算，采用的基本步驟是：① 首先通過對磁場的有限元計(jì)算得到各個單元的電流密度J和磁感應(yīng)強(qiáng)度B，洛倫茲力f?可通 過公式f = JXB求解得到；②將f?作為載荷施加到結(jié)構(gòu)場；③最后通過結(jié)構(gòu)場有限元計(jì)算 得到應(yīng)力應(yīng)變分布情況。在此求解過程中從磁場到結(jié)構(gòu)場有限元網(wǎng)格間的電磁力密度傳遞 是影響計(jì)算精度較為重要的一個因素。然而，對于兩個物理場網(wǎng)格間的電磁力密度傳遞，最 突出的矛盾是如果兩個物理場分別采用的有限元網(wǎng)格形狀大小、剖分密度均不相同時則無 法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格間的逐一對應(yīng)映射。造成兩個物理場網(wǎng)格不匹配的主要原因有兩個：一是磁場 和結(jié)構(gòu)場對網(wǎng)格離散具有不同的特征要求；二是采用不同的專業(yè)計(jì)算軟件分別進(jìn)行磁場和 結(jié)構(gòu)場的仿真，而不同軟件對網(wǎng)格的離散策略不同。
[0003] 針對上述問題，傳統(tǒng)的處理方法分為兩種：①：采用在求解域內(nèi)施加平均載荷的 加載方式；②：兼顧磁場和結(jié)構(gòu)場的網(wǎng)格離散要求，建立統(tǒng)一的有限元模型，進(jìn)行網(wǎng)格之間 的逐一對應(yīng)映射。前者對于時域瞬態(tài)多物理場耦合問題的實(shí)時求解，這種加載方式顯然無 法滿足工程設(shè)計(jì)需要；而后者則必須同時兼顧不同物理場對網(wǎng)格形狀和精度的要求，導(dǎo)致 網(wǎng)格數(shù)量極大增加，引起計(jì)算量的增大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種磁場-結(jié)構(gòu)場耦合計(jì)算中的異型網(wǎng)格間 的電磁力密度傳遞方法，提出異型網(wǎng)格數(shù)據(jù)傳遞方法來處理磁場-結(jié)構(gòu)場耦合計(jì)算中整體 有限元模型不一致導(dǎo)致的網(wǎng)格間電磁力密度傳遞問題，解決磁場和結(jié)構(gòu)場對網(wǎng)格剖分精度 以及形狀不同需求的問題，可實(shí)現(xiàn)磁場和結(jié)構(gòu)場采用不同類型網(wǎng)格之間的電磁力密度傳 遞，大大減少了網(wǎng)格數(shù)量，提高了計(jì)算時間及精度。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0006] 一種磁場-結(jié)構(gòu)場耦合計(jì)算中的異型網(wǎng)格間的電磁力密度傳遞方法，包括以下步 驟：
[0007] 1)、建立電磁場計(jì)算有限元模型，網(wǎng)格形狀及大小根據(jù)研宄對象磁場分布特點(diǎn)而 定；
[0008] 2)、根據(jù)電磁場理論，對研宄對象進(jìn)行電磁場數(shù)值計(jì)算，分別得到各單元的電流密 度J和磁感應(yīng)強(qiáng)度B ;
[0009] 3)、再次建立研宄對象在結(jié)構(gòu)場計(jì)算中的幾何模型，根據(jù)力學(xué)理論中應(yīng)力分布特 點(diǎn)，將模型離散為形狀及大小均不同于電磁場的有限元網(wǎng)格；
[0010] 4)、讀取結(jié)構(gòu)場有限元模型中各單元重心的坐標(biāo)Mid，rii，q);
[0011] 5)、在電磁場有限元模型中，根據(jù)坐標(biāo)值找到對應(yīng)結(jié)構(gòu)場中各單元重心的點(diǎn) M/ (xi； Zi)；
[0012] 6)、通過插值得到M/ (Xi，yi，Zi)的J和B，再根據(jù)公式f = JXB得到該點(diǎn)的f?值；
[0013] 7)、讀取各重心點(diǎn)f值施加到結(jié)構(gòu)場中各單元；
[0014] 從而得到結(jié)構(gòu)場中各單元電磁力密度載荷。
[0015] 步驟1)和步驟3)中，在磁場和結(jié)構(gòu)場計(jì)算中，分別根據(jù)磁場和結(jié)構(gòu)場分布特點(diǎn)， 建立不同的有限元模型，網(wǎng)格離散形狀及大小均不相同。
[0016] 步驟4)-步驟7)中，通過讀取結(jié)構(gòu)場中各單元重心坐標(biāo)確定各重心點(diǎn)在磁場單元 中位置，通過在磁場有限元模型中的插值計(jì)算得到這些點(diǎn)的電流密度J和磁感應(yīng)強(qiáng)度B，并 通過（JXB)得到各重心點(diǎn)電磁力密度，將電磁力密度映射到結(jié)構(gòu)場有限元模型的各單元 上作為載荷，進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分布情況的求解。
[0017] 本發(fā)明一種磁場-結(jié)構(gòu)場耦合計(jì)算中的異型網(wǎng)格間的電磁力密度傳遞方法，技術(shù) 效果如下：
[0018] 允許在不同物理場求解時，模型以最適合控制方程求解特征的方式離散，所有單 元和節(jié)點(diǎn)不要求逐一匹配，而是讀取單元重心坐標(biāo)及數(shù)據(jù)插值等方式來實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)格間的 數(shù)據(jù)傳遞；在針對電磁裝置的磁場、結(jié)構(gòu)場間接耦合數(shù)值計(jì)算中，提出異型網(wǎng)格電磁力密度 傳遞方法，可解決磁場和結(jié)構(gòu)場對網(wǎng)格剖分精度以及形狀不同需求的問題，可實(shí)現(xiàn)磁場和 結(jié)構(gòu)場采用不同類型網(wǎng)格之間的數(shù)據(jù)傳遞，大大減少了網(wǎng)格數(shù)量，提高了計(jì)算時間及精度。
[0019] 除用于解決磁場-結(jié)構(gòu)場的耦合場計(jì)算，還可以推廣至其他物理場（如磁-熱耦 合等）之間的間接耦合數(shù)值計(jì)算，即磁場計(jì)算得到各單元功率損耗密度，需將該數(shù)據(jù)傳遞 至熱場作為熱源載荷進(jìn)行溫度分布計(jì)算，磁場與熱場網(wǎng)格離散策略也不同，因此同樣需要 實(shí)現(xiàn)不匹配網(wǎng)格間的電磁力密度傳遞傳遞，可借鑒本發(fā)明提出的方法實(shí)現(xiàn)。
【附圖說明】
[0020] 圖1 (a)是本發(fā)明步驟1)中磁場計(jì)算時采用四面體單元的示意圖；
[0021] 圖1 (b)是本發(fā)明步驟3)中結(jié)構(gòu)場計(jì)算時采用六面體單元的示意圖；
[0022] 圖2是本發(fā)明步驟4)-步驟7)中電磁力密度傳遞過程示意圖。 圖3是實(shí)施例中所述電樞的幾何尺寸圖； 圖4是實(shí)施例中所述導(dǎo)軌所施加脈沖電流圖； 圖5是實(shí)施例中所述電流密度J和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] -種磁場-結(jié)構(gòu)場耦合計(jì)算中的異型網(wǎng)格間的電磁力密度傳遞方法，包括以下步 驟：
[0024] 1):建立電磁場計(jì)算有限元模型，根據(jù)研宄對象的磁場分布特點(diǎn)確定網(wǎng)格離散形 狀及大小。
[0025] 2):根據(jù)電磁場理論，對研宄對象進(jìn)行電磁場方程（1)、⑵進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，再根據(jù) 公式（3)，分別得到各單元的電流密度J和磁感應(yīng)強(qiáng)度B :
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種磁場-結(jié)構(gòu)場耦合計(jì)算中的異型網(wǎng)格間的電磁力密度傳遞方法，其特征在于包 括以下步驟： 1) 、建立電磁場計(jì)算有限元模型，網(wǎng)格形狀及大小根據(jù)研宄對象磁場分布特點(diǎn)而定； 2) 、根據(jù)電磁場理論，對研宄對象進(jìn)行電磁場數(shù)值計(jì)算，分別得到各單元的電流密度J 和磁感應(yīng)強(qiáng)度B ; 3) 、再次建立研宄對象在結(jié)構(gòu)場計(jì)算中的幾何模型，根據(jù)力學(xué)理論中應(yīng)力分布特點(diǎn)，將 模型離散為形狀及大小均不同于電磁場的有限元網(wǎng)格； 4) 、讀取結(jié)構(gòu)場有限元模型中各單元重心的坐標(biāo)MiUi, Iii, Gi); 5) 、在電磁場有限元模型中，根據(jù)坐標(biāo)值找到對應(yīng)結(jié)構(gòu)場中各單元重心的點(diǎn) M/ (xi； Yi, Zi)； 6) 、通過插值得到M/ (Xi，yi，Zi)的J和B，再根據(jù)公式f = JXB得到該點(diǎn)的f?值； 7) 、讀取各重心點(diǎn)f值施加到結(jié)構(gòu)場中各單元； 從而得到結(jié)構(gòu)場中各單元電磁力密度載荷。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種磁場-結(jié)構(gòu)場耦合計(jì)算中的異型網(wǎng)格間的電磁力密度傳遞 方法，其特征在于，步驟1)和步驟3)中，在磁場和結(jié)構(gòu)場計(jì)算中，分別根據(jù)磁場和結(jié)構(gòu)場分 布特點(diǎn)，建立不同的有限元模型，網(wǎng)格離散形狀及大小均不相同。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述磁場-結(jié)構(gòu)場耦合計(jì)算中的異型網(wǎng)格間的電磁力密度傳遞方 法，其特征在于，步驟4)-步驟7)中，通過讀取結(jié)構(gòu)場中各單元重心坐標(biāo)確定各重心點(diǎn)在磁 場單元中位置，通過在磁場有限元模型中的插值計(jì)算得到這些點(diǎn)的電流密度J和磁感應(yīng)強(qiáng) 度B，并通過（JXB)得到各重心點(diǎn)電磁力密度，將電磁力密度映射到結(jié)構(gòu)場有限元模型的 各單元上作為載荷，進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分布情況的求解。
4. 一種磁場-結(jié)構(gòu)場耦合計(jì)算中的異型網(wǎng)格間的電磁力密度傳遞方法，其特征在于， 用于磁場-熱場耦合之間的間接耦合數(shù)值計(jì)算。
【專利摘要】一種磁場-結(jié)構(gòu)場耦合計(jì)算中的異型網(wǎng)格間的電磁力密度傳遞方法，建立電磁場計(jì)算有限元模型，網(wǎng)格形狀及大小根據(jù)研究對象磁場分布特點(diǎn)而定；對研究對象進(jìn)行電磁場數(shù)值計(jì)算，分別得到各單元的電流密度J和磁感應(yīng)強(qiáng)度B；再次建立研究對象在結(jié)構(gòu)場計(jì)算中的幾何模型，將模型離散為形狀及大小均不同于電磁場的有限元網(wǎng)格；讀取結(jié)構(gòu)場有限元模型中各單元重心的坐標(biāo)Mi(ξi,ηi,ζi)；根據(jù)坐標(biāo)值找到對應(yīng)結(jié)構(gòu)場中各單元重心的點(diǎn)Mi'(xi,yi,zi)；通過插值得到Mi'(xi,yi,zi)的J和B，根據(jù)公式f＝J×B得到該點(diǎn)電磁力密度f值；讀取各重心點(diǎn)f值作為載荷施加到結(jié)構(gòu)場中各單元進(jìn)行求解計(jì)算，得到應(yīng)力分布結(jié)果。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)磁場和結(jié)構(gòu)場采用不同類型網(wǎng)格之間的數(shù)據(jù)傳遞，提高了計(jì)算時間及精度。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104809297
【申請?zhí)枴緾N201510219130
【發(fā)明人】張宇嬌, 秦威南, 黃雄峰
【申請人】三峽大學(xué)
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年4月30日